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INSTITUTO TECNOLÓGICO
SUPERIOR DE MISANTLA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
“Dureza.”
REPORTE DE INVESTIGACIÓN
QUE PRESENTA
Oscar Uriel Velázquez Fernández
MISANTLA, VERACRUZ ABRIL, 2020
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Dureza De Los Materiales, Apuntes de Investigación de Operaciones
Habla sobre todo lo que tiene que ver sobre la Dureza de los materiales
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 14
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INSTITUTO TECNOLÓGICO
SUPERIOR DE MISANTLA
INGENIERÍA INDUSTRIAL
“Dureza.”
REPORTE DE INVESTIGACIÓN
QUE PRESENTA
Oscar Uriel Velázquez Fernández
MISANTLA, VERACRUZ ABRIL, 2020
ÍNDICE
RESUMEN
Cuando hablamos de Dureza nos referimos a aquello que es duro, resistente y que carece de
flexibilidad. La dureza es el obstáculo o impedimento que presentan algunos materiales
cuando se desea alterar su condición física debido a la cohesión de sus átomos. Es decir, es
difícil de rayar, penetrar, desgastar, romper, deformar o abrasar. La dureza es más bien un
término que se acostumbra a usar en mineralogía y geología para referirse a la dureza y el
grado de resistencia que posee un mineral al ser rayado o penetrado por otro material.
PALABRAS CLAVE: Dureza de Rockwell, Dureza de Brinell, Dureza Vickers, Dureza
Knoop, Indentador, Durómetro, Elasticidad, Flexibilidad.
INTRODUCCIÓN
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 esta.
Ilustración 1 : Ejemplo de la aplicación de un ensayo estático
Ensayos Dinámicos:
Es aquel que la carga se aplica en forma de impacto. El identador es lanzado sobre la superficie a ensayar con una energía que se conoce y el valor de la dureza que tiene dicho Identador se obtiene a partir de la energía de rebote luego de impactar la muestra. Ilustración 2 : Ejemplo de un Ensayo Dinámico Los ensayos de dureza junto con el ensayo de tracción son los mas utilizados en la selección y control de calidad de los materiales. El empleo de los ensayos de dureza como un instrumento de clasificación y control de calidad en líneas de producción ha sido favorecido por la automatización de ciclos de medición sobre los métodos tradicionales como el Rockwell o el Brinell.
DUREZA BRINELL Este ensayo consiste en presionar la superficie del material que se quiera ensayar con una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, produciéndose la impresión de un casquete esférico correspondiente a la esfera que se está penetrando. Ver ( Ilustración 3: Ejemplo básico de un ensayo de Dureza tipo Brinell). El valor de dureza ( HB ), es el resultado de dividir la carga aplicada P por la superficie del casquete, por que la formula para expresar esto es la siguiente: B 2
P kg
H
Dh mm
Formula 1 : Dureza de Brinell (Cálculo de HB 1) La profundidad h del casquete impreso se mide directamente en la máquina, mientras que la carga se mantiene aplicada para poder asegurar un buen contacto entre la bolilla y el material a probar. Existen diferentes formas de probar la determinante del número HB una forma fue la Formula 1, la otra es partiendo el diámetro d de la impresión lo cual tiene la ventaja de que se pueden efectuar tantas mediciones como se estimen necesarias y en microscopios o aparatos especialmente diseñados para tal fin. En este caso el valor del diámetro de la impresión resultará del promedio de dos lecturas realizadas a 90º entre sí. Considerando que 2 2
D D D d
h
Formula 2 : Dureza de Brinell (cálculo de HB 2) reemplazando la Formula 2 en la Formula 1 se obtiene una expresión para el número de Brinell en función del diámetro de la huella: 2 2
2 P
HB
D D D d
Formula 3 : Expresión de la fórmula 1 y la fórmula 2 juntas. El número de Brinell se puede tomar directamente de una tabla ingresando con el valor del diámetro de la impronta. En algunos materiales la penetración de la bolilla origina una craterización Ilustración 4 y en otros
una depresión Ilustración 5 En estos casos los valores obtenidos a partir de la medición de h^ no
coinciden con los obtenidos en función de d^ , ya que la profundidad h^ medida no corresponde al
casquete cuyo diámetro es d^ , sino al de diámetro 1
d
, cuya determinación exacta en forma práctica es dificultosa.
. DUREZA ROCKWELL Al igual que en el ensayo Brinell la dureza se determina en función del grado de penetración de la pieza a ensayar a causa de la acción del penetrador bajo una carga estática dada. Difiere del ensayo Brinell en que las cargas son menores y los penetradores más pequeños por lo que la impronta será menor y menos profunda. Además, el ensayo Rockwell no requiere la utilización de formula alguna para la determinación de la dureza. Esta se obtiene directamente del dial indicador de la máquina ya que la misma está dada por el incremento de profundidad de penetración debido a la acción del penetrador, el cual puede ser una bolilla de acero o un cono de diamante. En la operación, la cual se muestra esquemáticamente tal como se muestra en la Ilustración 8: Secuencia de un ensayo de dureza Rockwell , se aplica inicialmente una carga de 10 kg la cual causa una penetración inicial A que pone el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición. El indicador de la máquina se pone en cero, es decir se toma la línea de referencia a partir de la cual se medirá la identación y se aplica la carga adicional, la que generalmente es de 50 o 90 kg cuando se utiliza como penetrador una bolilla de acero y es de 140 kg cuando se utiliza el cono de diamante. Ilustración 8 : Secuencia de un ensayo de dureza Rockwell
Al aplicar la carga adicional el material fluye plásticamente, resultando una penetración total B^.
Posteriormente, se retira la carga adicional, permitiendo la recuperación elástica del material
resultando una penetración final C^ .Una vez que la carga principal se retira, el valor de dureza se
lee directamente del indicador de la máquina y dependerá de la penetración h^ dada por la
diferencia entre la línea de referencia A^ y la línea final C^. En las máquinas con sistema de
indicación analógico la carátula lleva dos grupos, que difieren por 30 números de dureza, en los que se agrupan las diferentes escalas correspondientes al método, como se muestra en la Ilustración 9. Ilustración 9 : Grupo de Escalas DUREZA VICKERS La determinación de la dureza Vickers es similar a la Brinell ya que se obtiene del cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta. Sin embargo, en este caso se utiliza una carga pequeña y el penetrador es un diamante en forma de pirámide, como se muestra en la Ilustración 10. De esta manera el valor de dureza Vickers resulta: 2
P
HV sen
l
Formula 4 Dado que 2 2
l ^ d
se puede obtener una expresión en función de la diagonal d^ ,la cual resulta:
2
1854 P
HV
d
Formula 5
Nuevamente, el símbolo HK fue adoptado a principios de la década de 1960 mientras que otros términos; Por ejemplo, HKN o KHN, son obsoletos y no deben utilizarse. Las pruebas de dureza Knoop, como Micro indentation Vickers, se realizan normalmente con fuerzas de carga de 10 a 1000 g. El área medida se usa en una fórmula que incluye fuerza aplicada para determinar un valor de dureza. Las tablas o las mediciones automáticas electrónicas o de imágenes son una forma más común y conveniente de generar números de ensayos de dureza Knoop. Ventajas Aparte del ahorro de tiempo, la principal utilización de la prueba de dureza Knoop es la capacidad de probar capas finas con mayor facilidad. Alrededor de cualquier identación en un material habrá un área de deformación plástica. Si esta área deformada coincide con una interfaz (como el borde del material) o un área deformada similar de otra sangría, la lectura de dureza resultante será incorrecta. Esta área deformada está vinculada al tamaño de la penetración, y para garantizar las pruebas correctas, generalmente se recomienda que las identaciones estén separadas por lo menos 2.5 veces la diagonal de la penetración. La forma alargada de la muesca Knoop significa que se pueden colocar mucho más juntas que una prueba de dureza Vickers con la misma carga. Además, si la dureza varía mucho con la profundidad, la muesca de Vickers puede verse distorsionada por este cambio; es decir, la diagonal paralela al cambio de dureza se verá afectada por el gradiente de dureza. También se debe tener cuidado de que el grosor del material sea suficiente para la prueba. Para las pruebas de dureza de Vickers, el grosor también debe ser al menos 2,5 veces la medida diagonal. Sin embargo, debido a que la sangría Knoop es menos profunda que la de Vickers en la misma carga, se pueden analizar muestras significativamente más delgadas. Desventajas El lado negativo de la prueba Knoop es que la penetración tridimensional cambiará con la carga de prueba y, en consecuencia, HK varía con la carga. A cargas más altas esta variación no es sustancial. La conversión de los valores de HK a otras escalas de dureza solo se puede realizar de manera confiable para los valores de HK realizados en la carga estándar, generalmente 500 gf, utilizados para desarrollar las correlaciones. Todas las conversiones de escala de dureza se basan en datos empíricos. Las conversiones no son precisas y son estimaciones.
DISCUSIÓN
Al hacer este reporte pudimos notar que en la Dureza existen diferentes tipos de ensayos, los cuales nos sirven para poder medir la dureza de cualquier material. Poder saber cuál es su Resistencia a la identación o también que bien Absorben energía bajo cargas de impacto o dinámicas, su dureza por desgaste o también su dureza por rayado.
CONCLUSIÓN
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. Gracias a la variedad de ensayos de dureza que se pueden realizar en los materiales podemos tener la certeza de que tipo de
material estamos usando y en que lo podemos emplear. Se evalúa convencionalmente por tres procedimientos. El más usado en metales es la resistencia a la penetración de una herramienta de determinada geometría.
REFERENCIAS
Gonzales Arias, Ay Palazon, A. C. A., 1973, Ensayos Industriales. Ediciones Litenia Davis, H. E, Troxell, G. E y Wiskocil, C. W.,1964 Ensaye e Inspección de los Materiales en Ingeniería. McGRAW-HILL. Santos E, Yenque D., J. Rojas O., Rosales U., V., 2001, Acerca del ensayo de dureza. Notas Científicas. INDUSTRIAL DATA (4) 2, pp 73-80. Pelorosso, P. O. Metalografía y ensayo de Metales. Cesarini Hnos. Low S.R., 2001, Rockwell Hardness Measurement of Metallic Materials. National Institute of Standards and Technology. U.S. Franck S., 2005, Mobile Hardness Testing: Applications Guide for Hardness Testers. GE Inspections Technology. FAQ’s – Hardness Testing. www.geinspectiontechnologies.com/download/products/ht/hardness-testing-faq.pdf