ENSAYOENSAYODEDEMATERIALES MATERIALES

Ing. Luis A. Sampen Alquizar 2010-1

Objetivos: Objetivos:

Distinguir los diferentes tipos de ensayos de materiales y su campo de aplicación.

Comprender los principios de los ensayos de materiales

Determinar propiedades mecánicas analizando los resultados obtenidos mediante los ensayos de tracción, dureza e impacto.

Ensayo de MaterialesEnsayo de Materiales

Es un conjuntos de procedimientos normalizados que se realiza para conocer o comprobar las propiedades, características y defectos en los materiales. Dichos ensayos son regulados por : PERU : INDECOPI JAPON : JISUSA : ASTM RUSIA :GOST

Alemania : DIN ESPAÑA : UNE Inglaterra : BS FRANCIA: AFNOR

Ensayo de MaterialesEnsayo de Materiales

Los ensayos se dividen en: Ensayos Destructivos Ensayos no Destructivos

También se clasifican como:Físicos Químicos Mecánicos

Los ensayos físicos incluyen la medición de cantidades como la densidad, propiedades eléctricas, magnéticas, térmicas y ópticas.

En el campo de la ingeniería son importantes los ensayos mecánicos, y los ensayos de inspección (por lo general END) que detectan discontinuidades superficiales o interiores.

Dentro de los ensayos químicos el mas importante para la ingeniería es el relacionado con los fenómenos de oxidación y corrosión.

ClasificaciónClasificación

1. Ensayo de Constitución2. Ensayos Mecánicos3. Ensayos No Destructivos4. Ensayos Tecnológicos

1. Ensayos de ConstituciónSe efectúan con el fin de conocer la composición y la estructura interna de los materiales

a. Análisis Químico: Determina que elementos constituyen un material, así como su cantidad, normalmente expresada en % en peso.

b. Difracción de Rayos X: se emplea para determinar las características del arreglo atómico que presenten los materiales.

c. Análisis Macrográfico: se realiza a simple vista o empleando pequeños aumentos menores a 100 (<100 x)

d. Análisis Micrográfico: estudia la microestructura de un material a altos aumentos mayores a 100 (>100x). Esto revelara el tratamiento mecánico o térmico que presente un metal.

2. Ensayos Mecánicos (Ensayos Destructivos)Determinan propiedades mecánicas de los materiales, mediante el estudio de su comportamiento ante la aplicación de una fuerza externa, por lo general hasta que falle.Según como se aplique la fuerza los ensayos mecánicos se dividen en dos grupos:

a. Estáticosb. Dinámicos

a. EstáticosCuando la fuerza se aplica durante un periodo de tiempo relativamente largo (s, m, h, etc), cuyo valor puede aumentar progresivamente o ser constante durante todo el ensayo.

1. Ensayo de Tracción: se realiza para determinar la resistencia mecánica.

2. Ensayo de Dureza: en los metales es una medida de su resistencia a ser deformados permanentemente.

3. Creep (termofluencia): se emplea para estudiar el comportamiento de un material cuando va a estar sometido a fuerzas de tracción a altas temperaturas durante un periodo de tiempo relativamente alto.

4. Flexión: se realiza en una barra (sección cuadrada, rectangular o cilíndrica) la cual se encuentra apoyada simplemente en ambos externos y por el lado opuesto se le aplica una fuerza la que aumenta.

b. DinámicosCuando la velocidad de aplicación de la fuerza se realiza con elevada rapidez.

1. Impacto: Estudio del comportamiento mecánico de los materiales sometidos a fuerzas de impacto. Muchos de los ensayos que se realizan sobre los materiales proporcionan propiedades mecánicas cuando están sometidas a fuerzas estáticas. Las piezas que forman parte de las maquinas, muchas veces sometidas a fuerzas dinámicas, chocan entre ellas y se produce el desgaste.

2. Fatiga: a veces es necesario complementar los ensayos de tracción con los ensayos de fatiga, cuando las piezas trabajan bajo la acción de fuerzas intermitentes (que fluctúan con el tiempo). Las fuerzas aplicadas durante el ensayo pueden ser de tracción-compresión repetidamente hasta llegar a la rotura de la probeta.

3. Ensayos No Destructivos(END)Permiten detectar discontinuidades como: poros, fisuras, etc. en la superficie o en el interior de los materiales que no pueden ser detectados en la inspección visual. Estas pruebas son realizadas durante el proceso de fabricación y/o cuando están terminadas, por lo tanto, no deben dejar huellas sobre el material que se aplique.

a) Métodos Superficiales y Subsuperficiales, Detecta y localiza discontinuidades superficiales o hasta 3mm por debajo de la superficie.

1. Inspección Visual 2. Líquidos Penetrantes 3. Partículas Magnéticas

Liquido Penetrante Liquido Penetrante Primero Limpiar la superficie a examinar,

Luego aplicar el LP y esperar 10 a 20 m para que penetre en las discontinuidades.

Se retira el LP que no penetro en las discontinuidades, luego se aplica el revelador que actuara como una esponja, y finalmente realizaremos la inspección.

Inspección:LP rojo Ojo Humano

LP Fluorescente Lámpara luz Ultravioleta

Partícula Magnética Partícula Magnética Permite detectar la presencia de

discontinuidades en materiales ferromagneticos .

Para ello debemos magnetizar la pieza limpia, luego aplicar las partículas magnéticas, estas se agrupan sobre las discontinuidades dibujando su forma

b) Métodos Volumétricos:1. Radiografía Industrial; Detectan discontinuidades y proporcionan la forma.

2. Ultrasonido; Útil para localizar rechupes, poros, fisuras. Además se puede medir el espesor. 3. Corrientes Inducidas; Determina el tamaño de grano, dureza, inclusiones, medición de espesores de laminas metálicas. El material de ensayo debe ser conductor eléctrico.

Podemos apreciar que es posible medir el Podemos apreciar que es posible medir el espesor del material “e” y la profundidad a la espesor del material “e” y la profundidad a la que se encuentra la discontinuidad que es “a”que se encuentra la discontinuidad que es “a”

Esquema de un ensayo mediante Ultrasonido

4. Ensayos TecnológicosEstudian el comportamiento de los materiales cuando son requeridos para un determinado trabajo.

a) Embutido b) Plegado c) Punzonado

Aplicación y Uso de los Aplicación y Uso de los EnsayosEnsayosa. Selección de material b. Control de Calidadc. Para evitar fallas en

funcionamiento d. Determinar causas de fallas en

servicio e. Investigación

ENSAYO DE TRACCIÓNENSAYO DE TRACCIÓN

Se utiliza para obtener la resistencia mecánica(σf y σmáx) y la ductilidad (%ε ó %δ) de los materiales.Se pueden obtener otras propiedades y características como: módulo de rigidez (E), resiliencia elástica(UR) y tenacidad, entre otras.

Someter a la probeta normalizada a una fuerza de tracción unidireccional, la carga va aumentando de forma progresiva y simultáneamente se va obteniendo los alargamientos correspondientes de la probeta, tomándola como referencia una longitud Lo (longitud calibrada).

Mediante un cabezal móvil, en la prueba de tensión se aplica una fuerza unidireccional a una probeta

Al final se obtiene una curva fuerza-alargamiento (F-ΔL ó F-δ).

La forma de esta curva dependerá del tipo de material y la geometría de la muestra (tamaño).

A partir de la curva F- δ y con los datos de área transversal inicial (Ao) y longitudinal calibrada (Lo), se obtiene la curva esfuerzo-deformación (σ-ε).

Esta curva dependerá solo del material y no de la geometría de la probeta.

Si el diámetro inicial (Do) antes del ensayo de la probeta fue de 12,8 mm, siendo la carga máxima que soporto la probeta, antes de romperse fue de 63,0 kN (Fmáx), entonces su resistencia máxima o resistencia a la Tracción (σmáx) se calcula de acuerdo con la ecuación (1):

Para determinar la deformación de la probeta después de romperse, si su longitud calibrada (Lo) es 50,0 mm y, su longitud final después de la rotura (LFINAL) es 54 mm, utilizamos la ecuación (2):

En la figura anterior se muestra uno de los tipos de probetas normalizadas, y en la tabla se encuentran las dimensiones de probetas normalizadas según la norma ASTM E8M-04

Análisis de la curva σ – ε: Para realizar el análisis de las características que presentan una curva(σ–ε) se estudiará la que presenta un acero al carbono con recocido total.

Limite proporcional (σp)

Es el limite hasta donde los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones y en donde se cumple la ley de Hooke: σ= E.ε

La pendiente de este tramo inicial es el modulo de Young o modulo de rigidez: E

Limite elástico (σe)

Cuando aplicas un esfuerzo menor a σe las deformaciones que se producen en material son elásticas, es decir, una vez retirado el esfuerzo la probeta recupera su longitud inicial. Para esfuerzos mayores a σe la probeta sufrirá deformaciones plásticas y elásticas, por lo cual su deformación será permanente.Un material que ha soportado esfuerzos mayores al σe sufrirá deformaciones permanentes.

Se debe tener en cuenta que durante todo el ensayo de tracción el material siempre sufrirá deformaciones elásticas y, que las deformaciones plásticas se inician cuando el material alcance el limite elástico (σe), y es entonces cuando la probeta tendrá deformaciones elásticas y plásticas, hasta rotura.

Una vez ocurrida la rotura, la probeta presentara solo deformaciones plásticas pues las elásticas habrán desaparecido una vez que la probeta ya no soporte ningún esfuerzo.

Para determinar la deformación elástica y plástica que presenta una probeta para un determinado esfuerzo σ, se trazara una línea paralela al modulo de Young.

La deformación elástica siempre será: εelástica = σ/E

Limite de Fluencia o esfuerzo de Fluencia(σf)

Este fenómeno se presenta solo en ciertos materiales dúctiles (aceros ordinarios de bajo carbono con recocido total).La fluencia es el aumento de deformación plástica que sufre el material sin aumento de esfuerzos, en algunos casos puede haber un descenso de los esfuerzos. El primer pico es el que marca el esfuerzo de fluencia tal como muestra la figura anterior.Como el limite de fluencia es relativamente fácil de determinar y la deformación permanente es pequeña hasta el punto de fluencia, constituye un valor muy importante de considerar en el diseño.En el material siempre ocurre que: σp< σe< σf , siendo en realidad valores similares. Por lo que se puede decir que:

σp ≈ σe ≈ σf

La mayoría de los materiales no presentan el fenómeno de La mayoría de los materiales no presentan el fenómeno de fluencia, por ello se define el esfuerzo convencional de fluencia, por ello se define el esfuerzo convencional de fluencia o limite elástico convencional (fluencia o limite elástico convencional (σσ0,20,2), y en la ), y en la

mayoría de los casos reemplaza al limite elástico (mayoría de los casos reemplaza al limite elástico (σσee ), ),

debido al que el debido al que el σσee es difícil de determinar en un ensayo es difícil de determinar en un ensayo

convencional de tracción. El esfuerzo convencional de convencional de tracción. El esfuerzo convencional de fluencia (fluencia (σσ0,20,2) se define como el esfuerzo que soporta un ) se define como el esfuerzo que soporta un

material cuando presenta una pequeña deformación material cuando presenta una pequeña deformación plástica del 0,2 % (plástica del 0,2 % (εεpp=0,002), y se determina como se =0,002), y se determina como se

muestra en la figura siguiente.muestra en la figura siguiente.

En muchos casos elEn muchos casos el σ σff ó ó σσ0,20,2, indicara, en forma practica, , indicara, en forma practica,

el comienzo de la deformación plástica y reemplaza al el comienzo de la deformación plástica y reemplaza al limite elástico (limite elástico (σσee ). Es decir, si no se tienen referencia del ). Es decir, si no se tienen referencia del

limite elástico de un determinado material se puede asumir limite elástico de un determinado material se puede asumir

que dicho valor es mas cercano a que dicho valor es mas cercano a σσff ó ó σσ0,20,2 ..

Resistencia a la tracción (σmáx)

Una vez superado el σf ó σ0.2, el material continuara deformándose y el esfuerzo ira aumentando hasta que alcance un valor máximo: σmáx= Fmax / A0.

Al valor σmáx de un material se le conoce como su resistencia a la tracción. La probeta desde el inicio del ensayo hasta cuando alcance el σmáx sufrirá solo deformaciones uniformes, una vez alcanzado el σmáx se iniciara la estricción (formación de un cuello), es decir, se presentara deformaciones localizada, como se aprecia en la siguiente figura.

Esta estricción se presentara en los materiales dúctiles y será mas acusada cuando mas ductilidad presente, lo contrario, un material frágil no presentara la formación de este cuello y romperá a un valor cercano a su resistencia y tracción.

Después de alcanzar el σmax habrá una disminución de fuerza y la muestra continuara deformándose, la disminución de fuerza se debe a la reducción del área transversal por la presencia de la estricción. En realidad la probeta continuara endureciéndose (aumentando su dureza y resistencia mecánica) debido a la deformación, a esto se le llama endurecimiento por deformación, es decir, que si se grafica la fuerza dividida entre el área medida en la estricción (A) el esfuerzo ira aumentando hasta la rotura como se muestra en la siguiente figura.

Valores de resistencia y ductilidadLos parámetros que nos dan información sobre la resistencia mecánica de un material son el esfuerzo de fluencia y la resistencia a la tracción. Los que nos indican la ductilidad de un material son el alargamiento de rotura y la estricción de rotura.

a) Alargamiento de a) Alargamiento de rotura(%rotura(%εε))

El alargamiento después El alargamiento después de la rotura es la de la rotura es la deformación plástica. deformación plástica. El alargamiento de El alargamiento de rotura es también rotura es también llamado ductilidad. llamado ductilidad.

Se calcula de la Se calcula de la siguiente manera.siguiente manera.

b) Estricción de b) Estricción de Rotura(%Rotura(% ))Se obtiene mediante la Se obtiene mediante la siguiente fórmula:siguiente fórmula:

Donde ADonde Aff es el área de es el área de la zona de rotura , y Ala zona de rotura , y A00 es el área transversal es el área transversal inicial de la probeta inicial de la probeta

100%0

0

A

AA f

Modulo de rigidez (E)Modulo de rigidez (E)

Es una medida de la rigidez de un material, Es una medida de la rigidez de un material, cuanto mayor sea, mas pequeña será la cuanto mayor sea, mas pequeña será la deformación elástica resultante de un esfuerzo deformación elástica resultante de un esfuerzo aplicado.aplicado.

El aluminio tiene un modulo de rigidez de 69 GPa, El aluminio tiene un modulo de rigidez de 69 GPa, y el acero 207 GPa, por lo que para un esfuerzo y el acero 207 GPa, por lo que para un esfuerzo aplicado dentro del rango elástico, el aluminio se aplicado dentro del rango elástico, el aluminio se deformara, elásticamente tres veces mas que el deformara, elásticamente tres veces mas que el acero.acero.

El modulo de rigidez esta determinado por la El modulo de rigidez esta determinado por la fuerza enlace entre los átomos, puesto que estas fuerza enlace entre los átomos, puesto que estas fuerzas no pueden alterarse sin cambiar la fuerzas no pueden alterarse sin cambiar la naturaleza básica del material, solo le afectaran naturaleza básica del material, solo le afectaran ligeramente las adiciones de aleantes, el ligeramente las adiciones de aleantes, el tratamiento térmico o la deformación en friotratamiento térmico o la deformación en frio

Curvas σ-є de algunas aleaciones de ingeniería

En general en los metales, σmáx y E disminuyen y δ aumenta al incrementarse la temperatura de ensayo

TenacidadLa tenacidad de un material es su capacidad para absorber energía del campo plástico.Un material tenaz tendrá una adecuada σmáx y δ

Un material dúctil presentara una gran deformación antes de romperse con una baja resistencia a la tracción.

un material frágil presentara bajos valores de ductilidad (deformación plástica nula) y el valor de su resistencia a la tracción será similar al esfuerzo de rotura.

Modulo de resiliencia elástica(UR)Resiliencia elástica es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la fuerza.

Un acero para producir resortes debe tener un elevado modulo de resiliencia elástica.

Mientras que un acero tenaz será adecuado para fabricar elementos de maquinas como ejes de transmisión de potencia.

Ejercicios resueltos Ejercicios resueltos Ejercicio 1

El límite elástico de una aleación de aluminio es 400MPa y su modulo de Young es 70GPa.

a)Calcular la fuerza máxima de tracción que una barra puede soportar sin sufrir deformación permanente. Considere que la barra es de sección cuadrada de 10 mm de lado.

b)¿Cuánto se alarga cada milímetro de la barra cuando se le aplica la fuerza?

Solución:

a)El limite elástico(σe) indica el comienzo de la deformación plástica. Para valores de esfuerzos menores o iguales a σe el material solo sufrirá deformaciones elásticas.

La carga máxima que puede soportar la barra sin sufrir deformación plástica es de 40 kN.

kNNF

mmmmNAF

MPaAF

e

e

4040000

)(100)./(400

400

220

0

Considerando que nuestra longitud calibrada(LConsiderando que nuestra longitud calibrada(L00) sea de ) sea de 1mm. 1mm. Cada milímetro de la barra se alargara en 5.7x10Cada milímetro de la barra se alargara en 5.7x10 -3 -3 mm.mm.

b) La deformación que presenta la barra será uniforme, pues el inicio de la estricción ocurre para fuerzas mayores. Como los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones, entonces:

)(107,5107,5

107,570000400

033

00

3

mmLLLL

L

MPaMPa

EE

xx

xee

Ejercicio 2En un ensayo de tracción de una probeta de aleación de magnesio(Do=20mm y Lo=50mm) se obtuvieron los siguientes resultados:

a) Calcular la resistencia a la tracción (σmáx. ) en MPa.b) Calcular el modulo de Young (E) en GPa.c) Calcular el alargamiento total, en % un instante

antes de producida la rotura.

a) La resistencia a la tracción es la carga máxima (Fmáx , punto 10 de la tabla) que soporta la muestra dividida entre el área transversal inicial (A0).

b) El modulo de Young es la pendiente de la parte lineal inicial de la curva σ-ε (puntos 2 y 3 de la tabla)

El modulo de rigidez es de 44.9 GPa

MPammN

A

Fmáx 303

_100_95300

20

max

MPa

LoLAoF

E 44881

5010.0

10028200

5005.0

10014100

c) Un instante antes de romperse la probeta presentara deformaciones plásticas y elásticas, por lo que el alargamiento total en porcentaje es:

%εtotal = %εplástico + %εelástico

El punto 10 de la tabla indica el alargamiento permanentemente (ΔL=0.57 mm) que presenta la muestra después de la rotura

Su elongación justo antes de la rotura es:

676.01004488110095300

100%.

14.11005057.0

100%%

EE

LoL

roturaeemáxrotura

pp

8.1676.014.1% total

Ejercicio 3Se quiere fabricar un componente similar al que se aprecia en la siguiente figura. El componente soportará una fuerza de 100kN en tracción y estará formado por acero y latón, los cuales están unidos a una placa rígida. Calcular el diámetro necesario(D), del latón, para que el componente (latón – Acero) trabaje solo en la zona elástica y no sufra deformación permanente.

La deformación ε en ambos metales, acero y latón , será la misma, pues ambos están unidos a una placa rígida. Como ambos elementos deben trabajar en el rango elástico, se debe cumplir la ley de Hooke: σ=E.ε, que indica que los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones. En la práctica, el limite proporcional y el elástico son valores muy similares. La fuerza F será soportada por ambos metales de tal manera que:

F=FAcero+FLatón

Con los datos de la tabla anterior se obtiene el grafico σ – ε para ambos metales:

Del grafico σ – ε se aprecia que la máxima deformación ε que puede soportar el componente es de 2.14 x 10 -3, pues para una mayor deformación el acero sobrepasara su limite elástico.

Como σ=E.ε, se puede determinar ahora el esfuerzo que soporta el acero y luego la fuerza:

σ Acero = 210 000 x 2,14x10-3=449.4 MPa

Por lo tanto se puede calcular la fuerza que soportara el latón, pues se cumple que la fuerza que soporta el acero es mas la que soporta el latón deber ser igual a 100kN

FLatón=64 704 N

NmmMPaF x 35296254.4449 2

Como ε = 2.14 x 10-3, el latón estará trabajando por debajo de su σe, por ello ya se determinar el área y luego el diámetro.

Por lo tanto el diámetro D del latón necesario para que el componente trabaje en el rango elástico será, como mínimo, 22 mm.

mmDDmmA

mmN

MPaMMPaAF

E

Latón

Latón

LatónLaton xx

221004

23,302

2142141014.2100000

2

23

Problemas propuestosProblemas propuestosProblema 1Se obtuvieron los siguientes datos de esfuerzo-deformación al inicio de un ensayo de tracción de un acero con 0.2% de carbono. a) Con estos datos, dibuje la correspondiente curva esfuerzo-deformación. b) Determine el límite elástico de 0.2% de este acero. (Nótese que estos datos sólo corresponden a la parte inicial de la curva esfuerzo-deformación.)

Problema 2Una probeta metálica cilíndrica, de 15mm de diámetro y 200 mm de longitud, es sometida a un esfuerzo de 28 MPa, nivel de tensión al cual toda la deformación experimentada por ella es elástica.Si el alargamiento máximo permitido es de 0,08mm, ¿Cuáles de los metales de la tabla adjunta son posibles candidatos?Si además la máxima reducción de diámetro permitida es de 0,0012mm, ¿qué metales de la tabla satisfacen las condiciones requeridas?

Problema 3Una persona de 130 kg de masa va a realizar un salto al vacío atado con una cuerda elástica no lineal desde una plataforma suspendida de una grúa a 53 m del suelo. El saltador está unido a la plataforma por una cuerda de 16 m de longitud total en reposo. Al ensayar una cuerda idéntica a la empleada (tanto en respuesta mecánica como en dimensiones) se ha obtenido la curva fuerza-alargamiento mostrada en la siguiente figura (a).

Para simplificar el problema, se considera que la cuerda se comporta como se muestra en la figura (b). El alargamiento máximo admitido a la cuerda ensayada es de 15 m.

(a) ¿Será la cuerda capaz de absorber la caída del saltador?

(b) ¿Cuál será la masa máxima de la persona que pueda disfrutar del salto saliendo ileso del mismo?(c) Si la cuerda está enganchada a la plataforma con un anillo que es capaz de soportar solo 2000 N de fuerza, ¿Cuál será la masa máxima del muchacho que pueda saltar?

Ensayo de durezaEnsayo de durezaLa dureza es una propiedad mecánica y, de

los metales, es una medida de su resistencia a ser deformados permanente

Todos los ensayos de dureza en los metales dejan una huella permanente y a mayor tamaño de la huella el metal será mas blando

En general existen tres métodos para medir la dureza y se clasifican de acuerdo a la forma de realizar el ensayo: dureza al rayado, dureza a la penetración y dureza elástica o dinámica

Dureza al rayadoDureza al rayadoEste tipo de ensayo interesa

principalmente a los mineralólogos, y la dureza se evalúa por la capacidad de los materiales de rayarse unos a otros.

La dureza se mide de acuerdo con la escala de MOHS, que consiste de 10 minerales tipo enumerados del 1 al 10 en orden creciente de dureza, y esta basado en la resistencia que opone un material para ser rayado por otro

Dureza a la penetraciónDureza a la penetraciónMide la resistencia que oponen los

materiales a ser penetrados por otro cuerpo mas duro.

Normalmente se imprime sobre el material un indentador(billa de acero endurecido, cono de diamente, etc) con la fuerza conocida por un tiempo determinado.

Este tipo de ensayo es el que se emplea principalmente para determinar la dureza en los aceros, aleaciones de cobre, aleaciones de aluminio.

Dureza de Brinell(ASTM E 10)Dureza de Brinell(ASTM E 10)Fue el primer ensayo de dureza a la

penetración ampliamente aceptadoEl ensayo de dureza originalmente

consistía en comprimir sobre la superficie del metal una billa de acero endurecido de 10mm de diámetro (D), con una fuerza (F) de 300kg que se aplica progresivamente durante un tiempo determinado. Después de retirada la carga y el indentador, se mide el diámetro de la huella (d) dejado por el indentador en milímetros, tal como muestra la figura

Para que el ensayo de dureza de Brinell tenga validez, la relación que debe de existir entre el diámetro del indentador (D) y el diámetro (d) deberá ser:

Relacion que normalmente se cumple cuando se realiza el ensayo en aceros; pero cuando se lleva a cabo en materiales mas blandos usualemente no se cumple la relacion anterior, por ello cuando se realiza ensayos de dureza en metales mas blandos se deben emplear cargas menores a 3000kg.

Se ha comprobado experimentalmente que para que se cumpla la relación anterior en diversos materiales, basta que la relación entre la carga y el cuadrado del diámetro del indentador sea un valor constante el cual es un valor conocido, como se aprecia en la siguiente tabla

Los diámetros de billas que se emplean de Brinell están normalizadas siendo estos de: 10;5;2,5;2;1 y 0,50mm. La carga máxima (F) es de 3000kg, valores típicos empleados son 3000, 1500, 500 y 250kg. La carga se aplica durante un periodo de tiempo determinado que es de 10 a 15 segundos.

Si se quiere determinar la dureza Brinell en un metal por ejemplo en una aleación de aluminio que tiene un valor de Q=5 y si se alige un indentador de 10mm, entonces se debe emplear una carga de 500kg.

si la muestra es muy delgada, se debe emplear una carga menor tal como de 125kg entonces el diámetro del indentador cambiara, pues Q es el valor constante, luego se debe emplear un indentador de 5mm.

por lo tanto, siempre que cambie el valor de la carga, el diámetro del indentador cambiara de tal forma que siempre se mantenga la relación Q la cual depende del material a ensayar

Relación entre dureza Brinell Relación entre dureza Brinell y resistenciay resistenciaEstudios llevados a cabo han

demostrado que la dureza Brinell y la resistencia a la tracción son aproximadamente proporcionales, por ejemplo en los aceros al carbono hipoeutectoides la relación entre dureza y resistencia a la tracción aproximada es:

El numero de dureza Brinell, realizado cuando se emplea un billa de acero endurecido (S) esta limitado a 450unidades Brinell aproximadamente , pudiéndose llegar a 650HB cuando se emplea billas de carburo de tungsteno(W)

Forma de expresar la dureza Forma de expresar la dureza BrinellBrinell250HBS: indica una dureza de 250 Brinell,

realizado en condiciones estandar, es decir empleando una billa de acero endurecido en 10mm aplicando una carga de 3000kg durante un tiempo de 10 a 15s

250HBW: similar al anterior, solo que se empleo un indentador de carburo de tungteno.

250HBW 5/750/20: significa una dureza Brinell a 250, determina con un indentador de carburo de tungsteno de 5mm, empleando una carga de 750kg la que fue aplicada durante 20segundos

Dureza Rockwell (ASTM Dureza Rockwell (ASTM 18)18)

La maquina Rockwell salió al mercado en 1924, llenando el vacio dejado por Brinell, pues no se podían medir la dureza en materiales muy duros

El ensayo Rockwell se basa, como el Brinell, en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por un cuerpo mas duro, pero se diferencia, en que penetra el indentador, además , con la maquina Brinell la carga se aplica de una solo vez, y el ensayo Rockwell actúan dos casos diferentes. Primero se aplica una carga pequeña de 10kg y luego, además de aquella, actúa otra carga mayor

Existen varias escalas las que dependen del material ensayado, siendo las mas empleadas a nivel industrial las escalas B y C

Las cifras de dureza Rockwell son funciones de la diferencia entre la penetración conseguida cuando actúa la carga pequeña y la profundidad de la huella permanente que hicieron las dos cargas cuando actuaron a la vez, como se aprecia en la figura 2.3

La profundidad de la penetración obtenida , caracteriza la dureza se lee en el dial de la maquina de dureza Rockwell

La escala C(HRC) se utiliza en metales duros (acero templado, templados y revenidos, etc.) emplea como indentador un cono de diamante con un ángulo en la punta de 120º y, para metales blando y semiduros se emplea la escala B(HRB) que utiliza una bola de acero endurecido de 1/16” de diámetro. En ambos casos el ensayo se lleva de forma parecida, empleándose la misma precarga (10kg), y utilizando luego cargas mayores. El tiempo de aplicación de la carga total es de 10 a 15 segundos

La tabla 2.7 muestra la equivalencia que existen entre los diferentes tipos de ensayo de dureza en los aceros al carbono y aleados. Se puede apreciar, en las dos ultimas columnas, que para un determinado valor de dureza es posible obtener la resistencia a la traccion en

Se puede obtener la dureza Brinell, en forma aproximada, multiplicando por 10 el valor obtenido en un ensayo de dureza Rockwell realizado en la escala C(HRC).

La dureza de Vickers (ASTM La dureza de Vickers (ASTM E 92)E 92)El fundamento es parecido al de Brinell,

se basa en la resistencia que oponen los cuerpos a ser penetrados y también se determina la dureza, dividiendo la carga por el área de la superficie de la huella dejado por el indentador. Se define por emplear un indentador de diamante en forma de pirámide cuadrada, con un ángulo de 136º entre caras opuestas. El ángulo fue elegido para que las cifras Vickers es siempre algo superior a la Brinell

Normalmente se emplean cargas variables entre 1kg y 120kg, siendo la carga normal generalmente empleada de 30kg. Además, se recomienda el uso de cargas mayores a 5kg pues para valorares menores la dureza puede ser dependiente de la carga aplicada. Como resultado de la forma del indentador, la impresión sobre la superficie de la muestra será un cuadrado.

Las longitudes de las diagonales ( ) se miden por medio de un microscopio. La dureza Vickers(HV) se puede calcular mediante tablas o por medio de las siguientes formulas:

Ensayo de microdurezaEnsayo de microdurezaMicrodureza se refiere a

determinar la dureza de zonas muy pequeñas como por ejemplo la dureza de los microconstituyentes de un acero: ferrita o cementita, por ello la huella dejada por el indentador debe ser muy pequeña. Las cargas varían generalmente entre 1g y 1000g

A) Microdureza Vickers (ASTM E 384)Para la prueba de microdureza se

puede utilizar en metodo de microdureza Vickers, que emplea un indentador similar al del metodo convencional. El aparato para medir microdureza es diferente al de dureza Vickers

La microdureza se calcula empleando la misma formula

B) Microdureza KnoopTambién se puede determinar la

microdureza de un metal empleando el ensayo de microdureza Knoop, que utiliza un indentador de diamante de forma piramidal que presenta dos diagonales una larga y una corta a una razón aproximada de 7:1.

La longitud de la diagonal mas larga de la huella “d” se mide ópticamente, siendo el numero de dureza Knoop(HK) determinado mediante la siguiente formula:

La dureza elástica o La dureza elástica o dinámica dinámica

Un aparato muy empleado hasta hace pocos años para medir la dureza elástica, fue el escleroscopio Shore. Su principio se basa en dejar caer desde una determinada altura un pequeño martillo sobre el material a ensayar, parte de la energía de caída será absorbida en producir la huella, por lo que el martillo retrocederá, evaluándose hasta una altura menor que la inicial de partida. Esta altura de rebote se toma como medida de la dureza elástica o al rebote, tal que cuando mayor sea el rebote, mayor será el numero y la pieza a prueba será mas dura.

Precauciones generales para Precauciones generales para realizar los ensayos de realizar los ensayos de durezadurezaLa superficie a ensayar debe estar

limpia de óxidos, grasas , pintura, etc.

La superficie tiene que ser plana y perpendicular al eje de aplicación de la carga.

La distancia de borde de la pieza al centro de la huella debe ser mayor o iguial a 2,5 d, como muestra la figura 22.26.

La distancia entre los centros de dos huellas consecutivas deber ser mayor o igual 3,0d.

El espesor del material debe ser el suficiente de modo que no aparezca alguna protuberancia sobre la superficie opuesta a la de la impresión.

El espesor de la muestra recomendado es de por lo menos 10 veces la profundidad de la impresión.

BibliografíaBibliografía• Lean, P. (2007). Introducción a la ingeniería

de materiales. 1ra. Edi, Edit. PUCP, Lima, Perú.

• Smith, W. Hashemi, J. (2004). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4ta. Edi, Edit. McGraw-Hill, México D.F., México.

• Askeland, D. (1998). Ciencia e Ingeniería de los materiales. 3ra. Edi, Edit. International Thomson Editoriales, México D.F., México.