Ciencia y Tecnología de los Materiales PRACTICA 6

ENSAYOS MECÁNICOS I: DUREZA

ENSAYOS MECÁNICOS I: DUREZA

1. INTRODUCCIÓN. El ensayo de dureza es, junto con el de tracción, uno de los más empleados en la selección y control de calidad de los metales. El ensayo de dureza es simple, aporta valiosa información y causa un daño mínimo a la probeta. Las ventajas de los ensayos de dureza hacen que su práctica sea habitual en la caracterización mecánica de materiales: - Son ensayos sencillos y de bajo costo, no requieren una preparación especial la muestra. - Son prácticamente no destructivos, pues la huella que se genera es mínima. - Son versátiles, pues a partir de la dureza se pueden estimar otras propiedades como la resistencia a tracción, cuya determinación directa es más costosa en términos de equipos y preparación de muestra. Los objetivos de esta práctica son tanto poner en práctica y afianzar los conocimientos relativos a las propiedades mecánicas de los materiales, en concreto a la dureza, así como adquirir experiencia en la realización de ensayos de medida de dureza Rockwell y Vickers. Para ello se medirá la dureza Rockwell y Vickers en diferentes materiales y se correlacionará, en la medida de lo posible, con otras propiedades mecánicas como la resistencia a tracción. El instrumento a utilizar para medir la dureza será el Durómetro.

2.- FUNDAMENTO TEÓRICO La dureza da una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada. Los primeros ensayos de dureza se basaban en el comportamiento de los minerales junto con una escala construida según la capacidad de un material para rayar a otro más blando. Un método cualitativo de ordenar de forma arbitraria la dureza es ampliamente conocido y se denomina escala de Mohs, la cual va desde 1

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en el extremo blando para el talco hasta 10 para el diamante. A lo largo de los años se han ido desarrollando técnicas cuantitativas de dureza que se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre una superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un número de dureza; cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella, y menor es el número de dureza. Las durezas medidas tienen solamente un significado relativo (y no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar durezas obtenidas por técnicas distintas. La elección de una técnica u otra dependerá del tipo de material y su dureza. Tabla 1: Técnicas de ensayo de dureza

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3. ENSAYOS DE DUREZA ROCKWELL El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar acabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar virtualmente cualquier metal o aleación desde el más duro al más blando. Los penetradores son bolas esféricas de acero endurecido que tienen diámetros de 1/16,1/8, 1/4 y 1/2 pulg., y un penetrador cónico de diamante (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros. Con este sistema, se determina un número de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetración que resulta al aplicar primero una carga inicial pequeña (precarga) y después una carga mayor; la utilización de la carga pequeña aumenta la exactitud de la medida. Basándose en la magnitud de las cargas mayores y menores, existen dos tipos de ensayo: Rockwell y Rockwell superficial. En el ensayo de Rockwell, la carga menor es de 10 kg, mientras las cargas mayores son 60, 100 y 150 kg. Cada escala está representada por una letra del alfabeto; en las Tabla 2 se indica varias de estas escalas junto con los penetradores y cargas correspondientes. Para ensayos superficiales, la carga menor es de 3 kg, mientras que el valor de la carga mayor puede ser 15, 30 ó 45 kg. Estas escalas se identifican mediante un número (15, 30 ó 45, según la carga) y una letra (N, T, W o Y, según el penetrador). Los ensayos superficiales se realizan frecuentemente en probetas delgadas. Escalas dureza Rockwell normal

Escalas dureza Rockwell superficial

Escala

Indentador

Carga (kg)

Escala

Indentador

Carga (kg)

C A D B F G E H K

Cono Cono Cono Bola de 1/16" Bola de 1/16" Bola de 1/16" Bola de 1/8" Bola de 1/8" Bola de 1/8"

150 60 100 100 60 150 100 60 150

15N 30N 45N 15T 30T 45T 15W 30W 45W

Cono Cono Cono Bola de 1/16" Bola de 1/16" Bola de 1/16" Bola de 1/8" Bola de 1/8" Bola de 1/8"

15 30 45 15 30 45 15 30 45

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Cuando se especifican durezas Rockwell y superficiales, debe indicarse, además del número de dureza, el símbolo de la escala utilizada. La escala se designa por el símbolo HR (Hardness Rockwell) seguido por una identificación de la escala. Por ejemplo, 80 HRB representa una dureza Rockwell de 80 en la escala B, y 60 HR30W indica una dureza superficial de 60 en la escala 30W. La lectura se efectúa una vez retirada la carga máxima de ensayo, manteniendo la carga inicial o precarga, y se traduce directamente en una escala de dureza Rockwell. En la siguiente figura se representa esquemáticamente la secuencia de un ensayo de dureza Rockwell:

De todas las escalas posibles, las generalmente más usadas son sólo dos: la escala B y la escala C. Las otras se emplean como escalas complementarias o para casos especiales. Respecto a las condiciones de la muestra, la superficie de ensayo debe estar limpia y libre de irregularidades, por lo habitualmente requiere su pulido.

4. ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS Otras técnicas de ensayo es de microdureza Vickers (también a veces denominado pirámide de diamante). Este método es muy difundido ya que permite

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medir dureza en prácticamente todos los materiales metálicos independientemente del estado en que se encuentren y de su espesor. En este tipo de ensayo, un penetrador de diamante muy pequeño y de geometría piramidal cuadrada de diamante con ángulo 136º, es forzado en la superficie de la muestra. Las cargas aplicadas, mucho menores que en las técnicas Brinell y Rockwell. La marca resultante se observa al microscopio y se mide la longitud de las diagonales de la huella generada; esta medida es entonces convertida en un número de dureza, mediante la expresión HV =

1.854 P d2

donde P es la carga en kgf y d la media de las dos diagonales de la huella, en mm

Es necesario que la superficie de la muestra haya sido preparada cuidadosamente (mediante desbaste y pulido) para poder asegurar una huella que pueda ser medida con exactitud. La dureza Vickers se designa por HV, y tiene muy poca variación en función de la carga aplicada. Para expresar el valor de dureza Vickers, se realiza citando las siglas HV seguido de la carga utilizada, P, y del tiempo de permanencia, t, separado por barras, por ejemplo: [n HVP/t]

5. CONVERSIÓN DE LA DUREZA Sería interesante y muy conveniente disponer de métodos para convertir la dureza de una escala a otra. Sin embargo, puesto que la dureza no es una propiedad del material muy bien definida, y debido a las diferencias experimentales de cada técnica, no se existe un método general para convertir las durezas de una escala a otra. Los datos de conversión han sido determinados experimentalmente y se ha encontrado que son dependientes del tipo de material y de las características. La escala de conversión más fiable que existe es la que corresponde a aceros, cuyos datos representamos en la siguiente figura para las durezas Knoop, Brinell y de las dos escalas Rockwell; también se incluye la escala de Mohs.

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Ha de tenerse mucho cuidado al extrapolar estos datos a otras sistemas de aleaciones.

6.- CORRELACIÓN ENTRE DUREZA Y LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Tanto la resistencia a la tracción como la dureza son indicadores de la resistencia de un metal a la deformación plástica. Por consiguiente, estas propiedades son, a grandes rasgos, proporcionales. La representación gráfica de la resistencia a tracción frente a la dureza medida en unidades Brinell es una línea recta cuya pendiente depende del material.

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7. BIBLIOGRAFÍA “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Callister, W.D. Ed. Reverté S.A., Barcelona. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales” Askeland, D.R. Internacional Thomson Eds., Mexico, 1998. ENLACES SOBRE DUREZA Página sobre dureza en general:

GordonEngland (http://gordonengland.co.uk/hardness/) Tablas de conversión entre dureza y equivalencia con resistencia a tracción:

Durplan.com (http://www.durplan.com/castellano/tabla.htm) Metalia (http://www.metalia.es/fichaarticulos.asp?id=82&sub=13) Maryl and Metrics 1 (http://mdmetric.com/tech/hardness.htm) Maryl and Metrics 2 (http://mdmetric.com/tech/hardnessconversion.html) GordonEngland (http://gordonengland.co.uk/hardness/hardness_conversion_1m.htm)

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8. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA. Se procederá a la medida de la dureza Rockwell y Vickers de varias muestras disponibles en el laboratorio.

INSTRUCCIONES

PARA

OBTENER

LA

DUREZA

OPERANDO

CORRECTAMENTE CON EL DURÓMETRO ROCKWELL. 1.- Ajustar las condiciones de ensayo: - Precarga - Carga Principal - Velocidad de aplicación de la carga principal - Punta del penetrador 2.- Colocar sobre la mesa apropiada a la geometría de la pieza, y elevar dicha mesa hasta que la punta del penetrador entre en contacto con la pieza. 3.- Seguir elevando la plataforma con cuidado hasta que la aguja pequeña del indicador quede centrada en el punto rojo. 4.- Aplicación de la precarga. Puesta a cero. Girar el reloj indicador hasta que la aguja grande quede alineada con el cero de la escala correspondiente. 5.- Aplicar la carga principal soltando la palanca lateral. NO HAY QUE ACOMPAÑARLA EN SU MOVIMIENTO. 6.- Una vez que se encienda el piloto rojo y se compruebe que el índice del indicador está estable, se retira la carga principal trayendo la palanca de nuevo hacia delante. 7.- Medir la dureza en la escala correspondiente, directamente en la esfera del indicador. Cuando se opere con el indentador cónico, se tomarán las lecturas en la escala de cifras NEGRAS, mientras que para los esféricos se usará la escala ROJA. DESCARTAR LAS 4-5 PRIMERAS MEDIDAS OBTENIDAS DESPUÉS DE CAMBIAR ALGUNA VARIABLE DEL ENSAYO.

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INSTRUCCIONES PARA OBTENER LA DUREZA OPERANDO CORRECTAMENTE CON EL MICRODURÓMETRO VICKERS. 1.- Colocar la pieza sobre la mesa, prestando cuidado especial en mantener la planaridad (si no hay que cambiar las condiciones del ensayo) y la limpieza del instrumento. 2.- Enfocar con el objetivo (40X) una zona libre de imperfecciones (ocular 10X, total de aumentos 400X). 3.- Ajustar las condiciones de ensayo: - nº de ensayos a realizar sobre la misma pieza - carga aplicada - tiempo de aplicación - forma de la muestra 4.- Cambiar con el revólver desde el objetivo al indentador (punta de diamante con base rómbica). Aplicar la carga sin cambiar nada en el instrumento. NO TOCAR EL REVÓLVER EN ESTA ETAPA. 5.- Corregir el cero. Volver a poner el objetivo en línea con el ocular. Las líneas que aparecen separadas deben unirse, mientras que las líneas más pequeñas que se ven deben intercalarse la simple dentro de la doble equidistantemente. Esta corrección se hace una sola vez . 6.- Medir la huella horizontal abriendo los segmentos hasta sus extremos y para aceptar la medida apretar el botón. 7.- Girar la huella del ocular para medir la huella vertical, de la misma forma abriendo los segmentos hasta sus extremos y para aceptar la medida apretar el botón. 8.- Aparece en la pantalla la medida de la dureza y su escala.

MEDIDAS A REALIZAR 1.- Determinar la dureza Rockwell en 3 ó 4 muestras de metales, tomando las medidas en diferentes zonas del material. Comparar los resultados.

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2.- Determinar la dureza Vickers en las mismas muestras metálicas anteriores, midiendo en las caras planas. Y además medir dos muestras adicionales, un polímero y un cerámico. A partir de datos de durezas obtenidos se pide: 1.- Contrastarlas con los valores recogidos en la literatura para los materiales ensayados. 2.- Para las muestras ensayadas con ambas técnicas,

Rockwell y Vickers,

comprobar si los resultados concuerdan con las equivalencias entre ambas técnicas. 3.- Estimar, en los casos en que sea posible, la resistencia a tracción, a partir de la dureza Rockwell y/o Vickers obtenidas. Adjuntar la Bibliografía Consultada.

Plazo de entrega: 15 días desde la fecha de realización de la práctica.

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TABLAS ORIENTATIVAS PARA LA TOMA DE DATOS

DUREZA ROCKWELL Condiciones de ensayo Muestra

Ensayo

Zona ensayada

Indentador

Carga (Kg)

Escala

Valor Dureza

Media

DUREZA VICKERS Condiciones de ensayo Muestra

Ensay o

Carga (Kg)

Tiempo (s)

D1

D2

Media

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Valor Dureza