TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los materiales”

BLOQUE 1.- MATERIALES.
TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los
materiales”
Esquema:
TEMA 1: “Procedimientos de ensayo y medida de los materiales”.....................................................1
1.- Introducción..............................................................................................................................1
2.- Propiedades de los materiales..................................................................................................2
2.1.- Propiedades eléctricas.......................................................................................................3
Conductividad eléctrica:...................................................................................................................................3
Resistividad....................................................................................................................................................3
Superconductividad........................................................................................................................................3
Piezoelectricidad................................................................................................................................................3
Piroelectricidad..................................................................................................................................................4
2.2.- Propiedades magnéticas....................................................................................................4
2.3.- Propiedades electromagnéticas.........................................................................................4
Espectro electromagnético................................................................................................................................4
2.3.1.- Ópticas.....................................................................................................................................................5
2.3.2.-Radiación nuclear: rayos “α”, “β”, “γ” y “x”.......................................................................................5
2.4.- Propiedades térmicas.........................................................................................................5
2.5.- Propiedades mecánicas.....................................................................................................6
2.6.- Propiedades químicas........................................................................................................8
3.- Objeto y clasificación de los ensayos.......................................................................................8
4.- Ensayos de propiedades mecánicas. Destructivas.................................................................9
4.1.- Estáticas:............................................................................................................................9
4.1.1.- Dureza......................................................................................................................................................9
4.1.1.1.-De dureza al rayado:.........................................................................................................................9
Ensayo de Martens ..................................................................................................................................9
Ensayo a la lima.....................................................................................................................................10
Ensayo de Mohs.....................................................................................................................................10
4.1.1.2.- A la penetración:............................................................................................................................10
Ensayo Brinell........................................................................................................................................10
Ensayo Vickers.......................................................................................................................................11
Ensayo Knoop........................................................................................................................................12
Ensayo Rockwell....................................................................................................................................12
4.1.1.3.- Ensayos dinámicos:.......................................................................................................................13
Método Shore (HS)................................................................................................................................13
Método Poldi..........................................................................................................................................14
Aaadori@gmail.com
Página 1
BLOQUE 1.- MATERIALES.
1.- Introducción
En este tema se plantean los materiales con una finalidad, su utilidad. Al considerar un material
determinado, debe tenerse presente el binomio material-utilidad que deriva de sus propiedades
puesto que es necesario definir y cuantificarlas de forma que determinen el comportamiento en el
momento de su utilización.
Antiguamente, sólo la experiencia del constructor o del artesano permitía seleccionar los
materiales más idóneos en cada caso. Actualmente, a medida que aumentamos el consumo de
materiales, se hace necesario racionalizar al máximo su aprovechamiento, evitando sobre
dimensionamientos costosos e innecesarios. La reducción de los coeficientes obliga a intensificar el
control de los materiales, dando cada vez con esto más importancia al ensayo de los mismos.
El estudio basado en los ensayos y la experimentación sistemática ha dado lugar a la llamada
ciencia e ingeniería de los materiales.
Las propiedades de los materiales son los diferentes comportamientos o respuestas de éstos bajo
la acción o la influencia de factores externos, como la fuerza, la temperatura, la luz, los agentes
químicos o la electricidad. Al tratar de las propiedades de los materiales deben destacarse los
siguientes aspectos:
●
Por una parte, la necesidad de que las propiedades puedan ser cuantificadas mediante
magnitudes.
●
Por otra, la variabilidad en los valores medidos cuando se realizan los ensayos, es decir, en
ensayos idénticos no siempre se obtienen los mismos valores. Debemos controlar la
dispersión y errores de los datos.
Un aspecto que también es causa de variabilidad al estudiar las propiedades de un material
es su carácter isótropo o anisótropo. En los materiales isótropos las propiedades no
dependen de la dirección en la que se observen. Los materiales anisótropos son aquellos
cuyas propiedades varían según la dirección en la que se consideren.
En este tema se presentan las propiedades más relevantes de los materiales que en los temas
posteriores se ven, de forma más puntual, en el estudio de cada uno de los materiales tecnológicos,
además del estudio de los métodos de ensayo y determinación de los mismos.
●
2.- Propiedades de los materiales
Definimos las propiedades de un material, como las características de las reacciones ante
acciones exteriores que tienden a alterar su equilibrio. Se dice que un material tiene una
determinada propiedad cuando la calidad de dicha propiedad es en él superior a cierto límite,
arbitrario y variable, según la utilización que se pretenda hacer con ella.
Las características de los materiales pueden manifestarse espontáneamente, es decir, sin
intervención de agentes exteriores, o por la actuación de dichos agentes. En el primer caso tenemos
las propiedades intrínsecas del material; como son el peso específico, el volumen, la configuración
cristalográfica, etc. En el caso de que las propiedades se manifiesten al actuar una causa exterior en
el material.
Es importante conocer la relación que existe entre estructura interna del material, su
procesamiento y sus propiedades finales. Cuando se cambia alguno de los tres aspectos de esta
Aaadori@gmail.com
Página 2
BLOQUE 1.- MATERIALES.
relación, cualquiera de los otros también se alterar.
Las propiedades pueden agruparse de maneras diferentes. No obstante, desde el punto de vista
técnico la siguiente clasificación:
1. Propiedades sensoriales.- Son aquellas propiedades que, como el color, el brillo o la
textura , están relacionadas con la impresión que produce el material en nuestros sentidos.
2. Las propiedades fisicoquímicas.- Son aquellas propiedades que nos informan sobre el
comportamiento del material ante diferentes acciones externas.
3. Propiedades tecnológicas.- Son aquellas propiedades que nos informan sobre el
comportamiento del material durante la fabricación.
4. Propiedades ecológicas.- Son aquellas propiedades relacionadas con la mayor o menor
nocividad del material para el medio ambiente: toxicidad, volatilidad, facilidad de reciclado,
etc.
Como todas las propiedades pueden relacionarse de forma química, física, constitutiva, etc, se
ha determinado realizar la clasificación según su clasificación más inmediata en: eléctrica,
magnética, electromagnética, térmica, mecánica y química.
2.1.- Propiedades eléctricas
En muchas aplicaciones, el comportamiento eléctrico es más importante que el mecánico.
Conductividad eléctrica:
La conductividad eléctrica “σ” es la facilidad con la que cada material deja pasar a través de el
una corriente de cargas eléctricas al estar sometido a una diferencia de potencial en sus extremos.
Su valor varía con la temperatura y por el número de defectos en la red (dislocaciones o
impurezas en el material). Si la graduamos podemos clasificar esta propiedad en :
superconductividad, conductividad, semiconductividad, dielectricidad.
Resistividad
Se denomina resistividad a la propiedad inversa de la conductividad. =
R⋅A 1
=

L
Según la resistividad se clasifican los materiales en:
● Superconductores: su resistividad es “cero”, es decir, que está por debajo de la precisión de
los instrumentos de medida actuales.
−6
−4
● Conductores: su resistividad es muy baja del orden de ≈10 ÷10 ⋅cm .
−3
9
● Semiconductores: su resistividad es media del orden de ≈10 ÷10 ⋅cm . Hay de dos
tipos intrínsecos y extrínsecos (con impurezas). Normalmente se emplea Silicio (Si),
Germanio (Ge) o Arseniuro de Galio (AsGa). No tiene dual como propiedad.
9
22
● Dieléctricos o aislantes: su resistividad es muy alta del orden de ≈10 ÷10 ⋅cm .
Suelen ser materiales plásticos, cerámicos y vítreos.
Superconductividad
Son considerados conductores perfectos, pero en la actualidad sólo se dan en muy bajas
temperaturas. De entre ellos podemos destacar metales como el mercurio (Hg), plomo (Pb), Indio
Aaadori@gmail.com
Página 3
BLOQUE 1.- MATERIALES.
(In), Aluminio (Al) y Talio (Ta); semiconductores sometidos a presión como el Silicio (Si) y
Germanio (Ge); materiales intermetálicos como el Niobio-Titanio (NbTi) o aleaciones como el
Magnesio boro(MgB2) y óxidos cerámicos de estructura perovskita.
Sus aplicaciones:
●
Médicas: aparatos de resonancia magnética nuclear y TAC.
●
Electrotécnicas: levitación magnética de trenes, transformadores de alto campo,
interruptores electrónicos, computadores de alta velocidad, Baterías de automóviles
eléctricos, plantas de energía para fusión, motores y generadores de corriente alterna...
Piezoelectricidad
Capacidad de algunos materiales para generar electricidad al ser presionados y/o viceversa,
capacidad de modificar sus dimensiones al someterlos a un campo eléctrico. Cambio de
dimensiones de un material cuando actúa sobre él un campo eléctrico. Aplicaciones típicas son los
denominados músculos de hilo (muscle wire) empleados en bioingeniería, biónicas, o robóticas de
Nitinol. Se trata de aleaciones de Niquel y Titanio. Ejemplo:cuarzo, perovskita (titanatos, tantalio
de litio, Nitrato de litio...) .
Sus aplicaciones típicas son:
●
Médicas: sustituto de la piel humana
●
Electrónicas: cristales resonadores para relojes y computadores, micrófonos o transductores
de presión.
●
Militares: detectores ultrasónicos.
Piroelectricidad
Cuando la temperatura de un cristal varía uniformemente (se calienta o se enfría) se puede
producir un desplazamiento de los iones de tal manera que se polariza. Los materiales más usuales
son la turmalina y la Sel de Rochelle.
Sus aplicaciones: transductores de calor-temperatura en cámaras térmicas y de visión nocturna,
así como en sensores de presencia PIR de sistemas de alarma.
2.2.- Propiedades magnéticas
Estas propiedades representan la interacción de la
estructura y la microestructura atómica con el campo
magnético; esto permite producir imanes permanentes y
electro imanes. Algunas de las propiedades son: dipolos
y momentos magnéticos, imanación, permeabilidad,
magnetizar(es comunicar a algún cuerpo la propiedad
magnética, convertirlo en un imán), ferromagnetismo,
ferrimagnetismo, paramagnetismo (al aumentar la
temperatura
disminuye
su
imanación),
antiferromagnetismo y diamagnetismo.
Los materiales magnéticos se pueden dividir en:
blandos, duros, nanomateriales (generados por
Aaadori@gmail.com
Página 4
BLOQUE 1.- MATERIALES.
Sputtering y sistemas magneto ópticos. Sus aplicaciones: tecnología militar, investigación,
materiales inteligentes.)
2.3.- Propiedades electromagnéticas
Las propiedades electromagnéticas se pueden clasificar en dos grandes grupos: ópticas y
radioactivas.
Dentro de cada grupo, podemos distinguir las siguientes propiedades: emisión, transmisión,
absorción, reflexión y refracción.
Espectro electromagnético.
Un material puede emitir, transmitir, absorber, reflejar y refractar energía o radiaciones en forma
de ondas o partículas. Aunque los materiales pueden tener características sobre todo el espectro
electromagnético de frecuencias, analizaremos el rango de espectro visible e infrarroja y el rango de
radiación nuclear, que son los más completos.
2.3.1.- Ópticas
Al incidir fotones sobre un material, ceden su energía produciendo luminiscencia (propiedad de
emitir luz en cualquier rango de frecuencia) y esta se clasifica en fotoemisión se da en algunos
metales y semiconductores por ejemplo LED, diodos LASER, fosforescencia emisión de radiación
de un material durante un tiempos
con tiempos de relajación grandes,
fluorescencia emisión de radiación
de un material con tiempos de
relajación
pequeños.
Otras
propiedades
son:
absorción
(metales de color negro), reflexión
(metales de color blanco o
plateado), transmisión, refracción.
2.3.2.-Radiación nuclear: rayos “α”, “β”, “γ” y “x”.
Se denomina radiactividad al fenómeno por el cual los átomos emiten radiaciones de forma
espontanea porque se trata de átomos inestables y buscan su estabilidad a estos se les denomina
isotopos. Los materiales, al igual que pasaba en el espectro visible, pueden emitir, transmitir,
reflejar o absorber energía del rango de rayos nucleares y cósmicos.
Las emisones pueden ser de rayos “α” , rayos “β” , rayos “γ” y de rayos “x” (los átomos de cada
elemento producen un espectro característico que permite usar estas emisiones para identificar
materiales).
Ademas de las propiedades de absorción, transmisión, reflexión, refracción y difracción
(cuando las ondas de una radiación de cualquier clase llegan a un material que posee una pequeña
abertura, se propagan más allá del obstáculo en todas direcciones, constituyéndose la abertura el
centro de la radiación. Esto puede observarse con las ondulaciones producidas en el agua al caer
una piedra y al encontrar éstas un muro con una abertura. Si en lugar de encontrar una abertura
encuentran las ondas en su camino una reja con aberturas espaciadas regularmente a una distancia
igual o mayor que la longitud de onda de la radiación, se observa que las ondas secundarias
Aaadori@gmail.com
Página 5
BLOQUE 1.- MATERIALES.
originadas en cada abertura se interfieren y anulan en la mayoría de direcciones, pero existen
direcciones privilegiadas que en vez de anularse se refuerzan originando la difracción. Se emplea
en medicina con máquinas de oncología y rayos “x”).
2.4.- Propiedades térmicas
Son:
•
Calor específico: cantidad de calor tomada o cedida por un cuerpo para variar en una
cantidad su temperatura., es decir, equivale a la cantidad de energía que hay que suministrar
por unidad de masa para elevar la temperatura del sistema un grado
Q
Q
C=
=
.
m. T f −T i m. ΔT
•
Capacidad calorífica de un sistema cerrado en un proceso infinitesimal que depende de la P
Q
y T de trabajo, se define como C= lim
(J/K).
ΔT  0 ΔT
•
Conductividad, indica la velocidad en la que se transfiere el calor a través de un material.
Esta propiedad permite diferenciar entre materiales: conductores térmicos y materiales
aislantes.
•
Puntos críticos: fusión, ebullición, sublimación, transición vítrea e inflamabilidad.
Punto de fusión: temperatura a la cual un material pasa del estado sólido a líquido.
•
Punto de ebullición: temperatura a la cual un material pasa del estado líquido a
gaseoso.
•
Punto de sublimación: temperatura a la cual un material pasaría de estado sólido a
gaseoso.
•
Punto de transición vítrea: temperatura a la cual algunos materiales poliméricos
pasan de estado sólido a un estado gomoso.
•
Punto de inflamabilidad: es la temperatura más baja en la que puede formarse una
mezcla inflamable en contacto con el aire. El comportamiento de los materiales
frente al fuego es muy variable, pudiéndose clasificar desde este punto de vista en:
incombustibles, autoextinguibles, combustibles, inflamables.
Cambio de forma o tamaño: Dilatación. Consiste en el aumento o disminución de las
dimensiones del material en función de la temperatura del mismo, causada por la agitación
de los átomos dentro de la red cristalina por la energía aportada por la temperatura.
•
•
2.5.- Propiedades mecánicas
Son:
a) Masa y peso. Masa es la magnitud que cuantifica la cantidad de materia de un cuerpo. El
peso es la medida de la fuerza gravitatoria actuando sobre un objeto, al ser una fuerza, se
mide con un dinamómetro.
b) Volumen cantidad de espacio que ocupa su materia .
c) Densidad / peso específico, (ρ) es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en
m
Kg
un determinado volumen = = 3 . El peso específico es el cociente entre el peso del
v
m
 
Aaadori@gmail.com
Página 6
BLOQUE 1.- MATERIALES.
material y el volumen que ocupa en el espacio. Cuando se trata de gases es preciso fijar la
presión y la temperatura a que se encuentra.
d) Porosidad , o capacidad de un objeto de absorber líquidos o gases.
e) Resistencia se refiere a la capacidad de los sólidos deformables para soportar tensiones sin
alterar su estructura interna o romperse. Esta resistencia puede ser:
Resistencia a la tracción o compresión que es la tensión que corresponde a la carga
máxima en un ensayo de tracción.
•
Resistencia a flexión que es la tensión requerida para fracturar una probeta en un ensayo de
flexión, se conoce también como módulo de rotura.
•
Resistencia a la fatiga que es la tensión requerida para causar fallo por fatiga en un número
determinado de ciclos. Es por tanto la disminución de la resistencia mecánica de los
materiales al someterlos a esfuerzos repetidos.
•
La dureza se utiliza para obtener una medida de resistencia de la superficie de un material a
la penetración por un objeto duro. Se relaciona directamente con ésta el desgaste y, en
ocasiones, la rugosidad superficial o conjunto de irregularidades de la superficie real.
•
La cohesión es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse. Está relacionada no sólo
con la resistencia sino con la tensión, elasticidad y plasticidad, pero se valora también con
los ensayos de dureza y los de tracción.
f) Elasticidad y Rigidez El término elasticidad designa la propiedad mecánica de ciertos
materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la acción de
fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.
Pero la medida cualitativa de la deformación elástica producida por un material es la
rigidez. Un material rígido tiene un módulo de elasticidad elevado.
•
g) Deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a la aplicación de una
o más fuerzas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica. Pero el incremento
porcentual total en la longitud de una probeta durante una deformación se denomina
elongación. Con esto la deformación elástica es la alteración del material que se recupera al
eliminar la fuerza aplicada.
h) Plasticidad. Es la deformación que se conserva una vez quitada la carga son deformaciones
permanentemente e irreversiblemente.
i) Tenacidad: resiliencia. La tenacidad es la medida cualitativa de la capacidad de un material
para resistir un impacto. Un material que resiste la rotura por impacto se dice que es tenaz.
Pero la medida cuantitativa de la energía total que absorbe un material hasta romperse o
cantidad de energía por unidad de volumen que puede absorber un material es lo que se
denomina resiliencia. Por tanto la resiliencia en el resultado de la medida de la tenacidad.
j) Ductilidad, Fragilidad, maleabilidad y sectilidad. Capacidad de un material para deformarse
de forma permanente sin romperse, cuando se le aplica una fuerza .Así la capacidad relativa
a la facilidad de estirarlo en forma de hilos. Existe una temperatura de transición a la cual un
material cambia su comportamiento de frágil a dúctil denominada temperatura de
transición.. Por tanto la ductilidad es consecuencia e la tenacidad, elasticidad, plasticidad y
resistencia y está íntimamente relacionado con éstas. Además de la ductilidad tenemos:
•
Frágil (fragilidad): Calidad de un material relativa a la facilidad de romperse o reducirse a
polvo. Si un material es frágil no es tenaz.
•
Maleable (maleabilidad): Capacidad relativa a la facilidad de conformarse deformándose en
Aaadori@gmail.com
Página 7
BLOQUE 1.- MATERIALES.
forma de hojas delgadas..
Sectil (sectilidad): Capacidad de un material relativa a la facilidad para cortar en virutas
delgadas con un cuchillo.
•
k) Hidrodinámicas: viscosidad y permeabilidad. La viscosidad es la oposición de un fluido a
las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La
permeabilidad es una propiedad que nos sirve para diferenciar materiales insolubles que se
dividen en permeables e impermeables, según que permitan o no el paso del agua a su
través, pudiendo hacerlo en ambos casos por inhibición o sin inhibición. La permeabilidad
de un material crece al aumentar la temperatura así como la diferencia de presión y decrece
al aumentar el espesor de la pieza, o al disminuir el radio medio de la red capilar.
l) Acústicas: Conductividad es la capacidad de conducir en este caso vibraciones del rango de
las ondas sónicas porque su resistencia es muy baja al paso de las mismas.
2.6.- Propiedades químicas
•
Composición. Estabilidad: La composición de un
material es el conjunto de átomos de elementos
químicos que forman parte del mismo. En función
de los elementos que lo componen, entre otras
causas, dependerá la estructura cristalina y el resto
de propiedades. Se denomina elemento si todos sus
átomos son iguales. Mientras que recibe el nombre
de compuesto si éstos son distintos. La estabilidad
de un elemento químico es una propiedad que
depende de si tienen completa la última capa de
electrones de valencia.
•
Estructura cristalina o red cristalina. La red
cristalina es un apilamiento simétrico de los átomos
en el espacio y es propio de cada elemento.
•
Polimorfismo o Alotropía. El polimorfismo es la
capacidad de un material sólido de existir en más de
una forma o estructura cristalina estable. Por
ejemplo, el diamante y el grafito son polimorfos del carbono. Cuando esta propiedad se da
en compuestos formados por un único elemento se denomina también alotropía.
•
Fuerza de enlace debida a la estructura: iónica, covalente o metálica. Conductividad
eléctrica iónica.: El tipo de enlace es una propiedad de los materiales que depende de la
composición química de los mismos y es la causa de algunas propiedades como la
conductividad eléctrica, dureza, ...: La conductividad iónica es la propiedad que tienen
algunos materiales que se produce al disociarse moléculas, con enlace iónico, en iones que,
sometidas a un campo eléctrico, se mueven. A este proceso se denomina electrolisis.
Aplicaciones que se basan en esta propiedad son: las baterías salinas, baterías recargables
(ión-Litio) o las pilas de combustible.
•
Corrosión. Oxidación. Podemos definir la corrosión como el deterioro lento de un material
por la acción de un agente exterior. .
Aaadori@gmail.com
Página 8
BLOQUE 1.- MATERIALES.
3.- Objeto y clasificación de los ensayos.
Los ensayos de materiales tienen como objeto poner de manifiesto, mediante métodos, las
propiedades de los materiales ensayados o descubrir los defectos de las piezas fabricadas.
Se pueden clasificar los ensayos de medida atendiendo a diversos criterios:
● Rigurosidad del ensayo :
 Científicos: se hacen en laboratorios especializados y permiten obtener valores precisos
y normalizados.
 Tecnológicos: se realizan en fábrica e indican calidades del material. Que desde el punto
de vista mecánico de conformación, por ejemplo: doblado, embutición, forja, corte,
punzonado, soldadura.
● Tipo de análisis de la propiedad:
 Cualitativos: indican la presencia o no de la propiedad en el material.
 Cuantitativos: dan una magnitud de la composición o de las propiedades en el material.
● La naturaleza del ensayo : según algunos autores se organiza de la siguiente manera:
 Química: permite conocer la composición cualitativa y/o cuantitativa del material, así
como, la naturaleza del enlace químico o la estabilidad del material frente agentes
corrosivos.
 Metalográficos: permiten conocer la estructura interna del material con el uso del
microscopio.
 Físico: cuantifican ciertas propiedades físicas: densidad, punto de fusión...
 Nucleares: permite conocer la composición cualitativa y/o cuantitativa del material.
 Electromagnéticas: permite descubrir las propiedades eléctricas y/o magnéticas de los
materiales así como localizar defectos.
 Mecánicas: se determina la resistencia del material a ciertos esfuerzos. Según la
velocidad de aplicación de los esfuerzos, se subdivide en:
■ Estáticas: la velocidad de aplicación de la fuerza no influye en el resultado. La carga
que se aplica es constante o progresivamente creciente
■ Dinámicas: la velocidad de aplicación es importante en el ensayo, la carga se aplica
brusca o alternativamente variable con el tiempo.
● Según se mantenga la integridad del material:
 Destructivos: producen daño o rotura de la pieza sometida a ensayo
 No destructivos: no ven alterada su forma y su presencia inicial.
4.- Ensayos de propiedades mecánicas. Destructivas
En estos ensayos la probeta a analizar se inutiliza después del ensayo. Pueden ser estáticos o
dinámicos.
4.1.- Estáticas:
4.1.1.- Dureza
Es el resultado de un ensayo. Es la resistencia superficial a la deformación
4.1.1.1.-De dureza al rayado:
Los primeros procedimientos que se utilizaron, se basaron en la resistencia que oponen los
Aaadori@gmail.com
Página 9
BLOQUE 1.- MATERIALES.
cuerpos a ser rayados.
Ensayo de Martens
Fue la primera máquina que se empleó para medir la dureza al rayado.
El ensayo consistía en la medida de la anchura de una raya, que se produce
en el material ensayado mediante una punta de diamante de forma
piramidal, cargada con una fuerza determinada y constante. Así el valor de
1000
la dureza se calcula: Δ M = 2 Se mide la anchura del surco mediante
a
micras.
Ensayo a la lima
Por medio de una lima en buen estado, se puede determinar de forma aproximada la dureza de
un acero templado.
Si no entra la lima, la dureza de¡ acero será superior a 60 HRC (60 Rock-well-C), y si entra la
dureza será inferior a 58 HRC (58 Rockwell-C)
Ensayo de Mohs
Basada en una escala de diez minerales donde el cuerpo más duro era el diamante y el más
blando el talco y se empleaba desde el más blando hasta que se rayaba el material. Actualmente en
desuso. La escala es: talco (1), gema de sal (2), calcita (3), fluorita (4), apatito (5), feldespato (6),
cuarzo (7), topacio (8), corindón (9) y diamante (10).
4.1.1.2.- A la penetración:
Estas técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales se basan en un
pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones
controladas de carga y velocidad de aplicación de la misma. Miden la huella resultante.
Ensayo Brinell
Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el
material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado (t). HB = F/ S
(Kp/mm2) .
Teniendo en cuenta la superficie del casquete esférico que constituye la huella
de la bola, tendremos el número en kilogramos de presión por milímetro cuadrado, y
este número es, precisamente, lo que se denomina cifra de dureza de Brinell. Su
unidad es HB.
Desarrollo del procedimiento:
1.
2.
3.
4.
Comprimo la bola conocida.
Conocemos la fuerza y el tiempo de presión.
Medimos la huella en su diámetro “d”
Como la esfera deja sobre el material un área de
altura como sigue:
Aaadori@gmail.com
S=2.  . h calculamos la
Página 10
BLOQUE 1.- MATERIALES.
2
D 2 D
d 2
  = −h   ,
2
2
2
Pitágoras:

donde
x=
D 2 d 2 , sabíamos por el diseño que el valor
 − 
2
2
D
D
D 2 d 2
el
h= −x= −   −  sustituyendo
2
2
2
2
D
D 2 d 2 .D
S = . D . −   −  =
. D− D2− d 2 
2
2
2
2
F
2F
5. Luego la dureza es : HB= S =
 D  D−  D 2−d 2
Condiciones normales del ensayo:
x= 

D
−h luego
2
de

h
es:
área:
D = 10 mm
•
F = 3000 Kg
• Tiempo de carga 15 segundos. ( El tiempo oscila entre 10 segundos y 3 minutos, cuanto más
duro es el material menos es el tiempo de aplicación de la carga).
Resultado:
•
HB 5/ 750 / 20. ( bola de 5mm, carga de 750 Kg, y tiempo 20 segundos).
Limitaciones:
1. Carga a aplicar: Depende del material a probar y del diámetro del penetrador. P=K.D2 .
La K es una constante tabulada.
D
D
2. Relación del diámetro de la bola  d   donde d=0,375 . D
4
2
Características del ensayo Brinell
•
•
•
•
•
•
•
No es fiable en materiales muy duros y de poco espesor.
No es recomendable para piezas cilíndricas y esféricas.
No es recomendable para valores superiores a 500 HB, si la bola del penetrador no es de
carburo de volframio.
Debe cumplirse la relación del diámetro de la bola para que el error del ensayo por
deformación del material no sea muy grande.
Debe cumplirse la relación de la carga a aplicar
Algunos valores de resistencia a tracción y dureza están tabulados
HB−80
Se puede conocer el tipo de acero que se ensaya mediante la relación: %C =
141
Ensayo Vickers
Para este ensayo el penetrador que utilizamos es una pirámide
regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de
136º. Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500
HB
Desarrollo del procedimiento:
1. Comprimo una punta piramidal de base cuadrada y ángulo en el
vértice de 136º entre las caras.
Aaadori@gmail.com
Página 11
BLOQUE 1.- MATERIALES.
2. Conocemos la fuerza y el tiempo de presión.
3. Medimos la huella en su diagonal “d”
4. Como la pirámide deja sobre el material un área
b
S=4. área de una cara =4.  . a
de
2
calculamos la altura “a” como sigue:
b /2
OC
a=OS =
=
,
donde
sen68º sen68º
b
b
b2
S=4.
=
2 2. sen 68º sen68º
5. Como la medida de ensayo es en función del
diámetro
de
la
huella:
1 2
2
2
2
2
2
d =b b =2 b ⇒b =  d
2
2
2
d
d
6. Luego el área: S =
=
2 sen 68º 1,854
F
F
7. Luego la dureza es : HB= =1,854 2
S
d
Resultado:
520 HV 30 / 15. ( 520 número de dureza Vickers, carga
de 30 Kg, y tiempo 15 segundos).
Características del ensayo l
•
•
•
•
Las cargas aplicadas son más pequeñas que el método Brinell (oscila entre 1 y 120 Kp),
suele emplearse las cargas 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 Kp. La más empleada es de
30 Kp.
El tiempo de aplicación es de 10 a 30 segundos, siendo 15 segundos lo más empleado.
Se utiliza tanto para materiales duros como blandos y puede aplicarse en piezas muy
delgadas de (e=0,2mm).
Puede medir dureza superficial por la poca profundidad de la huella.
Ensayo Knoop
Para medir microdurezas se emplea este método que se diferencia del anterior en que el
penetrador piramidal es de base rómbica además las cargas que se aplican son muy pequeñas, del
orden de gramos, produciéndose huellas con diagonales en relación 7/1, la diagonal mayor de la
huella se mide con un microscopio siendo el mismo principio que lo rige. Se mide en HK.
Ensayo Rockwell
El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforman las
bolas. Para evitar este hecho se utiliza la máquina de Rockwell, que se basa también en la
resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por una bola. No obstante, a diferencia del
anterior, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella y no de su superficie.
Realización de la prueba
1. Aplicación de una carga inicial F0 de 10 Kp y marcar la huella h0.
2. Aplicar una carga adicional F1 que origina una huella máxima. (F1+F0).
Aaadori@gmail.com
Página 12
BLOQUE 1.- MATERIALES.
3. Elimina la carga F1. Reacción elástica del material y hace que se eleve el penetrador una
cierta cantidad quedando una huella permanente. F0 y hp.
4. El número que se lee sobre la escala del equipo después de retirar la carga F 1 marca la
dureza Rockwell correspondiente al valor de la profundidad de huella permanente e, siendo cada
unidad de e de 2 micras o 0,002 mm
5. El penetrador consiste en una bola para materiales blandos, obteniéndose el grado de dureza
Rockwell bola (HRB); o bien un cono de diamante de 120º para materiales duros resultando el
grado de dureza Rockwell como HRC. Siendo HRC =100−e y HRB=130−e .
Es un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es válido
para materiales blandos y duros.
4.1.1.3.- Ensayos dinámicos:
En comparación con los ensayos estudiados, presentan la ventaja de la rapidez, comodidad y
utilidad, ya que se pueden hacer en cualquier lugar por utilizar equipos portátiles. Por el contrario su
desventaja es la menor fiabilidad.
Método Shore (HS)
Se basa en la reacción elástica del material sometido a la
acción de un percusor que, después de chocar con la probeta a
ensayar, rebota hasta una cierta altura. El número de dureza
HS se deduce de la altura alcanzada en el rebote.
Características del ensayo
Aaadori@gmail.com
•
No es de gran precisión, pero es muy rápido.
•
El equipo es fácil de manejar, poco voluminoso y de
Página 13
BLOQUE 1.- MATERIALES.
coste reducido.
•
Apenas produce deformación en la probeta (no deja huella).
•
Es muy apto para controlar grandes series al no dañar las piezas ni eliminar
posibles capas superficiales.
•
Por aproximaciones experimentadas pueden carcularse los valores de otras
durezas:
•
para fundiciones grises HS=5,25 HB
•
para aceros de contenido medio en carbono HS= 6,65 HB
•
Al no producir deformaciones, permiten aplicarse a todo
tipo de materiales
Método Poldi
Es un método de impacto que consiste en lanzar una bola de
hacer do 5 mm de diámetro sobre el material a medir , de manera
que el impulso produzca una huella permanente , se calcula
S
midiendo la huella según la fórmula: H = p . H p donde H, S
S
es relativo al material y Sp y Hp al patrón.
Aaadori@gmail.com
Página 14