MÉTODOS CUANTITATIVOS DE LA

DUREZA

Qué es la dureza?

Existen varias definiciones sobre qué es la dureza, como las sgtes.:

1) Resistencia a la indentación permanente bajo cargas estáticas o (dureza por penetración).2) Absorción de energía bajo cargas de impacto o dinámicas (dureza por rebote).3) Resistencia a la abrasión (dureza por desgaste)4) Resistencia al rayado (dureza por rayado).

• 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.

• En el cual se puede deducir:

1. Que es una respuesta de los minerales o materiales a resistir la penetración de un indentador (ya sea objeto especial de rayadura u algún mineral u objeto de dureza conocida).

2. Relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del material.

3. La dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, no del material en sí.

• Los diferentes métodos desarrollados para medir la dureza en general consisten en producir una deformación local, en el material que se ensaya, a través de un indentador.

• Los valores obtenidos son siempre dependientes del método y las condiciones en las que se ensaya por lo que para que un valor de dureza sea útil y permita su comparación debe estar acompañado de la indicación del método utilizado y las condiciones del ensayo.

Existen dos grandes campos de ENSAYOS DE DUREZA, los cuales son:

1.ENSAYOS ESTÁTICOS

2.ENSAYOS DINÁMICOS

• BRINELL• VICKERS• KNOOP• ROCKWELL

• SHORE• LEEB • POLI• UCI

Ensayo Brinell

En el ensayo de dureza Brinell el penetrador es una bola de acero extraduro de diámetro D, que se apoya sobre la probeta a estudiar; ejerciendo sobre la misma una fuerza P durante un tiempo t dado, aparece una huella de diámetro d sobre el metal.

HB=P/S

Ensayo Brinell

Otra manera de determinar el número HB es partiendo del diámetro d de la impresión lo cual tiene la ventaja de que se pueden efectuar tantas mediciones como se estimen necesarias.

• HBS para los casos en que se utilice bola de acero

• HBW para cuando se utilice bola de carburo de tungsteno

Ensayo Brinell

El método estándar como tal se realiza bajo las siguientes condiciones:

• Diámetro de la bola (D) : 10 mm• Carga (F): 3000 kgf• Duración de la carga (t): 10 ... 15 s

En el caso de realizarse el ensayo bajo estas condiciones el número de dureza Brinell se denota:

220 HB

Esta notación indica una dureza Brinell de 220 bajo las condiciones estándar arriba nombradas. (10/3000/15).

Ensayo Brinell

Si por alguna razón no pueden aplicarse las condiciones estándar es posible aplicar cargas menores y utilizar indentadores esféricos de diámetros menores (estas mediciones no se consideran como estándar). En este caso la obtención de resultados comparables de los ensayos exige la observación del criterio de semejanza que para el caso dado corresponde a la constante de la relación de la carga respecto al cuadrado del diámetro de la bola.

Ensayo Brinell

En el caso de realizarse el ensayo bajo condiciones distintas a las estándar y atendiendo a la consideración anterior, la dureza Brinell se denota también como HB, pero con la adición de sufijos que indiquen el diámetro de la bola, la carga y el tiempo de aplicación de la misma.

63 HB 10/500/30

Esta notación indica una dureza Brinell de 63 medida con una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 500 kgf aplicada durante 30 s.

Procedimientos Para 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.

MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Máquina

Este aparato sirve para la medición tanto de dureza Brinell como Vickers. Aplica cargas hasta de 3000 kgf . Posee incorporado un microscopio de medición, el cual posee una resolución de 0,001mm.

MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Probetas.

Se ensayarán tres probetas cilíndricas: de acero, de latón y de aleación de aluminio.

Indentadores.

La bola estándar para el ensayo de dureza Brinell debe tener 10 mm de diámetro con una desviación no mayor de 0,005 en cualquiera de los diámetros. Las bolas más pequeñas tienen diámetros y tolerancias.

TABLA DE SELECCIÓN DE LOS GRADOS DE FUERZA

DUREZA VICKERS

La determinación de la dureza Vickers es similar a la Brinell ya que se obtiene del cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta. Sin embargo en este caso se utiliza una carga pequeña y el penetrador es un diamante en forma de pirámide.

La utilización de una pirámide de diamante tiene las siguientes ventajas:

• Las improntas resultan bien perfiladas, cómodas para la medición• la forma de las improntas es geométricamente semejante, por lo cual la dureza

para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la carga.

• este método es aplicable con igual éxito para los materiales blandos y duros, y sobre todo para los ensayos de probetas delgadas.

El sentido físico del número de dureza Vickers es análogo a HB. La magnitud de HV es también un esfuerzo convencional medio en la zona de contacto del indentador, muestra y suele caracterizar la resistencia del material a la deformación plástica considerable.

donde d es la media aritmética de las diagonales d1 y d2.

Debido a que el valor del ángulo a es constate e igual a 136°, en la práctica se usa la siguiente fórmula de trabajo:

El método estándar se realiza bajo las siguientes condiciones:

Indentador Pirámide de diamante = 136°

Carga (P): 1 a 120 kgf

Duración de la carga (t): 10 a 15 s

El número de dureza Vickers se denota como HV:

440 HV 30

Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por un tiempo de 10 a 15 s.

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL

• Determina en función del grado de penetración de la pieza a ensayar a causa de la acción del penetrador bajo una carga estática dada.

• Difiere del ensayo Brinell en que las cargas son menores y los penetradores más pequeños por lo que la impronta será menor y menos profunda.

• No requiere la utilización de fórmula alguna para la determinación de la dureza

• El estándar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador cónico esferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión bajo condiciones específicas de carga.

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ESQUEMA DE MEDICIÓN DE LA DUREZA ROCWELL

INDICADOR CÓNICO ESFEROIDAL

A: CÓNICO ESFEROIDAL (DIAMANTINO)B: ESFERA DE ACERO, O CARBONO DE TUNGTENO

NÚMERO DE ROCKWELL (HR):HR* = 100 – eHR**=130 - e

e= h

ESCALA:ROJA (TIPO B)NEGRO (TIPO A)

CARGA APLICABLE:

TABLA DE ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL

NOMENCLATURA:N HR LETRA “LETRA DEL MATERIAL”

Donde:N = Al número de carga aplicada en KgFHR = número de RockwellLetra = escalaLetra del material = W-tungsteno, D -diamantino

CONSIDERACIONES

• La cara a ensayar debe ser lisa y plana, la carga debe actuar en forma perpendicular a la probeta, la cual no debe moverse durante el ensayo.

• El ensayo debe ser descartado si la cara opuesta a la ensayada presenta una marca por pequeña que sea, ya que esto implica que el apoyo soportó parte de la carga.

• El valor de dureza debe resultar del promedio de por lo menos tres mediciones las que deberán efectuarse a una distancia de no menos de 3 mm.

TIPO ROCKWELL SUPERFICIAL

• En este caso se utiliza una carga inicial de 3 kg y cargas adicionales de12, 27 y 42 kg.• La dureza superficial con el cono de diamante puede emplearse en

piezas extremadamente delgadas tales como hojas de afeitar, o bien en aquellas que han sido endurecidas superficialmente en una capa de muy delgado espesor, como es el caso de los aceros nitrurados o cementados. Con los penetradores esféricos se pueden ensayar los aceros blandos, bronces, etc.

• La máquina de ensayo tiene una escala única dividida en 100 partes iguales, correspondiendo cada división a 0,001mm, lo que hace a un rango total de penetración de 0,1 mm.

• En este caso las combinaciones entre penetradores y cargas se distinguen con subíndices, constituidos por el valor de la carga total en kg y las letras N, T, W, X e Y.

HR30N significa dureza Rockwell superficial – carga: 30 kg – penetrador: cono de diamante

HR45T significa dureza Rockwell superficial – carga: 45 kg – penetrador: bolilla 1/16”.

TABLA DE ESCALAS DE ROCKWELL SUPERFICIAL

ENSAYO DE DUREZA MEYER

• Extensión? del ensayo de dureza Brinell.• Es más fácil de calcular y más precisa que Brinell.• Cálculos según el área proyectada de la huella.• A pesar de tener datos más fiables, no se ha extendido

mucho su uso.

= PmMHN : NÚMERO DE MEYERF : FUERZA APLICADA POR LA CARGAd : diámetro del casquete

𝑃=𝐾∗𝑑𝑛

LEY DE MEYERP : CARGA EN MEGAPASCALESK : RESISTENCIA A LA INCISIÓN INICIALd : diámetro del casqueten : índice de meyer

GRÁFICO: RELACIÓN HB Y HM

ENSAYOS DINÁMICOS DE DUREZA

En los ensayos dinámicos la carga se aplica en forma de impacto a diferencia de los métodos estáticos en los que se aplica en forma relativamente lenta y progresiva.

Método de Shore

El método Shore consiste en determinar el rebote que sufre un percutor al chocar contra la superficie que se ensaya, cuando se lo deja caer desde una altura determinada.

El percutor utilizado es de acero duro de forma cilíndrica y punta redondeada de muy buena terminación, la que también puede ser de diamante.El percutor cuyo peso es de 3 a 7 gr se deja caer desde una altura de 250 mm.

Método ultrasónico de medición de dureza (UCI).

En el método UCI “Ultra Sonic Contac Impedance” la huella no es evaluada ópticamente sino a través de la medición electrónica del corrimiento de la frecuencia ultrasónica con la que se excita el identador.

El método UCI utiliza un identador Vickers sujeto a una varilla que es excitada armónicamente, a una frecuencia aproximada de 70 kH, por un sistema de transductores piezoeléctricos.

Esquema del sistema de medición de dureza UCI

De esta manera la varilla que soporta al identador oscilará a la frecuencia de resonancia correspondiente como si fuera un sistema masa resorte.

Modelo de masa-resorte de la varilla oscilante

Espesores de 2mm hasta 20mm.

ENSAYO DE DUREZA KNOOP

• Sirve para hallar la microdureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos (como compuestos de cianuro y potasio de plata, de color blanco con una escala de <100 en HK).

• Consiste en la penetración de un indentador de forma piramidal de base romboidal.

• Aplicando cargas que van desde los 10gF hasta los 1000gF.• El indentador produce una huella en el material de forma piramidal

inversa, en el cual se le toman sus medidas (a través de un microscopio potente) para la aplicación de la fórmula de KNOOP.

RELACIÓN DE LAS DIAGONALES DE LA BASE ROMBOIDAL:L/W = 7/1

ÁREA DE LA SUERFICIE DE LA HUELLA

S = W*L/2DONDE:W: DIAGONAL PEQUEÑAL: DIAGONAL GRANDE

INDENTADOR DE FORMA PIRAMIDAL CON BASE ROMBOIDAL

𝐻𝐾=14229∗𝑃𝐿2∗𝑔𝑟𝐹𝑢

NÚMERO DE KNOOP (HK)

P= carga aplicada en gramos fuerzaL=diagonal mayor de la huella

TABLA COMPARATIVA DE LA ESCALA DE KNOOP Y LA DE MOHS

MINERAL MOHS KNOOP

TALCO 1 1

YESO 2 32

ORO ~2.5 69

CALCITA 3 135

FLUORITA 4 163

APATITO 5 430

ORTOSA 6 560

CUARZO 7 800-900

TOPACIO 8 1300-1400

CORINDON 9 2000

CARBURO DE SILICIO ~9 2480

DIAMANTE 10 8000-8500

Probetas montadas y pulidas en el laboratorio de metalografía para comprobación de la dureza Knoop.

ENSAYO DE DUREZA DOLPI

• Método de impacto que consiste en lanzar una bola de acero de 5mm de diámetro sobre una probeta del material objeto de medida, de manera que el impulso produzca una huella permanente.

H = dureza del material.

Sp= superficie de la huella patrón.

S= superficie de la huella en el material.

Hp= dureza de la probeta patrón.

pp HS

SH