FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA
ENSAYO DE DUREZA
Ing. Nilthon Zavaleta Gutierrez
GENERALIDADES La dureza es la propiedad que tienen los materiales de resistir a la penetración de un indentador bajo carga. En este sentido definiremos dureza como la resistencia de un material a la deformación plástica localizada.
Los valores obtenidos son siempre dependientes del método y las condiciones de ensayo. Estos deben ser especificados cuando los valores de dureza sean utilizados para comparar materiales.
GENERALIDADES Según la forma de aplicación de la carga, los métodos para obtener la dureza se pueden clasificar en: 1. Ensayos estáticos: cuando la carga se aplica en forma estática o cuasi‐estática. El indentador se presiona con una carga especificada en forma relativamente lenta. Ejemplo: método Brinell, Vickers y Knoop y Rockwell. 2. Ensayos dinámicos: cuando la carga se aplica en forma de impacto. El indentador es lanzado sobre la superficie con energía conocida y el valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador (dureza por rebote). Ejemplo: método de Shore y Leeb.
GENERALIDADES En general se mide dureza cuando se ha establecido una correlación entre la dureza y alguna otra propiedad del material, por ejemplo: Evaluar la efectividad de un tratamiento térmico. Evaluar la resistencia al desgaste de un material Evaluar la maquinabilidad del material. Obtener una idea de la resistencia a la tracción de un material. Sin embargo, dichas correlaciones son aplicables en forma cuidadosa sobre aquellos materiales sobre los cuales se conoce, empíricamente, las condiciones en que se cumple la relación entre la propiedad buscada y el valor de la dureza.
DUREZA BRINELL
DUREZA BRINELL El ensayo de dureza Brinell consiste en presionar la superficie del material a ensayar con una bola de acero muy duro o carburo de tungsteno, produciéndose la impresión de un casquete esférico. El número de dureza Brinell (HB), resulta de dividir la carga aplicada P (kg) por la superficie del casquete: 2 donde, D es el diámetro de la bola y d es el diámetro de la indentación, ambos en mm.
DUREZA BRINELL 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 solo son comparables si se cumple: De acuerdo a esto la norma ASTM E10 fija el valor de la constante de ensayo C. Dureza Brinell mayor de 160
C = 30
Dureza Brinell entre 81 y 160
C = 10
Dureza Brinell entre 26 y 80
C = 5
Para metales muy blandos
C = 2.5, 1.25 y 1
DUREZA BRINELL Penetradores El penetrador normal del método Brinell es la bola de 10 mm (acero, HB = 630), pero puede emplearse, en probetas de menor espesor, penetradores de 5 y 2.5 mm. Existen diversos criterios para determinar la bola a utilizar en un ensayo. En la tabla se expresa un criterio práctico, que permite seleccionar el diámetro de la bola en función del espesor de la probeta.
DUREZA BRINELL Carga empleada De acuerdo a la norma ASTM las cargas estándar son las de 3000, 1500 y 500 kg, para el penetrador de 10 mm, según la dureza del metal
DUREZA BRINELL Carga empleada Pero también de acuerdo con los distintos diámetros de los penetradores, la tabla siguiente permite conocer directamente la carga a emplear para cada material y espesor de probeta.
DUREZA BRINELL Correlación del valor de dureza con la resistencia la tracción En algunos casos es posible correlacionar el valor de dureza del material con el valor de resistencia a la tracción del material. Por ejemplo para aceros al carbono recocidos y con menos de 0.8% de carbono se tiene: 0.346
Para aceros al cromo‐níquel y algunas aleaciones de aluminio se adoptan valores entre 0.34 y 0.35; para fundición gris 0.1HB . Este valor en una aproximación y no debe ser tomado como un valor confiable. Cualquier irregularidad superficial, tal como endurecimiento localizado por deformación, tratamiento superficial, etc., puede causar una estimación errónea de la resistencia a la tracción.
DUREZA BRINELL Alguna consideraciones adicionales El centro de la impresión debe distar al menos 2d del borde la probeta y 3d de otra impresión, para evitar así los efectos del endurecimiento localizado producido por la indentación. Para materiales cuya HB 400 se recomienda utilizar penetradores duros (WC), y su empleo está limitado HB = 600. Por ello, a partir de 400 HB es mejor determinar la dureza a través de métodos como el Rockwell o Vickers. No es apropiado utilizar la dureza Brinell en mediciones de dureza de capas endurecidas (carburizadas, nitruradas, etc.) 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, aceros 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.
DUREZA VICKERS
DUREZA VICKERS La determinación de la dureza Vickers es similar a la Brinell, difiere en que el identador es una punta de diamante en forma de pirámide con base cuadrada, el ángulo entre las caras de la pirámide es de 136o . El número de dureza Vickers (HV) se obtiene dividiendo la carga aplicada por la superficie de la impronta, lo cual da: 1.8544
d, es la diagonal de la identación.
DUREZA VICKERS Las cargas pueden variar de 1 a 120 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 solo es necesario indicar la carga, así HV30 significa dureza Vickers con una carga de 30 kg.
La ventaja del método Vickers sobre el Brinell es que se puede aplicar en todo el rango de durezas usando el mismo indentador. Además la impronta es más pequeña que en el método Brinell.
DUREZA VICKERS Coincidencia Vickers ‐ Brinell El ángulo del penetrador Vickers se adoptó de tal manera que los números Vickers coincidan con los Brinell. Sin embargo, está coincidencia solo se cumple hasta alrededor de las 250 unidades. Esto se debe a que para valores mayores la bola utilizada en el ensayo Brinell se deforma y modifica en parte el valor de Relación aproximada entre la dureza Brinell, dureza Vickers y la dureza obtenido. resistencia a la tracción De aquí se desprende que el ensayo Vickers es más exacto, especialmente para durezas que sobrepasan los 500 Brinell.
DUREZA ROCKWELL
DUREZA ROCKWELL Es el ensayo de dureza más utilizado debido a que es el más simple, rápido, versátil y no requiere gran habilidad o pericia del operador. No se necesitan mediciones de área de la impronta, la profundidad es medida automáticamente por el aparato Rockwell. El número de dureza Rockwell esta en la relación inversa con la diferencia de profundidad de penetración de un indentador cuando sobre el mismo se aplica una carga principal y cuando se aplica una precarga o carga menor.
DUREZA ROCKWELL
Forma de realizar el ensayo: 1. Se aplica una precarga durante un tiempo determinado. La profundidad de la huella vale ho. 2.
Después en función de la dureza del material se añade la carga adicional. La profundidad de la huella alcanza el valor h1.
3. Al retirar la carga adicional, el penetrador retrocede por recuperación elástica del material. La huella adquiere una profundidad e=h1‐ho.
DUREZA ROCKWELL Cada escala de dureza Rockwell tienen un valor máximo (M). Un incremento en una unidad de dureza Rockwell representa un decrecimiento en penetración de 0.002 mm. Por lo tanto, el número de dureza es: 0.002 donde , (mm) y M es el límite superior de la escala. El valor de 100, para todas las escalas usando la punta de diamante (escalas A, C y D), y 130, para todas las escalas usando identador de bola (escalas B, E, M, R, etc.). Como se puede observar en las expresiones anteriores la dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por la ecuación dada por la escala adoptada.
DUREZA ROCKWELL
DUREZA ROCKWELL
Se debe tener en cuenta que las escalas Rockwell no son proporcionales y en consecuencia la diferencia de resistencia a la deformación entre un material de 58 HRC y uno de 60 HRC es mayor que entre uno de 30 y uno de 32 HRC. Por otra parte, las escala Rockwell C no debe usarse para valores menores que 20 pues los indentadores de diamante no están calibrados para esos niveles de dureza.
MICRODUREZA Son métodos de indentación que usan cargas entre 1 g y 1000 g y generando improntas del orden de unos pocos μm. Permite realizar mediciones sobre materiales con espesores muy delgados como láminas, alambres, etc. Es muy usado para medir la dureza en superficies con recubrimientos (por plasma, cromado) o en superficies endurecidas (carburizadas, nitruradas, etc.) o capas superficiales debilitadas (descarburizadas). También puede realizarse mediciones de fases o precipitados presente en las aleaciones.
MICRODUREZA KNOOP En la microdureza Knoop un indentador de diamante con forma piramidal de base romboidal. Se le suele denominar esferocónico La dureza se determina mediante el cociente de la carga aplicada y el área de la impronta sobre la superficie. El valor de dureza Knoop en función de l resulta: HK
14,229
La longitud de la diagonal puede variar de 5 a 1000 μ según la carga y la dureza del material.
MICRODUREZA KNOOP La tabla muestra valores de dureza Knoop de algunos recubrimientos por electrodeposición con distintos metales.
MICRODUREZA VICKERS El método Vickers es el mismo que el expuesto para mediciones de dureza común, sólo que se usan cargas menores (hasta 1 kg).
Improntas de microdureza Vickers en las diferentes fases de un acero de bajo carbono. Carga 50 g. se obtiene dureza de perlita da 290 HV, dureza de la ferrita, 150 HV
MICRODUREZA VICKERS La impronta Knoop es más larga que la Vickers pero tiene menor ancho a igualdad de carga, por lo que permite realizar mediciones más próximas. Esto es muy útil cuando se quiere realizar un perfil de durezas o bien mediciones cercanas a los bordes de la superficie preparada.
