MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 1 de 7 Laboratorio MEC-2248 2 ENSAYO DE DUREZA 2.1 INTRODUCCIÓN Una de las propiedades mecánicas importantes en los procesos industriales es la dureza de los materiales. Las pruebas de dureza pueden considerarse del orden no destructivo, ya que el rastro de una huella pequeña, que es una de sus características, no impide la utilización del objeto ensayado posteriormente. [1] El ensayo de dureza es frecuente en el control de calidad de materiales pre y post procesados. Es más económico que los ensayos destructivos, de ahí su uso frecuente. 2.2 CUESTIONAMIENTOS INICIALES Las siguientes preguntas tienen la finalidad de motivar e incentivar el interés en la temática experimental del presente laboratorio: De qué aparatos o dispositivos se cuenta para determinar la dureza de materiales metálicos? Será directa la cuantificación del número de dureza o implica procedimientos intermedios como sugiere la introducción teórica efectuada en clases? Existe alguna relación entre la dureza y la resistencia mecánica de los aceros? 2.3 OBJETIVO GENERAL Efectuar un ensayo de dureza en distintos tipos de acero mediante la utilización de un durómetro de rebote de lectura directa y así viabilizar la verificación de la correlación experimental entre dureza y resistencia mecánica. 2.3.1 0bjetivos Específicos Se plantean las tareas que siguen a continuación: - Conocer las características generales del durómetro de rebote disponible: Uso, lectura y precauciones. - Determinar la dureza de: Un riel de ferrocarril, un diente de engranaje prefabricado, la probeta de tracción destinada al ensayo de tracción (Lab. 1). - Estimar, a partir de la dureza, la resistencia mecánica de la probeta de ensayo de tracción, para comparar con el valor obtenido de dicho ensayo (Lab. 1), a fin de evaluar la validez de la correlación empírica existente entre resistencia a la tracción y la dureza.
MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 2 de 7 2.4 MARCO TEÓRICO BÁSICO La dureza es una propiedad mecánica, que consiste en la oposición de un material a la deformación plástica localizada como el rayado o la penetración de superficie. [2] El ensayo de dureza consiste básicamente en la acción controlada de un penetrador o indentador esférico, piramidal o cónico generalmente de acero endurecido o templado, algún carburo de alta dureza como es el carburo de tungsteno, o diamante sobre una superficie pulida correspondiente al material objeto de la prueba. [1] En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante que se relaciona con el número de dureza en relación al método particular empleado (Brinell, Rockwell, etc.), siendo que cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella o indentación, y menor el número de dureza. [2] Por otra parte, tanto la resistencia como la dureza son indicadores de la oposición del material a ser deformado plásticamente, por ello ha sido posible establecer una relación de proporcionalidad entre ambas propiedades mecánicas. Figura 1 Relación de proporcionalidad entre dureza Brinell (Brinell hardness number, BHN) y resistencia a la tracción (tensile strength) en algunos materiales: Aceros (steels), latón (brass), y fundición nodular (nod. cast iron). [2] La correlación empírica entre resistencia mecánica y el número de dureza Brinel se puede expresar por la relación: RR mm = 3.45 HHHH (1) Siendo:
MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 3 de 7 RR mm, Resistencia a la tracción o resistencia mecánica (MPa o N/mm 2 ). HHHH, número de dureza en escala Brinell (BHN) (kgf/mm 2 ). La Ec. (1) es de carácter experimental que permite estimar la resistencia a la tracción de una gran gama de aceros. No es válida para todos los metales. También resulta importante mencionar que existen dispositivos cuyo principio de indentación resulta interesante como el caso de los durómetros de rebote. El principio de dicho método de ensayo fue desarrollado y propuesto por Dietmar Leeb en 1978, se trata de la dureza Leeb. [3] En dicho sistema la cabeza de prueba armada con un hierro magnético viaja por el cilindro embobinado de inducción (coil) a cierta velocidad, actúa en la superficie metálica de ensayo y rebota de retorno. En este caso el voltaje de inducción está en proporción directa a la velocidad que será percibida por el aparato. La ecuación correspondiente a la dureza Leeb se expresa por: HHHHHH = vv bb vv aa 1000 (2) Siendo: HHHHHH, valor de dureza Leeb. vv bb, velocidad de rebote (LT -1 ). vv aa, velocidad de impacto (LT -1 ). La evaluación de la Ec. (2) es efectuada internamente por el sistema propio del dispositivo cuyo diseño se basa en el micro-procesamiento. [3] 2.5 MEDIOS Y EQUIPAMIENTO Se utilizará lo siguiente: - Durómetro de rebote, marca LEED S, modelo THL-300 Hardness Tester, dispositivo portátil; accesorios: Calibrador de dureza Leeb (HLD) consistente en pieza cilíndrica de acero cuya dureza está predefinida (HLD 0784); - Un riel de ferrocarril, ~0.60m; - Una rueda dentada o engranaje, 120mm; - Espécimen o probeta normalizada de acero para ensayo de tracción (provista por cada grupo de estudiantes previamente al ensayo de tracción); - Mesa de trabajo, de apoyo firme sin vibración (conforme a requerimientos particulares del durómetro disponible), 1 2m; - Trapo de limpieza superficial.
MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 4 de 7 2.6 METODOLOGÍA PROCEDIMENTAL La ejecución experimental del ensayo se rige bajo el siguiente proceso: 2.6.1 Preparación de las piezas o Efectuar la limpieza de cada pieza a ser ensayada: Liberar de rastros de grasa, u otra suciedad en forma de escarcha. o Las superficies de prueba deben ser pulidas (sin rugosidad apreciable), planas o de baja curvatura en su superficie (> 30mm, si es posible). [3] o Es recomendable que las piezas a ensayar sean mayores a 2.5kg para dar suficiente estabilidad y apoyo durante la medición con el durómetro. o Percibir el carácter sonoro de las distintas piezas disponibles mediante un golpe leve con otra pieza metálica. Nótese las diferencias sensoriales que producen. 2.6.2 Medición de dureza: Registro de Datos o En el durómetro, una vez encendido: - Seleccionar el método y la escala de medición (HB, HRB, HRC, etc.). Por defecto está disponible el método Leeb. - Seleccionar, en el mismo dispositivo, un material referencial correspondiente a un rango de durezas en el cual se encuentre el número de dureza de la pieza a ensayar, en la escala requerida. Si no se cuenta con experiencia previa será recomendable revisar la Tabla 1 (Application range) del manual del aparato. [3] Por ejemplo, para el riel se recomienda: Escala HRC / Stainless steel. - Cargar el durómetro por retracción móvil del disparador, asentar el apoyo sobre la superficie de la pieza preparada, el dispositivo debe quedar perpendicularmente bien apoyado en la superficie, efectuar el disparo con el botón de impacto. - Registrar la lectura mostrada en la pantalla LCD: Cinco lecturas por pieza (si hay lecturas consecutivas que muestran apreciable error con respecto a las anteriores, conviene repetir esa medición). - Se sugiere utilizar las siguientes tablas de registro: Tabla 1 Registro de dureza para pieza de ensayo: Riel de ferrocarril Escala de Dureza: Rockwell C (HRC) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 Lectura 4 Lectura 5 Valor Promedio Acero al Mn Tabla 2 Registro de dureza para pieza de ensayo: Diente de engranaje Escala de Dureza: Rockwell B (HRB) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 Lectura 4 Lectura 5 Valor Promedio Acero temple Superf.
MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 5 de 7 Tabla 3 Registro de dureza para pieza de ensayo: Probeta para tracción Escala de Dureza: Brinell (HB) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 Lectura 4 Lectura 5 Valor Promedio SAE 1045 2.6.3 Trabajo de gabinete: Procesamiento de Datos o Calcular los promedios de las lecturas de los valores de dureza medidos. o Para el caso de la probeta de tracción corresponde verificar la correlación empírica entre resistencia mecánica y número de dureza Brinell mediante la Ec. (1) y comparar con el valor determinado en el ensayo de tracción correspondiente al Laboratorio 1. 2.7 RESULTADOS Resumir la información obtenida de la siguiente manera: Tabla 4 Resultados obtenidos del Ensayo de Dureza Pieza ensayada Valor medido de Dureza Brinell (HB) Rockwell B (HRB) Rockwell C (HRC) Riel de ferrocarril Acero al Mn Diente de engranaje Probeta para tracción Acero templado superficial SAE 1045 Tabla 5 Resultados obtenidos para correlación Dureza Brinell-Resistencia Mecánica Verificación de correlación empírica Pieza ensayada Probeta para tracción SAE 1045 a Procedimiento realizado en Laboratorio 1. Dureza Brinell, HB (kgf/mm 2 ) R m estimado por Ec.(1) (MPa) R m determinado por ensayo de tracción a (MPa) 2.7.1 Interpretación y Discusión de Resultados Aquí se pide analizar la validez de los valores encontrados, su lógica, la correspondencia con lo teórico, así como observaciones e inquietudes personales que expliquen los resultados alcanzados en relación a las expectativas de los mismos. Es importante que toda discusión o aporte personal se apoye en fundamentos científicos expuestos en el marco teórico u otras referencias que el estudiante conozca. De ser así deberá referenciar en la sección destinada a Referencias Bibliográficas.
MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 6 de 7 2.8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Es necesario valorar la correspondencia entre el procedimiento recomendado, la disponibilidad de medios, el logro de objetivos, limitaciones e imprevistos que han tenido lugar en la realización del Laboratorio. También, revisar el alcance que ha tenido la realización del presente Laboratorio en dar respuesta a los cuestionamientos inicialmente planteados en la Sección 2.2. 2.9 CUESTIONARIO Es importante responder a las siguientes preguntas una vez realizada y ejecutada la experiencia: 1) A qué factores se deben los errores de lectura de dureza que suelen presentarse en el dispositivo? 2) Qué precauciones deben seguirse al medir dureza en piezas que tienen antecedente de estar endurecidas superficialmente? 3) Es correcto pretender estimar la resistencia a la tracción de esas piezas a partir de un ensayo de dureza? Justifique su respuesta. 2.10 DIRECTRICES GENERALES PARA LA PRESENTACIÓN DEL INFORME DE LABO- RATORIO Se valorará en la calificación del informe los siguientes aspectos de forma y contenido: Formato: Tamaño de hoja: A4. Carátula: Universidad, facultad, carrera, título (Nº de Informe de Laboratorio), nombre del Laboratorio, nómina de integrantes (1 a 4), docente, lugar y fecha. Hoja de Resumen: Síntesis breve del trabajo realizado. Resaltando objetivos, métodos, resultados, discusiones y conclusiones. Estructura del Informe: Utilizar la que se sugiere en la presente Guía (Introducción, Objetivo, etc.). Cada sección numerada, del mismo modo las páginas. Contenido: Ampliación y complementación del marco teórico. Referenciar fuentes consultadas. Detalle del procedimiento seguido: Explicaciones ampliadas y personalizadas, fotografías, imágenes u otros. Análisis y discusión de resultados obtenidos. Cuestionario respondido con fundamento científico y criterio, aceptables. Varios: Es requisito para la presentación del informe: Haber asistido y participado en la ejecución del Laboratorio.
MEC - ELM Guía de LABORATORIO ENSAYO DE DUREZA 7 de 7 La ampliación del marco teórico, así como del procedimiento efectuado, debe ser original: Mostrar capacidad de resumen y síntesis, presentar lo que sea estrictamente necesario, respeto a la propiedad intelectual referenciando las fuentes consultadas. Advertencia: Hacer uso desenfrenado del fenómeno copiar/pegar (copy/paste) le resta gran valor al trabajo realizado. 2.11 REFERENCIAS [1] William F. SMITH, Javad HASHEMI, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de es, 4ta Ed., McGraw-Hill, México, 2006. [2] William D. CALLISTER, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los es, 3ra Ed., Reverté, Barcelona, 1996. [3] LEED S, Hardness Tester THL-300 Manual, 2009.