CODIGO DE CURSO
LABORATORIO 06
G05213
PRUEBAS DE DUREZA Y TRACCIÓN IMPACTO.
LUGAR DE REALIZACIÓN
DURACION DE LA TAREA
TOLERANCIA
TALLER M6
01 SESIÓN
5 MIN
1.
IMPLEMENTOS DE SEGURIDAD.
2.
HERRAMIENTAS Y MATERIALES OPCIONALES Durómetro Universal Wolpert. Penetrador piramidal vickers. MATERIALES: Probetas de Acero 1020. Probetas de Bronce. Probetas de Aluminio
3.
INTRODUCCION La dureza es la oposición de un cuerpo a ser rayado y penetrado , existen varias escalas de medición de dureza como son Brinell, Rockwell y Vickers, estos métodos ayudan a determinar la dureza de los materiales , en este caso nosotros utilizaremos el método de dureza Brinell el cual utiliza una bola de acero templado o carburo de wolframio, este método consiste en aplicar una fuerza sobre el material y luego medir la huella de la bola y según él la fórmula de dureza brinell hallar la misma, en este método se tiene que considerar el tiempo de penetración y la fuerza para cada tipo de material
4.
OBJETIVOS:
5.
Determinar la dureza de los materiales mediante diversos procedimientos de ensayos. Establecer campos de aplicación de las pruebas de medición.
SEGURIDAD:
RIESGO Cortes
DESCRIPCIÓN DEL PELIGRO Los alumnos que realizan trabajos con erramientas cortantes (Alicates, cuchillas, tc.)deben de tener cuidado , para evitar años personales. Cortocircuitos Los alumnos que realizan trabajos con omponentes mecánicos y/o eléctricos no eberán conectar inadecuadamente a los oma corrientes. Agentes que pueden dañar los Los alumnos que realizan trabajos de nstrumentos de comprobación. quipos, deberán tener cuidado con le mpleo correcto de los instrumentos de edición y comprobación. Tener cuidado con las puntas cortantes. Mantener siempre el equipo de trabajo y Seguridad ante todo os materiales en orden y en su lugar.
INSTRUCCIONES DE TRABAJO. Trabajar en forma ordenada. Nunca juntar instrumentos de comprobación Y medición con otras herramientas.
6.
CONOCIMIENTOS RELACIONADOS CON LA TAREA:
6.1.
DUREZA :
La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, etc... También puede definirse como la cantidad de energía que absorbe un material ante un esfuerzo antes de romperse o deformarse. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar. Otras propiedades relacionadas con la resistencia son la resiliencia, la tenacidad o la ductilidad. 6.2.
ESCALAS DE USO INDUSTRIAL
En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido. Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.(Figura 1). Las escalas de uso industrial actuales son la siguiente. Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción. Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar. Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella. Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.
Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000. Dureza Shore:Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros. Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor. Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largosextruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell
6.3.
NANOINDENTACIÓN
La nanoindentación es la prueba de dureza llevada a cabo en la escala de longitudes nanométricas. Se utiliza una punta pequeña para indentar el material de interés. La carga impuesta y el desplazamiento se miden de manera continua con una resolución de micronewtons y subnanómetros, respectivamente. La carga y el desplazamiento se miden a través del proceso de indentación. Las técnicas de nanoindentación son importantes para la medición de las propiedades mecánicas en aplicaciones microelectrónicas y para la deformación de estructuras a micro y nanoescala. Los nanoindentadores incorporan microscopios ópticos. La dureza y el módulo de elasticidad se miden utilizando la nanoindentación. Las puntas de los nanopenetradores vienen en una variedad de formas. A una forma común se le conoce como penetrador de Berkovich, el cual es una pirámide con 3 lados. La primera etapa de una prueba de nanoindentación involucra el desarrollo de indentaciones sobre un patrón de calibración. La sílice fundida es un patrón de calibración común, debido a que tiene propiedades mecánicas homogéneas y bien caracterizadas. El propósito de efectuar indentaciones sobre el estándar de calibración es determinar el área de contacto proyectada de la punta del penetrador Ac como una función de la profundidad de la indentación. Para una punta de Berkovich perfecta,
2
Ac 24.5(hc )
(1.1)
Esta función relaciona el área de la sección transversal del penetrador con la distancia de la punta hc que está en contacto con el material que se está indentando. La punta no está perfectamente afilada y se desgasta y cambia de forma con cada uso. Por tanto, debe llevarse a cabo una calibración cada vez que la punta se utiliza.
La profundidad total de la indentación h es la suma de la profundidad de contacto hc y la profundidad hs en la periferia de la indentación donde el indentador no hace contacto con la superficie del material, es decir,
h
hc
hs
(1.2)
donde,
hs
E Pmáx / S
(1.3)
donde Pmáx es la carga máxima y Ɛ es una constante geométrica igual a .75 para un penetrador de Berkovich. S es la rigidez al descargar. La dureza de un material determinada por la nano indentación se calcula como
H
Pmáx / Ac
(1.4)
La dureza (determinada por la nanoindentación) por lo regular se reporta con unidades de GPa y los resultados de indentaciones múltiples por lo general se promedian para incrementar la precisión. Este análisis calcula el módulo elástico y la dureza a la carga máxima; sin embargo, actualmente se emplea de modo normal una técnica experimental conocida como nanoindentación dinámica. Durante ésta, se superpone una carga oscilante pequeña sobre la carga total en la muestra. De esta manera, la muestra se descarga de manera elástica continuamente a medida que se incrementa la carga total. Esto permite mediciones continuas del módulo elástico y de la rigidez como una función de la profundidad de la indentación.
Nanoindentación:
FIGURA 2
6.4.
PRUEBAS DE BRINELL.
Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más antiguo. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. Las medidas de dureza Brinell son muy sensibles al estado de preparación de la superficie, pero a cambio resulta en un proceso barato, y la desventaja del tamaño de su huella se convierte en una ventaja para la medición de materiales heterogéneos, como la fundición, siendo el método recomendado para hacer mediciones de dureza de las fundiciones. :. Puebas de Brinell
FIGURA 3 La bola penetra dejando una marca.
El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión: P KD
2
(1.5)
donde: : carga a utilizar medida en [kilopondio(kp)]. : constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros). : diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers. Equipo Máquina de Dureza Brinell con el método de aplicación de la carga de funcionamiento neumático. Penetrador de bola de 10mm, de material Carbolor. Desarrollo Colocamos la pieza sobre la máquina de Dureza Brinell. Colocamos el penetrador de acuerdo al material (ya sea de bola o de Diamanteo cono). El material es blando, por tanto aplicamos una carga de 500 Kg y el periodo de aplicación de la carga fue de 60 a 120 segundos. Medimos el espesor de la impresión que dejo el penetrador sobre el material con un microscopio graduado en milímetros.
Anotamos las medidas obtenidas.
DIAMETRO DE LA BOLAS Y PRESIONES EMPLEADAS EN EL ENSAYO BRINELL CONSTANTES DE ENSAYOS K ES PESOR
Diámetro de la bola mm
Superior a 6 mm De 6 a 3 mm Menor de 3 mm
30
30 D 3000 750 187.5 46.9 11.7
10 5 2.5 1.25 0.625
10
2
10D 1000 250 62.5 15.6 3.91
5
2.5
CARGAS EN Kg 5D2 2.5D2 500 250 125 62.5 31.2 15.6 7.81 3.91 1.953 0.977
CALCULOS:
Fórmula
aplicada
Para determinar el
valor de la dureza Brinell se emplea la siguiente
ecuación:
donde: : carga a utilizar m edida en [[[kilopondio|kp]]]. : diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. : diámetro de la huella en superficie en [mm] (se toma como la media de d1 y d2).
Necesitamos hallas el valor de “P” para las siguientes probetas Aluminio P 5.10
Bronce 2
P 500kp
Hierro 2
2
P 10.10
P 30.10
P 1000kp
P 3000kp
1.25
1.25D2 125 31.2 7.8 1.99 0.488
6.6 DESIGNACION 110 HB 5 / 250 / 30 Tiempo de ensayo
t= 30 s
Fuerza
P= 250 Kg
Diámetro de la bola
D= 5 mm
Dureza Brinell Nro. De dureza
ESQUEMA DE UNA MEDICION DE ESTE TIPO DE DUREZA Dureza; Tipo de ensayo; Diámetro de la bola ; Fuerza aplicada; Tiempo del ensayo Kp/mm2 HB mm kp seg
MATERIAL
FUERZA P (Kg)
Bronce
9.8KN
Aluminio
4.9 KN
Acero SAE 1020
29.4 KN
DIAMETRO DE LA HUELLA 3.6MM
VALOR DE DUREZA 95
DENOMINACION DEL ENSAYO Brinell
2.9MM
73
Brinell
4MM
228
Brinell
BRONCE
√
√
ALUMINIO
√
ACERO 1020
√
OBSERVACIONES:
El equipo de medición de dureza Brinell se encuentra descalibrado y esto provoca una mala medición de la fuerza empleada para dejar la huella en el material.
CONCLUSIONES
La dureza Brinell para la experiencia es : Material Dureza Brinell Bronce 95 HB 10 /998/15 Aluminio 73 HB 10/ 450/120 Acero 1020 228 HB 10/2996/30 Según la tabla de referencia del laboratorio las durezas aproximadas para los materiales son: Material Dureza Brinell Aluminio 15 HB Acero 1020 120-500 HB La diferencia se debe probablemente al quipo de medición ya que se encuentra descalibrado y no es muy exacto. La dureza Brinell se halla por la fuerza aplicada sobre el material, el penetrador es esférico de acero templado.
INSTITUTO SUPERIOR TECNOLÓGICO
ESPECIALIDAD: MANTENIMIENTO DE PLANTA CURSO: LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES TEMA: ENSAYO DE DUREZA ALUMNOS: PACHECO ORDOÑEZ RITBERTH ALVAREZ GIRALDO HÉCTOR ROLANDO ARAMBURU ORIHUELA CARLOS EDUARDO FLORES RAMOS DAVID AYRTON CASTRO ROJAS RICHARD MAMANI CHÁVEZ MIREYA ESTEFANI TAIPE SUPHO DAVID VELASCO YAÑEZ JOSÉ JESÚS
PROFESOR: MIGUEL LEÓN
AREQUIPA – PERÚ 2012
