¡Descarga Dureza de Materiales: Métodos de Ensayo Estáticos y Dinámicos y más Apuntes en PDF de Materiales solo en Docsity!
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Dureza
Introducción
La dureza es una condición de la superficie del material, no representa ninguna propiedad de la materia y está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del material. Si bien es un término que presenta una idea de solidez o firmeza, no existe una definición única acerca de la dureza y se la suele definir en relación al método particular que se utiliza para la determinación de su valor. De esta manera algunas definiciones que se pueden establecer son:
Resistencia a la penetración permanente bajo cargas estáticas o dinámicas. (Dureza por penetración) Absorción de energía bajo cargas de impacto o dinámicas. (Dureza por rebote) Resistencia a la abrasión. (Dureza por desgaste) Resistencia al rayado o marcado. (Dureza por rayado)
Independientemente de las definiciones enumeradas, en general, se entiende por dureza la propiedad que tienen los materiales de resistir la penetración de un penetrador bajo carga. En este sentido, definiremos dureza como la resistencia de un material a la deformación plástica localizada. Los diferentes métodos desarrollados para medir la dureza en general consisten en producir una deformación local en el material que se ensaya, a través de un penetrador. Por otro lado, debe tenerse en claro que los valores obtenidos son siempre dependientes del método y las condiciones en las que se ensaya, es decir que, para que un valor de dureza sea válido, útil y permita su comparación, debe estar acompañado de la indicación del método utilizado y las condiciones en las que se ha realizado el ensayo. Los diferentes métodos utilizados para obtener los valores de dureza se pueden clasificar en dos grandes grupos según la forma de aplicación de la carga.
Ensayos estáticos: En este tipo de ensayos la carga se aplica en forma estática o cuasi- estática. Así, un penetrador se presiona sobre la superficie de ensayo con una carga que se aplica en forma lenta. En general, la medida de dureza en este tipo de ensayo resulta del cociente de la carga aplicada y el área de la huella que deja el penetrador en la superficie, como es el caso de los métodos Brinell, Vickers y Knoop, o bien es una medida de la profundidad de la identación como en el método Rockwell. Ensayos dinámicos: En este caso, la carga se aplica en forma de impacto. En general el penetrador es lanzado sobre la superficie a ensayar con una energía conocida y el valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador luego de impactar en la muestra, como sucede en el método de Shore y en el de Leeb, ambos conocidos como
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
métodos de dureza por rebote. Dentro de este tipo de ensayos se puede enmarcar al método de Poldi, o dureza Brinell de taller, aunque los más representativos de los ensayos dinámicos de dureza son los métodos por rebote.
Se debe tener en cuenta que en los ensayos dinámicos los resultados obtenidos son dependientes de las propiedades elásticas del material que se ensaya y en general los valores son comparables entre materiales en los que dichas propiedades son iguales, o bien, se requiere la calibración del instrumento antes de ensayar un material cuyo módulo elástico es desconocido. En general se mide dureza cuando se ha establecido una correlación entre la dureza y alguna otra propiedad del material, como por ejemplo la resistencia a la abrasión o al desgaste, la resistencia a la tracción, etc. Sin embargo debe advertirse que estas correlaciones son aplicables en forma muy cuidadosa sobre un rango acotado de materiales sobre los cuales se conoce, empíricamente, las condiciones en que se cumple la relación entre la propiedad buscada y el valor de dureza. En general se puede utilizar la medición de dureza para:
Evaluar la efectividad de un tratamientos térmico. Evaluar la resistencia al desgaste de un material. Evaluar la maquinabilidad del material. Establecer un valor estimativo de la resistencia a la tracción de un material.
Los ensayos de dureza son junto con el de tracción, los más utilizados en la selección y control de calidad de los materiales. El empleo de los ensayos de dureza como instrumento de clasificación y control de calidad en las líneas de producción ha sido favorecido gracias a la automatización de los ciclos de medición de los métodos tradicionales tales como el Rockwell o Brinell. En este sentido existen ciclos automáticos de medición muy rápidos en lo que prácticamente no se requiere intervención del operador. Además el avance de la microelectrónica y el software incorporado han permitido el desarrollo de instrumentos medidores de dureza portátiles muy fáciles y agiles de usar, que permiten la medición sobre piezas en lugares en los que por los métodos tradicionales resulta impracticable.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Reemplazando esta ecuación en la primera se obtiene una expresión para el número de Brinell en función del diámetro de la huella.
En la práctica 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 (Figura 2 – Centro) y en otros una depresión (Figura 2 – Derecha). 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 d 1 , cuya determinación exacta en forma práctica es dificultosa. Por todo esto se ha generalizado la determinación de HB a partir de d , ya que ofrece mayor seguridad de una determinación correcta. Ya sea en la determinación de h o en la de d , se requiere una precisión mínima de 0,01mm.
Figura 2: Parámetros intervinientes en el cálculo de dureza Brinell (Izquierda). Craterización sobre la superficie, generada por el penetrador (Centro). Depresión sobre la superficie, generada por el penetrador (Derecha).
Algunos durómetros modernos están dotados de sistemas electrónicos encargados de producir la identación y determinar el valor de dureza automáticamente. Estos sistemas proveen el valor de dureza en forma directa, sin necesidad de realizar mediciones ni utilizar tablas. La determinación automática de la dureza se puede hacer de dos maneras: a través de sensores electrónicos que miden directamente la profundidad de penetración h , o bien mediante la determinación de las dimensiones de la huella a través de un microscopio de 20X o 40X incorporado en el aparato. Estos sistemas automáticos permiten ciclos de medición muy rápidos, lo que los hace aptos para formar parte de una línea de producción en la que se requiere medir dureza en un alto número de piezas.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Ensayos comparables
Teniendo en cuenta que los penetradores pueden sufrir deformaciones cuando se ensayan piezas de dureza considerable, los valores de dureza obtenidos en ensayos distintos sólo son comparables cuando las geometrías de las impresiones son geométricamente semejantes. Esto se cumple cuando el ángulo alfa del casquete es el mismo en todos los casos, véase Figura 2. Geométricamente la condición de comparación resulta
De esta condición se desprende que para una misma bolilla, empleada en distintos metales, es necesario variar la carga hasta encontrar el diámetro d que satisfaga la relación d/D. Si se realizan dos o más experiencias sobre un mismo material, pero con cargas y bolillas distintas, imponiendo la condición de semejanza y considerando que los valores de dureza deben ser iguales, es posible encontrar una relación entre las cargas y los penetradores que reemplace a la constante d/D. Si sobre un mismo material se realizan dos ensayos en distintas condiciones (cargas y penetradores diferentes) se obtendrán improntas diferentes, pero ambos valores de dureza deben ser iguales, por lo que
si se cumple la semejanza geométrica, entonces (^) ( ) de donde
Reemplazando las expresiones de y en la igualación planteada de obtenemos
( √^ ( )) ( √^ ( ))
En forma general
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
diámetro del penetrador D , mientras que las ASTM indican que e no debe ser menor de 10 veces la profundidad de penetración. La norma ASTM especifica la dureza mínima requerida para satisfacer la condición e< 10 h para un espesor de probeta determinado y distintas condiciones de carga, como se muestra en la tabla 3.
Tabla 3: Relaciones entre dureza, espesor de la probeta y carga a aplicar según ASTM E10.
Espesor de la probeta e [pulgadas]
Dureza Brinell mínima para la cual un ensayo Brinell puede ofrecer seguridad Carga de 500 kg Carga de 1500 kg Carga de 3000 kg 1/16 100 301 602 1/8 50 150 301 3/16 33 100 201 ¼ 25 75 150 5/16 20 60 120 3/8 17 50 100
En la siguiente tabla se expone un criterio más práctico, que permite seleccionar el diámetro de la bolilla en función del espesor de la probeta.
Tabla 3: Diámetro recomendado de bolilla según el espesor de la pieza a ensayar. Espesor de la probeta e [mm] e > 6^ 3 < e < 6^ e < 3 Diámetro de la bolilla D [mm]^10 5 2,
Cargas empleadas
De acuerdo a las normas ASTM las cargas estándar son las de 3000, 1500 y 500 kg, por lo que considerando que el penetrador normal es el de 10 mm, la relación 0,25 D < d < 0,5 D se cumple para metales cuya dureza Brinell se encuentra comprendida entre los valores indicados en la tabla 5.
Tabla 5: Valores de carga según la dureza Brinell del material para una bolilla estándar de 10 mm de diámetro.
Bolilla = 10 mm
Carga 3000 kg para dureza de 160 a 600 Carga de 1500 kg para dureza de 80 a 300 Carga de 500 kg para dureza de 26 a 100
Por otra parte, de acuerdo con los distintos diámetros de los penetradores y constantes de ensayo, tomadas en base a la naturaleza del material, se han confeccionado tablas como la Tabla 6 que permite conocer directamente la carga a emplear para cada material, mostrando en ella los más utilizados.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Tabla 6: Carga en función del diámetro del penetrador y naturaleza del material a ensayar.
Diámetro de la
bolilla [mm]
Materiales, Constantes de ensayo y cargas [kg] Aceros y fundiciones C =
Aleaciones de Cu y Al C = 10
Cobre y aluminio C = 5
Plomo, estaño y sus aleaciones C = 2, 10 3000 1000 500 250 5^750 250 125 62, 2,5 187,5 62,5 31,2 15, 1,25 46,9 15,6 7,81 3, 0,625 11,7 3,91 1,953 0, Notar que para cada una de las combinaciones posibles se cumple C = P/D^2
Tiempo de aplicación de la carga
En ensayos normales la carga máxima se alcanza en un lapso de 15 s y se mantiene, al menos, durante otros 15 s para aceros y 30 s para metales más dúctiles. Sin embargo a menudo la carga máxima se retiene durante un intervalo de 30 s para los metales ferrosos y un intervalo de 60 s para los otros metales. Los aparatos de ciclo automático permiten realizar ensayos a alta velocidad, por lo que el tiempo de transición de la carga y el tiempo en que se retiene la misma pueden ser mucho menores a los mencionados. Sin embargo, estos tiempos tienen influencia en el valor de dureza obtenido. Si la velocidad de aplicación de la carga es muy alta, es decir el tiempo de crecimiento de la carga es muy corto, se puede producir una sobrecarga (la carga sobrepasa el valor de ensayo antes de estabilizarse) que producirá una impronta de mayor diámetro. Por otro lado si el tiempo que se retiene la carga es insuficiente para que el material complete el flujo plástico, el tamaño de la impronta será menor. En este sentido se ha observado que para la mayoría de los materiales el flujo plástico es rápido en los primeros 30 s, siendo bastante más lento en el intervalo de 30 a 120 s.
Indicación del valor de dureza
La indicación del valor de dureza Brinell debe ir acompañado de la indicación de las condiciones de ensayo tales como diámetro del penetrador, carga aplicada y tiempo de aplicación, de la siguiente manera
[ ]
[ ]
[ ]
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
El centro de la impresión debe distar al menos 2d del borde de la probeta y 3d de otra impresión, para evitar así los efectos del endurecimiento localizado producido en las adyacencias de la penetración. Luego del ensayo no deben quedar marcas en la cara opuesta de la probeta. Si la pieza a ensayar presenta una superficie curva la impresión no será circular. Por esta razón el radio de curvatura debe ser inferior a los 25 mm y el diámetro d puede tomarse como el promedio de mediciones en varias direcciones. Si las propiedades de una probeta plana no son uniformes debido a la dirección de rolado o los esfuerzos inducidos por ejemplo por un enfriamiento brusco, resultará una impronta no circular, en este caso el valor de dureza Brinell puede obtenerse a partir del diámetro d que resulta del promedio de cuatro mediciones a 45°.
Alcance y aplicabilidad del método Brinell
Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se recomienda utilizar penetradores duros (de carburos metálicos). A partir de estos valores de dureza la deformación en el penetrador comienza a ser importante, y esta debe ser menor de ±0,005 D. Por esta razón el empleo de este método está limitado a una dureza máxima de HB = 600. De esta manera se puede decir que a partir de los 400 Brinell es recomendable determinar la dureza a través de métodos como el Rockwell o Vickers. Por último es claro que el método no es aplicable a piezas de espesor delgado ya que la penetración usual puede ser mayor que dicho espesor. Tampoco es aplicable a superficies cementadas, nitruradas, o recubiertas ya que la profundidad de penetración puede ser mayor al espesor que alcanza el tratamiento en la superficie. Es un método conveniente en materiales poco homogéneos tales como las fundiciones materiales de grano grueso y piezas forjadas, debido a que el tamaño de la impronta permite obtener un mejor promedio de la dureza en la zona. Además si se utiliza la profundidad h de la impronta para la determinación de la dureza, la superficie a ensayar no requiere demasiada preparación. Como regla general: cuanto mayor es la huella menor es el requerimiento de preparación superficial.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
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, 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 penetración 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.
_Figura 3: Secuencia de ensayo de dureza Rockwell. 1) Colocación de la pieza sobre el equipo.
- Aplicación de pre carga de 10 kg y ubicación del dial en cero. 3) Aplicación de carga adicional. 4) Retiro de carga adicional y lectura del valor de dureza._
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.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Ciclo de medición
El ciclo de medición en un ensayo de dureza Rockwell, se puede dividir en 8 pasos, como se muestra en la Figura 4. La velocidad de ejecución de cada uno de ellos tiene influencia sobre el valor de dureza que se obtiene. A continuación se indica para cada paso el factor que afecta la medición:
- Velocidad del penetrador en el punto de contacto con el material que se ensaya.
- Velocidad de aplicación de la carga inicial.
- Tiempo de permanencia de la carga inicial.
- Velocidad de aplicación de la carga adicional.
- Tiempo de permanencia de la carga total. (Es el tiempo que permanece toda la carga aplicada sobre el material que se ensaya)
- Velocidad con que se retira la carga adicional.
- Tiempo de recuperación elástica del material. (Es el tiempo que existe entre que se retira la carga adicional y se mide la profundidad de penetración)
- Velocidad con que se retira la carga inicial.
Los efectos de cada uno de los pasos sobre el valor de dureza que se obtiene pueden ser contemplados en dos grandes grupos.
- Efectos de la velocidad del penetrador o velocidad de crecimiento de las fuerzas. En este grupo se encuentran los pasos 1, 2, 4, 6 y 8.
- Efectos del tiempo de permanencia. Que agrupa los efectos de la duración de los pasos 3, 5 y
Salvo el paso ocho que no tiene influencia alguna, las variaciones en los tiempos de los pasos del primer grupo influyen sobre el valor de dureza que se obtiene, en particular el cuarto paso. Los efectos en este caso se deben a la sensibilidad del material a la velocidad o a efectos dinámicos en el penetrador, tales como sobrecargas o vibraciones producto de los cambios extremadamente rápidos en la fuerza. Los efectos de los pasos agrupados en el segundo grupo se deben al efecto creep y la recuperación elástica del material que se ensaya, que ocurren en los periodos en los que la fuerza es constante. Los efectos de los tiempos de permanencia de los pasos 3, 5 y 7 son más influyentes en el valor de dureza obtenido que los efectos asociados a la velocidad de crecimiento de las fuerzas, siempre y cuando esta última no sea exageradamente alta. Haciendo un análisis sobre los efectos de los tiempos de permanencia de la carga inicial, el de la carga total y el tiempo de recuperación la experiencia aporta las siguientes conclusiones:
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Para cada uno de los tiempos mencionados, la razón de cambio del valor de dureza obtenido (dureza aparente) es mayor para tiempos de permanencia cortos, disminuyendo a medida que los tiempos aumentan. En general el valor de dureza obtenido está principalmente afectado por el tiempo de permanencia de la fuerza total, seguido del tiempo de permanencia de la carga inicial y por último el tiempo de recuperación. Además esto varía con la dureza del material que se ensaya.
Figura 4: Esquema representativo del ciclo de medición de dureza Rockwell.
Conversión a cifras Brinell
Las cifras Rockwell de las escalas B y C se pueden convertir en cifras Brinell mediante ecuaciones obtenidas por Petranko. Estas ecuaciones son semiempíricas, y su precisión es de ±10%. Para convertir las cifras Rockwell B en Brinell, la ecuación adecuada es
La conversión de cifras Rockwell C, comprendidas entre 20 y 40, se lleva a cabo con la fórmula
Por último, para valores de dureza Rockwell C mayores a 40, se utiliza la siguiente expresión
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
En cuanto a la metodología del valor de dureza Vickers se cuenta con la siguiente expresión.
Dado que se puede obtener una expresión en función de la diagonal d , la cual
resulta
También es posible expresar el número Vickers en función de la profundidad de penetración h de la siguiente manera
Ya sea en la determinación de d o h se requiere una exactitud de 0,001 mm y el valor de d resultará del promedio de ambas diagonales. Las cargas pueden variar de 1 a 100 kg según el espesor y tipo de material. En general las máquinas estándar proveen cargas de 1, 2.5, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 kg de las cuales las de 30 y 50 kg son las más usadas. De esta manera para indicar las condiciones de ensayo sólo es necesario indicar la carga, así por ejemplo, HV 30 significa dureza Vickers con una carga de 30 kg.
Coincidencia Vickers – Brinell
El ángulo del penetrador Vickers se adoptó de tal manera que los números Vickers coincidan con los Brinell. Para relacionar el método Vickers con el Brinell es necesario considerar la condición de semejanza y los límites a partir de los cuales la bolilla no experimenta deformaciones y se obtienen impresiones nítidas. De esta manera resulta una impronta en el que las tangentes a la bola forman un ángulo de 136º, que resulta ser el ángulo adoptado para la construcción del penetrador piramidal, véase Figura 7. Sin embargo la coincidencia entre los valores de dureza que arrojan ambos métodos sólo se cumple hasta aproximadamente 350 unidades. Esto se debe a que para valores mayores la deformación que sufre la bolilla utilizada en el ensayo Brinell modifica en parte el valor de dureza obtenido. De aquí se desprende que el ensayo Vickers es más exacto, debido a la menor deformación del penetrador, para durezas que sobrepasan los 500 Brinell.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
Figura 7: Comparación entre la geometría del penetrador Vickers y el ángulo formado por las tangentes de una bolilla Brinell.
Consideraciones
En general es necesario seguir las mismas consideraciones mencionadas para los ensayos Brinell y Rockwell, debiendo tenerse especialmente presente que la superficie a ensayar debe estar casi pulida. La carga debe actuar durante 10 segundos aunque en algunos casos puede llegar hasta
- En aceros dulces los valores HV pueden variar de 120 a 170, mientras que en aceros tratados térmicamente puede variar entre 800 y 1000. En general el espesor mínimo de la probeta debe ser de 1,5 veces la longitud de la diagonal de la impresión o lo que es lo mismo 7 veces la profundidad h de penetración. Un criterio similar expresa que como regla general el espesor debe ser al menos de 10 h. En algunos casos el espesor de penetración puede ser tan solo de 0,065 mm por lo que el método es aplicable a piezas de poco espesor.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
proyectada sobre la superficie que se ensaya y en la que no debe tenerse en cuenta la recuperación elástica del material. Sin embargo, la medición de la superficie requiere que se retire el penetrador y por lo tanto el material produce la recuperación elástica y la consecuente deformación de la impronta.
Figura 9: Esquema representativo de la configuración geométrica del penetrador Knoop (Izquierda). Impronta generada mediante el método de microdureza Knoop sobre la superficie de ensayo (Derecha).
Por esto, considerando que la diagonal mayor l prácticamente no es afectada por la recuperación, el cálculo de la superficie se realiza en función de esta. De esta manera el área S de la base de la impresión no recuperada será
Donde w y l son las diagonales del romboide Luego, el valor de dureza Knoop en función de l resulta
La longitud de la diagonal l puede variar de 5 a 1000 m según la carga y la dureza del material.
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata
Apunte de Dureza Ing. Juan Lacoste
ENSAYOS DINAMICOS DE DUREZA
En los ensayos dinámicos la carga se aplica en forma de impacto a diferencia de los métodos estáticos en los que se aplica en forma relativamente lenta y progresiva. Como sucede en la mayoría de los métodos dinámicos de ensayo, la determinación de la dureza por métodos de este tipo depende de la energía absorbida por la probeta y por lo tanto los resultados deben ser tomados cuidadosamente. Como se verá, en general, los resultados que arrojan los métodos dinámicos son dependientes de la elasticidad del material y por lo tanto los resultados son comparables en materiales con las mismas propiedades elásticas. En el grupo de los ensayos dinámicos se puede incluir sin discusión alguna los ensayos de dureza por rebote. En los métodos por rebote el identador forma parte de un percutor que es lanzado sobre la superficie a ensayar con energía conocida. El valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del percutor luego de impactar en la muestra. En la Figura 10 se muestra en forma esquemática las bases de este método. Otro método en el que la carga se aplica en forma de impacto es el método de Poldi, también conocido como Brinell de taller. Sin embargo en este método el valor de dureza no se obtiene de la diferencia de energía en el penetrador, sino de la comparación de las improntas que se obtienen al mismo tiempo sobre la superficie a ensayar y sobre un cubo patrón de dureza conocida como se indica en forma esquemática en la Figura 10.
Figura 10: Dureza Brinell de taller o método de Poldi (Izquierda). Esquema representativo de la metodología de trabajo de los ensayos de dureza por rebote (Derecha).
