Dureza de los Materiales y Ensayo de Dureza PDF

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CONTENIDO. Pág. Introducción

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Dureza de los materiales

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Ensayo de dureza

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Dureza Brinell

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Dureza Rockwell

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Números de dureza

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Dureza Knoop

7

Dureza Vickers

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Importancia de la determinación de la dureza

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Formulas para la determinación de la dureza*

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Escalas de dureza*

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Penetradores*

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Conclusiones

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Bibliografía

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*(Cuadro de ensayos de dureza). 2

INTRODUCCIÓN El ensayo de dureza es, 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.

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Dureza de los Materiales. La dureza es una medida de la resistencia a la deformación de un metal a la deformación permanente (plástica). La dureza de un metal se mide forzando la indentación de un penetrador en la superficie del metal. El penetrador, que normalmente es una bola, pirámide o cono, está fabricado con un material mucho más duro que el material a ensayar. Por ejemplo, el material empleado en estos en estos penetradores suele ser acero templado, carburo de tungsteno o diamante. En la mayoría de los ensayos de dureza normalizados se aplica lentamente una carga conocida, que presiona el penetrador contra la superficie del metal a ensayar y perpendicularmente a ésta (Figura 1). Después de producir la indentación, se retira el penetrador. Se calcula o se lee en un dial un número empírico de dureza basado en el área del corte transversal de la huella producida o en su profundidad.

Figura 1. a) Durómetro para dureza Rockwell. b) Etapas para la media de la dureza con un penetrador cónico de diamante. La profundidad t determina la dureza del metal. A menos valor t, mayor dureza del material. El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración de un objeto duro. Dureza es un término que no se define con precisión. Dependiendo del contexto, puede presentar resistencia al rayado o penetración y una medida cualitativa de la resistencia del material. En general, en las mediciones de macrodureza, la carga aplicada es 2N. Se han inventado varios ensayos de dureza, pero las que se usan con más frecuencia son el ensayo de Rockwell y el de Brinell. En esos ensayos, se usan distintos penetradores.

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En el ensayo de dureza Brinell, se comprime una esfera de acero duro, por lo general de 10 mm de diámetro, contra una superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión, que suele ser de 2 a 6 mm, y se calcula el número de dureza Brinell (que se abrevia HB o BHN, por sus siglas en inglés) con la siguiente ecuación:

Donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro del penetrador en milímetros y Di es el diámetro de la impresión en milímetros. La dureza Brinell tiene las unidades de esfuerzo (es decir, Kg/mm2).

Figura 2. Durómetro Rockwell. En el ensayo de dureza Rockwell usa una bola de acero de pequeño diámetro, para materiales blandos, y un cono o incinerador de diamante, para los materiales más duros. La máquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de penetración del indentador, la cual se convierte en un número de dureza Rockwell (HR, por sus siglas en inglés). Como no se necesita una medición óptica de las dimensiones de la penetración, en el ensayo de Rockwell tiende a ser más frecuente que el ensayo de Brinell. Se usan algunas variaciones del ensayo de Rockwell C (HRC), mientras que para el aluminio se podría seleccionar uno 5

como el Rockwell F (HRF). Los ensayos de Rockwell dan como resultado un número que no tiene unidades. Prueba Brinell Brinell Rockwell A Rockwell B Rockwell C Rockwell D Rockwell E Rockwell F Vickers Knoop

Comparación de pruebas normales de dureza. Penetrador Carga Aplicación Esfera con 10 mm 3000 Kg Hierro colado y acero Esfera con 10 mm 500 Kg Aleaciones no ferrosas Cono 60 Kg Materiales muy Duros Latón, acero de baja resistencia Esfera de 1/16 pulg 100 Kg Cono 150 Kg Acero de alta resistencia Cono 100 Kg Acero de alta resistencia Esfera de 1/8 pulg 100 Kg Materiales muy blandos Aluminio, materiales suaves Esfera de 1/16 pulg 60 Kg Pirámide de Diamante 10 Kg Todos los materiales Pirámide de Diamante 500 Kg Todos los materiales

Los números de dureza se usan principalmente como base cualitativa de comparación entre materiales o en especificaciones para tratamiento térmico en la manufactura o control de calidad y para correlacionar con otras propiedades de materiales; por ejemplo, la dureza Brinell se relaciona estrechamente con la resistencia a la tención del acero, con la ecuación: Resistencia a la tensión (psi)= 500 HB donde HB tiene unidades de Kg/mm2. Se puede obtener un número de dureza Brinell sólo en pocos minutos, casi sin preparar el espécimen y sin romper el componente; es decir, se considera que es un ensayo no destructivo; proporciona una aproximación muy cercana a la resistencia a la tensión. El número de dureza Rockwell no se puede relacionar en forma directa con la resistencia de cadencia en los metales y aleaciones; sin embargo, el ensayo es rápido, se hace con facilidad y es frecuente en la industria. La dureza se correlaciona con la resistencia bien con la resistencia al desgaste. (Para medir la resistencia al desgaste hay, además, un ensayo especial). Un material que se use para romper o moler minerales desde ser muy duro, para asegurar que no se desgaste o erosione con esos minerales. De igual modo, los dientes de los engranajes en el sistema de transmisión o motriz de un vehículo debe tener la dureza suficiente para que no se gasten los dientes. Comúnmente, encontramos que los materiales poliméricos son excepcionalmente blandos, los metales y las aleaciones tiene durezas intermedias, y los cerámicos excepcionalmente duros. Se usan materiales, como el compuesto de carburo de tungsteno y cobalto (WC-Co), llamado “carburo”, en aplicaciones para herramientas de corte. También se usan materiales como diamante microcristalino o carburo semejante al diamante (DLC, por sus siglas en inglés) en las herramientas de corte y en otras aplicaciones.

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El ensayo de Knoop (HK) es un ensayo de microdureza que genera “indentaciones” tan pequeñas que se requiere un microscopio para obtener la medida. En esos ensayos la carga aplicada es menor que 2N.

Figura 3. Nanopenetrador.

Figura 4. Nanopenetración de película de carbono tipo diamante, a nanoescala. En ensayo Vickers, que usa un indentador de diamante en forma de pirámide, se puede hacer como ensayo d macro o de microdureza. Los ensayos de macrodureza son adecuados para materiales con una dureza superficial mayor que en el núcleo, materiales que en

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distintas áreas tengan distintos valores de dureza o en muestras que no sean microscópicamente planas. En la tabla se muestran los tipos de penetradores y los tipos de huellas producidas asociados a cuatro ensayos de dureza comunes: Brinell, Vickers, Knoop y Rockwell. El número de dureza para cada uno de los ensayo depende del penetrador y la carga aplicada. Importancia de la determinación de la dureza. La dureza de un metal se mide según sea la facilidad con que puede ser deformada plásticamente. Por tanto, se puede determinar una relación experimental entre la dureza y la resistencia para cada metal en particular. El ensayo de dureza es mucho más simple que el ensayo de tracción y puede ser no destructivo (es decir, la presencia de una pequeña huella no impide la utilización del objeto ensayado). Por estas razones, es común la utilización del ensayo de dureza en el control de calidad de procesos industriales.

Figura 5. Tabla de Ensayos de Dureza. En esta tabla podemos encontrar las fórmulas para la determinación de la dureza, penetradores, los tipos de penetradores utilizados para las escalas Rockwell, etc. Penetradores: Para la escala B:

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Se utiliza un penetrador esférico de acero templado y de una superficie finamente pulida. El diámetro de la esfera será de 1,588 mm ± 0,0035 mm, útil también para las escalas F, G, T15, T-30 y T-45. Para la escala C: Se utiliza un penetrador de forma cónica y con punta de diamante, el ángulo en el vértice del cono será de 120º y la terminación del cono será de forma casquete esférico, con un radio de 0,2 mm ± 0,002 mm. Este tipo de penetrador se emplea también para los ensayos en escala A y D.

CONCLUSIONES.

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Estos ensayos de dureza de penetración tratan de averiguar la dureza de un material por la huella que deja un penetrador al que se le aplica un peso constante, el cual se empuja contra la superficie del material cuya dureza se quiere determinar, con una fuerza determinada, durante un tiempo fijo. Con el ensayo de los materiales deben determinarse los valores de resistencia, verificarse las propiedades y establecerse el comportamiento de aquellos bajo la acción de las influencias externas. En los ensayos mecánicos se determinan generalmente la resistencia, elasticidad y plasticidad, ductilidad, tenacidad y fragilidad, etc.

BIBLIOGRAFÍA.

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ASKELAND, Donald R & PHULÉ, Pradeep P (2006). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Cuarta Edición. THOMSON. México, D.F.

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SMITH, William F & HASHEMI, Javad (2007). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Cuarta Edición. Editorial MC GRAW HILL; México, D.F.

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