UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA SEDE VIÑA DEL MAR " JOSE MIGUEL CARRERA " ING. EJEC. EN MECÁNICA DE PROCESOS Y MANTENIMIENTO INDUSTRIAL ENSAYO Nº 1 " ENSAYO DE DUREZA DE ROCKWELL " 11 de Abril de 2000.

INDICE página Objetivo de la actividad 1 Materiales y equipos utilizados 1 Metodología 4 Desarrollo de la actividad 6 Valores obtenidos para escala B 9 Valores obtenidos para escala C 10 Análisis de valores obtenidos 13 Observaciones 14 Conclusiones 15 Anexos 16 Bibliografía 20

" ENSAYO DE DUREZA DE ROCKWELL " OBJETIVO

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Determinar dureza de Rockwell en seis piezas de diferente material usando en forma correcta los dos tipos de penetradores, seleccionando y aplicando correctamente las cargas de ensayo y las escalas de lectura. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS • Durómetro de Rockwell: Consta de: • Un soporte plano de acero lo suficientemente duro y rígido para prevenir su deformación, el que se encontrará fijado simétricamente debajo del penetrador. • Un indicador dial de dureza, el cual esta diseñado para medir la profundidad diferencial, la lectura del dial corresponde a la cifra de dureza Rockwell del tipo de ensayo Rockwell realizado. Cada indicación en el dial o valor de incremento de profundidad del penetrador equivale a una magnitud de 0,002 mm y representa una unidad de dureza. Este dispositivo deberá indicar la carga con un error máximo de 1 %. • Una palanca lateral para aplicar la carga principal (P1). • Una manilla giratoria para elevar el soporte rígido, que además permite la aplicación de la carga inicial (Po). • Indicador de escala. • Tornillo regulador de escala, permite ajustar la maquina a la escala deseada. Esta máquina de ensayo permitirá la aplicación de la carga en forma perpendicular a la superficie de la pieza, además de permitir la mantención de la carga de trabajo durante el tiempo especificado de manera constante. • Penetradores: Para la escala B: Se utiliza un penetrador esférico de acero templado y de una superficie finamente pulida. El diámetro de la esfera será de 1,588 mm ± 0,0035 mm, útil también para las escalas F, G, T−15, T−30 y T−45. Para la escala C: Se utiliza un penetrador de forma cónica y con punta de diamante, el ángulo en el vértice del cono será de 120º y la terminación del cono será de forma casquete esférico, con un radio de 0,2 mm ± 0,002 mm. Este tipo de penetrador se emplea también para los ensayos en escala A y D. • Calibre patrón de dureza: La dureza de la probeta deberá estar previamente certificada por un laboratorio oficial en cinco puntos de su superficie, poseer un grosor mínimo de 4,8 mm y una superficie de 26 mm2. Este calibre patrón se utilizará para calibrar o verificar que el durómetro esté en la escala correspondiente y en perfectas condiciones para realizar el ensayo. Nota: Para la escala B, se utilizará un patrón que posee un campo de validez de 65,5 a 67,5 HRB, y para la escala C un calibre con un rango de 62 a 64 HRc.

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• Tabla de equivalencia Escala

Tipo de

Rockwell ensayo B

Normal

C

Normal

Color y situación Tipo de de la escala donde penetrador se hace la lectura Bola de acero Rojo Dentro de 1,588 mm Cónico de Diamante Negro Fuera

Campo de

Carga

Carga

Validez

inicial

total

35 a 100 HRB

10 Kp

100 Kp

20 a 71 HRC

10 Kp

150 Kp

de 120º • Piezas de ensayo: Para este ensayo se utilizarán seis piezas en total; dos para la escala B y cuatro para escala C. Escala B compuesta por: • Cobre • Latón. Escala C compuesta por: • Acero 1045 templado y revenido • Acero 1045, bloque en V • Acero inoxidable • Acero 1020

METODOLOGÍA: • Calibración de la maquina: Se colocará un calibre patrón para la escala correspondiente sobre el soporte rígido del durómetro. A continuación se realizarán ensayos consecutivos hasta alcanzar tres lecturas como mínimo dentro del campo de validez del calibre patrón. * Los ensayos de calibración se llevarán a cabo con la misma metodología con la que se realiza un ensayo de probeta cualquiera. (seguir los pasos del 2 al 7) • Se ubicará una de las seis piezas sobre el soporte del durómetro, evitando que ocurra el desplazamiento entre pieza y soporte durante el ensayo. • Se aplicará una carga inicial (Po) de forma perpendicular y gradual, la que será igual a 10 Kp para ambas escalas. La aplicación de esta carga tiene por finalidad: % Eliminar la influencia de rugosidad de la superficie de la pieza. % Determinar el punto de partida de la medición de la penetración.

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% Establecer por tanto la ubicación correcta del dial de lectura de la dureza, o sea, se hará coincidir el cero de la escala del dispositivo de medida con la aguja indicadora de la profundidad de penetración. • Se aplicará una carga principal (P1) para la escala B, cuya fuerza será equivalente a 90 Kp y para la escala C será de 140 Kp. El aumento de la carga (P1) hasta su valor límite deberá ser lento, entre 3 y 6 seg, aplicada en forma uniforme y libre de vibraciones. La aplicación de esta carga tiene por finalidad determinar la dureza de la pieza con una carga total para la escala B de 100 Kp y para la escala C de 150 Kp. • La carga total ejercida se mantendrá durante 15 seg ó hasta que la aguja del dial indicador de dureza se estabilice. • Se retirará la carga principal (P1) de manera lenta y uniforme, manteniendo la carga inicial (Po). La eliminación de esta carga, permite al material recuperar su elasticidad, lo que genera una elevación del penetrador hasta un determinado punto, que se encuentra expresado en el dial del durómetro. • Para leer el valor de dureza en la escala B, se deberá leer directamente en la escala roja del dial, ubicada hacia el interior del dispositivo. Para leer el valor de dureza en la escala C, se deberá leer directamente en la escala negra del dial, ubicada hacia el exterior del dispositivo. El resultado del ensayo se expresará en cifras de dureza Rockwell seguidas de la escala utilizada para este (ej: HRB o HRC). • Los pasos del 2 al 7 se repetirán a lo menos 5 veces, por cada pieza, para posteriormente obtener una media aritmética de los ensayos efectuados. El valor obtenido será el resultado del ensayo Rockwell. NOTA: Las penetraciones sobre la pieza deberán efectuarse en puntos cercanos de la superficie de la misma, manteniendo una distancia de por lo menos 3 mm entre el centro de una impresión y el borde de la pieza, como también respecto del centro de otra impresión. • Se comprobará la calibración de la maquina para verificar que no fue afectada por las penetraciones del ensayo. Esta calibración final se llevará a cabo de igual forma que la calibración inicial.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD: REFERENCIA : medición de dureza en los materiales cobre y latón Etapa 1 : Calibración de la maquina en escala B. Se procede a ubicar el penetrador de bola de Ø 1,588mm, se calibra la máquina girando el tornillo superior del durómetro, hasta llegar a la marca de la escala en cuestión. Luego se montó el patrón para escala B en el soporte, girando la llave del soporte se pone en contacto la pieza con el penetrador. Se gira hasta que la aguja del dial de dos vueltas, quedando en el punto "cero" (aplicación carga inicial). A continuación se gira la manilla lateral, que aplica P1 , de forma lenta y uniforme. Se espera 15 segundos y se retira la carga principal (P1). Luego se observa la lectura. 4

Este procedimiento se realizó en 9 oportunidades. Para posteriormente, de las lecturas, obtener una media aritmética, la que corresponde a 67,2 HRB. Como el resultado obtenido corresponde al campo de validez mostrado por la probeta, se saca definitivamente el patrón y se procede a la mediciones de los materiales. Etapa 2 : procedimiento de medición de dureza. Se coloca el material en el soporte, se levanta con la llave del mismo, hasta que estén en contacto la pieza y el penetrador, luego bajamos la manilla lateral para aplicar la carga principal. Transcurrido 15 s levantamos la manilla observamos la lectura y la registramos (esta fase se realizó 5 veces cuidando de no iniciar la medición sobre un área en la que ya se halla realizado otro ensayo). Con los resultados obtenidos de las lecturas de los materiales se obtienen las siguientes medias aritméticas: • Cobre 64,1 HRB • Latón 47,2 HRB Etapa 3 : calibración final. Se efectuó una calibración final, para esto procedemos de igual forma que la calibración inicial, siendo en este caso la media de las lecturas, después de cinco ensayos igual a 66,2 HRB. REFERENCIA : medición para los materiales: • Pieza de acero 1045, templado y revenido. • Pieza de acero 1045, bloque en V. • Pieza de acero inoxidable. • Pieza de acero 1020. Etapa 1 : calibración de la maquina. El procedimiento de calibración, en aspectos generales fue igual al de la experiencia nº1. No obstante se registraron las siguientes variantes: a) el penetrador de bola de Ø 1,588mm cambia a penetrador cónico con punta de diamante de 120º. b) la utilización de probeta normalizada para escala C, en vez de el calibre patrón para escala B. c) variación de los resultados de la lectura, cuya media fue 63,0 HRc, después de 4 ensayos con resultados dentro del rango de validez del patrón (62 a 64 HRc). Etapa 2 : medición de dureza. Las medias resultantes de las diversas mediciones son • Pieza de acero 1045 templado y revenido 57,9 HRc. • Pieza de acero 1045 bloque en V 45,4 HRc.

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• Pieza de acero inoxidable 54,3 HRc. • Pieza de acero 1020 7,5 HRc. Etapa 3 : calibración final Fue la última etapa del ensayo y consistió en proceder de igual forma que la calibración inicial siendo la media aritmética de las lecturas 62,8 HRc.

VALORES OBTENIDOS PARA LA ESCALA B En la calibración inicial los valores fueron: Ensayo Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PROMEDIO

Persona M.M. C.G. C.A. P.V. M.M. C.G. C.A. P.V. M.M.

Resultado 67,0 HRB 71,0 HRB 68,0 HRB 66,0 HRB 69,0 HRB 68,0 HRB 65,0 HRB 65,0 HRB 66,0 HRB 67,2 HRB

En la pieza de cobre (# 1): Ensayo Nº 1 2 3 4 5 PROMEDIO

Persona C.A. P.V. M.M. C.G. C.A.

Resultado 64,0 HRB 63,5 HRB 62,0 HRB 67,0 HRB 64,0 HRB 64,1 HRB

En la pieza de latón (# 2): Ensayo Nº 1 2 3 4 5 PROMEDIO

Persona P.V. M.M. C.G. C.A. P.V.

Resultado 48,0 HRB 40,0 HRB 46,0 HRB 49,0 HRB 53,0 HRB 47,2 HRB

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Calibración final: Ensayo Nº 1 2 3 4 5 PROMEDIO

Persona M.M. C.G. C.A. P.V. M.M.

Resultado 67,0 HRB 67,0 HRB 66,0 HRB 65,0 HRB 66,0 HRB 66,2 HRB

VALORES OBTENIDOS PARA LA ESCALA C En la calibración inicial los valores fueron: Ensayo Nº 1 2 3 4 PROMEDIO

Persona C.G. C.A. P.V. M.M.

Resultado 62,0 HRC 63,0 HRC 63,5 HRC 63,5 HRC 63,0 HRC

En la pieza de acero 1045 templado y revenido (# 3): Ensayo Nº 1 2 3 4 5 PROMEDIO

Persona C.A. P.V. M.M. C.G. C.A.

Resultado 57,5 HRC 57,5 HRC 58,0 HRC 58,0 HRC 58,5 HRC 57,9 HRC

En la pieza de acero 1045, bloque en V (# 4): Ensayo Nº 1 2 3 4 5 PROMEDIO

Persona P.V. M.M. C.G. C.A. P.V.

Resultado 44,5 HRC 48,5 HRC 44,5 HRC 46,5 HRC 43,0 HRC 45,4 HRC

En la pieza de acero inoxidable (# 5): Ensayo Nº 1 2

Persona C.A. P.V.

Resultado 52,0 HRC 54,5 HRC 7

3 4 5 PROMEDIO

M.M. C.G. C.A.

53,5 HRC 56,0 HRC 55,5 HRC 54,3 HRC

En la pieza de acero 1020 (# 6): Ensayo Nº 1 2 3 4 5 PROMEDIO

Persona P.V. M.M. C.G. C.A. P.V.

Resultado 8,0 HRC 7,0 HRC 7,0 HRC 8,0 HRC 7,5 HRC 7,5 HRC

Persona M.M. C.G. C.A. P.V.

Resultado 62,5 HRC 63,0 HRC 63,5 HRC 62,0 HRC 62,8 HRC

Calibración final: Ensayo Nº 1 2 3 4 PROMEDIO

Análisis de valores obtenidos: Con el análisis del gráfico anterior, podemos afirmar que los materiales fueron clasificados adecuadamente según su dureza en la escala correcta. Ya que el resultado de los ensayos estuvieron dentro del campo de validez de la escala a la que pertenecen. Por ejemplo. • En la escala B, realizamos ensayos en el cobre y en el latón, cuyos resultados fueron 64,1 y 47,2 HRB respectivamente. Siendo el campo de validez de esta escala de 35 a 100 HRB. • Pero en la escala C, ocurrió algo distinto. De los ensayamos con los siguientes materiales, obtuvimos como resultado: Pieza de acero 1045 templado y revenido 57,9 HRc. Pieza de acero 1045 bloque en V 45,4 HRc. Pieza de acero inoxidable 54,3 HRc. Pieza de acero 1020 7,5 HRc. Siendo el campo de validez de esta escala de 20 a 71 HRC , el acero 1020 arrojo un valor fuera del rango, por lo que deducimos que este material debió ser analizado en otra escala, con un campo de validez con cifras mas pequeñas, y donde se aplique otro valor de carga. 8

Por otro lado entre los ensayos de cada pieza notamos una variación en las cifras leídas del dial, esto lo asociamos con el tiempo que mantuvo la aplicación de la carga cada uno de los integrantes del grupo, recordando que se fueron alternando los ensayos de una misma pieza.

OBSERVACIONES: • Se debe calibrar la maquina al inicio y al final de una serie de ensayos en una misma escala. • Verificar que este aplicada correctamente la carga inicial de 10 Kp, para lo cual, la aguja debe pasar dos veces por el cero, y a la tercera vez quedar allí. • Después de aplicar la carga inicial Po = 10 Kp, se debe coincidir la aguja con el cero del dial indicador de dureza, tratando de que la aguja este vertical y apuntando hacia arriba. • Para comprobar la validez del ensayo se deben realizar al manos 5 ensayos. • Una vez realizadas las cinco mediciones de una misma pieza, y con las lecturas obtenidas, calcularemos la media aritmética que nos entregará el resultado del ensayo Rockwell. • Se evitará hacer una nueva penetración sobre otra penetración. CONCLUSIONES: • El ensayo Rockwell es uno de los mas utilizados, porque no constituye una gran perdida de material, incluso es posible reutilizar la pieza. • Este tipo de ensayo es fácil de llevar a cabo, porque no implica mayores cálculos matemáticos y el resultado de cada ensayo se obtiene de la directa lectura del dial. • Es un ensayo que nos deja como resultado, después del calculo de la media aritmética, un valor bastante exacto sobre la dureza del material. • El ensayo Rockwell es de amplia aplicación pues se puede utilizar tanto en materiales duros como blandos. • Es fácil el reconocimiento de resultados erróneos, porque varia mucho la lectura entre un ensayo y otro. • Es fácil determinar si hemos aplicado a una pieza, una fuerza de una escala que no corresponde, porque los resultados no están dentro del campo de validez de la escala. Por ejemplo lo ocurrido con la pieza # 6 (acero 1020) cuya media aritmética fue 7,5 HRc, siendo el campo de validez de esta escala de 20 a 71 HRc. • Se conoció y aprendió a utilizar una máquina de dureza Rockwell. • Se logró determinar la dureza Rockwell en las escalas B y C , en los materiales entregados en laboratorio. • Por la rapidez y sencillez de los ensayos se pueden efectuar numerosos en muy poco tiempo y así verificar la autenticidad de los resultados. BIBLIOGRAFÍA FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES. William F. Smith. 2º edición. 1996 CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES. Donald R. Askeland. Publicación México: International Thomson Editores. 1998.

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PRACTICAL METALLURGY AND MATERIALS OF INDUSTRY. John E. Neely. APUNTES DE CLASES. Para ver la ubicación de las partes de durómetro ver anexos. VER FORMAS Y DIMENCIONES DE LAS PIEZAS EN ANEXOS. Nota: esta actividad tiente un procedimiento común, pero se efectúa por separado según sea el material, es decir, se realizan los cinco ensayos consecutivos de una misma pieza y luego los otros cinco de la otra pieza. La lectura consignada queda registrada.

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