ENSAYOS Y METALOGRAFIA ENSAYO DE DUREZA

ENSAYOS Y METALOGRAFIA

ENSAYO DE DUREZA

1-CONCEPTO

La dureza de un material es la capacidad de un material de rayar a otro sin ser rayado por éste.

Un valor de dureza obtenido por cualquier método no puede aplicarse directamente al diseño mecánico (como ocurre con la tensión límite) ya que no representa un significado intrínseco del material sino que sólo permite establecer comparaciones de esta propiedad (siempre y cuando los valores hayan sido obtenidos por el mismo método y bajo las mismas condiciones).

No es una propiedad fundamental del material sino que está relacionada a las propiedades elásticas y plásticas del mismo. El tratamiento térmico de un metal suele producir variación en su dureza.

2- MÉTODOS DE ENSAYO DE DUREZA . PRINCIPIOS

Existen diferentes métodos de ensayo. que se pueden dividir en tres principios:

Dureza elástica. Medida mediante pruebas de rebote, que sólo caracteriza la energía que absorbe el material en su período elástico. Se toman valores mediante un escleroscopio.

Resistencia al corte/abrasión. Establece entre qué valores de la escala de Mohs se encuentra el material rayándolo con materiales conocidos. Otros métodos se basan en la aplicación de una lima de geometría determinada con una carga y ángulo especificados. La escala de Mohs establece un puntaje para 10 materiales característicos de 1 a 10: talco, yeso, caliza, espato fluor, apatita, feldespato, cuarzo, topacio, corindon, diamante

Resistencia a la indentación. Este es el principio en que se basan todos los métodos de ensayo que se utilizan en mecánica y metalurgia y que nos ocupan en este caso Se basan en imprimir en la pieza a ensayar, que se encuentra en reposo, un penetrador de geometría conocida con una carga aplicada cuasiestáticamente. Están basados en la medición de la impresión como medida de la resistencia a la penetración. Algunos como Brinell, Vickers, Knoop miden la impresión luego de retirada la carga, en el caso del método Rockwell se trabaja con dos cargas (como luego se detallará lo cual tiene en cuenta además la recuperación elástica del material)

2.1.- MÉTODOS BASADOS EN INDENTACION

El valor obtenido de un ensayo de dureza sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos pero puede ser utilizado para estimar aproximadamente otras propiedades mecánicas.

Los ensayos de dureza tienen amplia aplicación en inspección y control. Cuando se establece el valor de dureza de un material o de un tratamiento térmico o proceso determinado ese valor proporcionará una referencia para un procedimiento de control rápido y sencillo del material, tratamiento o proceso particulares.

2.1.1.- BRINELL

El sistema está constituido por una prensa hidráulica vertical que introduce un penetrador en forma de bolilla de acero en la probeta.

Se calcula el valor de dureza Brinell como el cociente entre la carga y la superficie de impresión.

[pic 1]

Hb = P

 =     Kg
       S        mm2

El ensayo será válido si se cumple la condición :  0.5D>d>0.25D
Siendo D el diámetro dela bolilla y d el de la impronta.

Calculando las relaciones entre p y o, de tal modo que para un mismo material el valor obtenido sea el mismo y además se mantenga la condición de semejanza (igual ángulo de abrace de la bolilla) se dedujo que para que los ensayos sean comparativos entre si (independientemente de las cargas y las bolillas) se deberá cumplir que:

P   = cte.
D2




Existe entonces una constante de ensayo C que asegura la condición de semejanza y asegura que los ensayos realizados con la misma C serán comparativos entre si. Por lo tanto se establece de antemano una constante de ensayo (se recomienda una para cada tipo de material), siendo luego:

P = C . D2         Se verifica la relación  0.5D> d >0.25D  




Entonces el ensayos se considera válido. De lo contrario se aplica otra C

Si con C=30 se obtiene d>O,25D entonces el material es muy duro y no se puede utilizar bolilla de acero. No es aplicable Brinell.

El método está limitado a 450 HB, no pudiéndose medir mayores durezas dado que se deforma la bolilla de acero. Si se utilizan bolillas de carburo de tungsteno se puede extender el rango hasta los 650 HB.

Valores de C a aplicar en cada material: (IRAM-IAS U500-104)

Acero                                                30                                (HB>160)
Aleaciones de Cu. Al                                10                                (HB 80 a 160)
Al, Cu                                                  5                                (HB 26 a 80)
Pb, Sn                                                0.5 o 1.25 o 2.5                ( HB<26)


Algunos durómetros permiten obtener valores de dureza Brinell en forma directa, indicando el resultado en una escala. Estos

durómetros establecen el cálculo en base a la medida de la penetración de la bolilla en lugar del diámetro de la impronta d, dado que existe una relación geométrica. La escala corresponderá a un único par de valores de bolilla y carga.

Existen durómetros Brinell de taller que se basan en un aparato que contiene una probeta patrón que es golpeada sobre una bolilla de acero que penetra a su vez en la probeta, se obtiene la dureza mediante la relación entre las áreas de impronta de la probeta y la probeta patrón.

2.1.2.- ROCKWELL

Se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial. Se eleva la probeta mediante un tornillo contra el penetrador un número de vueltas determinado de tal manera de alcanzar un valor de carga aplicada Po, luego se aplica una carga adicional PI mayor mediante un sistema de pesas con accionamiento a palanca hasta que la aguja indicadora alcanza el reposo.

Existen dos tipos de mediciones Rockwell, la normal con una carga inicial de 10 Kg y la superficial con una carga inicial de 3 Kg.

Se utilizan según el caso distintos penetradores y cargas, resultando para cada combinación una escala Rockwell diferente. Los penetradores pueden ser bolillas de acero duro de 1116, 118, 114, 112 pulgada o cono de diamante de 12~o. Las cargas totales (inicial mas adicional) son de 60, 100 y 150 Kg en el Rockwell normal y de 15, 30 y 45 Kg en el superficial.

Se utiliza una escala con 130 divisiones ( escala roja) para bolillas de acero y con 100 divisiones (escala negra) para cono de diamante. Cada división representa 0,002 mm.

Para Rockwell superficial existe una única escala con 100 divisiones ubicadas cada 0,001 m m. (escala verde )
Lo que se mide concretamente es la diferencia entre el cero de la escala y la penetración que presenta el material luego de retirada la carga adicional. Ver figura para mejor comprensión. Como se ve la escala está calibrada de tal manera que marca el máximo para la aplicación de la Po solamente y da mayores valores de dureza cuanto menor es la penetración final e.

Las escalas más empleadas son: la B que emplea bolilla de 1116" y carga total de 100 Kg y la C con cono de diamante y 150 Kg de carga.

Los valores son comparativos únicamente si corresponden ala misma escala, por lo tanto los resultados deben expresarse con la sigla correspondiente a la escala, por ejemplo 85 HRB.

El equipo se debe calibrar frecuentemente con probetas patrón de dureza conocida, re ubicando el cuadrante de escalas. Se debe volver a calibrar cada vez que se cambie de escala.

2.1.3.- VICKERS

Utiliza como penetrador un prisma de diamante de base cuadrada con un ángulo de 136° entre caras opuestas, con cargas de 1 a 120 Kg.

Básicamente utiliza el mismo principio del método Brinell y sus resultados también se expresan en términos de carga sobre área de impronta. El ángulo entre caras asegura la condición de semejanza para cualquier carga y cualquier material por lo que no existe constante de ensayo. El ángulo se obtuvo en base a la penetración de una bolilla cumpliendo la condición óptima de semejanza.

La impresión sobre la pieza será un cuadrado, del que se medirá la longitud de su diagonal (d) mediante microscopio con micrómetro. El valor de dureza se obtendrá mediante tablas de acuerdo a la longitud de la diagonal o mediante la formula:

HV= 1,854 .1' / d2

2.1.4.- MÉTODOS DE MICRODUREZA

El término microdureza no se refiere a bajos valores de dureza sino que indica que se realizarán pequeñas impresiones, con cargas que en general no superan 1 Kg.

2.1.4.1.- MICRODUREZA VICKERS

Se aplica el mismo penetrador Vickers de 136 o pero con cargas que no superan los 1000 gr.

Se mide también la diagonal y se entra a tablas o se aplica:


HmV(Kg/mm2)= 14229 P(gr)
                          D2 (um2)                


2.1.4.2.- MICRODUREZA MÉTODO KNOOP

Se utiliza un penetrador piramidal de diamante que produce una impronta en forma de rombo, de diagonales distintas en relación 7:1.

En este caso se mide la diagonal mayor (d) con microscopio micrométrico y se obtiene el valor de dureza como resultado de dividir la carga aplicada por el área de impresión que se calcula en base a esa diagonal mayor.

En general se utilizan tablas de conversión o se puede utilizar la  fórmula



3.- SELECCIÓN DEL MÉTODO APROPIADO

Son varios los factores que llevan a adoptar uno u otro método de ensayo, en general se busca que la dureza de la probeta pueda medirse de la manera más sencilla posible para la exactitud deseada dentro de las características de ese material. De acuerdo a las características del material y de la pieza existirá algún método apropiado.

En general el Brinell deja una impronta muy grande por lo que está limitado solamente a espesores grandes, además si se quieren hacer varias tomas sobre la misma muestra ésta debe tener gran superficie pues es necesario tomar ensayos a mayor distancia entre improntas que en otros métodos. Por sus características se hace muy apropiado cuando los materiales son heterogéneos. Tiene la ventaja de que la superficie no necesita ser muy uniforme como en otros métodos. Está limitado por la deformación de la bolilla por lo que para materiales más duros ( HB>450 ) no se puede aplicar.

El ensayo Rockwell es más sencillo pues es de lectura directa, además al ser las cargas mas bajas y los penetradores más pequeños dejan improntas menores y se puede aplicar en espesores mas delgados. Su rango es mayor pues permite probar metales duros al haber adoptado penetrador cono de diamante. Sus escalas superficiales permiten medir espesores delgados y características de tratamientos superficiales. Es un método de mayor exactitud que el anterior por su principio de funcionamiento que tiene en cuenta la recuperación elástica del metal y una forma de medir más exacta.

El Vickers es el más sensible, los resultados obtenidos son independientes de la carga aplicada. Debido a que puede utilizar cargas bajas se puede utilizar en espesores delgados. Tiene la desventaja de que hay que medir la impronta pero ésta es de mayor facilidad de medición que en Brinell, por ser un cuadrado. Permite con su penetrador de diamante realizar ensayo de metales duros. Otra ventaja es que al dejar marcas más pequeñas se puede emplear en piezas donde no se deba dañar su acabado o su estructura.

Las pruebas de microdureza, usando cargas muy bajas permiten ensayar espesores muy delgados y superficies muy pequeñas. Puede utilizarse para determinar la dureza de los microconstituyentes individualmente. También pueden determinar las características de los tratamientos superficiales. Son pruebas de laboratorio más que ensayos en el ámbito industrial. Hacen falta instrumentos muy precisos para tomar las mediciones y la superficie debe presentar un pulido metalográfico para poder utilizar estas técnicas.

Ver la siguiente tabla donde se detalla los usos más frecuentes de cada método de ensayo:

APLICACIONES DE LOS DISTINTOS MÉTODOS DE ENSAYO

BRINELLROCKWELLROCK SUPVICKERSMICRODUREZAAceros estructural y secciones laminadas

Fundiciones incluyendo acero, hierro y aluminio fundido

FraguadosPartes acabadas, como rulemanes, pistas, cojinetes, valvulas, tuercas, engranajes, pernos, poleas, etc.

Herramientas de corte y de formado.

Fundiciones y forjados pequeños.

Hojas Metálicas.

Alambres de gran diámetro.

Hojas o partes plasticas.

Partes cementadas.

Carburos cementadosLas mismas que en el normal excepto cuando se necesita menor penetración.

Cementados delgados hasta   0.25 mm.

Pulvimetalúrgicos.

Carbuiros cementadosLas mismas que en ambos  Rockwell, excepto cuando se necesita aun menor penetración  y/o mayor exactuitud.

Acabados finos para evitar un  mecanizado de remoción  de la impronta.

Cementados delgados hasta 0.10mm.

Materiales delgados, como tuberias.

Estructuras débiles.
ChapaRecubrimiento metálicos.

Revestimientos como lacas y barnices.

Láminas muy delgadas, hasta 0.0025 mm.

Para establecer gradientes de endurecimiento.

Materiales compuestos bimetales.

Piezas muy pequeñas como en relojería.

Materiales muy fragiles o quebradizos como silicio, germanio, vidrio, (preferentemente Knoop)
Materiales en polvo.

Para estudiar individualmente cada microconstituyente.

Para estudiar dureza de grano y borde de grano.

4- FACTORES QUE CONDICIONAN EL ENSAYO

Existen  factores que condicionan los resultado, por lo que deben ser controlados y son los siguientes:

Deformación del penetrador
Cargas dinámicas
Superficie de la probeta
Exactitud de la carga aplicada
Espesor de la probeta.
Forma de la probeta.
Localización de la impresión.
Homogeneidad del material.

5.- RELACIONES DE LOS VALORES DE DUREZA

5.1- RELACIONES DE VALORES OBTENIDOS POR DIFERENTES MÉTODOS

Existen tablas que establecen una relación entre los valores obtenidos entre distintos métodos y distintas escalas Rockwell, estas relaciones son en particular para un determinado metal, no siendo válidas las relaciones para otros. Son muy comunes las tablas de conversión de dureza para aceros, que son de gran utilidad. Consultar las tablas que se adjuntan de conversión de valores de dureza.

En la realización del ensayo para el T. P. se determinará cuando sea posible la equivalencia de los valores obtenidos con otras escalas usuales.

También existen fórmulas prácticas que dentro de cierto rango permiten establecer equivalencias aproximadas para aceros entre Rockwell y Brinell.

Para Hrb entre 30 y 35                      Hb INCRUSTAR Equation.3  

Para Hrc entre 20 y 40                Hb INCRUSTAR Equation.3          

Para Hrc mayor que 40                Hb INCRUSTAR Equation.3          


5.2.- RELACIONES CON PROPIEDADES FISICAS.

Los valores de dureza nos permiten en ciertos casos calcular aproximadamente el valor de la resistencia a la rotura, mediante relaciones matemáticas


δ ET= Hb . 0.346                Para aceros hasta 0.8% C
δ ET= Hb . 0.1                Para fundiciones

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