Dureza - Nota: 10 PDF

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Universidad de La Serena Facultad de Ingenier ́ıa Departamento de Ingenier ́ıa Mecanica ́LABORATORIO DEINGENIER ́IA DEMATERIALESLaboratorio N ◦ 1: Medicion de dureza ́Autores: Mar ́ıa Alfaro Rojas - maria@userena Fernanda Contreras Alcayaga - fcontrerasa1@alumnosuls Jose Oliveros Mar ́ ́ın - jose@us...

Description

Universidad de La Serena Facultad de Ingenier´ıa Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica

L ABORATORIO

DE I NGENIER´I A DE

M ATERIALES

´ de dureza Laboratorio N◦1: Medicion

Autores: Mar´ıa Alfaro Rojas - [email protected] Fernanda Contreras Alcayaga - [email protected] Jose´ Oliveros Mar´ın - [email protected] Vicente Perez Canelo - [email protected] Fernando Tarife˜ no Villanueva - [email protected] Javier Zambon ´ Sandoval - [email protected] Acad´emico: Francisca Jure Bustamante Fecha: 8 de julio de 2020

2

´Indice 1. Sumario

3

2. Introduccion ´

3

3. Procedimiento

3

3.1. Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

3.2. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.3. Fo´ rmulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.3.1. Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.3.2. Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.4. Resistencia a la traccion ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

3.5. Error porcentual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.6. Metodos ´ utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.6.1. Sistema Rockwell B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.6.2. Sistema Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.6.3. Sistema Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

4. Resultados

10

4.1. Ensayo Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

4.2. Ensayo Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

5. Discusion ´

11

5.1. Ensayo Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

5.2. Ensayo Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

5.3. Ensayo Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

6. Conclusiones

12

7. Ap e ´ ndice

14

3

1. Sumario En esta experiencia se pretende analizar la dureza de una probeta de acero. Para tal proceso, se utilizara´ el ensayo de Rockwell y Brinell respectivamente. El primer ensayo es m a ´ s simple y mas ´ facil ´ de aplicar. Utilizamos un durometro, ´ el cual entrega en unos segundos el ´ındice de la dureza. Por otra parte, en el ensayo de Brinell es necesario usar fo ´ rmulas o tablas para obtener el resultado de la dureza. Tambien ´ se destaca un tercero llamado ensayo de Vickers, que es m ´as exacto que los anteriores pero no aplicado en esta experiencia.

2. Introducci o ´n Para determinar las propiedades mec´anicas que poseen los materiales, es necesario ´ someterlos a ensayos mec´anicos. Uno de estos ensayos es la dureza. Este aborda la resistencia de un material al ser sometido a una deformaci ´on. Para llevar a cabo esta experiencia se utilizar a´ n probetas de acero SAE 1010 y 1045, en donde estas ser ´an medidas por los me´ todos de penetraci o ´ n estatica ´ Rockwell B y Brinell, de modo que se puedan obtener sus durezas respectivas, y a su vez, teniendo como referencia valores obtenidos a trav ´es de una tabla que sirva para comparar aquellas resistencias.

3. Procedimiento 3.1. Instrumentos Para cada ensayo se utilizaron los siguientes instrumentos: Duro ´ metro Zwick/Roell ZHU (Verificador Universal de dureza): Equipo cuya funci o´ n esta empleada para realizar ensayos de dureza en materiales met a ´ licos (figura 1), el cual se basa en el m e´ todo Rockwell B (HRB), Brinell (HB) y Vickers (HV).

4

Figura 1: Equipo de ensayo mec´anico (Dur o ´ metro)

Microscopio: Herramienta utilizada para la observacion ´ de objetos reducidos en tamano, ˜ y que a trav e ´ s de una regla graduada inserta en el lente, indica el valor de la medicion ´ de aquella pieza (figura 2).

Figura 2: Microscopio utilizado.

3.2. Materiales Para realizar los ensayos se utilizaron probetas (figura 3) de acero SAE 1010 y 1045, adema´ s de R/B.

5

Figura 3: Probeta a utilizar en los ensayos.

3.3. F o ´ rmulas 3.3.1. Brinell Para calcular la dureza con respecto al ensayo de Brinell, se debe utilizar la fo´ rmula: HB =

2F √ π · D(D − D2 − d2 )

(1)

Donde: ´ HB: Indice de dureza por m ´etodo de Brinell. D: Di a´ metro del penetrador (mm). F : Carga aplicada (kg). d: Dia´ metro de la impresion ´ (mm).

3.3.2. Vickers Debido a que el indentador tiene forma piramidal (figura 4a), se debe establecer una relaci ´on geometrica ´ en la que se deben considerar las diagonales del cuadrado formado (figura 4b), para obtener el a´ rea de la impresion. ´

6

(a) Indentador utilizado en el ensayo

(b) Relacion ´ geometrica ´ entre las diagonales del

Vickers.

indentador piramidal.

Figura 4: An´alisis del indentador utilizado en el sistema Vickers.

Por lo que utilizando estas relaciones geometricas ´ para calcular el a´ rea, la ecuacion ´ para calcular la dureza con el sistema Vickers es: HV =

P = A

P d2 2·sin (α/2)

=

2P sin (α/2) d2

(2)

Donde: HV : Numero ´ de dureza por metodo ´ de Vickers. P : Carga aplicada (kg). α: 136◦ entre d1 y d2 . d: media aritmetica ´ Sin embargo, debido a que α es un valor constante, puede quedar definido de una manera ma ´ s simple (Callister and Rethwisch, 2011), expresado en la ecuaci o ´ n 3: HV =

1, 854P d2

(3)

3.4. Resistencia a la traccion ´ Corresponde a la resistencia que presenta el material a la deformacion ´ pl a´ stica ante una tracci o´ n, de manera que tiene relaci ´on directa con el n´umero de dureza. Para la

7 mayor´ıa de los aceros, la resistencia a la tracci o ´ n (T S) tiene relaci o´ n con el n´umero HB acorde a: T S(psi) = 500 · HB

(4)

T S(M P a) = 3, 45 · HB

(5)

3.5. Error porcentual Para calcular el error obtenido en la pr a´ ctica respecto de los valores estimados en teor´ıa, se calcula: Error =

|valor te´ orico − valor experimental| · 100 valor te´ orico

(6)

3.6. M´etodos utilizados 3.6.1. Sistema Rockwell B. Se lleva a cabo seg´un los siguientes pasos: 1. Se coloca la probeta plana en la base circular del dur o´ metro. 2. Seleccionar la carga de 100 kg (figura 5a). 3. Seleccionar el sistema a utilizar en el dur ´ometro para usar el indentador necesario para el ensayo. En este caso HR (figura 5b). 4. Girar el volante (sentido horario) para elevar la probeta, hasta escuchar un sonido proveniente de la ma´ quina y ejercer presi o ´ n en contra del indentador. 5. En la pantalla led se entrega el resultado de la dureza del material (por ejemplo, figura 6).

3.6.2. Sistema Brinell Se desarrolla seg´un los siguientes pasos: 1. Se posiciona la probeta en la base del durometro. ´

8 2. Se selecciona la carga 187,5 kg (figura 5a), ya que ´esta es la utilizada para los aceros; tambien ´ se debe seleccionar el sistema Brinell, es decir, HB (figura 5c). 3. Medir el di a´ metro del orificio originado por el durometro ´ (figura 5e). 4. El resultado de la medici o ´ n se introduce en la f o ´ rmula 1, con la intencion ´ de comparar este con el valor te´orico que se entrega en la tabla de dureza (tabla 3). 5. Repetir los pasos anteriores para la carga 62, 5 kg a una distancia m´ınima de 2 a 3 mm de la impresi o ´ n anterior.

3.6.3. Sistema Vickers Se aborda acorde a los siguientes pasos: 1. Colocar la probeta sobre la base. 2. Seleccionar la carga en 10 kg (figura 5a) y modo HV (figura 5b). 3. Pre-cargar la m a ´ quina con el volante negro, girando e ´ ste en sentido horario hasta que la probeta tenga contacto con el indentador y, observando la pantalla led, la carga aumenta hasta escuchar un sonido. 4. La maquina ´ actua ´ sola y aplica la carga seleccionada en la probeta, a su vez, la barra de la pantalla led se mueve de izquierda a derecha hasta que aparezca escrito “Measure”. 5. Girar el volante en sentido antihorario para separar la pieza del indentador. 6. Posterior a eso, hay que medir la marca que ha sido registrada en la probeta con la regla incorporada en el microscopio (figura 5d). 7. Con el dato obtenido en el paso 6, utilizar la tabla de dureza (tabla 3) y la formula ´ del procedimiento Vickers (ecuaci o ´ n 2) para obtener el valor de la dureza. 8. Repetir pasos anteriores para la carga 100 kg a una distancia m´ınima de 2 a 3 mm de distancia de la marca anterior.

9

(a) Seleccion ´ de la carga a utilizar.

(c) Selecci o ´ n del tipo de ensayo Brinell.

(b) Seleccion ´ de sistemas Rockwell o Vickers.

(d) Probeta despues ´ de realizar el ensayo.

(e) Proceso de medicion ´ de la impresion, ´ ensayo Brinell.

Figura 5: Esquemas pasos a seguir relativo a los ensayos.

10

4. Resultados 4.1. Ensayo Rockwell El funcionamiento del durometro ´ consiste en aplicar una peque˜na carga y luego una mayor. La exactitud en el resultado es mucho m a ´ s precisa mientras la carga menor sea ma ´ s peque˜na. Con las configuraciones dispuestas para una medicio´ n de Rockwell en el aparato el resultado obtenido es de 88,8 (figura 6).

Figura 6: Dureza obtenida en la medici ´on del ensayo Rockwell.

4.2. Ensayo Brinell Al seleccionar la carga 187, 5 para materiales metalicos ´ como el acero, se obtienen los siguientes valores (tabla 1): Tabla 1: Tabla de datos obtenidos en ensayo Brinell. Carga (F )

187,5 [kg]

Diametro ´ de la bola (D)

2, 5 [mm]

Diametro ´ de la indentaci ´on (d)

1, 1 [mm]

Introduciendo los datos en la ecuacion ´ 1, queda: HB =



2 · 187, 5

π · 2, 5 · 2, 5 −

q

(2, 5)2 − (1, 1)2



= 187, 2370212

Utilizando el valor de HB y reemplazando en la ecuaci o ´ n 5: T S(M P a) = 3, 45 · 187, 2370212 = 645, 967723 Buscando el valor obtenido en la tabla de dureza (tabla 3), se tiene que el n´umero se encuentra entre dos valores pertenecientes a la tabla. Por tanto, se debe realizar una interpolaci o ´ n dados los puntos (tabla 2):

11 Tabla 2: Valores a usar para interpolar. TS

HB

641,212

187

645,967723 655,002

192

La ecuacion ´ queda: HB − 187 =

!

192 − 187 · (T S − 641, 212) 655, 002 − 641, 212

(7)

Por lo que si se reemplaza en T S el punto 645, 967723 en la ecuaci ´on 7, se obtiene como resultado HB = 188, 7243376. Si calculamos el error porcentual introduciendo los valores obtenidos en la ecuaci ´on 6 para compararlo con el valor te´orico de las tablas de dureza, se tiene: Error =

|188, 7243376 − 187, 2370212| · 100 = 0, 788 % 188, 7243376

5. Discusi o ´n Se debe aclarar que los datos obtenidos no son precisos dada la insuficiente cantidad de ensayos realizados. Las muestras se encuentran sesgadas y no son de fiar al momento de aplicar, por lo que se sugiere recopilar m a ´ s datos y obtener resultados estad´ısticos de los mismos.

5.1. Ensayo Rockwell En el primer ensayo es importante destacar que los resultados obtenidos pueden verse afectados por distintos motivos. Por ejemplo, que una impresi o´ n est e ´ muy cercana a otra o a un borde, o si la probeta utilizada es muy delgada. Tambien ´ si el material no esta´ apropiadamente lijado y cortado en primera instancia y, dado que el resultado obtenido es entregado directamente por el aparato, hay que tener en cuenta su calibraci ´on y ajustes

12 con el fin de obtener datos m ´as precisos. Dada la imposibilidad de realizar m a ´ s ensayos y obtener un promedio de los datos entregados, el resultado (HR = 88,8) es sesgado por lo tanto no es de fiar en t ´erminos de aplicaci ´on. Mas ´ datos son necesarios con el fin de generalizar el comportamiento del material del cual se compone la probeta.

5.2. Ensayo Brinell En el segundo ensayo se puede apreciar que se obtiene un resultado de forma manual de 187,2, que al ser comparado con su valor entregado por tabla (187, 0), se aprecia un grado m´ınimo de error porcentual (0,128 %). Esto puede deberse a las diferentes perturbaciones que ocurren al momento de obtener las mediciones, el lugar en el cual se oprime la esfera de acero duro para obtener la dureza,o ya sea, por la aproximaci o ´ n de las cifras, etc. A pesar de esto los valores est a ´ n dentro de un rasgo esperado, por lo cual, se puede decir que se hizo un buen manejo en los c´alculos.

5.3. Ensayo Vickers Este procedimiento es an´alogo al ensayo Brinell, con la diferencia de que el indentador tiene forma piramidal. La impresi o´ n con este indentador tiene una forma m ´as definida y mucho m a ´ s facil ´ de medir, volviendo el ensayo mas ´ exacto. Por otra parte, este ensayo puede usarse tanto para materiales blandos como duros, resultando m a ´ s efectivo para probetas delgadas.

6. Conclusiones Los resultados derivados de los ensayos nos permiten generalizar a grandes rasgos ciertas propiedades de los materiales estudiados. En el caso de la probeta de acero es importante se˜nalar la dureza con respecto a otros minerales y otras escalas, obteniendo un valor que puede ser de importancia para la aplicaci o´ n de distintos procesos ingenieriles, tales como maquinaria o procesos con un desgaste alto.

13 Au ´ n as´ı se debe aclarar que faltan ensayos para determinar con m a ´ s precision ´ tales propiedades. Debido a la imposibilidad de realizarlos los datos obtenidos son mas ´ una referencia que una caracter´ıstica determinada. Se encuentran sesgados y no son fiables al momento de aplicar, por lo que se recomienda repetir tal experiencia y obtener datos ´ estad´ısticos de los mismos con el propo´ sito de caracterizar al material de manera mas certera.

Referencias Callister, W. D. and Rethwisch, D. G. (2011). Materials science and engineering, volume 5. John wiley & sons NY.

14

7. Ap e ´ ndice Tabla 3: Tabla dureza. Resistencia Brinell

Vickers Rockwell

a la tracci o ´n

Resistencia Brinell

Vickers Rockwell

(MPa) C

a la traccion ´ (MPa)

B

C

B

898

3033.69

223

223

20

97

758.423

857

2895.80

217

217

18

96

737.739

817

2764.80

212

212

17

96

717.055

780

1150

70

2647.59

207

207

16

95

696.370

745

1050

68

2537.27

202

207

15

94

682.581

712

960

66

2426.95

197

197

13

93

668.791

682

885

64

2323.53

192

192

12

92

655.002

653

820

62

2233.90

187

187

10

91

641.212

627

765

60

2144.27

183

183

9

90

627.423

601

717

58

2054.64

179

179

8

89

613.633

578

675

57

1978.80

174

174

7

88

599.844

555

633

55

120 1902.95

170

170

6

87

586.054

534

598

53

119 1834.01

166

166

4

86

572.265

514

567

52

119 1765.06

163

163

3

85

565.370

495

540

50

117 1703.01

159

159

2

84

551.581

477

515

49

117 1640.95

156

156

1

83

537.791

461

494

47

116 1578.90

153

153

82

524.002

444

472

46

115 1516.85

149

149

81

517.107

429

454

45

115 1461.69

146

146

80

510.212

415

437

44

114 1406.53

143

143

79

496.423

401

420

42

113 1351.37

140

140

78

489.528

388

404

41

112 1303.11

137

137

77

482.633

15 Tabla 3: Continuacion ´ tabla dureza. Resistencia Brinell

Vickers Rockwell

a la tracci o ´n

Resistencia Brinell

Vickers Rockwell

(MPa) C

B

a la traccion ´ (MPa)

C

B

375

389

40

112 1254.85

134

134

76

468.843

363

375

38

110 1213.48

131

131

74

455.054

352

363

37

110 1172.11

128

128

73

448.159

341

350

36

109 1137.63

126

126

72

441.264

331

339

35

109 1103.16

124

124

71

434.370

321

327

34

108 1068.69

121

121

70

427.475

311

316

33

108 1034.21

118

118

69

420.580

302

305

32

107 1006.63

116

116

68

413.685

293

296

31

106 979.056

114