FUNDAMENTO TEORICO

DEFINICIONES DE DUREZA

La dureza es una condicin de la superficie del material, no representa ninguna propiedad de la materia y est relacionada con las propiedades elsticas y plsticas del material. Si bien, es un trmino que nos da idea de solidez o firmeza, no existe una definicin nica acerca la dureza. Pero algunas de estas definiciones son: 1) Resistencia a la identacin permanente bajo cargas estticas o dinmicas (dureza por penetracin).2) Absorcin de energa bajo cargas de impacto o dinmicas (dureza por rebote)3) Resistencia a la abrasin (dureza por desgaste).4) Resistencia al rayado (dureza por rayado).En general; se entiende por dureza entonces, resistencia de un material a la deformacin plstica.Los mtodos desarrollados para medir la dureza consisten en producir una deformacin local, en el material que se ensaya, a travs de un identador. Para que un valor de dureza sea til y permita su comparacin debe estar acompaada de la indicacin del mtodo utilizado y las condiciones del ensayo.Los diferentes mtodos utilizados ms comunes para medir la dureza se pueden clasificar en dos grandes grupos segn la forma de aplicacin de la carga:

Ensayos estticos en lo que la carga se aplica en forma esttica o cuasi-esttica. En este caso un identador se presiona contra la superficie de ensayo con una carga que se aplica en forma relativamente lenta. En general la medida de dureza en este tipo de ensayo resulta del cociente de la carga aplicada y el rea de la huella que deja el identador en la superficie, como es el caso de los mtodos Brinell, Vickers y Knoop, o bien es una medida de la profundidad de la identacin como en el ensayo Rockwell.

Ensayos dinmicos en los que la carga se aplica en forma de impacto. En este caso el identador es lanzado sobre la superficie a ensayar con energa conocida y el valor de dureza se obtiene a partir de la energa de rebote del penetrador luego de impactar en la muestra, como sucede en el mtodo de Shore y en el de Leeb.

MTODO BRINELL.- Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el mtodo o ensayo ms antiguo para medir la dureza. Esteensayose utiliza enmaterialesblandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El ensayo de dureza Brinell consiste en presionar la superficie del material a ensayar con una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, producindose la impresin de un casquete esfrico correspondiente a la porcin de la esfera que penetra Fig. 1. El valor de dureza, nmero de Brinell HB, resulta de dividir la carga aplicada P por la superficie del casquete, por lo que:

La profundidad h del casquete impreso se mide directamente en la mquina, mientras la carga se mantiene aplicada de modo de asegurar un buen contacto entre la bolilla y el material. Otra manera de determinar el nmero HB es partiendo del dimetro d de la impresin lo cual tiene la ventaja de que se pueden efectuar tantas mediciones como se estimen necesarias y en microscopios o aparatos especialmente diseados para tal fin. Para aquello la frmula queda definida as:

En algunos materiales la penetracin de la bolilla origina una craterizacin Fig. 2.a y en otros una depresin Fig. 2.b. En estos casos los valores obtenidos a partir de la medicin de h no coinciden con los obtenidos en funcin de d, ya que la profundidad h medida no corresponde al casquete cuyo dimetro es d, sino al de dimetro d1, cuya determinacin exacta en forma prctica es dificultosa.

La carga a aplicar depende del material a probar y del cuadrado del dimetro de la bola del penetrador, es decir: P=K.D2, donde K es el coeficiente empleado para cada clase de material, siendo estos mayor para los materiales duros y menor para los materiales blandos. Para esto los coeficientes elegidos son:MATERIALESK(coeficiente)

Hierro y aceros30

Cobre, bronce y latones10

Aleaciones ligeras5

Estao y plomo2.5

Con respecto al espesor de la probeta y a la carga aplicada al material se tiene la siguiente tabla:Espesor de la probeta (pulgadas)Dureza Brinell mnima para la cual un ensayo Brinell puede ofrecer seguridad

CARGA DE 500kgCARGA DE 1500kgCARGA DE 3000kg

1/16100301602

1/850150301

3/1633100201

1/42575150

5/162060120

3/81750100

La siguiente tabla muestra una relacin entre el espesor de la probeta, el dimetro del penetrador y las presiones empleadas:ESPESOR DE LA PROBETAe (mm)Dimetro del penetrador (mm)CONSTANTES DE ENSAYO K

301052.51.25

CARGAS EN kg

30 D210 D25 D22.5 D21.25 D2

e > 61030001000500250125

3 < e < 6575025012562.531.2

e < 32.5187.562.531.215.67.8

1.2546.915.67.813.911.95

0.62511.73.911.9530.9770.488

Tambin para este mtodo se debe tener en cuenta el tiempo de aplicacin, resumido en el siguiente cuadro:MATERIALESTIEMPO (s)

Hierro y aceros10 < t < 30

Cobre, bronce y latones30

Aleaciones ligeras60 < t < 120

Estao y plomo120

Finalmente para aclarar todos los puntos del ensayo Brinell, debe darse la denominacin, que se efecta mediante el siguiente smbolo:HB (D/P/T)Donde D es el dimetro del penetrador, P la carga aplicada y T el tiempo de duracin del ensayo. MTODO ROCKWELL.-Se define la dureza Rockwell como un mtodo de ensayo por identacin por el cual, con el uso de una mquina calibrada, se fuerza un identador cnico esferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones especficas contra la superficie del material a ser ensayado, y se mide la profundidad permanente de la impresin bajo condiciones especficas de carga.

a) PENETRADOR DE DIAMANTE.- Este tipo de penetrador debe emplearse en pruebas de dureza para las escalas A, C y D. Consiste en un cono de diamante cuyo ngulo es de 120 0.5. La punta es un casquete esfrico con un radio de 0.2 mm. La forma del casquete y el valor del radio del penetrador tienen influencia importante en el valor de la dureza. Por lo cual es necesario comparar los resultados obtenidos con un penetrador patrn sobre piezas patrn de diferentes durezas.

b) PENETRADOR ESFRICO DE ACERO.- Este tipo de penetrador debe emplearse en los ensayos de dureza para las escalas B, E y F. Consiste en un baln de acero templado y pulido, con un dimetro de 1.588 mm 0.003 mm; Excepto para la escala E, que tiene un dimetro de 3.175 mm 0.004 mm. Dicho baln debe estar pulido y no debe presentar defectos superficiales.

En los dos tipos de penetrador debe evitarse la acumulacin en el penetrador de: polvo, tierra, grasa o capas de xidos, dado que esto afecta los resultados de la prueba.

En el siguiente cuadro se vern las escalas de dureza Rockwell.Smbolo de la escalaPenetrador (pulgadas)Carga mayor (kg)Aplicaciones

ADiamante60Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

BEsfera de 1/16 100Aceros recocidos y normalizados.

CDiamante150Aceros tratados trmicamente.

DDiamante100Aceros cementados.

EEsfera de 1/8 101Metales blandos y antifriccin.

FEsfera de 1/16 60Bronce recocido.

GEsfera de 1/16 150Bronce fosforoso y otros materiales.

HEsfera de 1/8 60Metales blandos con poca homogeneidad, fundiciones con base hierro.

KEsfera de 1/8 150Aplicaciones anlogas al tipo anterior.

LEsfera de 60Metales duros con poca homogeneidad, fundicin de fierro

MEsfera de 100Metales duros con poca homogeneidad, fundicin de fierro

PEsfera de 150Metales duros con poca homogeneidad, fundicin de fierro

REsfera de 60Metales muy blandos

SEsfera de 100Metales muy blandos

VEsfera de 150Metales muy blandos

En el siguiente cuadro se vern las escalas de dureza Rockwell superficial. Smbolo de la escalaPenetrador (pulgadas)Carga mayor (kg)Aplicaciones

15NDiamante15Aceros nitrurados, cementados y herramientas de gran dureza.

30NDiamante30Aplicaciones anlogas al tipo anterior.

45NDiamante45Aplicaciones anlogas al tipo anterior.

15TBola de 1/16 15Bronce, latn y aceros blandos

30TBola de 1/16 30Bronce, latn y aceros blandos

45TBola de 1/16 45Bronce, latn y aceros blandos

15WBola de 1/8 15Bronce, latn y aceros blandos

30WBola de 1/830Bronce, latn y aceros blandos

45WBola de 1/8 45Bronce, latn y aceros blandos

Entre el nmero de Rockwell y la profundidad de la impronta h existe la siguiente dependencia: Finalmente para dar el nmero de dureza en este tipo de ensayo se utiliza: PHRE; donde P es la carga utilizada y E es la escala con que se midi.MTODO VICKERS.- La determinacin 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 pequea y el penetrador es un diamante en forma de pirmide, como se muestra en las figuras.

De esta manera el valor de dureza Vickers resulta:

Dado que se puede obtener una expresin en funcin de la diagonal d, la cual resulta:

Donde P: carga aplicada en N, d: diagonal media de la huella en mm

Tambin es posible expresar el nmero Vickers en funcin de la profundidad de penetracin h de la siguiente manera:

Ya sea en la determinacin de d o h se requiere una exactitud de 0,001 mm y el valor de d resultar del promedio de ambas diagonales.Las cargas pueden variar de 1 a 100 kg segn el espesor y tipo de material. En general las mquinas estndar 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 ms usadas.De esta manera para indicar las condiciones de ensayo solo es necesario indicar la carga, as HV30 significa dureza Vickers con una carga de 30 kg.

MTODO SHORE.- Mediante este mtodo la dureza se mide por la altura que alcanza el rebote de un cuerpo al caer de una altura fija sobre la superficie del material que se ensaya. La mquina o equipo usado para medir esta dureza es el esclermetro o Escleroscopio Shore; que consta de un martillo que pesa1/22 onza, el cual tiene forma cilndrica con punta de diamante redondeado. La altura de cada es de 10 pulgadas dividida en 140 partes, este durmetro no produce huella en el material ensayado.

Tabla e dureza Shore para materiales comunes:MaterialDurmetroEscala

Casco duro75D

Goma ebonita100A

Rueda dura de skateboard98A

Ruedas slidas de tractor50D

Rueda blanda de skateboard75A

Parche de rueda de vehculo70A

Sellador de puertas55A

Banda de goma25A

Sorbothane40OO

Sorbothane0A

Pegamento de bicicleta15-30OO

Goma de mascar20OO

MTODO LEEB.- El mtodo de medicin LEEB se utiliz por primera vez en 1978. Se define por la relacin entre la velocidad de rebote de un cuerpo percutor con respecto a su velocidad de percusin multiplicada por 1000. Para un grupo de materiales especfico (acero, aluminio) la dureza Leeb establece una relacin directa con sus condiciones de dureza. (HB, HV, HRC). Por tanto los valores de dureza de Leeb se calculan siguiendo la frmula:

Donde: HL: valores de dureza Leeb, Vb: Tensin producida durante el rebote del cuerpo percutor, Va: Tensin producida durante el impacto del cuerpo percutor. Los valores de dureza de Leeb se pueden convertir en otras escalas de dureza directamente como HV, HRC, HRB, HB y HS. Debido a que los valores de dureza de Leeb se producen de la respuesta de los elementos deberan ser expresados segn su elemento de impacto cuando se convierte en otras escalas de dureza, por ejemplo: El valor de dureza de Leeb 510HLD debera ser expresado como se indica abajo cuando se convierte en la escala de dureza de Rockwell HRC 510, 20 HRCLDEn la que: 510 Valores de dureza de Leeb, 20 valores de dureza convertidos, HRC objeto convertido, L mtodo de medicin, D elemento de impacto D.

MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOSEQUIPO BRINELL: Durmetro Brinell Avery Denison Limited Leeds LS102DE de funcionamiento hidrulico.

Figura 1. Durmetro brinell y placa del laboratorio 4 de la FIM-UNI Una barra de aluminio.

Figura 2. Barra de aluminio de 137.1x102.3x11.1 mm

Una carga de 500kg.

EQUIPO ROCKWELL:

Un durmetro analgico Rockwell marca Wilson y un durmetro digital.

Figura 3. Durmetro Rockwell analgico (izquierda) y digital (derecha) del laboratorio 4 de la FIM-UNI

Probetas lisas de 1/2 pulgada.Figura 4. Probeta de aluminio

EQUIPO VICKERS: Durmetro Vickers marca Leitz de fabricacin alemana.

Figura 5. Durmetro Vickers del Instituto de Motores de la FIM-UNI Una prensa para poner en paralelo la mesa de apoyo y la probeta.

Figura 6. Prensa de Instituto de Motores de la FIM-UNI Probetas y un plastilinaEQUIPO SHORE: Durmetro Shore

Figura 7. Durmetro Shore

DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTOS DE LOS ENSAYOSMTODO BRINELL (HB):1. Para medir la dureza de la barra de aluminio se debe verificar primero que el equipo se encuentre en condiciones aceptables para realizar la medicin luego se coloc la carga en el durmetro que para este caso fue de 500 kg.2. Una vez puesta la carga, se verifica que la bola del penetrador de 10 mm de dimetro este puesta fijamente en el durmetro.3. Se coloca la barra de aluminio, que previamente ha sido pulida y limpiada, sobre la mesa de medicin del durmetro verificando que esta se paralela a la superficie de la barra de aluminio a medir.4. Una vez colocada la barra de aluminio se enciende la bomba hidrulica y por medio de la volante acercamos el material puesto en la mesa de medicin hacia el penetrador.5. Se verifica la posicin en cero de la caratula indicadora y luego se acciona la carga a travs de la palanca.6. Tomamos el tiempo que demora en estabilizarse la caratula indicadora para luego levantar la palanca y apagar el equipo.7. Por ultimo alejamos el material del penetrador a travs de la volante y observamos la huella que dejo la billa al penetrar el material de aluminio.METODO ROCKWELL (HRB/HRC):ANALGICO:1. Para proceder a realizar el ensayo primero se debe verificar que el equipo a utilizar se encuentre en las condiciones apropiadas. Es decir, que el equipo permita la aplicacin de la carga inicial, de la sobrecarga y a la ves garantice el retiro de esta de forme lenta y uniforme evitando vibraciones y choques.2. Una vez verificada la condiciones favorables del equipo y de haber colocado el penetrador en el durmetro procedemos a colocar la probeta en la mesa de apoyo de forma plana y rgida de manera que se apoye perfectamente y no sufra desplazamiento durante el ensayo. Previamente la superficie en contacto debe estar limpia y libre de materias extraas.3. El penetrador debe ponerse en contacto perpendicularmente a la superficie de la probeta. Luego de ello se aplica la carga inicial de P0 = 10 Kg que produce una penetracin inicial h0.Una vez alcanzada esta carga se ajusta la caratula indicadora haciendo que la aguja coincida con el de lectura.4. Por ultimo aplicamos la sobrecarga de P1 = 90 Kg y luego de unos segundos que toma en estabilizarse la aguja indicadora se ha logrado la penetracin mxima. Retiramos la sobrecarga y realizamos la lectura en el equipo.

Figura 8. Proceso de penetracin en tres fases

DIGITAL:1. Para realizar la medicin respectiva, primero verificamos que el equipo mida los valores correctos de dureza. Para lo cual se usa un patrn de dureza. Y luego se comprueba que la dureza medida del patrn coincida con la dureza especificada en ella.2. Luego de comprobar el correcto funcionamiento se procede a medir la dureza de la probeta que previamente ha sido pulida y limpiada de impurezas.

Figura 9.Vista del penetrador y medicin digital.

METODO VICKERS (HV):1. Para realizar el ensayo de dureza Vickers se verifica que el equipo est en condiciones que favorezcan obtener resultados no errneos. Esencialmente el penetrador de diamante, el cual tiene un ngulo en el vrtice entre caras de 136.2. Luego se revisa que la superficie de la probeta este completamente limpia y libre de impurezas. Seguidamente utilizamos la plastilina y la prensa para poner a la probeta perpendicular al penetrador.3. Colocamos la carga correspondiente al equipo, y por ltimo luego de retirar la carga procedemos a la medicin de las diagonales con la ayuda del microscopio.

Figura 10. Vista de las diagonales producidas por la punta piramidalMTODO SHORE (HS):1. Para realizar el ensayo Shore se verifica que el durmetro se encuentre en buenas condiciones mediante un patrn.2. El material a realizar para el ensayo no debe presentar imperfecciones y de preferencia que sea plano, para que de ese modo se facilite la experiencia.3. Apoyar el durmetro con el material y mantenerlo firme hasta que aparezca el nmero de durezaMTODO LEEB (HS):1. Definir primero la escala y el durmetro a utilizar en el equipo, luego de aquello poner un patrn para probar que el equipo est en aptas condiciones.2. Coger el instrumento martillo y colocarlo sobre el material, luego ejercer una pequea presin, presionarlo hasta que suene un click, finalmente retirar y observar los resultados en la pantalla conectada al instrumento.