La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y esta relacionada con la resistencia mecánica. La dureza puede definirse como la resistencia de un material a la penetración o formación de huellas localizadas en una superficie. Cuanto mas pequeña sea la huella obtenida en condiciones normalizadas, mas duro será el material ensayado. El penetrador en un ensayo de dureza es generalmente una esfera, pirámide o cono hecho de un material mucho mas duro del que se ensaya, como por ejemplo acero endurecido, diamante o carburo de tungsteno sinterizado.  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 l ima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los tal leres.  Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:  • 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 utensil io con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza standard.  • Dureza Rockwell : Se uti l iza 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, l lamada Rockwell superficial , para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchil las 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 dif íci l manejo como perfi les largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell .  Conceptos Generales:  Es fácil comprender el concepto general de la dureza como una cualidad de la materia que tiene que ver con la solidez y la f irmeza de contorno, pero no se ha ideado todavía ninguna medida universal de la dureza aplicable a todos los materiales. La “f ísica” fundamental de la dureza aún no se ha entendido claramente.

El metal base del  Zamak es en su mayoría el  Zinc con un porcentaje entre el 94% y el 97% del total de la composición f inal . El segundo metal en porcentaje es el  Aluminio con un aproximadamente 4%. El tercero seria el  Cobre con un porcentaje entre el 1% y 2% y f inalmente y en muy baja cantidad estaría el  Magnesio  con el porcentaje restante.

DUREZA BRINELL

OBJETIVO DEL ENSAYO.  Determinar experimentalmente la dureza Brinell . Estudiar su campo de aplicación.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS GENERALES.

Definición de dureza:  Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residuales (indentador ó penetrador), de determinada forma y dimensiones.

Un análisis de la anterior definición nos l leva a las siguientes conclusiones: 1) la dureza, por definición, es una propiedad de la  capa superficial  del material , no del material en sí ; 2) los métodos de dureza por indentación presuponen la presencia de esfuerzos de contacto, por lo tanto la dureza puede ser cuantif icada como tal ; 3) el indentador o penetrador no debe sufrir deformaciones residuales.

El estándar ASTM E 10-78 define la dureza Brinell como un método de ensayo por indentación por el cual , con el uso de una máquina calibrada, se fuerza una bola endurecida, bajo condiciones específ icas, contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga.

 

 

Ateniéndonos a la definición, el número de dureza Brinell (como esfuerzo de contacto), es la relación de la carga  P que efectúa el indentador esférico de diámetro  D, al área de la superficie de la huella:

;

La deducción de la fórmula de cálculo del área  A del casquete esférico,  puede verse aquí .En la práctica se usa la siguiente fórmula de trabajo:

El método estándar como tal se realiza bajo las siguientes condiciones:Diámetro de la bola    (D) : 10 mmCarga (P): 3000 kgfDuración de la carga (t): 10 . . . 15 s En el caso de realizarse el ensayo bajo estas condiciones el número de dureza Brinell se denota sin ningun sufi jo. Ejemplo:220 HBEsta notación indica una dureza Brinell de 220 bajo las condiciones estándar arriba nombradas. (10/3000/15).PROCEDIMIENTOPara obtener la dureza Brinell de la superficie de un material se presiona contra la probeta una bola de acero con determinado diámetro  D.  La bola se mantiene algún tiempo bajo la carga P  . Luego de retirada la carga se miden dos diámetros, en direcciones mutuamente perpendiculares, de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio de los diámetros (d) y los otros valores se sustituyen en la fórmula de trabajo para obtener el valor de la dureza

Brinell . En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones más.

MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA.Máquina.  Para los ensayos Brinell se usa el escleroscopio HP-250 marca  Wekstoffprüfmaschinen , del cual se muestra su aspecto general en la siguiente f igura. Este aparato sirve para la medición tanto de dureza Brinell como Vickers. Aplica cargas hasta de 250 kgf , por lo que es necesario aplicar los criterios de semejanza de     los que se habló arriba. Posee incorporado un microscopio de medición, el cual posee una resolución de 0,001mm. El funcionamiento y procedimiento de medición serán explicados por el profesor y el monitor en el momento de la práctica. Probetas.    Se ensayarán tres probetas ci l índricas: de acero, de latón y de aleación de aluminio, similares a las usadas durante el ensayo de compresión.REALIZACIÓN DEL ENSAYO

1.              Como el ensayo se realiza bajo la estricta supervisión y dirección del profesor y monitor, sólo se darán aquí algunas recomendaciones adicionales.2.              De acuerdo al material de la probeta se debe escoger el grado de fuerza (P/D2) según  tabla . Es decir:Acero : 30Latón: 10Aleación de aluminio: 103.              A partir del grado de fuerza y atendiendo las cargas posibles de aplicar en la máquina, escogemos la combinación más conveniente de carga y diámetro de indentador.Acero:  D = 2,5 mm; P = 187,5 kgf .Latón:  D = 2,5 mm; P = 62,5 kgf .Aleación de aluminio:  D = 2,5 mm; P = 62,5 kgf .4.              Cada vez que se realice cambio de indentador la primera impronta obtenida no será tenida en cuenta, esto para permitir el asentamiento del sistema bola, montura y porta bola.

5.              Se realizarán entre 5 y 10 indentaciones por probeta, teniendo en cuenta que la separación del borde la probeta y de una huella al borde de la otra debe ser mayor a 2,5 veces el diámetro de la huella .

TRATAMIENTO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS

 Los datos de diámetro de cada impronta, tomados en direcciones perpendiculares, se promedian y mediante la fórmula de trabajo,

se determina la dureza Brinell . Para obtener un dato consolidado se promedian las durezas obtenidas en todas las indentaciones de cada probeta. Este número se redondea hasta unidades enteras. Los resultados se presentan escribiendo la notación estándar correcta. Ejemplo:

Probeta de acero :    221 HB 2,5/187,5/15

3.    PRUEBAS DE DUREZA

3.1   Generalidades

La dureza se define ingenierilmente como la resistencia a la penetración. Esta resistencia es la función de las propiedades mecánicas del material , sobre todo de su l ímite elástico y, en menor grado, de su tendencia al endurecimiento de trabajo, y del módulo de elasticidad. Si se t iene un material de composición dada, y se conoce su historial , se puede relacionar el l ímite elástico (para f ines prácticos, el esfuerzo de cedencia) con la resistencia a la tensión, la ducti l idad y la tenacidad. Por tanto, las pruebas de dureza pueden proporcionar datos de los que se pueden derivar muchas propiedades mecánicas importantes. Y, puesto que las pruebas de dureza se pueden l levar a cabo fácil y rápidamente, se usan ampliamente y se emplean para controlar procesos, así como para inspeccionar y determinar la aceptación de materiales y componentes.

Las pruebas de dureza comunes se basan en la aplicación lenta de una carga f i ja a un muescador que se abre paso sobre la superficie l isa de la muestra. Una vez que se quita la carga, se mide el área o bien la profundidad de la penetración, lo cual indica la resistencia a la carga. A continuación se analizan tres cla ses de pruebas.

 

 

3.3     Pruebas de  Rockwell

Las pruebas de Rockwell dependen de la medición de la profundidad diferencial de una deformación permanente, producida por la aplicación y la el iminación de cargas diferenciales. Se usan varias combinaciones de penetrador y carga, para adaptar las distintas pruebas de Rockwell a materiales de diversa dureza y espesor. Entre los penetradores se incluyen diamantes de forma cónica, conocidos como Brale, y bolas de acero duro, cuyos diámetros varían 1/16 a 1/2 pulgada. El diamante cónico tiene un ángulo de abertura de 120° y un radio de 0.2 mm, en la punta

Las pruebas Rockwell estándar requieren que se emplee una carga l igera de 10 kg, para asentar f irmemente el penetrador en la superficie de la muestra; esto se conoce como carga menor. Después de la aplicación de la carga menor, se pone a cero el calibrador de profundidad y se aplica y se retira una carga mayor, l la mada carga principal . Mientras está; actuando todavía la carga menor, se mide la profundidad de penetración permanente. El indicador de profundidad, que sirve para medir la penetración, se calibra en forma tal que su lectura se haga directamente en índices de dureza, en vez de pulgadas. Las cargas más usuales para las pruebas Rockwell están dar son de 60, 100 y 150 Kg.

Las pruebas Rockwell superficiales se uti l izan para medir la dureza de muestras delgadas y de otras que sólo tienen una capa delgada de endurecimiento superficial ( que se conoce como cápsula)  sobre una base blanda (l lamada  núcleo).  Los penetradores existentes para las pruebas superficiales son los mismos que los que se emplean para las pruebas estándar. Las cargas para las pruebas superficiales son mucho más l igeras que para pruebas estándar; la carga menor es de 3 kg y la mayor de 15, 30 ó 45 kg.

La amplia gama de combinaciones de penetradores y cargas permite la adaptación de la prueba Rockwell a una variedad igualmente amplia de materiales de diversas durezas. El penetrador de diamante permite probar fácilmente los aceros más duros, y las bolas grandes permiten probar materiales blandos e, incluso, plás ticos. En general , se considera que las pruebas de Rockwell no son destructivas, ya que las cargas l igeras y los pequeños penetradores producen impresiones diminutas; sin embargo, a causa de la pequeñez de las impresiones, deben tomarse varias lecturas para obtener un resultado representativo. Además, cuanto menores sean las impresiones tanto mayor debe ser el cuidado que se tenga al preparar la superficie.

No obstante los esfuerzos especiales necesarios para preparar la superficie, la prueba Rockwell es más sencil la y se realiza con mayor rapidez que la de Brinell . Aunque la superficie de la muestra debe ser plana, si se quieren obtener los resultados óptimos, en las superficies no planas, la prueba de Rockwell da mejores re sultados que la de Brinell .

3.4     Pruebas con penetrador piramidal Vickers

Es dif íci l la medición del diámetro de la impresión hecha con la bola de Brinell . La ventaja de un penetrador piramidal sobre el de bola, reside en la faci l i dad relativa con que se mide la diagonal de la impresión. En la prueba de dureza de Vickers se uti l iza como penetrador un diamante tal lado en forma de pirámide de base cuadrada invertida.    Se aplican cargas l igeras por medio de un sistema de pesas y palancas. La impresión de la prueba de Vickers se mide uti l izando un microscopio y es tan pequeña que se la puede considerar

como una medición semimicroscópica de dureza. En la prueba de dureza de Tukon se uti l iza una pirámide que produce impresiones largas, estrechas y en forma de diamante. Este penetrador se l lama penetrador o indentador de Knoop. La impresión larga puede medirse con mayor precisión que las diagonales iguales y más cortas de las impresiones cuadradas de Vickers( Fig 3.36). El penetrador de Knoop (Fig 3.37) se emplea para pruebas reales de microdureza. Puede usarse para comparar la dureza de diferentes fases en aleaciones de fases múltiples, para medir la dureza de granos individuales y de varias porciones de un mismo grano. La dureza de Vickers se calcula dividiendo la carga por el área proyectada de la impresión. En la práctica, el índice de dureza se determina a partir de tablas de carga y mediciones diagonales.

 

 

 

 

 

 

 

 

3 .5   Precauciones que deben tomarse en las pruebas de dureza

3.5.1      Preparación de la superficie

La superficie de las muestras se debe preparar con cierto esmero. Esta preparación depende del tamaño de la impresión que se produzca, de modo que para la prueba de Brinell es apropiada una superficie desbastada o, incluso, con costras de óxido. Las pruebas de Rockwell requieren una superficie esmerilada o f inamente labrada a máquina y para las pruebas de Vickers y Tukon, es preferible que las muestras sean pulidas y atacadas químicamente. El ataque químico elimina las capas superficiales que sufrieron endurecimiento de trabajo durante el labrado a máquina, el esmerilado y el pulido. Debido a estas capas superficia les se obtienen índices de dureza erróneamente elevados, en las impresiones de tamaño microscópico.

3.5.2              Espesor de la muestra

La muestra debe tener tal espesor que la impresión no la atraviese. Si la impresión aparece por el otro lado, esto indica que el yunque del probador soportó la carga, en parte. En este caso, las lecturas serán erróneamente elevadas ( excepto en el caso raro de que la muestra de prueba sea más dura que el yunque que la soporta) . Es evidente que para la prueba de Brinell se necesitan las muestras más gruesas, mientras que las más delgadas son aceptables debido a sus cargas l igeras para las pruebas superficiales y de microdureza.3.5.3                Proximidad de impresiones entre sí y al borde de la muestraPuesto que el penetrador produce un en durecimiento de trabajo del metal en las cercanías de la impresión, las lecturas sucesivas que se tomen dema siado cerca unas de otras pueden ser elevadas (sin embargo, es concebible que una penetración que coincida casi o parcialmente con una penetración anterior, pueda ser baja, debido a la falta de soporte en la ori l la) . El área de endurecimiento de trabajo se extiende cerca de un diámetro y medio (una diagonal y media) del centro de la impresión. Por consiguiente, los centros de las impresiones sucesivas deben estar aproximadamente a 3 diámetros ( o diagonales) de distancia.Las impresiones demasiado próximas al borde, darán lecturas bajas, debido a la falta de soporte del borde. Los abombamientos en el borde de la muestra indican que la impresión se hizo demasiado cerca de dicho borde. En general , si la distancia entre el centro de la impresión y el borde de la muestra es, por lo menos, de tres diámetros ( o diagonales) , se evitan los errores de este t ipo.3.5.4                Lisura de las muestras Al medir superficies no planas se producen errores; pero se reducen al mínimo si se usan cargas l igeras y pequeñas indentaciones de poca profundidad. Las superficies cóncavas suelen producir errores en el lado de arriba y las convexas en el de abajo.Si la forma de la muestra ocasiona una acción de resorte, las lecturas tienden a ser bajas. Las láminas y los f lejes doblados deben colocarse en el yunque con el lado convexo hacia abajo, para eliminar la acción de resorte.Las superficies del fondo de las muestras deben ser planas, l isas y l ibres de rebabas o salientes que puedan romperse al aplicar la carga. El aplastamiento de los salientes locales bajo la carga, da como resultado lec turas bajas. Puesto que tienden a formarse salientes en torno a cada impresión, las lecturas deben tomarse s6lo en el costado de cada muestra.3.5.5.      Perpendicularidad de la dirección de aplicación de la carga a la superficie de la muestraEl movimiento del penetrador bajo la carga debe estar en ángulo recto con la superficie de la muestra. Cuando esta última no está en ángulo recto con la dirección de aplicación

de la carga, resultan lecturas bajas.

  

 

 

 

 

 

 

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