UT 2 MA9 ENSAYO DE DUREZA Introducción La dureza es una propiedad de gran importancia práctica, ya que está relacionada con el comportamiento del material frente a la abrasión o al desgaste, así como la facilidad con que puede mecanizarse; por ejemplo, un material utilizado para moler mineral en una cantera debe ser muy duro para que apenas sufra desgaste en su trabajo. La dureza de un cuerpo es directamente proporcional a su cohesión atómica. La dureza, más que una propiedad de los cuerpos, puede considerarse el resultado de un ensayo. Según el tipo de ensayo, podemos definirla de distinta manera: así, se llama: dureza al rayado, a la penetración o al rebote. La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del mismo. El valor de dureza obtenido en una prueba determinada sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos. En el mundo industrial, definimos dureza como la propiedad de un material que describe la resistencia que ofrece ese material a ser penetrado o rayado por otro de mayor dureza. Este es el concepto empleado en la determinación de dureza; Brinell, Vickers, Rockwell, etc. También podemos definir la dureza como la reacción elástica de un material al chocar con otro más duro (Dureza Poldi, Shore, etc.) Ensayos Se mide, en general por alguno de los siguientes métodos: a) Dureza al rayado. Es la resistencia que oponen los cuerpos a dejarse rayar por otros más duros. Mineral Nº Diamante 10 Corindón 9 Topacio 8 Cuarzo 7 Feldespato 6 Apatito 5 Fluorita 4 Dureza mineralógica: Por la resistencia que presentan los materiales a ser Calcita 3 rayados por otros más duros. Entre estos métodos, encontramos: Yeso 2 Dureza Mohs: Se utiliza en mineralogía para determinar la dureza de los minerales. Talco 1 Para su determinación se emplea la escala de Mohs, en la que a determinados minerales se les adjudica un número en orden creciente de su dureza. Ej: una dureza mineralógica de 7,5 significa que sería rayado por el topacio pero no por el cuarzo. Es un método de medida bastante impreciso. Dureza a la lima: Ensayo únicamente usado en aceros templados y basado en la penetración o no de una lima nueva en el material. Si la lima penetra, la dureza del material será menor a 60 HRC y si no penetra, superior a 60 HRC (escala Rockwell –C). b) Dureza por penetración o indentación: Por la dureza que presentan los materiales a ser penetrados por otro más duros, siendo éstos los más empleados industrialmente. El ensayo se realiza con indentadores (penetradores) en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. La medida de la dureza se obtiene dividiendo la fuerza con la que se ha empujado el penetrador entre la superficie o la profundidad de la huella que éste deja en el material, dependiendo del tipo de ensayo. Los métodos varían con cada material y dependen del tipo de penetrador, dando 1 UT 2 MA9 origen a los números de dureza: HBN (Hardness Brinell Number) HRA, HRB, HRC, ...(Hardness Rockwell series A, B, C…) HVN (Hardness Vickers Number). El equipo donde se realizarán los ensayos se denomina durómetro. c) Métodos de retroceso Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. En el caso de que el material sea más blando absorbe la energía del choque, pero si el material es más duro produce un rebote cuya altura es lo que se mide. Ensayo BRINELL (HB) (UNE-EN ISO 6506-1) Consiste en comprimir una bola, de gran dureza, de un diámetro (D) que oscila entre 1 y 10 mm, sobre el material a ensayar, por medio de una carga (F) durante un tiempo conocido y medir el diámetro (d) de la huella (en forma de casquete esférico) dejada en el material una vez retirada la carga. Inicialmente el material del indentador que se empleaba era de acero extraduro o carburo de wolframio. Hoy en día, según la norma UNE-EN ISO 1:2014, la bola indicada será de metal duro. La dureza está en razón inversa al diámetro del casquete, o sea, a mayor diámetro, menor dureza, y es el único elemento a determinar, lo que se hace por medio de un microscopio con retícula graduada o escala ocular, generalmente graduada en décimas de mm. Este método se utiliza para materiales blandos y semiduros. Para este ensayo se utiliza una bola de acero para materiales de dureza inferior a 450 HB y de metal duro (carburo de tungsteno) para materiales de dureza inferior a 650 HB. Por encima de los 450 Kp/mm2 no proporciona reslutados fiables, pues la bola se achata al ser comprimida contra el material de ensayo, con lo que el diámetro de la huella es mayor que si el penetrador permaneciese esférico, lo que hace que el material aparezca como más blando de lo que realmente es y por encima de los 650 no son admisibles, ya que la bola se deforma. Este ensayo es ampliamente aceptado y estandarizado, debido a la relación entre los valores obtenidos en la prueba y los resultados de la resistencia a la tracción. El grado de dureza Brinell HB se obtiene dividiendo la fuerza que se ejerce sobre la bola entre la superficie del casquete esférico impreso sobre la superficie del material. HB F S donde F es la fuerza que se ejerce, medida en kp (kilopondios), y S es la superficie impresa, media en mm2. Como F es un valor conocido, la carga a aplicar sobre la bola, sólo tendremos que calcular la superficie generada por la huella. NOTA: 1 kp = 1 kgf = 1 kg × 9,80665 m/s² = 9,80665 kg m/s2 = 9,80665 N, de modo que 1 kilogramo-fuerza o kilopondio equivale a 9,80665 N. 2 UT 2 MA9 Aunque existen algunas máquinas de ensayo de Brinell que dan una lectura directa, normalmente, para determinar el número de dureza, se utiliza la siguiente fórmula: o se utilizan tablas para convertir el diámetro al número de dureza. La fuerza aplicada durante el ensayo debe ser proporcional al cuadrado del diámetro de la bola. De esta forma se consiguen huellas geométricamente semejantes. Es lo que se denomina valor de carga y viene dado por: F = K. D2 Donde K es una constante del ensayo que depende del material a ensayar donde K (kgf/mm2) es una constante del ensayo que depende del tipo de material. Material Valor de K Aceros y elementos siderúrgicos 30 Cobres, bronces, latones 10 Aluminio y aleaciones 5 Materiales blandos (Sn, Pb) 1 El tiempo de aplicación de la carga suele ser de 10-15 segundos, aunque si se trata de materiales blandos este tiempo puede hacerse mayor. Indentador: Bola de acero templado (10, 5, 2,5 y 1 mm). 3 UT 2 MA9 Para aceros, normalmente se usan bolas de 5 ó 2,5 mm de diámetro, con cargas de 750 y 187,5 kg, respectivamente. Designación de la dureza Brinell Se designa por las letras HBW. En la nomenclatura anterior, se designaba por HB o HBS cuando se empleaban bolas de acero. El número de dureza Brinell seguido por el símbolo HB sin números sufijos indica condiciones de prueba estándar usando una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 3000 kg, aplicada de 10 a 15 seg. Para otras condiciones, el número de dureza y el símbolo HB se complementan por números que indican las condiciones de prueba en el siguiente orden: Valor de la dureza/HBW/ diámetro de la bola (mm)/valor de la fuerza de ensayo (kgf)/tiempo de aplicación diferente a 10 ó 15 segundos. Nº HBW/D/F/t Nº HB - Valor de dureza Brinell. Se obtiene de la determinación del diámetro medio de la huella y aplicando las fórmulas. D - Diámetro del penetrador en mm. F - Carga de ensayo aplicada en kgf. t – Tiempo de sostenimiento de la carga en segundos, sólo se indicará cuando el tiempo esté fuera del intervalo nomalizado de 10 a 15 segundos. Ej: 400 HBW 2,5/187,5/20 significa una dureza Brinell de 400 empleando una bola de diámetro 2,5 mm y aplicando una carga de 187,5 kgf o kp durante un tiempo de 20 segundos. La prueba Brinell presenta los siguientes inconvenientes: No se puede realizar sobre superficies esféricas o cilíndricas Se cometen grandes errores en la medida del diámetro de la huella cuando la deformación es pequeña Únicamente es aplicable en el caso de materiales de durezas no muy altas, que sean inferiores a la del penetrador. Condiciones de ensayo: El diámetro de la huella ha de estar comprendido entre el 2,5% y el 60% del diámetro de la bola empleada. El espesor de la muestra deberá ser mayor del doble del diámetro de la huella generada. El diámetro de la bola será lo mayor posible. El ensayo se realiza a temperatura ambiente, (10-35ºC). La superficie del ensayo debe estar perfectamente plana y uniforme, sin óxidos ni inclusiones y exenta de lubricantes. La probeta se coloca sobre el soporte del durómetro para tal efecto. Se pone el penetrador en contacto con la muestra y se aplica la carga perpendicularmente a esta hasta el valor especificado. Las cargas aplicadas deben ser proporcionales al cuadrado del diámetro del penetrador para que los resultados sean comparables. 4 UT 2 MA9 El tiempo empleado desde que se comienza a aplicar la fuerza creciente hasta que llega a su valor máximo estará entre 2 y 8 segundos. Una vez se llega a la fuerza máxima se mantendrá entre 10 y 15 segundos. El espesor de la muestra debe ser superior a los 6 mm. No realizar la impresión cerca del borde de la pieza. Mantener una distancia de un mínimo de 2,5 veces el diámetro de la huella, entre el centro de la misma y el borde de la superficie a examinar. La distancia entre dos huellas será superior a 3 veces el diámetro de la huella. Se medirá el diamétro de la huella en dos posiciones perpendiculares, para posteriormente calcular la media y obtener con mayor precisión la medida. Informe del ensayo Al concluir el ensayo se deberá realizar un informe correspondiente, donde se detallen todos los parámetros que intervinieron en la prueba. Este documento contendrá la siguiente información: Referencia a la norma que rige este ensayo: ISO 6506 Identificación de la probeta, indicando todos los detalle necesarios La temperatura a la que se realizó el ensayo, siempre y cuando esté fuera de los valores normalizados. El resultado de la dureza obtenido mediante el cálculo. Cualquier tipo de detalle o requisito adicional que pudiera afectar a esta prueba y, por lo tanto, a los resultados obtenidos. Ensayo VICKERS (HV) (UNE-EN ISO 6507-1) Este método se emplea para durezas superiores a 400 HB. El método es igual al Brinnell, pero el indentador cambia la forma y el material por una pirámide regular de base cuadrada de diamante cuyas caras forman un ángulo de 136º. Llamado el ensayo universal. Sus cargas van de 5 a 120 kilogramos (de cinco en cinco). Este ensayo constituye una mejora al ensayo de Brinell. Se presiona el indentador contra una probeta, bajo cargas más livianas que las utilizadas en el ensayo Brinell. Se miden las diagonales de la impresión cuadrada y se halla el promedio para aplicar la fórmula correspondiente. La diagonal de la huella se mide utilizando un microscopio, En este método, al contrario de lo que ocurre en Brinell las cargas pueden ser de cualquier valor, porque las impresiones son siempre proporcionales a la carga para un mismo material. Por lo tanto, el valor de dureza es el mismo independientemente la carga utilizada. El grado de dureza Vickers, HV, se obtiene dividiendo la fuerza, F, que se aplica sobre la pirámide entre la superficie lateral, S, de la huella: F HV S El durómetro no proporciona el valor del área de impresión de la pirámide, pero se puede obtener, por medio de un microscopio, medidas de la diagonal (D1 y D2) formado por los vértices opuestos de la base la pirámide. 15 5 UT 2 MA9 Hay tres rangos de cargas: para el ensayo de dureza Vickers, para Vickers a baja fuerza y para la microdureza Vickers. La elección de la carga irá en función del espesor de la pieza de ensayo y de la dureza del material. Cuando sea necesario medir la dureza sobre capas muy finas o sobre materiales frágiles como el vidrio se requieren equipos de medida que actúen con cargas muy pequeñas. Estos aparatos se denominan microdurómetros, y como método de medida se utiliza el método de Vickers, con una pirámide normal o con el diamante de Knoop. Designación de la dureza Vickers La dureza Vickers se designa con el símbolo HV precedido por el valor de la dureza seguido por los índices que precisan las condiciones del ensayo como son: el número representativo convencional de la carga de ensayo y el tiempo de aplicación de la carga en segundos (cuando esté fuera del intervalo normalizado de 10 a 15 segundos) según: XXX HV F/t Ej: 660 HV 30/20 significa una dureza Vickers de 660 medida bajo una carga de 30 Kgf (294 N) durante un tiempo de 20 segundos. En comparación con la prueba Brinell, el ensayo Vickers presenta las siguientes ventajas: No es necesario sustituir el penetrador al variar la carga Se puede utilizar en piezas muy delgadas con cargas pequeñas. Se puede utilizar en superficies curvas. 6 UT 2 MA9 La prueba se puede realizar sobre una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta valores de 1150 HV. Permite medir dureza superficial por la pequeña penetración del diamante. (Recubrimiento de materiales: cromado, niquelado) Las medidas de dureza ofrecidas por este método son más precisas que las del ensayo Rockwell. La escala Vickers es más detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad Rockwell La desventaja que presenta este ensayo es que, necesita una superficie de ensayo preparada muy cuidadosamente, similar a la preparación metalográfica, para evitar errores en la medición de la huella, lo que hace a este ensayo lento y costoso por lo que no es usado como ensayo de rutina ni industrialmente. Condiciones del ensayo: Análogas a las del ensayo Brinell. La superficie estará lisa, exenta de óxidos e imperfecciones y sin la presencia de lubricantes. La superficie no será excesivamente rugosa. En el caso de la microdureza Vickers deberá estar pulida. El espesor de la probeta debe ser superior a 1,5 veces la diagonal de la huella o un mínimo de 0,2 mm, de forma que no produzca ninguna deformación en la cara opuesta de la superficie a ensayar. Cuando el ensayo se realice próximo al borde de la pieza nos aseguraremos que la distancia entre el centro de la huella y el borde de la probeta sea, como mínimo, 2,5 veces la longitud de la diagonal de la huella, para aceros, cobre y aleaciones; en el caso de materiales ligeros será de al menos 3 veces. En huellas que se encuentren próximas la distancia entre centros será de al menos 3 veces la media de la diagonal de la huella y de 6 veces si los materiales son blandos. Se medirán las dos diagonales de la huella, obteniendo posteriormente la media aritmética. El ensayo se realizará a temperatura ambiente (10-35ºC). A ser posible se establecerá una temperatura de 23ºC con una oscilación de 5. El tiempo empleado desde que se comienza a aplicar la fuerza creciente hasta que llega a su valor máximo estará entre 2 y 8 segundos. Si se trata del ensayo a bajo esfuerzo o microdureza, el tiempo máximo a realizar esta operación no superará los 10 segundos; además, la velocidad del penetrador durante el proceso de aplicación de carga no será superior a 0,2 mm/s. El tiempo de aplicación de la fuerza (una vez se llega a la máxima) será entre 10 y 15 segundos. ENSAYO ROCKWELL (HR) (UNE-EN ISO 6508-1) Este método, a diferencia de los restantes, permite determinar la dureza de un material, no a partir de la superficie de la huella sino de su profundidad. Es más fácil y rápido de realizar, ya que proporciona directamente el valor sin necesidad de medir la huella, con lo que se ahorra mucho tiempo, pero menos preciso que los ensayos vistos anteriormente. El método consiste en penetrar una bola para materiales blandos o un cono para materiales duros. Los penetradores para el ensayo de dureza Rockwell son dos: Forma esférica: bola de acero endurecido, para materiales semiduros y blandos (60 y 150 HV) Penetrador esférico 7 Penetrador cónico 17 UT 2 MA9 Forma cónica: cono de diamante con forma cónica de ángulo 120º, para materiales duros (entre 235 y 1075 HV) La carga de ensayo se aplica en dos etapas, o sea, primero se aplica una precarga o carga inicial de 10 kg, para garantizar un contacto firme entre el penetrador y el material de ensayo. La profundidad de penetración alcanzada constituye el valor de partida para la medición de la profundidad de la huella. Después se aplica la carga propiamente dicha, sin liberar la de 10 kg. Se mide la profundidad de penetración que queda (sin retirar la precarga) y en la escala del aparato se lee directamente la correspondiente dureza Rockwell C (HRc) cono o la Rockwell B (HRb) bolita. Escala negra La profundidad de la penetración se mide automáticamente en la escala del durómetro y se convierte a un índice de dureza ROCKWELL. La lectura de la dureza del material ensayado se obtendrá en la escala del medidor que incorpora el durómetro o en el display, después de aplicarle el procedimiento correspondiente. Cuando se utiliza el penetrador cónico de diamante se realiza la lectura del resultado en la escala de la esfera de color negro. Cuando se usa el penetrador esférico, se hace la Escala roja lectura del resultado en la escala de color rojo. El equipo con pantalla digital, una vez puesta la escala para ser utilizado, el valor se lee directamente en la escala. Métodos Rockwell Distinguiremos dos métodos de ensayo: la dureza Rockwell y la dureza Rockwell superficial, diferenciándose ambas en las escalas empleadas y el campo de aplicación. La dureza Rockwell se puede realizar en dos tipos de máquinas, ambas con la misma técnica de operación. La máquina que mide la dureza Rockwell normal es adecuada para la evaluación de la dureza en general. Medidas más exactas las realiza la máquina de dureza Rockwell superficial, y es adecuada para la evaluación de la dureza en delgadas láminas o placas, o capa de superficie de materiales. En la máquina normal de Rockwell, cada división escala asciende a 0,02 mm de profundidad; la máquina Rockwell superficial , cada división es equivalente a 0,01 mm. En las pruebas de dureza Rockwell estándar utiliza una pre-carga de 10 kgf y una carga adicional puede ser de 60, 100 ó 150 kgf . En los ensayos de dureza Rockwell superficial la precarga es de 3 kgf y la carga adicional puede ser de 15 , 30 ó 45 kgf. La máxima penetración que produce el durómetro es de 0,2 mm. Estando la escala del medidor dividida en 100 partes, la unidad de penetración e equivaldría a 0’002 mm ó 2 μm, por tanto una unidad Rockwell equivale a una profundidad de 2 μm. Tipos de dureza Rockwell Cada combinación de un tipo de penetrador y el valor de la carga adicional determina una escala Rockwell específica. El número obtenido en la prueba Rockwell corresponde a un valor adimensional, sólo tiene sentido cuando se compara con otros valores de misma escala. Las escalas Rockwell empleadas más comúnmente son la B (marcador de bola de 1/16 de pulg. y 100 kg de carga) y la C (marcador de diamante y 150 kg de carga), ambas obtenidas con la máquina normal. Los tipos de dureza Rockwell, sus respectivas cargas y penetradores se muestra en la siguiente tabla: UT 2 MA9 Rockwell B (HRB) Se aplica a materiales blandos (60-150 HV) y se utiliza el penetrador de bola (B) de 1/16 ” de diámetro o de 1/8 ” según la escala de dureza empleada. Para llevar a cabo el método Rockwell HRB se coloca una carga inicial o precarga de 10 kp (98,07 N), para obviar los errores debidos a la superficie del material a ensayar. Este proceso provoca la huella inicial de profundidad h0 y establecería el origen de la medida de profundidad. A continuación se incrementa la carga, para completar la del ensayo, a velocidad constante en aproximadamente 15 segundos, lo que provoca una huella h1. Finalmente, se retira la carga adicional y el penetrador retrocede, debido a la recuperación elástica del material, quedando una huella permanente, h. La profundidad de la huella viene definida por: e=h−h0 Pero esto daría un mayor número a una menor dureza del material. Para evitar este efecto, se realiza un cálculo que en definitiva corrige este problema y muestra el valor correcto de la dureza. Así: HRB = 130 – e En la práctica no hay necesidad de usar esta fórmulas ya que los indicadores de las máquinas de Rockwell de manera automática realizan estas operaciones mostrando directamente el número de dureza en sus diales. UT 2 MA9 Rockwell C (HRC) Se aplica a materiales más duros, entre 235 y 1 075 HV. El penetrador es un cono (C) de diamante con un ángulo de 120o terminado en casquete esférico de radio 0’2 mm. El procedimiento es el mismo que para el ensayo HRB, salvo que la escala empleada, que muestra el valor de la dureza, es la mostrada en negro. La carga total a aplicar para este método es de 150 Kp que incluye los 10 kp iniciales. La corrección que se realiza en este tipo es: HRC = 100 – e Designación de la dureza Rockwell. Los números de dureza Rockwell se expresan siempre con un símbolo de escala, que indica el penetrador y la carga utilizada. El símbolo HR va precedido por el valor de la dureza seguido por los índices que precisan las condiciones del ensayo: escala de medida, tipo de material de la bola del penetrador (S= acero; W = metal duro). Ejemplo: 60 HRC indica un valor de dureza Rockwell 60 medido en la escala C. 75 HR B W 15, significa una dureza Rockwell de 75 medida en la escala B con penetrador de esfera de carburo y con una carga aplicada durante un tiempo de 15 segundos. Condiciones del ensayo: La superficie de la probeta debe encontrase desengrasada y limpia. Se pone el penetrador en contacto con la muestra y se aplica una carga inicial de 10 kp. Se pone el indicador de penetración a cero y se aplica una segunda carga. Se retira la carga adicional y la dureza se lee como el valor indicado por la esfera del durómetro. Se desecharán las dos primeras mediciones para asegurar que está correctamente montado y que las medidas no son erróneas. La duración de la aplicación de la fuerza preliminar Fo no superará los 3 segundos. El tiempo traunscurrido en la aplicación de la carga oscilará entre 1 y 8 segundos. Alcanzado este punto se permanecerá en dicha posición 4 segundos, con un margen de tolerancia de 2 segundos. Este tiempo de permanencia puede cambiar para ciertos materiales que se comportan con gran plasticidad; cuando esto suceda, será necesario designarlo convenientemente e incluirlo en el informe final. El espesor de la probeta deberá ser como mínimo de 10 veces la profundidad de la huella permanente, cuando se empleen penetradores cónicos, y de 15 veces, cuando sean esféricos. La distancia entre centros de huellas próximas será de al menos 4 veces el diámetro de la huella, y siempre mayor de 2 mm. La distancia desde el centro de la huella al borde de la pieza será de 2,5 veces el diámetro de la huella, pero nunca menor de 1 mm. UT 2 MA9 Método Knoop: Ensayo similar al Vickers pero donde el penetrador es piramidal y su base rómbica. Las cargas aplicadas son pequeñas (1-1000 g) y el valor de la dureza se determina por la medición con microscopio del valor de la mayor diagonal de la huella. Se emplea básicamente para medir durezas superficiales, tales como esmaltes, recubrimientos metálicos, etc. La fórmula que nos permite calcular el valor de microdureza relaciona la carga (kp) aplicada con el valor de la mayor diagonal de la huella (mm): ENSAYOS DE DUREZA DINÁMICOS Estos ensayos presentan más errores que los estáticos y son menos precisos. Pero debido a la rapidez en la ejecución, a la sencillez de los instrumentos y a que los equipos son portátiles hacen necesario su estudio. Dureza al rebote. (método por retroceso) Mediante estos métodos se mide la llamada dureza dinámica o elástica o dureza Shore (HS); para ello se calcula la energía que se consume en el choque de una pieza que se deja caer desde una cierta altura contra el material cuya dureza se quiere determinar. La medida se realiza en un esclerómetro o escleroscopio, aparato que está formado por un tubo de cristal graduado, de 300 mm de altura, por cuyo interior cae un martillo con una punta de diamante redondeada de 2,36 g. La altura de la caída es de 254 mm y la escala está dividida en 140 divisiones. El instrumento tiene por lo general un disco autoindicador tal que la altura de rebote se indica automáticamente. Condiciones de ensayo: 1. La superficie ha de ser plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerómetro. 2. Se deben hacer al menos 3 ensayos y en sitios diferentes, ya que se produce un endurecimiento de la superficie por el choque. Entre las ventajas del método Shore: 1. Es el único ensayo no destructivo para medir durezas. 2. No produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado 3. Permite medir la dureza superficial de piezas terminadas.
