LABORATORIO DE RESISTENCIA DE LOS MATERIALESENSAYO DE DUREZA DE BRINELL. ASTM E-10

MARIA DAVILA CABRALES VICTOR BRITO MENDOZA

TATIANA PEREZ RUIZHECTOR PERTUZ

Alumnos

ING. ANTONIO ARRAUTDocente

UNIVERSIDAD DE LA COSTA, CUCFACULTAD DE INGENIERIA

BARRANQUILLA – ATLANTICO28 – 08 – 2013

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN2. OBJETIVOS………………………………………………………………….….…......4

- 2.1 OBJETIVO GENERAL…………………………………………………...….4- 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………..………………...............4

3. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………............54. PROCEDIMIENTO Y MONTAJE……………………………………………...........155. CALCULOS…………………………………………………………………………...126. ANALISIS………………………………………………………….…………………..137. CONCLUSIÓN8. BIBLIOGRAFÍA

1. INTRODUCCION

La dureza es una propiedad fundamental, que en gran medida, determina la resistencia y durabilidad de los materiales usados en ingeniería. Se utiliza como base cualitativa de comparación entre materiales o en especificaciones para tratamiento térmico en la manufactura o control de calidad.

El ensayo de dureza de brinell se fundamenta en el cálculo de la resistencia a la penetración de una pieza metálica por acción de una fuerza estática proveniente del contacto de un balín, de acero endurecido o de carbono de tungsteno, produciendo una huella o indentación, que por la medida de su diámetro nos indica el valor de la dureza. La huella formada durante el procedimiento en inversamente proporcional al número de dureza (los metales más duros se indentan menos).

En metalúrgica dureza es la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, es decir, no dejarse penetrar.

El ensayo de dureza de Brinell es común practicarlo a materiales metálicos como el acero, bronce, cobre y aluminio por lo importantes que son en la industria del diseño de herramientas, equipos y maquinas, pero también se le ha encontrado aplicaciones en el estudio de materiales de fibra natural como de madera y el bambú, que son de gran importancia en las aplicaciones industriales, principalmente en la producción de pisos en parquet. Estos materiales han alcanzado una dureza de Brinell de 30 N/mm.

2. OBJETIVOS

2.1 GENERAL

- Determinar la dureza de los metales cobre bronce, aluminio y acero por el método del brinell. Norma ASTM E-10

2.2 ESPECÍFICOS

- Determinar el diámetro promedio de indentación- Calcular la profundidad de la huella- Calcular el número de dureza de brinell- Calcular la resistencia a la tracción del acero por medio de la ecuación de

correlación.

3. MARCO TEORICO

Por definición se entiende de dureza como 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 o penetrador), de determinada forma y dimensiones.

Un análisis de la anterior definición nos lleva 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 cuantificada 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 específicas, contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga.

3.1 ENSAYO DE DUREZA DE BRINELL

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

HBS para los casos en que se utilice bola de acero.HBW para cuando se utilice bola de carburo de tungsteno.

El carburo de tungsteno es un compuesto cerámico formado por tungsteno y carbono. Pertenece al grupo de los carburos con composición química de W3C hasta W6C.

En la práctica se usara la siguiente fórmula de trabajo:

Dónde:

D = es el diámetro de la bola en mm, F = es la carga aplicada en kg, d = es el diámetro medio de la indentación en mm

El ensayo de dureza de Brinell presenta las siguientes limitaciones:

- Se puede generar esfuerzos debido al gran tamaño de las huellas que afectan la apariencia del elemento haciendo inaceptable para algunas aplicaciones.

- La profundidad de la impresión impide su uso en láminas o superficies endurecidas ya que la impresión podría también involucrar la estructura subyacente.

3.1.1 ALCANCE Y APLICABILIDAD DEL MÉTODO BRINELL

Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se recomienda utilizar penetradores duros (de carburos metálicos). A partir de estos valores de dureza la deformación en el penetrador comienza a ser importante, y esta debe ser menor de ±0,005D. Por esta razón el empleo de este método está limitado a una dureza máxima de HB = 600.

De esta manera se puede decir que a partir de los 400 Brinell es recomendable determinar la dureza a través de métodos como el Rockwell o Vickers.

Por último es claro que el método no es aplicable a piezas de espesor delgado ya que la penetración usual puede ser mayor que dicho espesor. Tampoco es aplicable a superficies cementadas, nitruradas, o recubiertas ya que la profundidad de penetración puede ser mayor al espesor que alcanza el tratamiento en la superficie.

Es un método conveniente en materiales poco homogéneos tales como las fundiciones materiales de grano grueso y piezas forjadas, debido a que el tamaño de la impronta permite obtener un mejor promedio de la dureza en la zona. Además si se utiliza la profundidad h de la impronta para la determinación de la dureza, la superficie a ensayar no requiere demasiada preparación. Como regla general: cuanto mayor es la huella menor es el requerimiento de preparación superficial.

3.1.2 CORRELACIÓN DEL VALOR DE DUREZA CON LA RESISTENCIA LA TRACCIÓN

En algunos casos es posible correlacionar el valor de dureza del material con el valor de resistencia estática del material. Así por ejemplo para aceros ordinarios recocidos y con menos de 0,8% de carbono se tiene

Para aceros al cromo-níquel y algunas aleaciones de aluminio se adoptan valores entre 0,34 y 0,35; para fundición gris 0,1HB.

Es importante notar que la estimación del valor de resistencia a la tracción a través de la ecuación anterior debe ser considerada como una primera aproximación y no debe ser tomado como un valor confiable si no se conoce de antemano y empíricamente que dicha relación se cumple para el material y las partes ensayadas. Cualquier irregularidad superficial, tal como endurecimiento localizado por deformación, tratamiento superficial, etc., puede causar una estimación errónea de la resistencia a la tracción.

3.1.3 TIEMPO DE APLICACIÓN DE LA CARGA

En ensayos normales la carga máxima se alcanza en un lapso de 15 s y se mantiene, al menos, durante otros 15 s para aceros y 30 s para metales más dúctiles.

Sin embargo a menudo la carga máxima se retiene durante un intervalo de 30 s para los metales ferrosos y un intervalo de 60 s para los otros metales.

Los aparatos de ciclo automático permiten realizar ensayos a alta velocidad, por lo que el tiempo de transición de la carga y el tiempo en que se retiene la misma pueden ser mucho menores a los mencionados.

Sin embargo, estos tiempos tienen influencia en el valor de dureza obtenido. Si la velocidad de aplicación de la carga es muy alta, es decir el tiempo de crecimiento de la carga es muy corto, se puede producir una sobrecarga (la carga sobrepasa el valor de ensayo antes de estabilizarse) que producirá una huella de mayor diámetro.

Por otro lado si el tiempo que se retiene la carga es insuficiente para que el material complete el flujo plástico, el tamaño de la huella será menor. En este sentido se ha observado que para la mayoría de los materiales el flujo plástico es rápido en los primeros 30 s, siendo bastante más lento en el intervalo de 30 a 120s.

3.2 OTROS TIPOS DE ENSAYO DE DUREZA

Existen muchos métodos para medir la dureza y se dividen según el procedimiento que emplean:

- Los que evalúan la dureza mineralógica, resistencia al rayado: Ensayo de Martens, De la lima.

- Los que miden la resistencia a la penetración por acción dinámica o estática: Brinell, Vickers y Rockwell.

- Los que cuantifican la dureza elástica o al rebote: Shore.

Los métodos más usados en la actualidad, dependiendo del tipo de materiales que se vaya a ensayar, son el de Brinell, vickers, rockwell y Shore.

3.2.1 ENSAYO DE VICKERS

Permite me medir la dureza de un gran número de materiales metálicos independientes del estado en que se encuentren y de su espesor. El penetrador es una pirámide de diamante de base cuadrada cuyo ángulo en el vértice es de 136°

Las ventajas de la prueba Vickers con respeto a la Brinell son:

- Su uso se extiende a materiales duros y blandos.- Todas las indentaciones son geométricamente similares. El rango de

dureza de Vickers.- Es proporcional o sea que una HVN=400 veces más grande que una

HVN=200

Limitaciones:

- La impresión es pequeña y por ello se usa un microscopio o debe pulirse la superficie antes de realizar la prueba y el indentador debe estar a 90 mm. De la superficie.

- Toma algo de tiempo realizar esta prueba.

3.2.2 ENSAYO DE ROCKWELL

Ha tenido gran aceptación por la facilidad de realización y el pequeño tamaño de la huella. El ensayo tiene como objeto medir la profundidad de penetración de una determinada herramienta bajo la acción de una carga establecida. El material de contacto puede ser esferas de acero templado de diferentes diámetros o conos de diamantes.

Ventajas:

- Es muy rápido.

- No necesita absoluta regularidad de la superficie pues inicialmente se aplica una carga pequeña para acomodar el indentador y luego se aplica una carga grande para realizar la impresión.

Desventajas:

- No es tan exacto como el de Vickers, que es preferido en trabajos de investigación y desarrollo.

3.2.3 ENSAYO DE SHORE

El ensayo se fundamenta en calcular la dureza por medio del rebote de un cuerpo duro que se deja caer sobre el material que se va a ensayar, a una altura determinada.

4. PROCEDIMIENTO Y MONTAJE

4.1 MATERIALES Y EQUIPO

- Equipo universal de medición de dureza (hidráulica de presión)- Calibradores- Lupa microscópica- Probetas metálicas (acero, bronce, cobre y aluminio)

Maquina MT 3017 para pruebas de tracción.

4.2 PROCEDIMIENTO

1. se coloca la probeta metálica en la máquina de ensayos y se fija con el tornillo para que quede bien sujetada.

2. el reloj que marca la fuerza hay dos agujas, una de ellas se coloca en la carga que se quiere aplicar, y la otra queda en cero.

3. se procede a darle vueltas a la manivela para aplicar la carga, se detiene cuando la segunda aguja, que inicialmente estaba en cero, alcanza la que se había fijado al principio con carga asignada.

4. una vez que la segunda aguja se posiciona en el lugar de la primera, se detiene el movimiento de la manivela manteniendo la carga, y se toma el tiempo estipulado.

5. Una vez que se haya completado el tiempo se procede a descargar la probeta y se miden los diámetros de las huellas.

Consideraciones:

- Se miden dos diámetros en direcciones perpendiculares en cada huella y se promedian.

- Se recomienda ubicar los puntos de contacto del balín con la superficie de la probeta equidistantes y que no se aproximen a los bordes.

- Las cargas recomendadas para diferentes materiales son:a) metales duros: 3000 kgb) metales de dureza intermedia: 1500 kgc) metales suaves: 500 kg

- La superficie debe ser plana y bien pulida.- Para metales no ferrosos la carga debe mantenerse sostenida en contacto

con la placa en un lapso mínimo de 15 segundos; para metales más suaves, mínimo 30 segundos.

Se debe tener sumo cuidado en que el diámetro de la huella esté entre el 24% y 60% del diámetro de la bola. Es decir, para las condiciones estándar (bola de ∅10 mm), el diámetro de la huella debe estar entre 2,4 y 6 mm. En la literatura se considera que la huella “ideal” es de d= 0,375 D.

5. CALCULOS

Los datos obtenidos en el laboratorio los presentamos en la siguiente tabla:

MATERIAL CARGAS (kgf) TIEMPO (s) d1 d2 d3 d Promedio HBS RtCobre 1275 15 4 3.9 3.9 3.93333 100.701 347.418122Acero 1275 15 2.9 3 2.9 2.93333 184.518 636.586888

Bronce 1275 15 3.3 3.5 3.4 3.40000 136.248 470.054839

Aluminio 1275 15 4.3 4 4 4.10000 92.327 318.529018Aluminio 1275 15 4.2 4.3 4.3 4.26667 84.913 292.949113

Alum. Prom. 4.18333 88.510 305.358244

250 300 350 400 450 500 550 600 650 70050.000

70.000

90.000

110.000

130.000

150.000

170.000

190.000

COBRE

ACERO

BRONCE

ALUMINIO

Grafica HBS vs Rt

RESISTENCIA A LA TRACCION (Rt)

DURE

ZA (H

BS)

6. ANALISIS DE RESULTADOS

Los datos que se obtuvieron en la prueba se realizaron por medio de la máquina para ensayos de tracción MT 3017, que resiste una carga máxima de 15 KN, o 1530 kilogramos fuerza.

Los resultados obtenidos de dureza fueron:

(Cobre: 100,701 - Acero: 184,518 – Bronce: 136,248 – Aluminio: 88,510) 10/1275/15

PREGUNTAS

1. ¿Qué tipo de relación existe entre la resistencia a la tracción y la dureza?

Evidentemente en la fórmula de resistencia a la tracción se aprecia una relación de equivalencia entre la dureza y la resistencia a la tracción, es decir son directamente proporcionales, Rt=3,45∗HB. El valor de Rt depende del de HB.

2. ¿A qué materiales se les aplica usualmente el ensayo de dureza de brinell?

Cuando se emplea el método de brinell a materiales de gran dureza, se puede provocar la deformación del indentador, por esta razón la prueba de brinell es aplicable a materiales con dureza no mayor a 450 HBN para un indentador de acero y a 600 HBN para uno de carbono de tungsteno.

3. ¿Qué otro tipo de ensayos de dureza existen y cuáles son sus diferencias, ventajas y desventajas?

Los ensayos que miden la dureza o la resistencia a la penetración por acción dinámica o estática son: Brinell, Vickers y Rockwell.

En general estos métodos se diferencian por su forma de acción y por utilización, por ejemplo de entro los tres el de Vickers es el ensayo con más aceptación para investigaciones, esto por ser mucho más preciso y confiable que los otros.

Otra diferencia importante entre su aplicabilidad, es decir sus limitaciones, el ensayo de Vickers por ejemplo es el que menos limitaciones tiene en la práctica.

4. ¿Qué representa la propiedad de dureza y cuál de los materiales ensayados presento mayor valor?

La propiedad de dureza de un material representa la capacidad que tiene un material en su capa superior para resistir la deformación elástica, plástica y destrucción en presencia de esfuerzos de contacto.

Como observamos en la gráfica la mayor resistencia a la carga aplicada la obtuvo el acero.

7. CONCLUSIÓN

Los ensayos de dureza de brinell permiten tener un amplio concepto del comportamiento de distintos materiales bajo la acción de fuerzas estáticas.

El análisis de los resultados permite determinar un uso apropiado para cada material, y verificar si son viables para trabajos ingenieriles.

8. BIBLIOGRAFÍA

- JOSÉ LUIS AHUMADA VILLAFAÑE, Caracterización de los materiales de uso en ingeniería, educosta, Colombia – 2009.

- TIMOSHENKO S. Resistencia de materiales. 12a. ed. Madrid: Espasa-Calpe, 1970. - DONALD ASKELAND. Ciencia e ingeniera de los materiales. 3ª ed. México: International

Thomson, 1998.