FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
INFORME DE INVESTIGACIÓN DUREZA BRINELL Y BROCKWELL
AUTORES: ESPINOZA FERREYROS CARLOS ESQUECHE CHAFLOQUE NORBI FIESTAS LOPEZ OSCAR
Contenido ............................................................................................................................................ 3 RESUMEN ............................................................................................................................................. ......................................................................................................................................... 3 OBJETIVOS .......................................................................................................................................... OBJETIVO GENERAL: ........................................................................................................................... ...........................................................................................................................
3
OBJETIVOS ESPECIFICOS: .................................................................................................................... ....................................................................................................................
3
............................................................................................................................... ............................................................ 4 MARCO TEORICO................................................................... ............................................................................................................................ .. 4 ANTECEDENTES .......................................................................................................................... ...................................................................................... ........................... 4 HISTORIA – ENSAYOS DE DUREZA........................................................... ................................................................................................................................... ........................... 5 CONCEPTOS ......................................................................................................... ........................................................................................................................................... 5 Fuerza ............................................................................................................................................ .......................................................................................................................................... ................ 5 Presión .......................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................... 6 Dureza ................................................................................................................. ............................................................................................................................... ........................................................................ ..... 6 Durómetro ............................................................ ............................................................................................................................... ........................................................................ ..... 6 Indentador ............................................................ ...................................................................................................................................... ....................................................................... .. 6 Ensayos ................................................................. ........................................................................................... 6 METODOS DE ENSAYO DE DUREZA ............................................................................................ ......................................................................................................................... ............. 6 ENSAYO BRINELL .............................................................................................................
RESUMEN Los ensayos más utilizados para determinar las propiedades del material son los ensayos de dureza, no siendo estos usados solamente para determinar dureza en sí, ya que con conocimiento de la composición y procesos previos del material los ensayos de dureza pueden usarse como una medida indirecta de propiedades y características enteramente diferentes de la dureza. Como ejemplo aplicación o no de tratamientos térmicos, separar materias primas de diferente composición, absorción de energía bajo carga y medir la resistencia o resistencia al desgaste de un producto. Por lo tanto, los ensayos o mediciones de dureza se realizan frecuentemente en materias primas, en parte o en proceso y en artículos terminados indistintamente. Los ensayos de dureza dan como resultado también alguna clase de medición de la capacidad de un material para resistir a la penetración en el material cercano a la superficie. Dicha penetración de material (con cualquier tipo de indentación) requiere el uso de fuerza e incluye el flujo plástico del material probado, por lo que las características de endurecimiento por trabajo del material son parte de la mayoría de las mediciones de dureza y se explica el porqué de la dificultad de convertir un tipo
MARCO TEORICO ANTECEDENTES HISTORIA – ENSAYOS DE DUREZA La dureza, aplicada a la mayoría de los materiales, y en particular a los metales, es una prueba mecánica valiosa, reveladora y comúnmente empleada que ha estado en uso en diversas formas durante más de 250 años. Ciertamente, como una propiedad material, su valor e importancia no pueden subestimarse, la información de una prueba de dureza puede complementar y usarse a menudo junto con otras técnicas de verificación de materiales tales como tracción o compresión para proporcionar información crítica de rendimiento. ¿Qué tan importante y útil es el material y la prueba de dureza? Considere la información proporcionada y su importancia en la estructura, aeroespacial, automotriz, control de calidad, análisis de fallas y muchas otras formas de fabricación e industria. La determinación de estas propiedades del material proporciona una visión valiosa de la durabilidad, resistencia, flexibilidad y capacidades de una variedad de tipos de componentes, desde materias primas hasta especímenes preparados y productos terminados. A lo largo de los años, se han desarrollado y empleado diversos métodos para determinar la dureza de los materiales con diferentes niveles de éxito. Desde las primeras formas de pruebas de rascado hasta la sofisticada imagen automatizada, las pruebas de dureza han evolucionado hasta convertirse en un método de prueba de materiales eficiente, preciso y valioso. Algunas de las formas más tempranas de la prueba del rasguño de la barra datan
ingeniería. El ensayo se diseñó en reacción a la necesidad de tener un ensayo más refinado sobre las limitaciones de material en las que el Brinell fue eficaz. La prueba de Vickers utiliza el mismo principio que el Brinell, el de una impresión regulada sobre el material, pero en su lugar utiliza un diamante en forma de pirámide en lugar del penetrador de bolas Brinell. Esto resultó en una prueba de dureza más consistente y versátil. Más tarde, en 1939, Fredrick Knoop presentó una alternativa a la prueba Vickers en la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos. La prueba Knoop utilizó un formato alargado y poco profundo de la pirámide de diamantes y fue diseñada para ser usada bajo fuerzas de prueba inferiores a la prueba de dureza Vickers, lo que permite realizar pruebas más precisas de materiales frágiles o delgados. Tanto las pruebas Vickers como Knoop continúan como métodos populares de análisis de dureza hoy. Aunque concebido como una idea en 1908 por un profesor vienés, Paul Ludwik, la prueba de sangría Rockwell no llegó a ser de importancia comercial hasta alrededor de 1914 cuando los hermanos Stanley y Hugh Rockwell, trabajando de una empresa manufacturera en Bristol Connecticut, amplió la idea de utilizar Una prueba cónica de la indentación del diamante basada en el desplazamiento y solicitada para una patente para un diseño del probador de Rockwell. El principal criterio para este probador fue proporcionar un método rápido para determinar los efectos del tratamiento térmico en carreras de acero. Uno de los principales puntos fuertes de la Rockwell fue la pequeña zona de sangría necesaria.
Dureza La definición general de dureza se puede decir que es la oposición o resistencia de un material a ser penetrado por otro; aún no se ha comprendido completamente la física fundamental de la dureza por lo que no existe una escala de medida universal que se ajuste a todos los tipos de materiales. Durómetro Es una máquina creada con el único propósito de medir la dureza de los materiales, existen varios procedimientos o ensayos. Tales como Brinell, Vickers, Rockwell etc. El procedimiento general es aplicar una determinada fuerza o carga sobre un penetrador o indentador (normalizado), el cual produce o deja una huella sobre el material, seguido de las mediciones necesarias de la huella se obtiene la dureza. Indentador Dispositivo que se utiliza en las distintas pruebas de dureza, es oprimido contra el material de prueba para causar una huella con una carga determinada sobre este. Puede ser de varios tipos, varias formas y varias composiciones dependiendo del tipo de ensayo. Ensayos Los ensayos de materiales son técnicas estandarizadas con el único fin de determinar propiedades y características de los materiales. Los objetivos de estos ensayos son
En cuanto a la aplicación de la carga sobre el material puede ser mediante diferentes medios; ya sea por presión de un líquido, tornillo propulsado por engranes o pesas con palanca. Para realizar el ensayo Brinell la superficie de la pieza debe ser plana y estar razonablemente bien pulida para que no existan dificultades el momento de la determinación o medición exacta del diámetro de la huella, en algunos casos de materiales, el borde de la huella queda muy imprecisamente definido aun cuando el acabado sea bueno. Para aumentar esta se recomienda el uso de lámpara móvil para obtener iluminación y mediante contraste de luz y sombra lograr una definición nítida. En algunos casos de se utiliza indentadores ligeramente carcomidos con ácido nítrico o acompañados de algún pigmento. En el ensayo normal, la carga se mantiene por un mínimo de 15 segundos para materiales duros y de 30 segundos para los materiales suaves e intermedios, el material queda permanentemente deformado, se debe tener en cuenta que no deben aparecer marcas en la pieza sobre el lado opuesto de la indentación y también requiere que el grueso del material a ensayar sea cuando menos diez veces mayor que la profundidad de la huella.
La indentación no debe realizarse demasiado cerca del borde del material a ensayar, la impresión o huella puede resultar demasiado grande y asimétrica. Si se realiza la indentación cerca de una anterior, de la misma forma la huella puede resultar demasiado grande debido a la carencia de suficiente material sustentante o a su vez demasiado pequeña debido al endurecimiento por trabajo del material en la primera indentación. Todo esto puede desestimarse siempre que la distancia al centro de la huella desde el borde del material o, desde el centro de las huellas adyacentes sea igual o mayor que dos veces y medio el diámetro de la huella. En algunos materiales, la penetración provoca una deformación en la huella, la cual puede llegar a dar una información falsa a la hora de medir el diámetro.
APARATOS Y EQUIPO MAQUINA DE PRUEBA: El equipo para la prueba de dureza Brinell generalmente consiste en una máquina que soporta la probeta y aplica una carga predeterminada sobre un balín que está en contacto con la probeta. La magnitud de la carga está limitada dentro de ciertos valores. El diseño de la máquina de prueba debe ser tal que no permita un movimiento lateral del balín o de la probeta mientras se está aplicando la carga.
ACABADO: Cuando menos la superficie sobre la cual se va a aplicar la carga debe estar limada, esmerilada o pulida con un material abrasivo, de tal manera que las orillas de la huella estén claramente definidas para permitir la medición del diámetro con la exactitud especificada.
PROCEDIMIENTO MAGNITUD DE LA CARGA DE PRUEBA: La carga para la prueba de dureza Brinell estándar es de 3000kgf, 1500kgf o 500kgf. Es deseable que la carga de la prueba sea de tal magnitud que el diámetro de la huella este entre 2.5 a 6.00 mm. No es obligatorio el que la prueba cumpla estos intervalos de carga, pero debe tomarse en cuenta que pueden obtenerse diversos valores de Dureza Brinell sí sé varia la carga a la especificada usando un balín de 10 mm. Para materiales más blandos en ocasiones se ocupan cargas de 250kgf, 125kgf o 100kgf. la carga usada debe anotarse en los informes.
ESPACIAMIENTO DE LAS HUELLAS: La distancia del centro de la huella a la orilla de la probeta o a la orilla de otra huella debe ser cuando menos tres veces el diámetro de la misma.
una empresa del grupo General Motors. La razón por la cual se desarrolló este dispositivo fue para medir los efectos del tratamiento térmico en los caminos de rodadura de rodamientos rígidos de bolas. El ensayo o prueba Rockwell consiste en causar una indentación o impresión en el material de ensayo, el número de dureza encontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por la acción de un penetrador o indentador bajo una carga estática dada. El indentador o penetrador puede ser una bola de acero o un cono de diamante con una punta ligeramente redondeada. En este ensayo se usan varias cargas y penetradores dependiendo del contenido de carbono y características del material de ensayo. Para obtener la lectura de la dureza Rockwell primero se usa una carga menor a 10 kilogramos en el penetrador para ajustarlo contra la probeta de ensayo, dependiendo del tipo de penetrador y de la escala que se use se impone una carga mayor de 60, 100, 150 kilogramos para indentar el material o probeta de ensayo, la carga mayor se elimina y la profundidad diferencial permanente entre las dos cargas se lee directamente como un numero de dureza Rockwell. La mayoría de las pruebas de dureza con el equipo Rockwell se realizan usando dos indentadores o penetradores estándar. Una bola de acero endurecido de 1/16 de pulgada de diámetro para materiales más suaves, y un indentador o penetrador
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
mm ± 0.003 mm; Excepto para la escala E, que tiene un diámetro de 3.175 mm ± 0.004 mm. Dicho balín debe estar pulido y no debe presentar defectos superficiales. Debe eliminarse y anularse la prueba si presenta una deformación mayor a la tolerancia indicada anteriormente o cualquier otro defecto superficial. En los dos tipos de penetrador debe evitarse la acumulación en el penetrador de: polvo, tierra, grasa o capas de óxidos, dado que esto afecta los resultados de la prueba.
PROCEDIMIENTO APLICACIÓN DE LA CARGA MENOR: debe colocarse la probeta sobre el soporte y aplicar la carga menor gradualmente hasta que se obtenga la indicación apropiada en la carátula. Esto se obtiene cuando el indicador haya dado el número apropiado de revoluciones completas y quede dentro de 5 divisiones de la posición de ajuste en la parte superior de la carátula. APLICACIÓN DE LA CARGA MAYOR: Debe aplicarse la carga mayor accionando la palanca de operación sin impacto y dejando que gire libremente. Se retira la carga mayor llevando la palanca de operación de regreso a la posición original dentro de
VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL ENSAYO ROCKWELL Este ensayo es similar al de Brinell ya que el número de dureza encontrado es una función del grado de penetración de la pieza de ensayo por acción de un penetrador bajo una carga dada. En este se usan varias cargas y penetradores, de ahí que la huella resultante sea menor y menos profunda, gracias a lo cual no se produce un daño significativo a la probeta y esta se puede re utilizar, es aplicable al ensayo de materiales cuyas durezas rebasan el alcance de la dureza Brinell siempre que se usen correctamente los indentadores y las cargas. Como limitación se tiene en cuenta el espesor de la probeta ya que no tiene que aparecer ninguna protuberancia o marca en la superficie opuesta de la huell a, placas curvas, y mesas de trabajo sujetas a vibración.
ECUACIONES METODO BRINELL Emplea como penetrador una bola de acero templado. Al comprimir la bola contra la superficie del material, con una carga determinada, se produce una huella en forma de casquete esférico. A continuación, se representa un esquema gráfico del ensayo.
Un inconveniente de este método es que no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforma el penetrador. Además, si aplicamos el ensayo para espesores menores que el diámetro de la bola, se deforma el material y el resultado es erróneo, luego como norma general el diámetro de la huella estará comprendido entre: D 4 d D 2
Si tomamos su valor medio, tenemos que: d
0,375D
2
No debe usarse para medir la dureza sobre superficies curvas.
METODO ROCKWELL El penetrador empleado depende del material a ensayar; para los materiales blandos empleamos una bola de acero y para los duros un cono de diamante de 120º de ángulo, denominándose el ensayo según el penetrador HRB y HRC. A continuación, se representa un esquema gráfico del ensayo.
1. Se aplica una precarga durante un tiempo determinado. La profundidad de la huella vale ho
CONCLUSIONES
Se adquirió información cualificada sobre los métodos de ensayo de dureza que nos permitió obtener los conocimientos a nivel técnico-profesional de los ya mencionados (Brinell y rockwell). Se logró identificar las diferencias sustanciales existentes entre ambos ensayos. Se logro identificar e interpretar los resultados de dichas pruebas e incluso establecer un cuadro comparativo de ambos ensayos.
BIBLIOGRAFIA [1] ASTM E18-03, “Terminología”, Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials, 2010.
[2] ASTM E18-03, “Principio del test de Dureza Rockwell”, Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials, 20 10.
[3] CALLE T. G., HENAO C. E., DUREZA ROCKWELL, LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES
GUÍA DE LABORATORIO, UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA, 2009.
ANEXOS Tabla n°01 Cargas y diámetro de esfera usadas para el ensayo de dureza Brinell Diámetro de la esfera D en mm
Carga en Kg 30 D
10 D
5 D
2
2,5 D
10
3000
1000
500
250
5
750
250
125
62,5
2,5
187,5
62,5
31,2
15,6
HB 30
HB 10
HB 5
HB 2,5
Signo abreviado
2
2
2
Tabla °02 La siguiente es una tabla simplificada de los materiales más comunes que se miden con Rockwell
Tabla n° 03 Escalas Rockwell de Dureza
Escala
ESCALAS ROCKWELL DE DUREZA Carga Kg Penetrador Aplicaciones típicas
A
60
Brale
B
100
Bola 1/16"
C
150
Brale
D
100
Brale
F
60
Bola 1/16"
G
150
Bola 1/16"
Carburos cementados, acero delgado, acero de bajo endurecimiento superficial. Aleaciones de cobre, aceros suaves, aleaciones de aluminio, hierro maleable. Acero, hierro fundido duro, acero de alto endurecimiento superficial. Acero delgado, acero de endurecimiento superficial mediano. Aleaciones de cobre templado, laminas metálicas delgadas y blandas. Bronce fosforado, cobre al berilio, hierro maleable.
ENSAYO Brinell (HB) (UNE 7-422-85). 110 HB 5 250 30 110 : Nº de dureza. HB : Dureza Brinell. 5 : Diámetro de la bola en mm. 250: carga en kg. 30: tiempo del ensayo. Consiste en comprimir el penetrador contra el material, por medio de una carga y durante un tiempo determinado.
Vickers (HV) (UNE 7-423-84). 720 : Nº de dureza. HV : Dureza Vickers. 30: Fuerza en Kg. Consiste en comprimir el penetrador contra el material, por medio de una carga y durante un tiempo determinado.
Rockwell (HRC o HRB) (UNE 7-424-89). 1º se aplica la carga de 10 Kg que provoca una huella de profundidad ho. 2º se aplica una carga adicional de 60, 100 o 150 kg según el material, que provoca una huella de profundidad h1. 3º se retira la carga adicional. El material se recupera elásticamente, la profundidad de la huella es ahora “e”.
PENETRADOR
ESQUEMA GRÁFICO
FÓRMULA
PARÁMETROS
F HB
; A D f A Kg F HB 2 mm D D D 2 d 2
D
Bola de acero templado.
F
2
D: diámetro del penetrador en mm. F: profundidad de la huella en mm. d: diámetro de la huella en mm. F: carga en Kgf. K: constante de proporcionalidad. HB: dureza Brinell en Kgf/mm 2.
F K D 2
d
El penetrador es un diamante tallado en forma de pirámide regular de base cuadrad, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º.
HRB: Bola de acero para los materiales blandos. HRC: cono de diamante de 120º para los materiales duros.
d 136º F d
F h1 ho
F Kg 1,854 2 2 d mm d 1 d 2
HV
F + F ad 1º
2
F 3º
2º
d: diagonal de la huella en mm. F: carga en Kgf. HV: dureza Vickers en Kgf/mm 2.
e
ho: profundidad de la huella con la carga inicial en mm. h1: profundidad de la huella con la carga adicional en mm. e: profundidad de la huella en mm.
19
20
