Objetiv Os

1. Objetivos

Conocer el funcionamiento de una maquina universal para ensayos o pruebas mecánicas de materiales, así como lugares de aplicación de esta máquina en la industria.

Reafirmar los conocimientos adquiridos del manejo de la maquina universal, y que el alumno adquiera destreza en el manejo de la misma desarrollando pruebas o ensayos durante el presente curso.

Conocer y profundizar los conocimientos sobre la dureza como propiedad mecánica de los materiales.

2. Fundamento teórico

DEFINICION:

Se entiende por dureza a la propiedad de un material que consiste en resistir la

deformación elástica, plástica y destrucción, por esfuerzo de contacto locales

aplicado por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residual (por

ejemplo un indentador de diamante) de determinada forma y dimensiones. Dicho

de otra manera la dureza es una propiedad mecánica de los materiales consistente en

la dificultad que existe para rayar (mineralogía) o crear marcas en la superficie mediante

micropenetración de una punta (penetrabilidad).

Por lo tanto se puede concluir que:

Los métodos de dureza por indentación suponen la presencia de esfuerzos

de contacto, por lo tanto la dureza puede ser cuantificada como tal.

El indentador o penetrador no debe sufrir deformaciones residuales.

DUREZA BRINELL:

Es el método de dureza más antiguo, propuesto por el sueco Johan August Brinell

en el año 1990.

Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el

método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a

estudiar.

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras

delgadas. El indentador usado es una bola de acero templado de diferentes

diámetros D: 2,5; 5 ó 10 mm. La bola penetra dejando una marca, cuyo

diámetro (d) se mide con un dispositivo ampliador óptico.

La dureza Brinell es un valor adimensional resultante de:

HB= 2P

πD (D−√D2−d2)

Donde:

P: carga a utilizar medida en kgf.

D: diámetro de la bola (indentador) medida en mm.

d: diámetro medio de la huella (mm)

Figura 4: Esquema de la aplicaciónde carga

Siendo S la superficie de la huella (casquete esférico). P es la fuerza con que la bola se

comprime contra la superficie del material y se expresa en kg fuerza y S en mm2

No es recomendable para piezas cilíndricas y esféricas. Se cometen grandes errores en la

medida del diámetro de la huella cuando la deformación es pequeña. Únicamente es

aplicable en el caso de materiales de durezas no muy altas, que sean inferiores a la del

penetrador

La carga a aplicar depende del material a probar y del cuadrado del diámetro de la bola

del penetrador F= K. D2 (K: constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio,

magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros).

El tiempo de aplicación de la carga depende del material que se ensaya y oscila entre 10

segundos y 3 minutos. Cuanto más duro es el material, menor será el tiempo de aplicación

(para aceros oscila entre 10 y 30 segundos).

DUREZA ROCKWEL:

El ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir,

la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell

constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es un ensayo

ESPESOR DELA

PROBETA

DIAMETRODE LABOLA

CONSTATES DE ENSAYO K

30 10 5 2.5 1.25

CARGAS EN KG

30D2 10D2 5D2 2.5D2 1.25D2

Superior a 6mm 10 3000 1000 500 250 125

De 6 mm a 3 mm 5 750 250 125 62.5 31.2

Menor de 3mm 2.5 187.5 62.5 31.2 15.6 7.8

1.25 46.9 15.6 7.81 3.91 1.99

Tabla 3: Diámetro de las bolas y presiones empleadas-método Brinell

no destructivo (permite seguir usando la pieza para sus fines comunes) y no

requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que

provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas,

lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de

penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de

1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, las cuales de usan para materiales semiduros y blandos, y

un penetrador cónico de diamante con un vértice redondeado el cual se utiliza

para los materiales más duros.

En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la

medida de la profundidad, en milímetros, de la huella de acuerdo con el modelo,

esto en diferencia con los otros ensayos que miden la dureza en relación a la

superficie de la huella:

HR=A− L0.002

Donde

A: toma el valor de 100 para dureza Rockwell C y 130 para dureza Rockwell B.

L: la profundidad en mm

NUMERO DE DUREZA ROCKWELL: es un número obtenido por la profundidad

de la huella; el cual proviene cuando se aumenta la carga sobre un penetrador.

Los números de dureza Rockwell se expresan siempre con un símbolo de escala,

que indica el penetrador y la carga utilizada.

EJEMPLO: 60 HRC indica un valor de dureza Rockwell 60 medido en la escala C.

Penetradores:

PENETRADOR DE DIAMANTE.

Este tipo de penetrador debe emplearse en pruebas de dureza para las escalas A, C y D.

La punta es un casquete esférico con un radio de 0.200 +/- 0.002mm.

La forma del casquete y el valor del radio del penetrador tienen una influencia importante

en el valor de la dureza obtenida

PENETRADOR ESFERICO DE ACERO

Este tipo de penetrador debe emplearse en los ensayos de dureza para las escalas B, E Y F.

Consiste en un balín de acero templado con una superficie finamente pulida.

Debe eliminarse y anularse la prueba si presenta una deformación mayor a la tolerancia

indicada anteriormente o cualquier otro defecto superficial.

La siguiente es una tabla simplificada de los materiales más comunes que se

miden con Rockwell.

Tabla 1: Materiales usados comúnmente con Rockwell

H

B

Penetrado

r

Cargas (kgf)Material

Adicional Total

BBolilla

1/16”90 100

Acero blando. Aleaciones de Cu y Al.

Fundición maleable

C Cono 140 150 Acero de alta dureza. Fundición perlítica.

Tabla 2.1: Escalas de dureza Rockwell

DUREZA VICKERS:

La dureza Vickers es similar a la Brinell ya que se obtiene del cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta.

En la técnica de ensayo de dureza Vickers, el indentador es una pirámide cuadrada de diamante con ángulo 136º, sobre el que se aplica una carga pre-establecida, normalmente mucho menor en las técnicas Rockwell y Brinell. Se miden al microscopio las diagonales de la huella generada y se determina la dureza Vickers como la relación entre la carga y la superficie de la huella, mediante la expresión:

HV=1.8544 P

d2 (kgf/mm2)

Donde:

P: Carga en kgf.

D: Promedio de las dos diagonales de la huella en mm.

La dureza Vickers tiene muy poca variación en función de la carga aplicada. En

cualquier caso, a la hora de expresar el valor de dureza Vickers, se indica la carga

empleada, junto al valor numérico obtenido. Por ejemplo, si aplicando 5 kg de

carga se obtiene una dureza de 290, se expresará como HV 290 /5.

Figura 3: Penetrador de diamante

DUREZA SHORE:

Mediante este método la dureza se mede por la altura que alcanza el rebote de

un cuerpo al caer de una altura fija sobre la superficie del material que se

ensaya. La maquina o equipo usado para medir esta dureza es el Esclerómetro

o Escleroscopio SHORE; que consta de un martillo, el cual tiene forma

cilíndrica con punta de diamante redondeada. Este durómetro no produce

huella en el material ensayado.

3. Terminología aplicable

dureza

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.

durometro

Un durómetro es un aparato que mide la dureza de los materiales, existiendo varios

procedimientos para efectuar esta medición.

Los más utilizados son los de Rockwell, Brinell, Vickers y Microvickers. Se aplica una fuerza

normalizada sobre un elemento penetrador, también normalizado, que produce una huella

Figura 6: Durómetro Shore

sobre el material. En función del grado de profundidad o tamaño de la huella, obtendremos la

dureza.

impronta

La impronta o intentacion es la impresión, huella o marca dejada por una persona u objeto. Se trata de una señal o característica peculiar y distintiva. 

4. Referencias

Norma astm e018 para el ensayo de dureza rockwell

Indentadores de diamante Rockwell:

La norma E18-07 y posteriores versiones requieren que los indentadores de diamante Rockwell deben ser geométricamente verificados. Las prestaciones de los diamentes han sido aumentadas y ahora todos los indentadores de diamantes de todas las escalas deben disponer de trazabilidad con el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST por sus siglas en inglés).

Indentadores Rockwell de bola:

La norma E18 y posteriores versiones añaden la verificación de las características del indentador como nueva exigencia. Versiones anteriores de la norma ASTM no exigían a los fabricantes que verificaran las características de los indentadores de bola. El impacto de estos cambios hace que todos los indentadores de bolas previos a la E18-07 sean obsoletos y debe obtener nuevas bolas que cumplan con las nuevas exigencias de la ASTM.

Durómetros Rockwell:

Con todas las modificaciones en los bloques patrón e indentadores, su durómetro Rockwell debe ser re calibrado según ASTM E18-07 o superior para resultados correctos.

Norma astm e010 para el ensayo de dureza brinell

El estándar ASTM E 10-78 define la dureza Brinell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza una bola endurecida, bajo condiciones específicas, contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga.

La norma contiene descripción del método de ensayo (Método de Prueba A) que se refiere a la determinación de la dureza Brinell de materiales metálicos, incluyendo métodos para la verificación de máquinas de ensayo de dureza Brinell (Método de prueba B) y la calibración del estándar dureza de los bloques de ensayo (Método de Ensayo C). Los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como la estándar. En la terminología común, la fuerza equivalente en kgf es sustituido por N.

Esta norma no pretende tratar todos los problemas de seguridad, en su caso, asociados con su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma establecer la adecuada seguridad y prácticas de salud y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso.

Norma astm e092 para el ensayo de dureza vickers

Este método de ensayo cubre la determinación de la dureza vickers de los materiales metálicos, utilizando fuerzas aplicadas a 1 kgf a 120 kgf, la verificación de maquinas de ensayo de dureza vickers y la calibración de la prueba de bloques de dureza estandarizada.

Dos clases generales de las pruebas estándar son reconocidos:

Verificación de laboratorio donde se requiere un alto grado de precisión

Las pruebas de rutina, donde un grado algo menor de precisión es permisible, esta norma no pretende señalar todos los problemas de seguridad.

Es responsabilidad del usuario establecer apropiadamente las practicas de seguridad y salud para determinar la aplicabilidad de limitaciones reglamentarias antes de su uso.

5. Recursos (equipos empleados)

Dureza brinell

Figura 7: Durómetro Brinell y sus componentes

Dureza rockwell

Figura 7: Durómetro Rockwell y sus componentes

Figura 7: penetrador con bola de carburo de tungsteno de 10mm

Durómetro Vickers

Marca: “LEITZ – WETZLAR”País de fabricación: AlemaniaRango de medición: HV 10- HV 2500.

Donde:

1: Aluminio2: Cobre3: Bronce4: Acero dulce5: Acero construcción

1 5432

Figura 8: Muestras de los diversos materiales que van ser estudiados en el ensayo

Figura 7: Durómetro Vickers y sus componentes

Durómetro shore

Materiales:

o Bronce

o Acero SAE 1045

o Material no identificado

6. Procedimiento de ensayo

Ensayo de dureza brinell

para obtener la dureza brinell de la superficie de un material se presiona una bola

de acero de diámetro D contra la probeta que es colocada sobre el yunque y es

elvada para establecer contacto con la bola

Luego se retira la carga P y se mide el diámetro de la impronta dejada con ayuda

de un microscopio.

Figura 7: Durómetro Shore y sus componentes

El valor de los diámetros se reemplaza en la formula de trabajo para obtener el

valor de la dureza brinell.

Ensayo de dureza rockwell

Primero antes de comenzar el ensayo es verificar que la manivela o

disparador f, se encuentre en una posición tal que trabe la palanca que está

vinculada a las pesas, para evitar que el esfuerzo de carga P1 se transmita

antes de comenzar el ensayo.

La precarga se fijo para el método Rockwell Standard en 10 Kgf. Para su

aplicación se eleva, mediante el giro del volante b (a mano). Se llega al valor

de la carga inicial por la contracción de un resorte que acciona una pequeña

aguja secundaria, que a medida que se presiona la probeta contra el

penetrador, esta pequeña aguja tiende a alinearse con el punto o índice que

esta posee a un costado. Cuando están

perfectamente alineados, significa que estamos

aplicando la carga inicial de 10 Kgf.

Una vez aplicada la precarga procedemos a aplicar la carga mayor

accionando la palanca de operación sin impacto y dejando que gire

libremente. Se retira la carga mayor llevando la palanca de operación de

Figura 11: La muestra siendo alistada para aplicar la carga

regreso a la posición original dentro de los 2 segundos siguientes después de

que su movimiento ha cesado sin interrumpirla maniobra de regreso.

Debe considerarse la dureza Rockwell como la lectura del indicador en la

escala apropiada de la carátula, después de que se ha quitado la carga mayor

y mientras la carga menor aún está actuando.

Ensayo de dureza vickers

Primero se fija la muestra con la ayuda de la prensa manual.

Luego la carga es aplicada por medio de un juego de palancas que mueven

una leva.

Se mantiene la carga durante un cierto tiempo (por lo general 15 segundos).

Se enfoca con el microscopio sobre la huella a la vez que se levanta el

diamante. La huella formada es muy pequeña y sus bordes forman en la

superficie ensayada un cuadrado cuyas diagonales se miden en una retícula

graduada.

El valor medio de las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la

formula para obtener el valor de la dureza Vickers

7. resultados

Figura 15: Aplicación de la carga sobre la muestra

7.1. Ensayo de dureza brinell

El acero fundido tenia forma cilindrica y las mediciones arrojarón lo siguiente:

Diametro de la huella:

1. 4.49 mm

2. 3.86 mm

3. 4.14 mm

4. 3.90 mm

El tiempo de aplicación de la carga de 300kg.f fue de 38 segundos y el diametro del penetrador de carburo de tungsteno fue 10 milimetros.

7.2. Ensayo de dureza rockwell

Se procede a calcular la profundidad de penetración hecha por cada material, mediante la siguiente fórmula:

h = (130-HR) x0.002 (mm)

Profundidad de penetración

1era medida 2da medida 3era medida

Aluminio F 60 1/16. 56 63 58 59

Bronce G 150 1/16. 53 53 55 53.7

Acero 1010 B 100 1/16. 79 83 79 83.3

Acero 1045 B 100 1/16. 89 92 96 92.3

Cobre E 100 1/8. 96 99 96 97

DurezaPromedio (HRB,HRE,HRF,HRG)Material Escala Carga (kg) Identor

Material Dureza Promedio Profundidad de penetracion Resultado (mm)

Aluminio 59 (130-59)x0.002 0.142

Bronce 53.7 (130-53.7)x0.002 0.1526

Acero 1010 83.3 (130-83.3)x0.002 0.0934

Acero 1045 92.3 (130-92.3)x0.002 0.0754

Cobre 97 (130-97)x0.002 0.066

7.3. Ensayo de dureza vickers

Pesa utilizada: 0.2kg <> 200g

Para calcular la dureza con el método Vickers se utiliza la siguiente formula:

HV= 1.8544 P/d2

8.C

onclusiones

Los materiales que presentan carbono, tienen la proporcionalidad directa de dureza con la cantidad y/o porcentaje de la misma en su composición; es así que el carbono nos brinda tanto dureza, como también poseer un bajo peso.

Las pruebas realizadas son en cierta medida favorables en la obtención de resultados, ya que nos brindan una idea de las propiedades mecánicas de los

D1 D2 D1 D2 D1 D2

material no itentificado 30 31.5 31 31

Bronce 54 52 54 54 53 54.5

Acero SAE 1045 44.5 45.5 45 44.5

1era medida (micras) 2da medida (micras) 3era medida (micras)

Material d1(µ) d2 (µ) d (mm) Peso (kgf) Dureza (HV)

Material no identificado 30 31.5 0.03075 0.2 392.23

Bronce 53 54.5 0.05375 0.2 128.37

Acero SAE 1045 45.5 44.5 0.045 0.2 183.15

materiales y por ende son confiables en la forma de medir la dureza mediante los ensayos.

9.

Recomendaciones

En los dos tipos de penetrador de dureza rockwell debe evitarse la acumulación en

el penetrador de: polvo, tierra, grasa o capas de óxidos, dado que esto afecta los

resultados de la prueba.

Por último, señalar que todo lo anteriormente expuesto respecto a principios

tecnológicos de las diferentes durezas se encuentra en la actualidad muy

simplificado debido al avance tecnológico aportado por la electrónica e

informática, que nos permitir obtener digital y directamente las mediciones que

precisemos.