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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIRÍA METALÚRGICA ENSAYO DE MATERIALES CAPÍTULO II ENSAYO DE DUREZA Y MICRODUREZA Profesor: Ing. Julián Nieto Quispe E-mail: [email protected] Celular: #952800514 Domicilio: Distrito G. Albarracín, Villa La Agronómica M-7 Tacna-Perú 2014

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Page 1: Cap2a dureza

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANNFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIRÍA METALÚRGICA

ENSAYO DE MATERIALES

CAPÍTULO II

ENSAYO DE DUREZA Y MICRODUREZA

Profesor: Ing. Julián Nieto Quispe

E-mail: [email protected]

Celular: #952800514

Domicilio: Distrito G. Albarracín, Villa La Agronómica M-7

Tacna-Perú

2014

Page 2: Cap2a dureza

CAPÍTULO IIENSAYO DE DUREZA Y MICRODUREZA

CONTENIDO Introducción Ensayo de dureza método Brinell Ensayo de dureza método Vickers Ensayo de dureza Knoop Ensayo de dureza método Rockwell

Page 3: Cap2a dureza

INTRODUCCIÓN

La dureza de un material es un concepto relativo, ya que es posible afirmar que un material es más duro que otro pero no existe una medida o patrón único para definir la dureza cuantitativamente, si no es mediante una convención preestablecida.

Page 4: Cap2a dureza

INTRODUCCIÓN

En un comienzo se ha definido la dureza de un material como la propiedad que éste posee para rayar otro material, sin ser rayado por aquél. De este modo se puede establecer una escala de dureza, y es Mohs quien ha dado una nómina de 10 materiales, numerados del 1 al 10, en que la dureza de los mismos aumenta a medida que se progresa con la numeración.

Nº Escala Mohs

Material

1 Talco

2 Sal gema, Yeso

3 Calcita

4 Fluorita

5 Apatita

6 Feldespato

7 Cuarzo

8 Topacio

9 Corindón

10 Diamante

Page 5: Cap2a dureza

INTRODUCCIÓNLa escala de Mohs ha sido modificada sobre la base del desarrollo que se produjo en la fabricación de sustancias abrasivas sintéticas muy duras. Se han intercalado así, entre el cuarzo y el diamante, nuevos materiales, con lo cual se obtiene la extensión de la escala de Mohs de acuerdo con Ridgway, Ballard y Bailey. Esta escala implica que el método para determinar la dureza consiste en el rayado del material en estudio por alguno de los materiales de la escala.Dentro de los procedimeintos actualmente en uso se emplea el diamente, al que se da una forma cónica o piramidal en el extremo.

Nº de la

escala

Material

1 Talco

2 Yeso

3 Calcita

4 Fluorita

5 Apatita

6 Feldespato

7 Sílice puro vidrio

8 Cuarzo

9 Topacio

10 Granate

11 Carburo de tántalo

12 Carburo de tungsteno

13 Carburo de silicio

14 Carburo de boro

15 Diamante

Page 6: Cap2a dureza
Page 7: Cap2a dureza

INTRODUCCIÓN

El procedimiento para medir dureza por rayado se utiliza en casos aislados, habiéndose desarrollado otros métodos que se aplican con gran éxito.

La mayor parte de esos métodos se basan en la resistencia que oponen un cuerpo para dejase deformar por otro más duro, que ejerce una presión de tal magnitud que produce una deformación de características netamente plásticas en el primero.

La magnitud de esa deformación, realizada en condiciones perfectamente normalizadas, da un índice de la dureza del cuerpo ensayado.

Page 8: Cap2a dureza

• Optimización

• Análisis de fallas

• Especificaciones

• Selección

• Inspección

• Mantenimiento

USOS DE LA DUREZA

Page 9: Cap2a dureza

DEFINICIÓN DE DUREZA

Es la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica ocasionada por otro material más duro de determinadas forma y dimensión (indentador o penetrador).

Una definición ingenieril de la dureza, comúnmente aceptada, es la resistencia a la penetración. Esta resistencia es función de las propiedades mecánicas del material, sobre todo de su límite elástico y en menor grado, de su tendencia al endurecimiento por trabajado en frío y del módulo de elasticidad.

Page 10: Cap2a dureza

FACTORES DE MEDICIÓN DE DUREZA

Los métodos existentes de medición de la dureza se distinguen notoriamente unos de otros: Por la forma del identador usado, Por las condiciones de aplicación de la carga y Por el método de calcular la dureza

La elección del procedimiento de determinación de la dureza depende de diferentes factores:

• Dureza del material

• Su tamaño del material

• Condiciones de la superficie del material donde se ha de medir la dureza.

Page 11: Cap2a dureza

CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE MEDICIÓN DE DUREZA

En función de la velocidad con que se aplica la carga los procedimientos de determinación de dureza se dividen en: Estáticos Dinámicos

Según el método de aplicación de la carga éstos son: De penetración De rayado

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CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE MEDICIÓN DE DUREZA

ESTÁTICOS Dureza Brinell (HB) Dureza Vickers (HV) Dureza Knoop Dureza Rockwell (HR) Dureza Martens Dureza ABI Dureza UCI Dureza ESTATEST

o DINÁMICOS

Dureza TELEBRINELLER

Dureza SHORE

Dureza EQUOTIP

Determinación óptica del área de indentación después de remover la fuerza de ensayo

Determinación de profundidad de penetración con fuerza preliminar de ensayo

Determinación de profundidad de penetración bajo carga

Por comparación de frecuencia o resistencia eléctrica

Determinación del área de indentación después de remover el instrumento de ensayo

Medición de energía durante el impacto.

Page 13: Cap2a dureza

CONDICIONES DE MEDICIÓN DE DUREZA

En todos los procedimientos de ensayo de dureza es muy importante preparar la capa superficial de la muestra. Esta capa debe poseer, en la medida de lo posible, las características más completas del material cuya dureza ha de medirse. Todos los defectos superficiales (cascarilla, abolladuras, rasguños considerables, etc.) tienen que ser eliminadas.

Page 14: Cap2a dureza

CONDICIONES DE MEDICIÓN DE DUREZA

Los resultados de los ensayos de dureza dependen de la duración de la aplicación de la carga al indentador de penetración y de la duración del mantenimiento de éste bajo la carga. Con una carga constante P, la dimensión lineal de la huella es:

nbtd

Donde:

t: Tiempo de mantenimiento del indentador bajo la carga. Por lo común t = 10 a 30 segundos.

b, n: Son coeficientes que dependen de las propiedades del material y de la magnitud de la carga P.

Page 15: Cap2a dureza

DUREZA BRINELL

NORMAS A APLICARASTM E10 ISO 6506

Page 16: Cap2a dureza

DUREZA BRINELL

El método de Brinell para determinar la dureza consiste en apretar gradualmente sobre los materiales metálicos una bolita dura, de diámetro D, con la fuerza F, y medir, después de suprimida ésta, el diámetro d de la huella. Se mide con una lupa o con microscopio de retícula graduada.

)/()(

2 2

22mmKg

dDDD

FHB

F = Carga aplicada, en Kgf.D = Diámetro de la bola, en mm d = Diámetro de huella, en mmS = Superficie del casquete esférico, en mm2

hD

F

esféricocasquetedelSuperficie

aC

S

FHB

arg

Page 17: Cap2a dureza

Relación de semilitud geométrica en dureza Brinell:

22

2

1dDDh

Page 18: Cap2a dureza

Como norma general, no se debe usar los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 HB, de lo contrario se deformaría la bola.

El centro de la impronta (huella) debe estar a una distancia no menor del diámetro del diámetro de la bola respecto al borde de la probeta, y la distancia del centro de la impronta vecina debe ser no menor de 2D, o cualquiera de las especificaciones indicadas en la Fig.2.

DUREZA BRINELL

Page 19: Cap2a dureza

DIAMETRO DE LABOLITA (D)

(mm)

CARGA F (Kgf)

30 D2 10 D2 5 D2 2.5 D2 1.25 D2 0.5 D2

10 3 000 1 00 500 250 125 50

5 750 250 125 62.5 31.2 12.5

2.5 187.5 62.5 31.2 15.6 7.8 3.1

La carga que debe aplicarse a las bolitas de distinto diámetro se dan en la siguiente tabla

La carga se elegirá de modo que el diámetro de la huella tenga un valor comprendido entre 0,2 y 0,5D. Para los materiales detallados a continuación, se utilizarán de preferencia, las siguientes cargas

MATERIALES METALICOS CARGA P (Kg)

Aceros y fundiciones 30 D2

Aleaciones de cobre o de aluminio 10 D2

Cobre y aluminio 5 D2

Plomo, estaño y aleaciones 2.5, 1.25, 0.5 D2

DUREZA BRINELL

Page 20: Cap2a dureza

MATERIAL INTERVALO DE VALORES

HB(Kgf / mm2)

ESPESOR DE LA PROBETA

(mm)

RELACIONP / D2

(Kgf / mm2)

DIAMETRO DE BOLA

(mm)

CARGAP

Kgf

EXPOSICION BAJO CARGA

METALESFERROSOS

140 – 450 De 6 a 4 30 10 1 000 10

De 4 a 2 5 750

Menos de 2 2.5 187.5

Hasta140

Más de 6 10 10 1 000 30

De 6 a 3 5 250

Menos de 3 2.5 62.5

METALESNO

FERROSOS

35 – 130 Más de 6 10 10 1 000 30

De 6 a 3 5 250

Menos de 3 2.5 62.5

8 – 35 Más de 6 2.5 10 250 60

De 6 a 3 5 62.5

Menos de 3 2.5 15.6

DUREZA BRINELL

Page 21: Cap2a dureza

La nomenclatura para el reporte de la dureza Brinell debe ser de esta manera:

HB(D/F/t) valor de la dureza brinellDonde: D = Diámetro de la bola del identador.F = Carga aplicada.t = Tiempo que duró la aplicación de la carga.

DUREZA BRINELL

EJEMPLO

270 HBW(10/3000/30)

Indentador: Bola de acero al tungteno (W)

Diámetro de bolita: 10 mm

Carga aplicada: 3 000 Kgf

Tiempo de aplicación de carga: 30 segundos

Page 22: Cap2a dureza

DUREZA VICKERS

NORMA A APLICARASTME E92 ISO 6507

Page 23: Cap2a dureza

DUREZA VICKERS

La determinación de la dureza por el método Vickers se efectua con un penetrador cuya forma es la de una pirámide cuadrangular, con un ángulo en el vértice 136º+/- 30’

Los valores de la dureza Vickers coinciden prácticamente con los de la dureza Brinell hasta la cifra de 350, lo cual es efecto de 136º de la pirámide del penetrador Vicker, cuyas aristas son tangentes al penetrador esférico Brinell considerando un diámetro de la penetración d = 0.375D, que es el valor medio de d = 0.25D y d = 0.50D

Page 24: Cap2a dureza

Al igual que en el método Brinell, la cifra de dureza Vickers, HV, se obtiene como cociente entre la carga aplicada F y la superficie S de la impresión que deja el penetrador.

DUREZA VICKERS

)2

136(2.

8 2Sen

l

F

S

FHV

28544,1

d

FHV

F= Carga aplicada, en Kgf

d = Promedio de las diagonales, mm

L2= d2/2

Page 25: Cap2a dureza
Page 26: Cap2a dureza

Las cargas pueden variar de 1 a 100 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.Al indicar la dureza Vickers de un material debe especificarse el valor de la carga y el tiempo de aplicación, si este fuera distinto de 15 segundos.

DUREZA VICKERS

Ejemplo de notación de dureza Vickers

La dureza Vickers de una probeta a la que se aplicó una carga de 30 Kgf durante 15 segundos se indica así.

HV(30)

Si el tiempo de aplicación fuera de 20 segundos la indicación es:

HV(30/20)

Page 27: Cap2a dureza

CONSIDERACIONES PARA EL ENSAYO DE DUREZA VICKERS

En general es necesario seguir las mismas consideraciones mencionadas para los ensayos Brinell, debiendo tenerse especialmente presente que la superficie a ensayar debe estar casi pulida.

La carga debe actuar durante 10 s aunque en algunos casos puede llegar hasta 30 s.

En aceros dulces los valores HV pueden variar de 120 a 170, mientras que en aceros tratados térmicamente puede variar entre 800 y 1000.

En general el espesor mínimo de la probeta debe ser de 1,5 veces la longitud de la diagonal de la impresión.

Page 28: Cap2a dureza

DUREZA KNOOP

La determinación de la dureza Vickers en metales muy duros queda afectada de un error cada vez mayor a medida que la carga empleada es menor que 5 Kgf. Ello se debe a que la dimensión de la diagonal se hace tan pequeña que el error con que resulta afectad su determinación tiene cada ve mayor preponderancia.

Ese efecto se ha eliminado en gran parte mediante el penetrador Knoop formado por un diamante piramidal tallado con los ángulos indicados en la figura.

Una impresión realizada con ese penetrador produce una forma romboédrica, en que las l y w guardan entre si una relación:

l/a = 7,1.

Page 29: Cap2a dureza

El número de dureza Knoop se obtiene dividiendo la carga aplicada F sobre la superficie del romboide de la impresión, sin que se haya producido todavía la recuperación elástica del material. Ello se consigue expresando dicha superficie en función de la diagonal mayor de la impresión, la que resulta muy poco afectado por dicha recuperación.

207028.02

llw

F

2

23014

l

FHK

Siendo:

Se obtiene finalmente:

DUREZA KNOOP

F = Carga aplicada, en Kgf.

l = Diagonal mayor del roboide, en μm

La longitud de la diagonal l puede variar de 5 a 1000 μ según la carga y la dureza del material

Page 30: Cap2a dureza

DUREZA KNOOP

Page 31: Cap2a dureza

DUREZA ROCKWELL

NORMAS A APLICARASTM E18 ISO 6508

Page 32: Cap2a dureza

El ensayo de dureza Rockwell se basa en la determinación de la profundidad de la penetración de un cuerpo de dureza prefijada dentro del material. Aquí se trata de 2 tipos de penetración:

•Esfera de acero para metales blandos

•Un cono de diamante para metales duros

En ambos casos la penetración se realiza bajo cargas determinadas y únicas para cada tipo de penetrador.

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ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL B (HRB)

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ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL C (HRC)

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En la operación, la cual se muestra esquemáticamente en la Figura, se aplica inicialmente una carga de 10 kg la cual causa una penetración inicial A que pone el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición. El indicador de la máquina se pone en cero, es decir se toma la línea de referencia a partir de la cual se medirá la indentación y se aplica la carga adicional, la que generalmente es de 50 o 90 kg cuando se utiliza como penetrador una bolilla de acero y es de 140 kg cuando se utiliza el cono de diamante.

Page 38: Cap2a dureza

Al aplicar la carga adicional el material fluye plásticamente, resultando una penetración total B. Posteriormente, se retira la carga adicional, permitiendo la recuperación elástica del material resultando una penetración final C. Una vez que la carga principal se retira, el valor de dureza se lee directamente del indicador de la máquina y dependerá de la penetración h dada por la diferencia entre la línea de referencia A y la línea final C.

Page 39: Cap2a dureza

Carga inicial. Es la carga que tiene por objeto asegurar una perfecta sujeción de la pieza que se ensaya y un buen contacto del penetrador.Carga adicional o principal. Es la carga que permite obtener el incremento de penetración y, por lo tanto, la dureza de la pieza que se ensaya una vez que se la suprime.

Carga total. Es la suma de la carga inicial y adicional.

Número de dureza Rockwell. Es el número que expresa la dureza Rockwell y cuyo valor es:

HR = C – h

Donde:

C: número 100 ó 130, según que tipo de penetrador usado sea diamante cónico o bola de acero de 1/16”.

h: El incremento de la penetración inicial medido en una escala fijada arbitrariamente e 0.002 mm para la dureza Rockwell normal y 0.001 mm para la dureza Rockwell superficial.

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GRUPOS DE ESCALAS

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Ensayo de dureza Rockwell normal. es, a los fines de esta norma, el ensayo realizado con alguna de las siguientes escalas: A, B, C, D, E, F, G, H; se emplea para materiales de diversa dureza y el incremento de penetración h se mide en una escala cuya unidad fijada arbitrariamente es 0.002 mm.

Ensayo de dureza Rockwell superficial. Es, a los fines de esta norma, el ensayo con alguna de las siguientes escalas: N, T, W, X, e Y; se emplea para acero carburizado, alambres y chapas de pequeño espesor, calibres de precisión, aceros cianurados, etc., y el incremento de penetración h se mide en una escala cuya unidad fijada arbitrariamente es 0.001 mm.

DUREZA ROCKWELL

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