DUREZA ROCKWELL OBJETIVO DEL ENSAYO: determinar experimentalmente la dureza Rockwell. Estudiar su campo de aplicación. CONSIDERACIONES TEÓRICAS GENERALES. Definición de dureza: se entiende por dureza 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 ó penetrador), de determinada forma y dimensiones. Los métodos Brinell y Vickers, ya estudiados, poseen la insuficiencia principal de que la medición de las características geométricas de la impronta toma cierto tiempo, además dicha medición a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de desarrollar otros métodos de determinación de la dureza llevando al desarrollo de métodos como el Rockwell, en el cual la medición de la dureza es mucho más ágil y objetiva. El método de Rockwell aunque es un método de indentación no pretende de manera directa medir la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente proporcional a la penetración del indentador. El estándar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador cónicoesferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión bajo condiciones específicas de carga. El estándar ASTM E18-03 define el número de dureza Rockwell como un número derivado del incremento neto en la profundidad del indentador cuando la fuerza en el indentador es incrementada desde una fuerza previa (preliminar específica) hasta una fuerza total (específica) y luego retornada al valor de fuerza previa. El esquema de determinación de la dureza según Rockwell se expone en la figura 1. Figura 1. Esquema de medición de la dureza Rockwell Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la acción de la carga previa P 0, 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. Después se expone la probeta a la acción de la carga total P f = P 0 + P 1, y la profundidad de penetración aumenta. Luego de retirada la carga principal P 1, en el sistema
probeta-indentador ocurre una recuperación elástica, ya que sobre el actúa sólo la carga previa P 0, siendo posible la medición de la profundidad de penetración h, la cual determina el número de dureza Rockwell (HR). Para determinar la dureza Rockwell se utilizan dos tipos de indentadores: el cónico-esferoidal de diamante y el de bola (acero o carbono de tungsteno) de varios diámetros Entre el número de Rockwell y la profundidad de la impronta h existe la siguiente dependencia: Para el cono de diamante =100, Para las bolas de acero =130, De estas fórmulas se deduce que cada unidad de dureza Rockwell corresponde a una penetración de 0,002 mm y que el valor de dichas unidades debe ser restado de cierto tope para que haya coherencia: a menor profundidad de penetración mayor será el número de Rockwell y viceversa. En la práctica no hay necesidad de usar estas 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. Esta característica granjeó para este método una gran popularidad. El estándar define las características geométricas de los indentadores. Para el penetrador cónico esferoidal se muestran en la figura: Indentador cónico esferoidal de Rockwell Las bolas son similares a las del método Brinell y tienen los siguientes diámetros: 1/16 ; 1/8 ; 1/4 ; 1/2. Las cargas a aplicar pueden ser: carga previa P 0 [kgf] 10 carga principal P 1 [kgf] 50 90 140 carga total P f [kgf] 60 100 150 A partir de las combinaciones posibles de distintos indentadores y cargas, el estándar ASTM E18 define 15 escalas diferentes de durezas Rockwell. Se muestra la tabla que las define, tomada directamente de dicho estándar. En esta tabla se muestra también la aplicabilidad de cada tipo de prueba.
Tabla 1. Escalas de dureza Rockwell Escala Indentador Carga Total Color de escala Aplicaciones A Cono diamante 60 Negro Metales duros, superficies templadas, chapa fina (<0,4 mm) D Cono diamante 100 Negro Piezas con superficies templada de dureza media, chapas C Cono diamante 150 Negro Aceros templados F Bola de ø 1/16 60 Rojo Aleaciones cobre recocido. Chapa fina metálica (>0,6 mm) B Bola de ø 1/16 100 Rojo Aceros blandos, de construcción, metales no ferrosos G Bola de ø 1/16 150 Rojo Bronce, cobre-berilio, cobre-níquel, fundición maleable H Bola de ø 1/8 60 Rojo Aluminio, zinc, plomo E Bola de ø 1/8 100 Rojo Fundición, aleaciones Al-Mg, metales antifricción o sintéticos K Bola de ø 1/8 150 Rojo L Bola de ø 1/4 60 Rojo M Bola de ø 1/4 100 Rojo P Bola de ø 1/4 150 Rojo R Bola de ø 1/2 60 Rojo S Bola de ø 1/2 100 Rojo V Bola de ø 1/2 150 Rojo Metales antifricción o de dureza muy baja, Ebonita (ASTM D530-59T), Madera laminada (ASTM D 805-52), Materiales sintéticos (ASTM D-785-60T), Otros materiales muy blandos o muy finos. -Escalas de dureza Rockwell (Tomado de ASTM E 18-03) Nota: La máquina de nuestro Laboratorio difiere de lo consignado en esta tabla, al estar marcada en color rojo la escala de aplicación con diamante y en negro la escala de aplicación con bolas de acero En la práctica las escalas más difundidas son la B y C. El número de dureza Rockwell se denota como HR seguido de la letra mayúscula de la escala así: 64 HRC Esta notación indica una dureza Rockwell de 64 unidades en la escala C (diamante, carga total 150 kgf) Cuando se utiliza una bola como indentador, la designación de la escala es seguida por la letra S si es de acero o W si es de carburo de tungsteno. Tiempo de aplicación de la carga. Sobre el tiempo de aplicación de la carga principal existen discrepancias. El estándar ASTM E 18-79 especifica un tiempo de aplicación de la carga principal de no más de 2 s, luego del detenimiento de la palanca de aplicación, además advierte lo siguiente: en el caso de ensayarse materiales que presenten pequeño flujo plástico o no lo presenten luego de la aplicación total de la carga, la palanca debe ser retornada inmediatamente para retirar la carga principal; en el caso de flujo plástico considerable, lo que se manifiesta en el movimiento del puntero del indicador luego del detenimiento de la palanca de aplicación de la carga, ésta debe ser retornada luego de 2 s de aplicada la fuerza (detenimiento de la palanca). El estándar DIN 50 103, por el cual se rige el manual de operación de la máquina de nuestro laboratorio, aconseja retirar la carga 10 s después del detenimiento de la palanca, si el material ensayado es muy blando debe esperarse aún más. El estándar GOST 9013-59 pide mantener la carga entre 4 y 8 s, luego de establecerse el valor nominal de la misma. En nuestro laboratorio nos atendremos al estándar ASTM, de todos modos, cuando se apliquen las cargas por un tiempo mayor a los 2 s, este hecho será consignado en el informe.
PROCEDIMIENTO Para obtener la dureza Rockwell de la superficie de un material se presiona contra la probeta un indentador (cónico-esferoidal o esférico, según el caso) con una carga previa, luego se aplica la carga principal para sostener la carga total durante algún tiempo. Luego de retirada la carga principal y mantenido la previa, se observa en la escala correspondiente al tipo de indentador, el valor de la dureza Rockwell, calculado automáticamente por la máquina. En las mismas condiciones se realizan varias indentaciones más. MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA. Máquina. Para los ensayos Rockwell se usa el escleroscopio HP-250 marca Wekstoffprüfmaschinen, del cual se muestra su aspecto general en la siguiente figura. Este aparato sirve para la medición tanto de dureza Rockwell como Brinell y Vickers. Aplica cargas hasta de 250 kgf. Posee incorporado un sistema de medición de la profundidad de penetración, el cual muestra la dureza Rockwell obtenida durante el ensayo. Máquina de dureza Rockwell El funcionamiento de la máquina puede verse en la parte final de este informe, el procedimiento de medición será explicado por el profesor y el monitor en el momento de la práctica. Probetas. Se ensayarán tres probetas de acero AISI O1, con distintos tratamientos térmicos. Estas mismas probetas se usaron para la medición de la dureza Vickers y serán destruidas durante el ensayo de Impacto. 1) Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro, 2) Probeta de acero AISI O1 templada en aceite, 3) Probeta de acero AISI O1 templada en agua. Las probetas deben ser limpiadas para retirar el óxido, suciedad y escamas de una de sus caras donde se realizarán las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar la superficie durante el procedimiento de limpieza. La probeta debe ser montada de tal forma que la superficie esté en la normal del eje del indentador.
Indentadores. El indentador de diamante debe ser un cono con punta esférica altamente pulido. El ángulo debe ser de 120 ± 30. La punta debe ser una esfera de diámetro nominal 0,200 mm. Las esferas deben tener una dureza Vickers (HV) de al menos 850. Las bolas tienen diámetros y tolerancias como se muestra en la siguiente tabla. Diámetro de la bola Tolerancia [in] 1/16 ± 0,001 1/8 ± 0,001 ¼ ±0,001 ½ ±0,001 REALIZACIÓN DEL ENSAYO Como el ensayo se realiza bajo la estricta supervisión y dirección del profesor y monitor, sólo se darán aquí algunas recomendaciones adicionales. 1. Se selecciona el tipo de ensayo según la tabla de escalas de dureza Rockwell. Las condiciones específicas para las durezas HRC y HRB se muestran en la siguiente tabla. Indentador Carga P f Escala Límites [kgf] HRB Bola 1/16 100 negra 25...100 HRC Diamante 150 roja 20...67 2. Las mediciones se realizarán así para cada probeta: Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro Probeta de acero AISI O1 templada en aceite Probeta de acero AISI O1 templada en agua. HRB HRC HRC Se debe tener especial cuidado en que la mediciones de dureza muestren resultados dentro de los límites permitidos, de no ser así se debe echar mano de otra escala u otro método de medición de dureza. 3. Cada vez que se realice cambio de indentador la primera impronta obtenida no será tenida en cuenta, esto para permitir el asentamiento del sistema indentador, montura y porta indentador. 4. Se realizarán entre 5 y 10 indentaciones por probeta, teniendo en cuenta que la separación del borde de la probeta y de una huella al borde de la otra debe ser mayor a 2,5 veces el diámetro de la huella. TRATAMIENTO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS Los datos obtenidos para cada impronta se anotan. Para obtener un dato consolidado se promedian las durezas obtenidas en todas las indentaciones de cada probeta. Este número se redondea hasta unidades enteras. Los resultados se presentan escribiendo la notación estándar correcta. Ejemplo: Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro: 90 HRB
INFORME De manera particular, el informe sobre el ensayo Dureza Rockwell, debe contener. 1) Objetivo. 2) Consideraciones teóricas generales: Definición de dureza. Método Rockwell. 3) Maquinaria. Indentadores. 3) Probetas. Dibujo de las mismas, comparación con la probeta ASTM. 4) Resultados de dureza para cada probeta, con la notación correcta. 5) Conclusiones.