Dureza

www.infomecanica.com/materiales.htm http://fing.uncu.edu.ar/catedras/industrial/cmateriales/archivos/cmateriales/A nexoDureza.pdf http://www.proyectosfindecarrera.com/ensayo-dureza-rockwell.htm materiales.eia.edu.co/laboratorios/Dur eza /ensay os_de_dur eza .htm www.inoxidable.com/dur eza .htm TEORIA DEL ENSAYO LA DUREZA ES UNA PROPIEDAD FUNDAMENTAL DE LOS MATERIALES Y ESTA RELACIONADA CON LA RESISTENCIA MECÁNICA. LA DUREZA PUEDE DEFINIRSE COMO LA RESISTENCIA DE UN MATERIAL A LA PENETRACIÓN O FORMACIÓN DE HUELLAS LOCALIZADAS EN UNA SUPERFICIE. CUANTO MAS PEQUEÑA SEA LA HUELLA OBTENIDA EN CONDICIONES NORMALIZADAS, MAS DURO SERÁ EL MATERIAL ENSAYADO. EL PENETRADOR EN UN ENSAYO DE DUREZA ES GENERALMENTE UNA ESFERA, PIRÁMIDE O CONO HECHO DE UN MATERIAL MUCHO MAS DURO DEL QUE SE ENSAYA, COMO POR EJEMPLO ACERO ENDURECIDO, DIAMANTE O CARBURO DE TUNGSTENO SINTERIZADO. EN LA MAYORÍA DE LAS PRUEBAS PATRÓN, LA CARGA SE APLICA AL OPRIMIR LENTAMENTE EL PENETRADOR, PERPENDICULARMENTE A LA SUPERFICIE ENSAYADA, POR UN PERIODO DETERMINADO. DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS SE PUEDE CALCULAR UN VALOR EMPÍRICO DE DUREZA, CONOCIENDO LA CARGA APLICADA Y EL ÁREA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL O LA PROFUNDIDAD DE LA IMPRESIÓN. EL ENSAYO DE DUREZA NUNCA SE DEBE REALIZAR CERCA DEL BORDE DE LA MUESTRA O CERCA DE OTRA PENETRACIÓN YA EXISTENTE. EN ESTE ULTIMO CASO, LA DISTANCIA MÍNIMA PARA EFECTUAR UNA PENETRACIÓN ES DE TRES VECES EL DIÁMETRO DE LA PENETRACIÓN ANTERIOR. OTRA CONDICIÓN, ES QUE EL ESPESOR DE LA PROBETA A ENSAYAR, SEA DE POR LO MENOS 10 ½ VECES EL DIAMETRO DE LA IMPRESIÓN, CON EL FIN DE EVITAR EL EFECTO YUNQUE.(BRINELL) LAS PENETRACIONES MICROSCÓPICAS DE DUREZA SE HACEN EMPLEANDO CARGAS MUY PEQUEÑAS Y SE USAN PARA ESTUDIAS VARIACIONES LOCALIZADAS DE DUREZA EN MATERIALES MONOFASICOS Y MULTIFASICOS (ALEACIONES), ASÍ COMO PARA MEDIR LA DUREZA DE GRANOS METÁLICOS. LA MAYORÍA DE LAS PRUEBAS DE DUREZA PRODUCEN DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN EL MATERIAL Y TODAS LAS VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA LA AFECTAN; POR EJEMPLO, YA QUE EL ESFUERZO DE CEDENCIA SE VE AFECTADO CONSIDERABLEMENTE POR LA CANTIDAD DE TRABAJO EN FRÍO Y EL TRATAMIENTO TÉRMICO AL QUE SE

HALLA SOMETIDO EL MATERIAL, LA DUREZA SE VERA AFECTADA POR LOS MISMOS FACTORES. EN AQUELLOS MATERIALES QUE MUESTRAN CARACTERÍSTICAS SIMILARES DE ENDURECIMIENTO POR TRABAJO, EXISTE UNA VALIDA CORRELACIÓN ENTRE LA DUREZA Y LA RESISTENCIA MÁXIMA A LA TENSIÓN. LA PRUEBA DE DUREZA PUEDE HACERSE MUY FÁCILMENTE Y LA INFORMACIÓN OBTENIDA SE EVALÚA INMEDIATAMENTE. POR ESTAS RAZONES Y POR SU CARÁCTER NO DESTRUCTIVO, SE EMPLEA FRECUENTEMENTE PARA CONTROL DE CALIDAD EN PRODUCCIÓN. ADEMÁS DE LA RESISTENCIA A LA PENETRACIÓN, OTROS MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA DUREZA PUEDEN BASARSE EN EL RASPADO DE LA SUPERFICIE O EN LA MEDICIÓN DEL REBOTE ELÁSTICO DE UNA PELOTA DURA.

ENSAYOS DE DUREZA

NU ME RO DE D URE ZA BRI NELL ( B HN ) ESTE ENSAYO SE UTILIZA EN MATERIALES DE DUREZAS BAJAS. UTILIZA PENETRADORES EN FORMA DE BOLAS DE DIFERENTES DIÁMETROS; ESTOS PUEDEN SER DE ACERO TEMPLADO O DE CARBURO DE TUNGSTENO¹. UTILIZA CARGAS NORMALMENTE HASTA 3000 KILOGRAMOS, LAS CUALES SE PUEDEN NORMALIZAR DE ACUERDO CON LA SIGUIENTE FORMULA: P = KD² DONDE: P: CARGA A UTILIZAR. K: REPRESENTA UNA CONSTANTE QUE VALE 5, 10 O 30 DEPENDIENDO DEL MATERIAL QUE ESTE SIENDO ENSAYADO. D: DIÁMETRO DEL INDENTADOR QUE SE VA A UTILIZAR EN LA PRUEBA. AUNQUE EXISTEN ALGUNAS MAQUINAS DE ENSAYO DE BRINELL QUE DAN UNA LECTURA DIRECTA, NORMALMENTE, PARA DETERMINAR EL NUMERO DE DUREZA, SE UTILIZA LA SIGUIENTE FORMULA:

HBN= 2P /P D ( D-(D² -D²)½) DONDE : P: CARGA UTILIZADA. D: REPRESENTA EL DIÁMETRO DEL INDENTADOR.

D: REPRESENTA EL DIÁMETRO DE LA HUELLA. LA CARGA SE APLICA DURANTE 30 SEGUNDOS Y LUEGO SE RETIRA. INMEDIATAMENTE SE LEE EN MILÍMETROS EL DIÁMETRO DE LA IMPRESIÓN. ES VALIDO ANOTAR QUE LAS CARGAS MAS LIVIANAS CORRESPONDEN A MATERIALES NO FERROSOS Y PUROS, TALES COMO COBRE Y ALUMINIO; LAS CARGAS MAS PESADAS SE UTILIZARAN PARA EL HIERRO, ACERO Y ALEACIONES DURAS.

EN SAYO DE DUR EZ A ROC KW ELL SE APLICA A MATERIALES MAS DUROS QUE LA ESCALA BRINELL. EN ESTE ENSAYO SE USAN PENETRADORES DE CARBURO DE TUNGSTENO COMO BOLAS DE 1/16 DE PULGADA, 1/8, ¼ Y ½ DE PULGADA, ESTE ULTIMO PARA MATERIALES MAS BLANDOS Y EN CONO DE DIAMANTE CUYO ÁNGULO EN LA BASE ES DE 120º. ENSAYO ROCKEWELL B. DISEÑADO PARA MATERIALES DE DUREZA INTERMEDIA COMO ACEROS DE MEDIO Y BAJO CARBONO. SU INDENTADOR ES LA BOLA DE 1/16 DE PULGADA, CUYA CARGA ES DE 100 KILOGRAMOS. SU ESCALA VA DE 40 A 100 RB. ENSAYO ROCKEWELL C.SE EMPLEA EN MATERIALES MAS DUROS QUE 100 RB. EL FUNCIONAMIENTO DE ESTE ENSAYO ES COMO SIGUE: EL OBSERVADOR PRIMERO ACCIONA UNA PALANCA QUE PRESIONA EL CONO DE DIAMANTE A UNA PEQUEÑA DISTANCIA ESTABLECIDA DENTRO DE LA PROBETA. ESTO SE CONOCE COMO LA "PRECARGA"(10 KG|). EN SEGUIDA, SE DEJA ACTUAR LA CARGA RC NORMALIZADA DE 150 KILOGRAMOS, QUE PRESIONA AUN MAS EL DIAMANTE DENTRO DE LA PROBETA. LUEGO,CON LA MISMA PALANCA SE QUITA LA CARGA. EN ESTE MOMENTO SE LEE LA DUREZA RC EN LA ESCALA Y LUEGO, SE DESCARGA LA PALANCA. EL PRINCIPIO DE ESTE ENSAYO, ESTA EN QUE A TRAVÉS DE UN SISTEMA DE PALANCAS SE REGISTRA EN LA ESCALA LA PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN ENTRE LA PRECARGA Y LA CARGA DE 150 KILOGRAMOS Y SE LEE DIRECTAMENTE EN RC.

EN SAYO VICK ERS LLAMADO EL ENSAYO UNIVERSAL. SUS CARGAS VAN DE 5 A 125 KILOGRAMOS (DE CINCO EN CINCO). SU PENETRADOR ES PIRÁMIDE DE DIAMANTE CON UN ÁNGULO BASE DE 136º. SE EMPLEA VICKERS PARA LAMINAS TAN DELGADAS COMO 0.006 PULGADAS Y NO SE LEE DIRECTAMENTE EN LA MAQUINA. PARA DETERMINAR EL NUMERO DE DUREZA SE APLICA LA SIGUIENTE FORMULA: HV= 1.854*P / D2

ESTE ENSAYO CONSTITUYE UNA MEJORA AL ENSAYO DE BRINELL. SE PRESIONA EL INDENTADOR CONTRA UNA PROBETA,BAJO CARGAS MAS LIVIANAS QUE LAS UTILIZADAS EN EL ENSAYO BRINELL. SE MIDEN LAS DIAGONALES DE LA IMPRESIÓN CUADRADA Y SE HALLA EL PROMEDIO PARA APLICAR LA FORMULA ANTES MENCIONADA.

Dur eza Super fi cia l, es la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso de las herramientas de contrucción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es realizado con indentadores en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo fácil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durímetros fácilmente transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. La dureza superficial puede aumentarse añadiendo al material una capa de carbono, en un tratamiento térmico denominado cemen taci ón . La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de dureza: • • •

HB N (Hardness Br inel l Number) HRA , HRB , HR C, ... (Hardness Rockw ell series A, B, C, ...) HV N (Hardness V ic ker s Number)

Entre otros. A continuación se detalla el procedimiento y el cálculo de cada uno de estos números estandarizados.

Ensa yo BRI NELL . Indentado r: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno. Car ga = P Fór mu la : HBN =

Ensa yo VIC KER S Indentado r: Pirámide de diamante Car ga = P

Fór mu la : HVN = 1,72

Ensa yo ROCK WELL A , C , D Indentado r: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD) Car ga : PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg For mul a: HRA, HRC, HRD = 100 500t Ensa yo ROCK WELL B , F, G , E Indentado r: Esfera de acero f = 1/16 ‘’ (HRB, HRF, HRG) Esfera de acero f = 1/8 ‘’ (HRE)

La Tabla 6 muestra las equivalencias entre algunos de los números de dureza superficial y presenta una estimación de la resistencia a la tracción.

Dur eza Rockw ell

Dur eza V ic ker s HV

Dur eza Brine ll HB

80

76

85

80,7

41

270

90

85,5

48

285

95

90,2

52

305

100

95

56,2

320

105

99,8

110

105

115

109

120

114

125

119

130

124

135

128

140

133

145

138

150

143

155

147

495

160

152

510

165

156

530

170

162

175

166

180

171

185

176

190

181

195

185

200

190

91,5

640

205

195

92,5

660

210

199

93,5

675

215

204

94

690

220

209

95

705

225

214

96

720

230

219

96,7

740

235

223

240

228

245

233

250

238

255

HRB

HR C

Resi st encia a l a Tens ión N/mm 2. 255

335 52,3

350 370

66,7

385 400

71,2

415 430

75

450 465

78,7

480

85

545 560

87,1

575 595

89,5

610 625

755 98,1

20,3

770

21,3

785

22,2

800

242

23,1

820

260

247

24

835

265

252

24,8

850

270

257

25,6

865

99,5

Tabla 6 Esca la Compa rativ a de G rado s de Dur eza con una Es ti mac ión de la Resi stenc ia a la T racc ión Int roducción 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. 2.- Dur eza V ic ker s Este método es muy difundido ya que permite medir dureza en prácticamente todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor. El procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirámide de base cuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya dureza se desea medir, bajo la acción de una carga P . Esta carga es mantenida durante un cierto tiempo, después del cual es retirada y medida la diagonal d de la impresión que quedó sobre la superficie de la muestra (figu ra 1) . Con este valor y utilizando tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers, que es caracterizada por HV y definida como la relación entre la carga aplicada (expresada en Kgf) y el área de la superficie lateral de la impresión 3.- Dur eza Roc kwel l La medición de dureza por el método Rockwell ganó amplia aceptación en razón de la facilidad de realización y el pequeño tamaño de la impresión producida durante el ensayo. El método se basa en la medición de la profundidad de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga prefijada.

El número de dureza Rockwell ( HR ) se mide en unidades convencionales y es igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. El método puede utilizar diferentes penetradores siendo éstos esferas de acero templado de diferentes diámetros o conos de diamante. Una determinada combinación constituye una "escala de medición", caracterizada como A, B,C , etc. y siendo la dureza un número arbitrario será necesario indicar en que escala fue obtenida (HRA, H RB , HRC , etc.). El proceso de medición con penetrador de diamante (utilizado para materiales duros, como por ejemplo los templados) está esquematizado en la figu ra 2 . La carga total P es aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa P o y una posterior P 1 tal que:

P= P o +P 1 Inicialmente el cono penetra en la superficie una cantidad h 0 sobre la acción de la carga P 0 que se mantendrá hasta el fin del ensayo. Esta penetración inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales. A continuación se aplica la carga P 1 y la penetración se acentúa. Finalmente la carga P l es retirada y la profundidad h restante (solamente actúa P 0 ) determina el número de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las máquinas está invertida para permitir una lectura directa. En los certificados de calidad es común utilizar la escala HRB donde el cono de diamante es reemplazado por una esfera de 1/16" y la carga P 1 vale 100 Kgf. En casos de materiales muy finos donde la carga de 100 Kgf es muy elevada, pudiendo inclusive perforar la muestra, es utilizada la escala Vickers con una carga de 10 Kgf y luego efectuada la transformación a la escala HRB utilizando tablas de conversión adecuadas.

Ensayo de dureza Rockwell.

Este ensayo es similar al de Brinell en el que el número de dureza encontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por la acción de un penetrador bajo una carga elástica dada. Difiere de este otro ensayo en que los penetradores y las cargas son menores, de ahí que la huella resultante sea menor y menos profunda. Es aplicable al ensayo de materiales que posean durezas que rebasen el alcance de la fuerza de Brinell. El ensayo se realiza en una máquina especialmente diseñada que aplica la carga através de un sistema de pesas y palancas. El indentador o "penetrador" puede ser una bola de acero o un cono de diamante con una punta ligeramente redondeada. El valor de la dureza, según se lee en un indicador calatular especialmente graduado, es un número arbitrario que está inversamente relacionado con la profundidad de la huella.

.................................................... En la operación de la máquina se aplica inicialmente una pequeña carga de 10 Kg, la cual causa una penetración inicial que pone el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición. La carátula se pone en la marca de "encendido" en la escala, y se aplica la carga principal; esta carga es usualmente de 60 o 100 Kg cuando se usa una bola de acero como penetrador, aunque pueden usarse otras cargas cuando resulte necesario y es, generalmente, de 150 Kg cuando se emplea el cono de diamante. El penetrador esférico es normalmente de 1/16 plg de diámetro, pero otros de mayor diámetro tales como 1/8, 1/4, o 1/2 plg pueden emplearse para materiales suaves. Después de que la carga principal se aplica y retira, se toma la lectura de la dureza de la carátula mientras la carga menor permanece en posición. No existe ningún valor de dureza de Rockwell designado para un solo número porque resulta necesario indicar cual indentador y cual carga se emplearon al hacer el ensayo. En este procedimiento debido a la pequeñez de la penetración y a la manera en que se le mide, existen algunas diferencias en la selección y preparación de las probetas, en comparación con el ensayo de Brinell. La superficie del ensayo debe ser plana y estar libre de escama, películas de óxido, fosas y materia extraña que pueda afectar a los resultados. Una superficie carcomida puede arrojar lecturas erráticas debido a la cercanía de algunas indentaciones al borde de una depresión,; esto permite el libre flujo del metal alrededor de la herramienta penetradora y resulta en una lectura baja. Las superficies aceitadas generalmente arrojan lecturas ligeramente más bajas que las secas debido a la fricción reducida en el penetrador. La superficie del fondo debe estar libre de escama, suciedad u otras materias extrañas que puedan aplastarse o fluir bajo la presión de ensayo afectando asi los resultados. Todos los ensayos de dureza deben hacerse sobre un solo espesor del material; el número de dureza