Ensayos de dureza

adriana aristizábal castrillón martha ruth manrique torres

Otros títulos de la colección

Adriana Aristizábal Castrillón Ingeniera Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería Ambiental y doctora en Ingeniería Química, Ambiental y de

La dureza es la resistencia de la superficie de un material al ser rayado o penetrado bajo una fuerza estática ejercida por un objeto que no sufre deformaciones. Esta

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es una de las propiedades mecánicas Fundamentos de ingeniería

más importantes porque determina los

e investigadora del Departamento de Ingeniería de Procesos de la universidad EAFIT. Entre sus intereses la caracterización y síntesis de materiales y la producción más limpia.

procesos de corte y acabado superficial la interpretación de las medidas con facilidad. En esta cartilla se presenta en forma detallada el concepto de dureza y su variación de acuerdo con el tipo de materiales y se hace una descripción detallada de los diferentes ensayos de medición de dureza. Adicionalmente,

de los materiales

i Virgili. Actualmente es profesora

de investigación se encuentran

en la manufactura a bajo costo y permite

Ensayos y propiedades

Procesos de la Universidad Rovira

Ensayos de dureza

Martha Ruth Manrique Torres Profesora investigadora del Departamento de Ingeniería Industrial de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana.

Licenciada en Mecánica y Dibujo Técnico de la Universidad Pedagógica Nacional y especialista en CNC (Control Numérico Computarizado)

incluye la guía de laboratorio para la medición de la microdureza Vickers en el Centro de Automatización Industrial (CTAI) de acuerdo con la norma ISO.

del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA). Es magíster en Educación con énfasis en formación en educación superior de la Pontificia Universidad Javeriana, magíster en Ingeniería Electrónica de la misma universidad y doctora en Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Popular del Estado de Puebla (México). Además, es investigadora del grupo SIRP

ISBN 978-958-781-128-5

(Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) y del grupo Zentech de la Pontificia Universidad Javeriana.

Ensayos de tensión

9 7 8 -9 5 8 -7 8 1 -1 2 8 -5

9 789587 811285

Ensayos de dureza

Ensayos de dureza ADRIANA ARISTIZÁBAL CASTRILLÓN MARTHA RUTH MANRIQUE TORRES

Facultad de Ingeniería

Reservados todos los derechos

Corrección de estilo:

© Pontificia Universidad Javeriana

Paula Quintero Celis

© Adriana Aristizábal Castrillón

Diagramación:

© Martha Ruth Manrique Torres Primera edición: Bogotá, D. C., noviembre de 2017 ISBN: 978-958-781-128-5 Número de ejemplares: 400

Kilka Diseño Gráfico Impresión: Javegraf Gráficos: Daniel Martín Manrique

Impreso y hecho en Colombia Printed and made in Colombia Editorial Pontificia Universidad Javeriana Carrera 7.ª n.º 37-25, oficina 1301 Edificio Lutaima Teléfono: 320 8320 ext. 4752

Pontificia Universidad Javeriana | Vigilada

www.javeriana.edu.co/editorial

Mineducación. Reconocimiento como

editorialpuj@javeriana.edu.co

Universidad: Decreto 1297 del 30 de mayo

Bogotá, D. C.

de 1964. Reconocimiento de personería jurídica: Resolución 73 del 12 de diciembre de 1933 del Ministerio de Gobierno

Aristizábal Castrillón, Adriana, autora

Ensayos de dureza / Adriana Aristizábal Castrillón, Martha Ruth Manrique Torres.

-- Primera edición. -- Bogotá : Editorial Pontificia Universidad Javeriana, 2017.

28 páginas : ilustraciones, gráficas y tablas; 24 cm Incluye referencias bibliográficas.

ISBN : 978-958-781-128-5

1. CIENCIA DE LOS MATERIALES. 2. INGENIERÍA. 3. DUREZA. 4. MATERIALES DUROS. I. Manrique Torres, Martha Ruth, autora. II. Pontificia Universidad Javeriana.

CDD 620.11 edición 21 Catalogación en la publicación - Pontificia Universidad Javeriana. Biblioteca Alfonso Borrero Cabal, S.J. inp

01 / 11 / 2017

Prohibida la reproducción total o parcial de este material, sin autorización por escrito de la Pontificia Universidad Javeriana.

Contenido

Ensayos de dureza Prรกctica de microdureza Vickers

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Referencias 27

Ensayos de dureza

La dureza es la resistencia de la superficie de un material al ser rayado o penetrado bajo una fuerza estática ejercida por un objeto que no sufre deformaciones (indentador o penetrador). Entre menor sea la huella del penetrador en la muestra, más duro es el material analizado, y entre mayor sea la penetración, más suave es el material. La dureza, que es una propiedad mecánica, es importante para muchas aplicaciones en ingeniería, ya que una alta dureza en un material está relacionada tanto a una alta resistencia a rayaduras y a desgastes, como a la habilidad de dicho material para soportar las deformaciones plásticas. Además, la dureza es una medida de ductilidad y también es una medida cualitativa de la resistencia de un material, ya que los más duros desgastan a los más suaves.

La dureza se puede medir con ensayos de dureza dinámicos, donde el penetrador choca contra la muestra y se mide la deformación plástica y elástica, o con ensayos estáticos, que determinan la deformación plástica causada por el penetrador. La dureza puede medirse usando diferentes dispositivos: ultrasonido, escleroscopio o durómetro. En esta cartilla nos enfocaremos en los ensayos de dureza estáticos usando durómetros.

Ensayos de dureza Una de las técnicas para determinar cuantitativamente la dureza es mediante ensayos de dureza, los cuales consisten en la aplicación lenta de una carga que presiona perpendicularmente a un penetrador sobre la superficie pulida de la probeta bajo ensayo en condiciones controladas de velocidad y carga (el penetrador es el objeto duro que se usa para rayar el espécimen y causar una deformación plástica). Después de un tiempo

Ensayos de dureza | 9

de aplicación la carga se retira y, de acuerdo al tipo de ensayo, se mide: la profundidad de impresión, el área proyectada de impresión o el área superficial de la impresión que dejó el penetrador en la probeta. Luego se determina el número, índice o factor de dureza, que es proporcional a la fuerza aplicada al penetrador e indirectamente proporcional al área o profundidad de la deformación plástica sufrida por el material después del ensayo. Es decir, a mayor número de dureza, más duro es el material [1].

Estos ensayos de dureza se usan para control de calidad en la industria porque son simples, rápidos, no destructivos y de bajo costo.

Además sirven para estimar otras propiedades mecánicas, como el esfuerzo de tensión (σy), mediante correlaciones de acuerdo al material.

Debido a las diferencias en la dureza de los materiales se requieren diferentes escalas. Aunque todos los ensayos de dureza se basan en el mismo principio de operación, estos difieren en la magnitud de la fuerza aplicada, la geometría del penetrador (bola, pirámide o cono), el material del penetrador (diamante, acero, carburo de tungsteno), las dimensiones del penetrador y el área de impresión o profundidad medida.

Las diferentes escalas de dureza (Vickers, Rockwell, Knoop, Brinell, etc.) se refieren a una combinación específica de las variables anteriores en el ensayo; por ejemplo, una escala de HV10 quiere decir que se usó un penetrador Vickers y una fuerza de 10 kgf. Las características de algunos de los ensayos de dureza se resumen en la tabla I. Adicional a estos ensayos cuantitativos también existe la escala cualitativa de dureza Moh. Tabla I. Características de diferentes ensayos de dureza y microdureza [2], [3] Ensayo

Penetrador

Material

Brinell

Esfera de 10 mm de diámetro

Acero o carburo de tungsteno

Rockwell A

Cono

Diamante

Rockwell B

Esfera de 1/16 in

Acero

Rockwell C

Cono

Diamante

Rockwell D

Cono

Diamante

Rockwell E

Bola de 1/8 in

Acero

Rockwell F

Bola de 1/16 in

Acero

Vickers

Pirámide de base cuadrada

Diamante

Knoop

Pirámide de base elongada

Diamante

10 | Ensayos de dureza

Tipo de ensayos de dureza Los ensayos de dureza se dividen en dos, de acuerdo a la magnitud de la carga aplicada [1], [4]: A) Macrodureza: cuando la carga aplicada es mayor a 1000 gf (9,807 N). Entre las escalas de macrodureza están: Rockwell, Brinell y Vickers. Brinell y Rockwell son los ensayos más usados en la industria de metales. Existen varias escalas Rockwell (A, B, C, etc.), como veremos más adelante.

B) Microdureza: cuando la carga aplicada está entre 1 a 1000 gf.

Los ensayos de microdureza se usan para analizar materiales que no soportan altas fuerzas localizadas (como los cerámicos), muestras muy delgadas, pequeñas o que tienen diferentes fases o regiones no homogéneas. En los ensayos de microdureza, como el Vickers o Knoop, se requieren varias medidas ya que son valores localizados, y usualmente se calcula un valor de dureza representativo de la muestra o global. Esto es relevante sobre todo cuando el material no es homogéneo en su composición. Debido a la baja carga aplicada en los ensayos de microdureza, se requiere de un microscopio para determinar el área de la impresión.

En todos estos ensayos, para tener una medida óptima es necesario seleccionar la escala adecuada de acuerdo al espécimen; tener en cuenta la forma de la probeta, ya que se presentan problemas de medición si el espécimen es muy delgado; considerar la ubicación de la penetración (que no debe estar muy cerca de los bordes del espécimen o realizarse cerca una de otra) y, por último, es necesario que la superficie que se va a analizar no esté rayada.

Es posible relacionar las medidas de una escala a otra de dureza, y para ello hay tablas de conversión entre las diferentes escalas en la norma ASTM E140 (Standard Hardness Conversion Tables for Metals).

Microdureza Vickers En el caso de la microdureza Vickers, el penetrador tiene forma de pirámide de base cuadrada con ángulos entre sus caras de 136°, como se muestra en la figura I.

Ensayos de dureza | 11

136°

d2

d1

Figura I. Penetrador

El número de dureza Vickers para microdureza se calcula al dividir la fuerza aplicada (valores entre 1 – 1 000 gf) por el área de impresión. Para calcular el área de impresión se miden ambas diagonales de la pirámide (d1 y d2) usando un microscopio óptico que tiene un dispositivo de medida (tornillos micrométricos). Para microdureza, el indentador debe penetrar la muestra a una velocidad de 15 – 70 μm/s y el tiempo de aplicación de la fuerza debe ser entre 10 a 15 s, dependiendo del material. El número de dureza Vickers se calcula a partir de la siguiente ecuación [2]:

F HV = A g . s Donde: F: fuerza, kgf.

As: área superficial de la impresión, mm2.

HV : número de microdureza Vickers (debe reportarse redondeando a 3 cifras significativas), kgf/mm2.

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Para un penetrador Vickers, el área superficial de la impresión es:

As =

d2 .

2sen Qa 2V

Donde: d: promedio de la longitud de las diagonales de la impresión del penetrador, mm. α: ángulos de las caras del penetrador Vickers (136°).

Reemplazando:

HV = 1, 8544

F. d2

El ensayo de dureza Vickers puede usarse para todos los metales y muchos otros materiales, ya que tiene un mayor rango en la escala de dureza. Para materiales isotrópicos ambas diagonales de un penetrador Vickers deben medir lo mismo y los análisis deben hacerse en un rango de temperatura entre 10 – 35 °C.

Dureza según la clasificación de los materiales En general, puede decirse que los cerámicos son los materiales más duros, seguidos de los metales y aleaciones que tienen dureza intermedia, mientras que los polímeros son materiales blandos.

Para la mayoría de los metales, la dureza está directamente relacionada con la resistencia a la tensión y existen correlaciones que facilitan el cálculo de esta última. En el caso de los cerámicos, la selección adecuada de la escala de dureza es importante ya que se debe asegurar que el material del penetrador sea más duro que el del espécimen para evitar daños en el durómetro. En este caso, es recomendable usar durómetros Vickers y Knoop, cuyos penetradores son de diamante, mientras que los ensayos Brinell y Rockwell, cuyos penetradores son de acero, no son apropiados porque no alcanzan el rango de dureza necesario para medir cerámicos.

Dureza de metales y aleaciones A continuación, se presentan los datos de microdureza Vickers de algunos metales y aleaciones, las mediciones se realizaron aplicando diferentes fuerzas durante 10 s en diferentes materiales (tabla II).

Ensayos de dureza | 13

Referencias

[1] ASTM E384 - 11e1. Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials, E 384, 2011.

[2] D. Askeland. Ciencia e ingeniería de los materiales, 4. ed. España: Paraninfo, 2001.

[3] W. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 3. ed.

España: McGraw Hill, 2004.

[4] J. Newell. Ciencia de los materiales: aplicaciones en ingeniería, 1. ed.

México: Alfaomega, 2011.

[5] Operation Instruction of Digital Display Microhardness Tester Model HVS-1000A. Bulut Makina. Estambul.

Referencias | 27

Ensayos de dureza Se terminรณ de imprimir en diciembre de 2017, en los talleres de Javegraf, Bogotรก, D. C., Colombia.

Compuesto con tipos Melior e impreso en papel bond blanco de 70 gramos.

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Adriana Aristizábal Castrillón Ingeniera Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería Ambiental y doctora en Ingeniería Química, Ambiental y de

La dureza es la resistencia de la superficie de un material al ser rayado o penetrado bajo una fuerza estática ejercida por un objeto que no sufre deformaciones. Esta

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es una de las propiedades mecánicas Fundamentos de ingeniería

más importantes porque determina los

e investigadora del Departamento de Ingeniería de Procesos de la universidad EAFIT. Entre sus intereses la caracterización y síntesis de materiales y la producción más limpia.

procesos de corte y acabado superficial la interpretación de las medidas con facilidad. En esta cartilla se presenta en forma detallada el concepto de dureza y su variación de acuerdo con el tipo de materiales y se hace una descripción detallada de los diferentes ensayos de medición de dureza. Adicionalmente,

de los materiales

i Virgili. Actualmente es profesora

de investigación se encuentran

en la manufactura a bajo costo y permite

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Ensayos de dureza

Martha Ruth Manrique Torres Profesora investigadora del Departamento de Ingeniería Industrial de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana.

Licenciada en Mecánica y Dibujo Técnico de la Universidad Pedagógica Nacional y especialista en CNC (Control Numérico Computarizado)

incluye la guía de laboratorio para la medición de la microdureza Vickers en el Centro de Automatización Industrial (CTAI) de acuerdo con la norma ISO.

del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA). Es magíster en Educación con énfasis en formación en educación superior de la Pontificia Universidad Javeriana, magíster en Ingeniería Electrónica de la misma universidad y doctora en Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Popular del Estado de Puebla (México). Además, es investigadora del grupo SIRP

ISBN 978-958-781-128-5

(Sistemas Inteligentes, Robótica y Percepción) y del grupo Zentech de la Pontificia Universidad Javeriana.

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