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Experiencia medición de dureza...

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

´ DE MATERIALES: INFORME EXPERIENCIA N ◦ 1 LABORATORIO INGENIERIA ´ DE DUREZA MEDICION

Autores: no - [email protected] Branco Sep´ulveda Bugue˜ Renato Lamas Vallejos - [email protected] Manuel Alfaro Pizarro - [email protected]

23 de Julio de 2020

´Indice 1. SUMARIO

4

´ 2. INTRODUCCION

4

3. PROCEDIMIENTO

4

3.1. PROCESOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.1.1. Ensayo de dureza Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.1.2. Ensayo de dureza Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.1.3. Ensayo de dureza Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

´ 3.2. METODO EMPLEADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

3.3. MATERIALES E INSTRUMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.4. EXPERIENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3.4.1. Procedimiento general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3.4.2. Procedimiento de medici´ on Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3.4.3. Procedimiento de medici´ on Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

on Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4. Procedimiento de medici´

9

4. RESULTADOS

9

´ 5. DISCUSION

9

´ 6. CONCLUSION

10

7. REFERENCIAS

10

´ 8. APENDICE ´ A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. APENDICE

11 11

8.1.1. Tabla A-1: Equivalencia entre durezas Rockwell, Brinell y Vickers . . . . . . . . . . . . . . .

11

8.1.2. Tabla A-2: Escala Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

8.1.3. Tabla A-3: Escala Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

8.1.4. Tabla A-4: Dureza Vickers para algunos materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

´ 8.2. APENDICE B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

8.2.1. Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1. SUMARIO Se entiende por dureza a la propiedad que poseen los materiales de resistir deformaciones y rayaduras en presencia de esfuerzos provocados por otro cuerpo, m´ as duro, el cu´al no sufre deformaciones. En el presente ensayo daremos a conocer y pondremos en pr´ actica algunos m´etodos para su medici´on, para ello se har´ a uso del dur´ometro Zwick/Roell on los diferentes ZHU que nos permitir´a realizar mediciones de tipo Rockwell y Brinell. Se pondr´ an en comparaci´ m´etodos, y as´ı, finalizando esta experiencia, podremos ser capaces de determinar e identificar que tipo de ensayo es on el m´as adecuado para su realizaci´ on, dependiendo de las variables a considerar. Cabe destacar que para la realizaci´ ıamos por el libro Callister y Rethwisch (2011) y con material audiovisual rescatado de del presente informe nos gu´ Youtube (Jure, F. Ensayo de Dureza).

2.

´ INTRODUCCION

A lo largo de la historia, el ser humano, se ha visto involucrado en el desarrollo de herramientas que le permitan realizar tareas de maneras m´ as sencillas. Remont´ andonos a la epoca ´ de revoluci´on industrial, podemos notar que las necesidades de fabricaci´on junto con la globalizaci´ on de la industrializaci´ on fueron en aumento, esto conllevo a una demanda urgente de m´ etodos de prueba m´as refinados y eficaces. Se necesitaban pruebas m´ as precisas y eficientes nar suficiente integridad en respuesta a las exigencias de la industria pesada, fallas estructurales y la necesidad de dise˜ material en la creciente infraestructura global. Para ello se desarrollaron ensayos que permiten descubrir las propiedades on, fatiga, termofluencia, resistencia al impacto, dureza, etc. de los materiales, tales como ensayos de: tracci´ etodos Para la realizaci´ on del presente informe trabajaremos con el ensayo de dureza, dando as´ ı a conocer distintos m´ para su medici´on y c´omo llevarlos en pr´actica. Adem´as pondremos en discusi´on cu´al de los ensayos es el m´ as pr´actico on dependiendo del material a utilizar. Cabe destacar que nos centraremos de ejecutar a la hora de realizar una medici´ solamente en los ensayos Brinell, Vickers y Rockwell; utilizando la tabla A-1 de equivalencia entre ellos.

3. PROCEDIMIENTO 3.1. 3.1.1.

PROCESOS Ensayo de dureza Rockwell

as es posible de usar en todo tipo de Es el m´etodo m´as usado ya que la dureza se obtiene por medici´ on directa y adem´ on de la profundidad de la huella, debido a una carga prefijada materiales. Este m´etodo se basa tambi´en en la medici´

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en se usan y se considera no destructivo por el tama˜ no de la huella (despreciable). Para los distintos materiales, tambi´ distintos indentadores, b´asicamente para los materiales blandos se usa una bola de acero templado y para los materiales duros se usa un diamante en forma de cono de 120o de punta redondeada. Podemos encontrar la escala de dureza Rockwell en la tabla A-2.

3.1.2.

Ensayo de dureza Brinell

ametro “D” Este m´etodo (tambi´ en de indentaci´ on) mediante un durometro ´ se fuerza una bola de acero templado de di´ a una huella en la contra la superficie del material, con una carga (P) y tiempo prefijados. Como resultado aparecer´ superficie del material de di´ ametro “d”, este es precisamente el valor que se debe encontrar. La dureza de Brinell viene definida por: HB =

P S

donde:

HB= presi´on media de la huella de P= carga fiada previamente en Kilopondios [Kp] S= superficie de la huella en mm2

on del espesor de la probeta, como se muestra en la Tabla 1. El di´ametro de la bola se elige en funci´ on del espesor de la probeta. Tabla 1: Di´ametro de la bola en funci´ Espesor de la probeta [mm]

de la bola [mm] Diametro ´ 0,625

Menor de 3

1,25 2,5

Entre 3 y 6

5

Mayor de 6

10

ametro del identador (D), se debe determinar el valor de la carga (P), definida por: Una vez establecido el valor del di´ P = K · D2 donde:

K= constante que depende del tipo de material a ensayar. (Ver Tabla 2)

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Tabla 2: Valor de la constante K dependiendo del material a ensayar. Material

K

Metales muy blandos

0,5-1,25

Esta˜no y Plomo

2,5

Aleaciones ligeras

5

on Cobre, Bronce y Lat´

10

Hierros y Aceros

30

on inicial. Esta viene Cabe destacar que para t´erminos m´ as pr´acticos de la medici´on, se utiliza una alternativa a la ecuaci´ dada por: HB =

3.1.3.

2P √ π · D(D − D2 − d 2 )

(1)

Ensayo de dureza Vickers

Este m´etodo se utiliza especialmente para determinar la dureza en materiales muy duros (HB>500). Se considera una mejora del ensayo de Brinell, ya que permite materiales con superficies no planas o probetas de menor grosor. Se utiliza de un indentador de diamante en forma de pir´ amide de base cuadrada, en donde las caras laterales forman unangulo ´ on (m´as precisa). Podemos obtener su indicador 136o por lo que deja una huella cuadrada, lo que simplifica la medici´ medinte la siguiente formula: ´ HV =

2 sen 68◦ · F d2

(2)

donde:

F= fuerza aplicada sobre el identador. d= diagonal de la huella.

3.2.

´ EMPLEADO METODO

Para realizar un ensayo de dureza se debe, primero que todo, escoger el material al que se le quiere realizar la medici´on de dureza y analizar sus propiedades a primera vista. Luego determinar el tipo de ensayo de dureza que se realizar´a acorde al material elegido, estos pueden ser ensayo de dureza mineral´ ogica, el´astico o de rebote (Ensayo Shore) o dureza a la indentaci´ on (Rockwell, Brinell y Vickers). En esta experiencia se realizar´ a un ensayo de dureza a la indentaci´on de los tipos de Brinell, Vickers y Rockwell.

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3.3.

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MATERIALES E INSTRUMENTOS Se utilizar´a una probeta de acero SAE 1010, la cual tiene como dimensiones 48x33x20 mm. (Ver Figura 1)

Figura 1: Acero SAE 1010

ometro. (Ver Figura 2) Verificador universal de dureza o Dur´

Figura 2: Durometro ´

on de dureza: Indentadores para cada tipo de medici´

(a) Bola de acero HRB

(b) Punta de diamante HRC

(c) Bola de acero HB

(d) Indentador piramidal de diamante HV

Figura 3: Indentadores para su respectiva medici´ on.

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3.4. 3.4.1.

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8

EXPERIENCIA Procedimiento general

ometro. 1. Se coloca la probeta previamente cortada y lijada en su superficie sobre la base circular del dur´ 2. Seleccionar el tipo de dureza que se quiere medir a un costado de la m´ aquina (HR, HV o HB). ometro en sentido horario para ajustar la altura hasta que la pro3. Manipular el volante en la parte inferior del dur´ ometro beta tenga contacto con el indentador, mientras se ajusta se observa una barra en la pantalla LED del dur ´ que se va llenando, ajustar hasta escuchar un sonido. 4. Una vez el dur´ometro haya terminado de trabajar, manipular en sentido antihorario el volante para bajar la base circular y observar los cambios en la probeta.

3.4.2.

Procedimiento de medici´ on Rockwell

ısticas del material, si el material es blando se utiliza un inden1. Escoger el tipo de indentador seg´un las caracter´ tador de bola de acero y se har´ a una medici´on Rockwell B. En el caso de un material duro se usa un indentador con punta de diamante y se har´a una medici´ on Rockwell C. 2. Montar el indentador escogido al verificador de dureza. un el procedimiento general previamente descrito, seleccionando el tipo 3. Manipular el verificador de dureza, seg´ de medici´on en la ranura HR que corresponde al tipo Rockwell. alisis. 4. Observar el n´umero en la pantalla LED y apuntarlo para realizar un futuro an´

3.4.3.

Procedimiento de medici´ on Brinell

1. Escoger el indentador correspondiente al tipo de medici´ on de Brinell. 2. Montar el indentador al verificador de dureza. un el procedimiento general previamente descrito, seleccionando el tipo 3. Manipular el verificador de dureza, seg´ de medici´on en la ranura HB que corresponde al tipo Brinell. es de un lente amplificador especial. Este lente ampli4. Observar la marca circular dejada por el indentador a trav´ ficador est´ a graduado milim´etricamente. ımetros. 5. Medir el di´ametro de la marca circular en mil´ 6. Realizar el c´ alculo de la dureza utilizando la formula ´ 1.

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3.4.4.

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on Vickers Procedimiento de medici´

on Vickers. 1. Escoger el indentador correspondiente al tipo de medici´ 2. Montar el indentador escogido al durometro. ´ on 3. Manipular el durometro, ´ seg´un el procedimiento general previamente descrito, seleccionando el tipo de medici´ en la ranura HV que corresponde al tipo Vickers. 4. El proceso despu´es del trabajo de la m´aquina es muy similar al proceso de Brinell, se observa la marca en forma ımetros. de prisma a trav´ es del mismo lente amplificador graduado en mil´ 5. Medir y apuntar la medida de la diagonal del prisma piramidal inscrito en la probeta. ormula 2. 6. Realizar el c´ alculo de la dureza Vickers mediante la f´

4. RESULTADOS on de tipo Rockwell Al realizar los procedimientos respectivos para cada medici´ on, obtuvimos que, para una medici´ B utilizando como indentador una bola de acero de 161 ” el verificador de dureza nos devuelve un valor de 88,8 HRB. Luego al realizar la medici´ on de dureza tipo Brinell, en la cual se utiliz´ o una bola de acero de di´ametro 2,5 mm, es del lente amplificador graduado obtuvimos procediendo a analizar la marca circular dejada por el indentador a trav´ 1, donde la fuerza es un valor arbitrario, un di´ametro de 1,100 mm aproximadamente, con esto al hacer uso de la formula ´ se llega a que la probeta de acero tiene un ındice ´ de 187 HB. Mientras que la medici´ on de tipo Vickers no se realiz´o, ı un valor de 187 HV. pero podemos utilizar la tabla A-1 de equivalencias entre durezas, obteniendo as´

5.

´ DISCUSION

Analizando los datos observados en la experiencia, se lleg´ o a que los m´etodos de medici´on de dureza no son comaquina verificadora de dureza. Pero como grupo plicados de realizar, hay que ser met´ odico cuando se manipula la m´ encontramos que cada m´etodo tiene sus ventajas y desventajas, en el caso de Rockwell es dif´ ıcil que haya una falla humana ya que el c´ alculo de la dureza lo realiza la m´ aquina pero no hay como corroborar dicho resultado s´ olo asegur´ andose volviendo a realizar la experiencia. Por otra parte, en los ensayos de dureza de tipo Brinell y Vickers, los on o en el resultados dependen de mediciones exactas y resoluci´ on de ecuaciones, por lo que un error en una medici´ para la dureza, pero a la vez los resultados de tipo Brinell pueden ser apoyados c´alculo puede entregar valores erroneos ´ por la tabla de dureza de Brinell. De la misma forma, los ensayos de dureza tipo Brinell y Vickers pueden llegar a ser m´as precisos que los de Rockwell por el hecho de ser calculados con formulas. ´

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6.

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´ CONCLUSION

En el ensayo de Rockwell solo hay que seguir los pasos met´ odicamente para que funcione, tambi´ en haciendo m´as de un ensayo para corroborar su resultado, como se dijo anteriormente, es el m´ etodo m´as directo y sencillo, si se siguen los pasos met´odicamente. Por otra parte, en el ensayo de Brinell los elementos a usar deben ser escogidos mediante tablas y dependen de la probeta a usar; a diferencia del m´ etodo de Rockwell, la dureza se obtiene mediante un c´ alculo matem´atico, donde las as variables var´ıan seg´un la probeta, como por ejemplo el di´ ametro y forma del indentador. Por esto es un ensayo m´ elaborado respecto al de Rockwell, pero no demasiado complejo. El ensayo de Vickers, es una mejora del ensayo de Brinnel, ya que usa un indentador en forma de pir´ amide para simplificar el c´ alculo de di´ametro, pero al igual que el m´etodo de Brinell usa una ecuaci´ on para el c´alculo de la dureza, desventaja o dificultad de este y tambi´ en depende de variables, como por ejemplo la presi´ on y el tiempo. La unica ´ as duros, por lo que las presiones usadas son elevadas. ensayo es que se suele usar para materiales m´

7. REFERENCIAS Callister, WD y Rethwisch, DG (2011). Ciencia e ingenier´ıa de materiales (Vol. 5, pp. 344-348). NY: John Wiley e hijos. Jure, F. (2020). Ensayo de Dureza. Youtube. https://youtu.be/x_FDEVLJi7s

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8. 8.1.

8.1.1.

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´ APENDICE ´ A AP ENDICE

Tabla A-1: Equivalencia entre durezas Rockwell, Brinell y Vickers

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8.1.2.

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Tabla A-2: Escala Rockwell

ESCALA

CARGA [Kg]

INDENTADOR

MATERIALES A PROBAR

A

60

Punta de diamante

Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc.

Bola de

1 16 ”

Aceros al carbono bajos y medios, lat´ on, bronce, etc.

B

100

C

150

Punta de diamante

Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.

D

100

Punta de diamante

Acero superficialmente cementado.

E

100

Bola de

1 8”

Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio. Bronce y cobre recocidos.

F

60

Bola de

1 16 ”

G

150

Bola de

1 16 ”

Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.

Bola de

1 8”

Placa de aluminio.

1 8”

Hierro fundido, aleaciones de aluminio

H

8.1.3.

12

60

K

150

Bola de

L

60

Bola de 41 ”

Pl´asticos y metales suaves, como el plomo.

Tabla A-3: Escala Brinell

HB

CARGA [DP2 ]

´ [s] TIEMPO DE APLICACION

MATERIALES

1-15

0,5

60

as elevadas. Metales blandos con temperaturas m´

3-39

1,25

60

Plomo, esta˜no, soldadura blanda.

6-78

2,5

60

no. Metales antifricci´ on, plomo, esta˜

11-158

5

60

on fundido. Aluminio puro, magnesio, zinc, lat´

22-315

10

30

Metales ligeros, aleaciones fundidas y amasadas.

67-500

30

10-15

Hierro dulce, acero, fundiciones maleables.

8.1.4.

Tabla A-4: Dureza Vickers para algunos materiales.

MATERIAL

VALOR

316L Acero inoxidable

140HV30

Acero al carbono

55-120HV5

Hierro

30-80HV5

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8.2. 8.2.1.

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´ B AP ENDICE Glosario

D

Dur´ometro: Aparato utilizado para realizar la medici´ on de dureza.

H

etodo de Rockwell. HR: Unidad de medida de dureza para el m´ etodo de Brinell. HB: Unidad de medida de dureza para el m´ etodo de Vickers. HV: Unidad de medida de dureza para el m´

I

Puede tener diversas formas dependiendo del tipo de Indentador: Accesorio perforador que se acopla al durometro. ´ medici´on que se requiera.

P

Probeta: Pieza normalizada, fabricada del material que se desea conocer sus propiedades....