El ensayo de dureza

Ensayos de Dureza

El ensayo de dureza es, juntamente con el de tracción, uno de los más empleados en la selección y control de calidad de los metales. Intrínsecamente la dureza es una condición de la superficie del material y no representa ninguna propiedad fundamental de la materia. Se evalúa convencionalmente por dos procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de una herramienta de determinada geometría.

El ensayo de dureza es simple, de alto rendimiento ya que no destruye la muestra y particularmente útil para evaluar propiedades de los diferentes componentes microestructurales del material.

Los métodos existentes para la medición de la dureza se distinguen básicamente por la forma de la herramienta empleada (penetrador), por las condiciones de aplicación de la carga y por la propia forma de calcular (definir) la dureza. La elección del método para determinar la dureza depende de factores tales como tipo, dimensiones de la muestra y espesor de la misma.

Objetivos

Obtener características mecánicas importantes en forma rápida y no destructiva que se permita realizar en piezas ya elaboradas.

Determinar experimentalmente la dureza Brinell y estudiar su campo de aplicación.

Determinar experimentalmente la dureza Rockwell y estudiar su campo de aplicación.

Marco Teórico

Dureza: 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.

Mediante el estudio de la dureza de un material se evalúa, en parte, la estructura atómica del mismo pues es la expresión de su enlace más débil.

La dureza es una forma de evaluación de la reacción de una estructura cristalina a una tensión sin rotura. En los cristales con enlaces metálicos, que pueden fluir plásticamente, el rayado da lugar a una ranura o surco. Por el contrario, en materiales frágiles el rayado es la manifestación de una microfractura.

Escalas de Dureza

Escala de Mohs

El grado de dureza se mide en mineralogía por comparación, determinándose la facilidad o dificultad en que un mineral es rayado por otro. Un mineral blando siempre es rayado por cualquier mineral más duro y nunca al revés.

Numéricamente esta dureza relativa, designada por H, se establece gracias a la escala de diez minerales corrientes definida por F. Mohsen 1824.

Dureza Mineral

1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)

2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad)

3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre)

4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)

5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo)

6 Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero)

7 Cuarzo, (raya el vidrio)

8 Topacio,

9 Corindón, (sólo se raya mediante diamante)

10 Diamante, (el mineral natural más duro)

Dureza Brinell:

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. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más antiguo.

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. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material.

El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión:

donde: : carga a utilizar

: constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros).

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

Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.

Fórmula aplicada

Para determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente ecuación:

donde:

: carga a utilizar medida

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

: diámetro de la huella en superficie en [mm].

Valores típicos

El valor HB suele ser menor que 600.

Acero (blando): 120 HB

Acero de herramientas: 500 HB

Acero inoxidable: 250 HB

Aluminio: 15 HB

Cobre: 35 HB

Madera: entre 1 HB y 7 HB

Vidrio: 550 HB

Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza standard.

Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.

La dureza Rockwell o 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 muy simple de llevar a cabo 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, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros.

El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material.

Escalas de dureza Rockwell

Símbolo de la escala Penetrador Carga mayor (kg) Aplicaciones

A Diamante 60 Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

B Esfera de 1/16 pulgada 100 Aceros recocidos y normalizados.

C Diamante 150 Aceros tratados térmicamente.

D Diamante 100 Aceros cementados.

E Esfera de 1/8 pulgada 100 Metales blandos y antifricción.

F Esfera de 1/16 pulgada 60 Bronce recocido.

G Esfera de 1/16 pulgada 150 Bronce fosforoso y otros materiales.

H Esfera de 1/8 pulgada 60 Metales blandos con poca homogeneidad, fundiciones con base hierro.

K Esfera de 1/8 pulgada 150 Aplicaciones análogas al tipo anterior.

Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.

Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.

Dureza Shore:Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.

Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor.

El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide dediamante con un ángulo base de 136º.

Se emplea para láminas delgadas hasta 0,15 mm (0.006 pulgadas) y no se lee directamente en la máquina. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula: HV = (1.8544 * F) / d2

Este ensayo constituye una mejora al ensayo de dureza Brinell. Se presiona el indentador contra una probeta, bajo cargas más ligeras que las utilizadas en el ensayo Brinell. Se miden las diagonales de la impresión cuadrada y se halla el promedio para aplicar la fórmula antes mencionada.

Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso deser inferior, se suele usar el ensayo de dureza Brinell). Este ensayo, además, puede usarse en superficies no planas. Sirve para medir todo tipo de dureza, y espesores pequeños. (Aunque si el material es muy blando, se usa el método de Brinell)

Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell

Conclusiones

El ensayo Rockwell es uno de los más utilizados, porque no constituye una gran pérdida de material, incluso es posible reutilizar la pieza.

Este tipo de ensayo es fácil de llevar a cabo, porque no implica mayores cálculos matemáticos y el resultado de cada ensayo se obtiene de la directa lectura del dial.

Es un ensayo que nos deja como resultado, después del cálculo de la media aritmética, un valor bastante exacto sobre la dureza del material.

El ensayo Rockwell es de amplia aplicación pues se puede utilizar tanto en materiales duros como blandos.

Es fácil el reconocimiento de resultados erróneos, porque varía mucho la lectura entre un ensayo y otro.

Es fácil determinar si hemos aplicado a una pieza, una fuerza de una escala que no corresponde, porque los resultados no están dentro del campo de validez de la escala. Por ejemplo lo ocurrido con la pieza # 6 (acero 1020) cuya media aritmética fue 7,5 HRc, siendo el campo de validez de esta escala de 20 a 71 HRc.

Se conoció y aprendió a utilizar una máquina de dureza Rockwell.

Se logró determinar la dureza Rockwell en las escalas B y C , en los materiales entregados en laboratorio.

Por la rapidez y sencillez de los ensayos se pueden efectuar numerosos en muy poco tiempo y así verificar la autenticidad de los resultados.

Práctica de Laboratorio

Dureza Rockwell C

Probeta Acero Rápido: (66+67+66.5)/3=66.5 HRC

Probeta Acero Templado: (57+55.5+56)/3=56.16 HRC

Dureza Rockwell B

Probeta Acero Dulce: (40+39+38.5)/3=39.16 HRB

Probeta Fundición: (33.5+34.5+34.9)/3=34.3 HRB

Dureza Brinell: P=a*D^2 A= π/2 D(D-√(D^2-d^2 ) HB=P/A

Probeta Fundición: a = 30

P=30*〖10〗^2=3000 En laboratorio usaremos: 2500

A= π/2 10(10-√(〖10〗^2-〖4.24〗^(2 ) )=14.81 A= π/2 10(10-√(〖10〗^2-〖4.30〗^(2 ) )= 15.26

HB=2500/14.81= 168.8 HB HB=2500/15.26= 163.83 HB

HB = (168.8 + 163.83)/ 2 = 166.32 HB 10/2500/10

Probeta Aluminio: a = 10

P=10*〖10〗^2=1000

A= π/2 10(10-√(〖10〗^2-5^(2 ) )= 21 A= π/2 10(10-√(〖10〗^2-〖5.15〗^(2 ) )= 22.43

HB=1000/21= 47.62 HB=1000/22.43= 44.58

HB = (47.62 + 44.58)/ 2 = 46.10 HB 10/1000/10

Probeta Bronce: a= 10

P=10*〖10〗^2=1000

A= π/2 10(10-√(〖10〗^2-〖4.2〗^(2 ) )=14.53 A= π/2 10(10-√(〖10〗^2-〖4.3〗^(2 ) )= 15.26

HB=1000/14.53= 68.82 HB=1000/15.26= 65.53

HB = (68.82 + 65.53)/ 2 = 67.18 HB 10/1000/10

...