ENSAYO DE DUREZA BRINELL MTC E804-2000 Este Modo Operativo está basado en las Normas ASTM A 370 y AASHTO T 70, los mismos que se han adaptado, a nivel de implementación, a las condiciones propias de nuestra realidad. Cabe indicar que este Modo Operativo está sujeto a revisión y actualización continua. Este Modo Operativo no propone los requisitos concernientes a seguridad. Es responsabilidad del Usuario establecer las cláusulas de seguridad y salubridad correspondientes, y determinar además las obligaciones de su uso e interpretación. 1. OBJETIVO 1.1 Describe el procedimiento que debe seguirse para realizar el ensayo de dureza Brinell. 1.2 El ensayo de dureza Brinell es un método para determinar la resistencia a la penetración usando una máquina que incrusta una esfera dura bajo condiciones específicos dentro de la superficie ensayada, midiendo luego el diámetro de la impresión resultante cuando se ha removido la carga. 2. APARATOS 2.1 Máquina de ensayo. El equipo para el ensayo de dureza Brinell usualmente consta de una máquina de ensayo que sostiene la muestra y que aplica una carga de indentación predeterminada a una esfera que está en contacto con la muestra. La magnitud de la carga de indentación esta limitada a ciertos valores discretos (3000, 1500 y 500 kgf). El diseño de la máquina de ensayo debe ser tal que no ocurran movimientos laterales o balanceos de la muestra o de la esfera mientras se aplica la carga. Cuando se utilicen máquinas con el sistema de "carga muerta", se deben tomar precauciones para evitar una sobrecarga momentánea debido a la inercia del sistema de "carga muerta". El sistema de carga debe operarse con el máximo cuidado a medida que se aproxima al valor máximo de indentación. 2.2 Esfera Brinell normalizada. Las esferas Brinell normalizadas deberán tener 10 mm en diámetro con una tolerancia de este valor no mayor a 0.005 mm en cualquier diámetro. Esferas más pequeñas y las tolerancias de estas se señalan en la Tabla 1, teniendo en cuenta las observaciones que al respecto se hacen en el numeral 4, "Procedimiento". Tabla 1 Esferas Brinell diferentes a la normalizada Diámetros de la esfera mm Tolerancia mm Del a 3 ± 0.0035 De 3 a 6 ± 0.0040 De 6 a 10 ± 0.0045 ICG Instituto de la Construcción y Gerencia MTC E 804 2000 / Pág. 1
Una esfera de acero con dureza Vickers (HV) de al menos 850 usando una carga de 10 kgf puede usarse en materiales que tengan un HB (número de dureza Brinell) no superior a 450 o una esfera con carburo en materiales con HB no superior a 630. El ensayo de dureza Brinell no se recomienda para materiales que tengan un HB superior a 630. La esfera debe estar pulida y libre de defectos. Siempre que el valor de HB exceda de 200, se debe reportar el tipo de esfera utilizado. El valor máximo del promedio de dos diagonales de la impresión sobre la esfera hecha por el indentador Vicker no debe exceder los valores indicados en la Tabla 2. La esfera no debe mostrar un cambio permanente en su diámetro superior a 0.005 mm cuando se presione con la carga de ensayo contra el espécimen. Si se usa una esfera en un ensayo de un material con HB superior a los límites anteriormente descritos, la esfera debe medirse después del ensayo. Si la esfera muestra un cambio permanente en el diámetro, superior a aquel especificado, los resultados se considerarán como no representativos y la esfera no se podrá usar en ensayos posteriores. Tabla 2 Diagonal máxima promedio de la impresión de dureza Vickers sobre esferas Brinell Diámetro de la esfera mm de la impresión sobre la Diagonal máxima promedio esfera hecho con un indentador Vickers bajo carga de10 kgf, mm 10 0.146 5 0.145 2.5 0.143 2 0.142 1 0.139 2.3 Microscopio de medida. Las divisiones de la escala del micrómetro del microscopio u otro dispositivo de medida utilizado en la medición del diámetro de la impresión deben ser tales que permitan la medida directa del diámetro hasta 0.1 mm y con estimación de este diámetro hasta 0.02 mm. ICG Instituto de la Construcción y Gerencia MTC E 804 2000 / Pág. 2
3. MUESTRAS DE ENSAYO 3.1 Las muestras utilizadas en el ensayo de dureza Brinell varían ampliamente en su forma, ya que frecuentemente es necesario realizar la impresión directamente sobre el producto terminado y no sobre una muestra de este. 3.2 Espesor. El espesor de la pieza ensayada debe ser tal que no aparezcan bombas u otras marcas que muestren los efectos de la carga sobre el lado opuesto de la impresión. En cualquier caso, el espesor del espécimen debe tener al menos diez veces la profundidad de la indentación (véase Tabla 3). El ancho mínimo debe cumplir con los requerimientos del numeral 4.3. 3.3 Acabado. Cuando sea necesario, la superficie sobre la cual se realice la impresión debe limarse, maquinarse o pulirse con material abrasivo, de tal forma que el borde de la impresión esté claramente definido para determinar el diámetro con la precisión especificada. Se debe tener cuidado para no sobrecalentar o trabajar en frío la superficie. Tabla 3 Requerimientos de espesor mínimo para los ensayos de dureza Brinell Espesor mínimo de la muestra Dureza máxíma para la cual el ensayo de durez Brinell puede hacerse en forma segura mm Carga 3000 kg. Carga 1500 kg. Carga 500 kgf 1.6 602 301 100 3.2 301 150 50 4.8 201 100 33 6.4 150 75 25 8.0 120 60 20 9.6. 100 50 17 4. PROCEDIMIENTO 4.1 Magnitud de la carga de ensayo. La carga en el ensayo normalizado de dureza Brinell debe ser de 3000, 1500 ó 500 kgf. Es deseable que la carga de ensayo sea de tal magnitud que el diámetro de la impresión este en el intervalo de 2.50 a 6.00 mm (25.0 a 60.0 por ciento del diámetro de esfera). El límite inferior en el diámetro de impresión es necesario, debido a la reducción en la sensibilidad del ensayo con la reducción en el tamaño de la impresión. El límite superior esta influenciado por las limitaciones de desplazamiento del indentador en ciertos tipos de máquinas de ensayo. Los ICG Instituto de la Construcción y Gerencia MTC E 804 2000 / Pág. 3
requerimientos de espesor y espacio mencionados en los numerales 3.2 y 4.3 pueden determinar el diámetro máximo permisible para un ensayo especifico. La Tabla 4 da las cargas normalizadas y los números aproximados de dureza Brinell para el intervalo de diámetros de impresión antes indicado. No es absolutamente necesario que el ensayo Brinell esté de acuerdo con este intervalo HB, pero debe tenerse en cuenta que se pueden obtener diferentes números de dureza Brinell para un material dado usando diferentes cargas sobre una esfera de 10 mm. Con el propósito de obtener una escala continua de valores, puede ser deseable usar una única carga para cubrir el intervalo completo de dureza para una clase de material dado. Para metales más suaves, cargas de 250, 125 o 100 Kg., son utilizadas algunas veces. La carga utilizada debe ser específicamente señalada en el informe. Cuando se requiera ensayar muestras delgadas o pequeñas, generalmente se usan esferas con un diámetro inferior a 10 mm. Estos ensayos (que no son ensayos normalizados) se aproximarán mas a los ensayos normalizados, si la relación entre la carga aplicada, P, medida en kilogramos fuerza, y el diámetro de la esfera, D, en milímetros, es la misma que en el ensayo normalizado, donde: P/D 2 P/D 2 P/D 2 = 30 para carga de 3000 kgf y esfera de 10 mm. = 15 para carga de 1500 kgf y esfera de 10 mm. = 5 para carga de 500 kgf y esfera de 10 mm. Tabla 4 Cargas normalizadas de ensayo Diámetro de la esfera Carga Intervalo recomendado mm kgf HB 10 3000 96 a 6OO 10 1500 48 a 3OO 10 500 16 a 1OO Ensayos especiales para metales suaves que no simulan los ensayos normalizados, pueden hacerse con la siguiente relación carga/diámetro. P/D 2 = 2.5 P/D 2 = 1.25 P/D 2 = 1.0 ICG Instituto de la Construcción y Gerencia MTC E 804 2000 / Pág. 4
Cuando se usen esferas menores a 10 mm en diámetro, tanto la carga como el tamaño de la esfera deben señalarse específicamente en el reporte de los resultados. Las esferas con tamaño diferente a la normalizada de 10 mm, deben cumplir con los requisitos de materiales y las variaciones permisibles en el diámetro que se señalaron para la esfera normalizada. 4.2 Radio de curvatura. Cuando la indentación es hecha sobre una superficie curvada, el radio mínimo de curvatura de la superficie no debe ser menor de 25 mm para una esfera de 10 mm. El diámetro de la indentación debe tomarse como el promedio de los diámetros principales. 4.3 Espaciamiento de las indentaciones. La distancia del centro de la indentación hasta el borde de la muestra o hasta el borde de otra indentación, debe ser al menos dos y media veces el diámetro de la indentación. 4.4 Aplicación de la carga de ensayo. Aplíquese la carga firmemente, sin ninguna agitación. En las máquinas que emplean un sistema de "peso muerto" deben tomarse precauciones para prevenir un exceso de carga momentáneo causado por la inercia de los pesos. Igualmente, opérese el sistema de carga con la máxima precaución a medida que se aproxima a la carga de indentación para prevenir una gran aceleración del sistema de peso muerto. Aplíquese la carga completa de ensayo de 10 a 15 seg., excepto para metales suaves. 4.5 Alineamiento. El ángulo entre la línea de carga y la normal al espécimen, no debe exceder de dos grados. 5. MEDICIÓN DE LA IMPRESIÓN 5.1 Diámetro. En el ensayo de dureza Brinell, deben medirse dos diámetros de la impresión que formen ángulos rectos uno con respecto al otro, y el valor promedio es utilizado para calcular el número de dureza Brinell. Para ensayos rutinarios y para determinar el cumplimiento con una especificación del material o el producto, el diámetro de la impresión debe medirse con una precisión de 0.05 mm. 5.2 Estas mediciones usualmente se realizan con microscopios portátiles de bajo aumento (aproximadamente 20 X) que tengan una escala fija en el visor. 6. CÁLCULOS Y RESULTADOS 6.1 Cálculos. El número de dureza Brinell HB, se relaciona con la carga aplicada y el área de la superficie de la impresión permanente hecha por la indentación de la esfera, y se calcula con la siguiente ecuación: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia MTC E 804 2000 / Pág. 5
HB = πd ( 2P D 2 d 2 ) P = Carga aplicada kgf. D = Diámetro de la esfera, mm d = Diámetro medio de la impresión, mm. 6.2 Resultados. El reporte de los resultados debe incluir la siguiente información: a) El número de dureza Brinell. b) Las condiciones del ensayo cuando el número HB se determina con cargas diferentes a 3000 kgf y esfera con diámetro de 10 mm con un tiempo de carga distinto de 10 a 15 seg. c) El tipo de esfera utilizado cuando el numero HB exceda de 200. 7. CONVERSIÓN A OTRAS ESCALAS DE DUREZA O VALORES DE RESISTENCIA A LA TENSIÓN 7.1 No existe un método general de convertir con precisión el número de dureza Brinell a otras escalas de dureza o a valores de resistencia a la tensión. Estas conversiones son sólo aproximadas y por lo tanto deben evitarse, excepto en casos muy especiales donde los factores de conversión se hayan obtenido a partir de muchos ensayos de comparación. Nota 1. La norma ASTM E-140 da valores de conversión aproximados para algunos metales como el acero, níquel, etc. 8. REFERENCIAS NORMATIVAS AASHTO T 70 ASTM A 370 ICG Instituto de la Construcción y Gerencia MTC E 804 2000 / Pág. 6