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Informe de Laboratorio
Dureza Brinell, Vickers y Rockwell
Resumen
Se cuantific la dureza del aluminio, bronce, acero 1020 y acero
1045 mediante tres tipos
de ensayos por indentacin en los cuales se mide la dureza con la
penetracin de un objeto
en el material a estudiar:
Brinell
Rockwell
Vickers
Cada uno con el mismo principio, pero con diferentes
indentadores y clculos para la
medicin de la dureza.
En la preparacin de las probetas se prepara un extremo con lijar
al agua hasta que quede
una superficie muy lisa. Para luego realizar el ensayo en los
durmetros correspondientes a
cada mtodo.
Introduccin
Estos ensayos sirven para cuantificar la dureza, por lo tanto
es
importante definirla en primer lugar: 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
y se la suele definir arbitrariamente en relacin al mtodo
particular que se utiliza para la determinacin de su valor.
De
esta manera algunas definiciones son:
Resistencia a la indentacin permanente bajo cargas
estticas o dinmicas (dureza por penetracin)
Absorcin de energa bajo cargas de impacto o
dinmicas (dureza por rebote)
Resistencia a la abrasin (dureza por desgaste)
Resistencia al rayado (dureza por rayado).
En general, se entiende por dureza la propiedad que tienen los
materiales de resistir la
penetracin de un identador bajo carga. En los ensayos de
Brinell, Rockwell y Vickers se
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penetra la probeta con un identador de diferentes formas para
luego cuantificar la dureza
segn los datos que se aplican y arroja la mquina.
En todos los diferentes tipos de ensayo de dureza, los valores
obtenidos son siempre
dependientes del mtodo y las condiciones en las que se ensaya
por lo que para que un
valor de dureza sea til y permita su comparacin debe estar
acompaado de la indicacin
del mtodo utilizado y las condiciones del ensayo.
Objetivos
Generales
interpretar la dureza como una propiedad mecnica que mide la
resistencia de un
material al ser penetrado
Conocer los diferentes mtodos y ensayos para medir la dureza con
sus respectivas
escalas de dureza
Interpretar los datos como un mtodo de cuantificar la dureza
Especficos
Medir adecuadamente la dureza de materiales por el sistema
Vickers, Brinell y
Rockwell
Reafirme los conocimientos adquiridos del manejo de la maquina
universal
Marco terico
Dureza: La dureza es la oposicin que ofrecen los materiales a
alteraciones como la penetracin, la abrasin, el rayado, la
cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por ejemplo:
la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene
mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho ms difcil de rayar.
En la actualidad la definicin ms extendida -aparte de los minerales
y cermicas- sera la resistencia a la deformacin plstica
localizada.
Brinell
El estndar ASTM E 10-78 define la dureza Brinell como un mtodo
de ensayo por
indentacin por el cual, con el uso de una mquina calibrada, se
fuerza una bola endurecida,
bajo condiciones especficas, contra la superficie del material a
ensayar y se mide el
dimetro de la impresin resultante luego de remover la carga,
pudiendo cuantificar la
dureza.
Mtodo
En el ensayo de dureza Brinell el durmetro ejerce una fuerza
sobre la probeta con un
identador en el cual es una bola de acero extra duro de dimetro
D, que se apoya sobre la
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probeta a estudiar; ejerciendo sobre la misma una fuerza P en
Kg-f durante un tiempo t
dado, aparece una huella de dimetro d sobre el metal
Se calcula de la siguiente manera:
Se denomina:
HBS para los casos en que se utilice bola de acero
HBW para cuando se utilice bola de carburo de tungsteno
El mtodo estndar como tal se realiza bajo las siguientes
condiciones:
Dimetro de la bola (D) : 10 mm
Carga (F): 3000 kgf
Duracin de la carga (t): 10 ... 15
Ensayos comparables
Si por alguna razn no pueden aplicarse las condiciones estndar
es posible aplicar cargas
menores y utilizar indentadores esfricos de dimetros menores
(estas mediciones no se
consideran como estndar). En este caso la obtencin de resultados
comparables de los
ensayos exige la observacin del criterio de semejanza que para
el caso dado corresponde
a la constante de la relacin de la carga respecto al cuadrado
del dimetro de la bola.
Por lo tanto para encontrar la carga p q se debe aplicar se debe
multiplicar la constante y el
dimetro al cuadrado de la bola del identador.
Indicacin del valor de dureza
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La indicacin del valor de dureza Brinell debe ir acompaado de la
indicacin de las
condiciones de ensayo tales como dimetro del penetrador, carga
aplicada y tiempo de
aplicacin, de la siguiente manera
Alcance y aplicabilidad del mtodo Brinell
Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se
recomienda utilizar
penetradores duros (de carburos metlicos). A partir de estos
valores de dureza la
deformacin en el penetrador comienza a ser importante, y esta
debe ser menor de
0,005D. Por esta razn el empleo de este mtodo est limitado a una
dureza mxima de
HB = 600.
De esta manera se puede decir que a partir de los 400 Brinell es
recomendable determinar
la dureza a travs de mtodos como el Rockwell o Vickers.
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Por ltimo es claro que el mtodo no es aplicable a piezas de
espesor delgado ya que la
penetracin usual puede ser mayor que dicho espesor. Tampoco es
aplicable a superficies
cementadas, nitruradas, o recubiertas ya que la profundidad de
penetracin puede ser
mayor al espesor que alcanza el tratamiento en la
superficie.
Es un mtodo conveniente en materiales poco homogneos tales como
las fundiciones
materiales de grano grueso y piezas forjadas, debido a que el
tamao de la impronta
permite obtener un mejor promedio de la dureza en la zona. Adems
si se utiliza la
profundidad h de la impronta para la determinacin de la dureza,
la superficie a ensayar no
requiere demasiada preparacin. Como regla general: cuanto mayor
es la huella menor es
el requerimiento de preparacin superficial.
Vickers
El estndar ASTM E 92-82 define la dureza Vickers como un mtodo
de ensayo por
indentacin por el cual, con el uso de una mquina calibrada, se
fuerza un indentador
piramidal de base cuadrada que tiene un ngulo entre caras
especfico, bajo una carga
predeterminada, contra la superficie del material a ser ensayado
y se mide la diagonal
resultante de la impresin luego de remover la carga.
La utilizacin de una pirmide de diamante tiene las siguientes
ventajas:
las improntas resultan bien perfiladas, cmodas para la
medicin;
la forma de las improntas es geomtricamente semejante ,por lo
cual la dureza para
un mismo material es constante, independientemente de la
magnitud de la carga;
la dureza con la pirmide coincide con la dureza Brinell para los
materiales de dureza
media;
este mtodo es aplicable con igual xito para los materiales
blandos y duros, y sobre
todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas
superficiales.
Mtodo
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La determinacin de la dureza Vickers es similar a la Brinell ya
que se obtiene del cocientede
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.
Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace
penetrar un indentadorde
diamante en forma de pirmide de cuatro caras con una ngulo
determinado en el vrtice.
El sentido fsico del nmero de dureza Vickers es anlogo a HB. La
magnitud de HV es
tambin un esfuerzo convencional medio en la zona de contacto del
indentador, muestra y
suele caracterizar la resistencia del material a la deformacin
plstica considerable.
Debido a que el valor del ngulo es constate e igual a 136, en la
prctica se usa la siguiente
frmula de trabajo:
Dureza Rockwell
El estndar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un mtodo
de ensayo por
indentacin por el cual, con el uso de una mquina calibrada, se
fuerza un indentador
cnicoesferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola
de acero endurecido
(acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones especficas
contra la superficie del
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material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la
profundidad permanente de la
impresin bajo condiciones especficas de carga.
El nmero de dureza Rockwell como un nmero derivado del
incremento neto en la
profundidad del indentador cuando la fuerza en el indentador es
incrementada desde una
fuerza previa (preliminar especfica) hasta una fuerza total
(especfica) y luego retornada al
valor de fuerza previa.
Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la
muestra bajo la accin de
lacarga previa Po, la cual se mantiene hasta el final del
ensayo. Esto garantiza una mayor
exactitud del ensayo ya que excluye la influencia de las
vibraciones y de las irregularidades
de la delgada capa superficial. Despus se expone la probeta a la
accin de la carga total
Pf = Po + P1
y la profundidad de penetracin aumenta. Luego de retirada la
carga principal P1, en el
sistema probeta-indentador ocurre una recuperacin elstica, ya
que sobre el acta slo la
carga previa Po, siendo posible la medicin de la profundidad de
penetracin h, la cual
determina el nmero de dureza Rockwell (HR).
Para determinar la dureza Rockwell se utilizan dos tipos de
indentadores: el cnico-
esferoidal de diamante y el de bola (acero o carbono de
tungsteno) de varios dimetros
Entre el nmero de Rockwell y la profundidad de la impronta h
existe la siguiente
dependencia
En la prctica no hay necesidad de usar estas frmulas, ya que los
indicadores de las
mquinas de Rockwell de manera automtica realizan estas
operaciones mostrando
directamente el nmero de dureza en sus diales. Esta
caracterstica granje para este
mtodo una gran popularidad.
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El estndar define las caractersticas geomtricas de los
indentadores. Para el penetrador
cnico esferoidal se muestran en la figura:
Escalas de Dureza Rockwell
Tiempo de aplicacin de la carga.
El estndar ASTM E 18-79 especifica un tiempo de aplicacin de la
carga principal de no ms
de 2 s, luego del detenimiento de la palanca de aplicacin, adems
advierte lo siguiente: en
el caso de ensayarse materiales que presenten pequeo flujo
plstico o no lo presenten
luego de la aplicacin total de la carga, la palanca debe ser
retornada inmediatamente para
retirar la carga principal; en el caso de flujo plstico
considerable, lo que se manifiesta en el
movimiento del puntero del indicador luego del detenimiento de
la palanca de aplicacin
de la carga, sta debe ser retornada luego de 2 s de aplicada la
fuerza (detenimiento de la
palanca).
Procedimiento experimental
Brinell
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La probeta se encuentra lijada correctamente para su correcta
medicin
De acuerdo a la dureza aproximada del material a esnayar o patrn
de prubea,
seleccione el dimetro de la bola de acero conveniente y el peso
de carga de prueba
Coloque el patrn de prueba sobre el soporte el cual es elevado
girando la manivela
de regulacin hasta que la muestra toque el penetrador de bola
ligeramente y siga
girando la manivela hasta la posicin estndar prefijada por el
durmetro
Accione la carga usando la palanca de carga del durmetro. La
bola se mantiene
algn tiempo aprox 15s sobre la probeta con la carga
accionada
Levante lapalanca de carga y retire la bola de la probeta
bajando la plataforma con
la manivela. La identacion esta hecha sobre la superficie de la
pieza de prueba
El valor medio de los dimetros (d) y los otros valores se
sustituyen en la formula de
trabajo para obtener el valor de la dureza Brinell
Finalmente tomar apuntes de las lecturas y realizar las formulas
correspondientes
Vickers
La probeta encontrarse correctamente lijada
Seleccionar el cono de diamante conveniente y el peso de carga
de prueba
Coloque el indentador de diamante y seleccinela carga en el
durmetro
Coloque el patrn de prueba sobre el soporte el cual es elevado
girando la manivela
de regulacin hasta que la muestra toque el penetrador de
diamante ligeramente y
siga girando la manivela hasta la posicin estndar
prefijada por el durmetro
Accione la carga usando la palanca de carga del
durmetro. El cono de diamante se mantiene algn
tiempo, aprox 15s, sobre la probeta con la carga
accionada
Levante la palanca de carga y retire el diamante de la
probeta bajando la plataforma con la manivela. La
indentacion esta hecha sobre la superficie de la pieza de
prueba
Luego de retirada la carga se miden las diagonales, en
direcciones mutuamente perpendiculares, de la
impronta dejada, con ayuda del microscopio
El valor medio de las diagonales y los otros valores se
sustituyen en la formula de trabajo para obtener el valor
de la dureza Vickers
En las misma condiciones se realizan varias indentaciones
mas
Rockwell
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De acuerdo a la dureza aproximada del material a ensayar o patrn
de prueba, seleccione
el diamtro de la bola de acero y/o cono de diamante conveniente
y el pseo de carga de
prueba
Coloque el indentador segn sea el caso y seleccione la carga en
el durmetro
Coloque el indentador segn sea el caso y seleccione la carga en
el durmetro
Coloque el patrn de prueba sobre el soporte el cual es elevado
girando la manivela
de regulacin hasta que la muestra toque el penetrador
ligeramente y siga girando
la manivela hasta la posicin estndar prefijada por el
durmetro
Accione la carga usndola palanca de carga del durmetro. El
indentador se
mantiene algn tiempo, aprox 5segundos, sobre la probeta con la
carga accionada
Una vez que emita la seal el durmetro bajar la plataforma con la
manivela. La
indentacion esta hecha sobre la superficie de la pieza de
prueba
Luego de retirarla la carga se toma la lectura de la
pantalla
Realizar las mismas lecturas y se coloca sin formula alguna
Resultados y anlisis
Rockwell
Dureza Rockwell
identador Material Carga (Kg) Escala Promedio HR
Bola de Acero de 1/16 Aluminio 60 f 82
bronce 100 b 95
Cono de diamante Acero liso 150 c 50
Acero Corrugado 160 c 64
El aluminio y bronve son materiales menos duros, al haberese
medido con las
escalas F y B respectivamente no se pueden comparar totalmente,
porque se usa un
mismo identador pero a cargas diferrntes
El Acero Liso y corrugado son claramente mas duros que el
alumino y bronce , pese
a tener un valor menor, tienen otra escala con difernte carga e
identador, por lo
tanto sus valores de dureza no son comparables directamente al
aluminio y bronce,
pero por conceptos basicos , se sabe que el acero es mas duro
que estos dos metalas
Mientras mas carbono tenga el acero, es mas duro
considerablemente, por lo tanto
el acero corrugadro es mas duro que el liso, y como el esnsayo
fue realizado con las
misma escala , se pueden comparar.
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Brinell
Dureza Brinell
identador Material Carga (N) Promedio HB
Bola de Acero de 2.5 mm
Aluminio 306 34.78
bronce 613 89.41
Acero liso 1839 144.9
Las cargas aumentan dependiendo de la dureza del material, para
un metal no muy
duro, no se utiliza una carga muy alta para crear la
indentacin.
El acero 1020 es el ms duro de todos (ya que el acero 1045 por
su alta dureza, no
se le pudo realizar el ensayo) con una dureza de 144,9 y una
gran carga aplicada, el
segundo ms duro fue el bronce con una dureza Hb de 89,41 y un
tercio de la carga
aplicada al acero liso. El aluminio, siendo el menos duro con la
mitad de carga
aplicada que el Bronce y con una dureza de 34,78 hb.
Vickers
Dureza Vickers
identador Material Carga (N) Promedio HV
Pirmide de Diamante
Aluminio 306 44.8
bronce 980 116.6
Acero liso 980 129.65
Acero Corrugado 980 227.972
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Aluminio bronce Acero liso
Promedio HB
Promedio HB
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Aluminio bronce Acero liso
Carga (N)
Carga (N)
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Muestra resultados muy similares a los otros ensayos, siendo el
aluminio el menos
duro seguido por el bronce, y el acero 1020 y 1045 como los ms
duros por su
contenido de carbono
Lo que cabe destacar, que en este ensayo se muestra una pequea
diferencia de
dureza entre el acero liso y bronce, no como en el ensayo
Brinell donde se da una
gran diferencia entre sus durezas, lo que afirma que los ensayos
no muestran datos
consistentes de relacin entre s.
En los dems casos, las durezas de aluminio y bronce en
comparacin por el ensayo
de Vickers es muy similar a las del ensayo de Brinell e
igualmente en la relacin del
acero liso y corrugado
Conclusiones
Los tres ensayos no muestran una relacin directa, y no se pueden
intercambiar sus
datos. Sin embargo todos coinciden en el orden por dureza de los
4 metales
ensayados
Cada ensayo tiene su aplicacin en la ciencia e industria.
Responde a ciertas
exigencias, tienen sus limitaciones, y ventajas.
En todos los diferentes tipos de ensayo de dureza, los valores
obtenidos son siempre
dependientes del mtodo y las condiciones en las que se ensaya
por lo que para que
un valor de dureza sea til y permita su comparacin debe estar
acompaado de la
indicacin del mtodo utilizado y las condiciones del ensayo.
Brinell
En esta prctica se concluye que el dimetro de la huella hecha
por la probeta depende de
la dureza del material, es decir a mayor dimetro de la huella la
dureza es menor y a menor
0
50
100
150
200
250
Aluminio bronce Acero Liso Acero Corrugado
Promedio HB
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dimetro de la huella la dureza es mayor, lo cual queda
ampliamente demostrado con los
ensayos realizados en esta prctica. Otra de las conclusiones fue
de que el tiempo y la carga
de aplicacin influyen en el dimetro de la huella, por eso es
necesario contar con una tabla
de datos para el tipo de material a utilizar. A si mismo se
demostr que el Acero 1020 tiene
mayor dureza a comparacin del bronce y aluminio
Rockwell
En esta prctica se concluye que uso de la Bola de acero 1/10 y
el cono de diamante
depende de la dureza del material, es decir el identador se
cambia dependiendo de la
dureza del material. Otra de las conclusiones fue que este
ensayo no es aplicable a
materiales muy duros, por lo tanto no se pudo probar el acero
corrugado. Y finalmente, el
acero liso fue el ms duro, seguido por el bronce y finalmente
aluminio
Vickers
En esta prctica se concluye que la huella hecha por el marcador
punta de diamante
piramidal vara en proporcin de la aplicacin de la carga y la
longitud de la diagonal del
cuadrado de la impresin. El tamao de la huella hecha por el
marcador depende de la
dureza del material, es decir a mayor huella, la dureza es menor
huella la dureza es mayor,
lo cual queda ampliamente demostrado con los ensayos realizados
en esta prctica. Otra
de las conclusiones fue de que el tiempo y la carga de aplicacin
influyen en el dimetro de
la huella, por eso es necesario contar con una tabla de datos
para el tipo de material a
utilizar, y que se encuentre correctamente calculado sin ninguna
variacin alguna para
poder obtener correctamente los 4 promedios.
Bibliografia
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//4750/4913/html/141_e
nsayo_brinell.html
http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm02/ptrb2_2_6.html
http://es.slideshare.net/vlady71/ensayo-de-dureza
http://e-
ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//4750/4913/html/142_ensayo_vi
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http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZABRINELL.pdf
