Dureza Normas Astm 2fd40

ITCR. C. Hardin, M. Morales.

Normas ASTM aplicadas a la dureza Brinell, Rockwell y Vickers C. Hardin 2014114643 [email protected]

M. Morales I. 201242909 [email protected] RESUMEN— La dureza es la resistencia de un metal a la deformación plástica, en el siguiente artículo se exponen las diversas pruebas de dureza de los materiales en este caso basados en el método por indentación como lo son la dureza brinell, vickers y la rockwell, sus métodos de aplicación, usos, importancia, equipo, la forma de calcularlos y el manejo de las diferentes escalas. Se exponen los anteriores aspectos según lo expresado por American Society for Testing Materials (ASTM) encargada de las pruebas de materiales en casi todas las industrias. ABSTRACT— Hardness is the resistance of a metal to plastic deformation in the following article the various tests of hardness of the materials presented in this case based on the method as indentation hardness are Brinell, Vickers and Rockwell methods application, applications, important equipment, the method of calculation and management of the different scales. The above aspects are discussed as expressed by American Society for Testing Materials (ASTM) in charge of testing materials in almost all industries. Palabras clave— dureza, indentación, ensayo, Brinell, Rockwell, Vickers 

INTRODUCCION

DESARROLLO DUREZA BRINELL Norma E10 15 Definición Es un método de ensayo por indentación en donde se utiliza una máquina calibrada que fuerza una bola endurecida contra la superficie que se va a analizar y luego se procede a medir el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga. La bola puede ser de acero o de carbono de tungsteno. La fórmula para calcular el número de la dureza brinell es la siguiente:

Donde: Fkgf = es la fuerza de ensayo en kgf D= es el diámetro de la bola indentadora expresado en mm. d= es el diámetro de la impresión sobre la pieza de trabajo expresado en mm Uso e importancia Este ensayo se utiliza en materiales de baja dureza además la información que se obtiene en el ensayo sirve para encontrar otros datos por ejemplo resistencia a la tracción, resistencia al desgaste y ductilidad. Este método solo se utiliza en materiales con espesor grueso porque si se aplica a materiales muy delgados se deforma el material y se obtiene un resultado erróneo. Otro rasgo importante es que se utiliza en la industria con el fin de seleccionar los materiales más adecuados para fabricar un producto, así como tener un buen control de calidad de las piezas realizadas con un material. Principios de la prueba y equipo utilizado

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Para aplicar este método se utiliza un durómetro por medio del cual se pone en o una bola indentadora y se ejerce una fuerza sobre la probeta, la cual se coloca sobre un yunque, durante un tiempo determinado luego se retira y por medio de un microscopio digital (tipo A) o manual (tipo B se mide el diámetro de impresión. Es indispensable que el equipo no se balancee y que no se presenten fuerzas de impacto, asimismo no debe existir restos de aceite o suciedad ya que puede afectar la prueba. La dureza brinell se expresa de la siguiente forma, ejemplo: 63 HB 10/500/30 Esto quiere decir una dureza brinell de 63 con una bola de 10mm de diámetro y una carga de 500 kgf que se aplicó durante 30 s. Pieza prueba No hay un estándar definido para una muestra de ensayo brinell, pero sí debe cumplir con los siguientes puntos: En cuanto al espesor el material de prueba debe ser al menos diez veces la profundidad de indentación, esto con el fin de que pueda soportar la prueba debido a que en algunas ocasiones el material podría romperse por completo. En cuanto al ancho mínimo se debe ajustar de acuerdo al espacio de indentación, es decir, que puede variar. En lo que se refiere al acabado en algunas ocasiones es necesario un acabado tipo pulido o maquinado esto con el fin del borde de indentación sea lo más clara posible y efectuar una correcta medición del diámetro de indentación. Algunas consideraciones  La prueba de dureza brinell no es recomendable para materiales anteriores a 650HBW 10/3000.  Se pueden comparar valores brinell directamente mediante diferentes escalas siempre y cuando se mantenga la relación fuerza diámetro, por ejemplo una prueba HBW 10/500 se aproxima a una HBW 5/125 porque la relación fuerza-diámetro es 5 para ambos casos; sin embargo si se toman otros valores

nos darían diferentes valores de dureza brinell.  Es necesario llevar la prueba en ambientes con temperaturas entre 10 y 35°C para no afectar los resultados. Procedimiento 1- Llevar el penetrador respecto a la superficie de ensayo de forma perpendicular evitando los golpes. 2- Aplicar la fuerza de ensayo en un tiempo de 1s a 8s. 3- Mantener la fuerza de ensayo por un periodo de 10 a 15 s. 4- Retirar la fuerza de ensayo evitando los golpes y las vibraciones. Para medir la sangría se debe aplicar lo siguiente: 1- Medir el diámetro de cada muesca en dos direcciones perpendiculares entre, y con estos dos valores sacar la media aritmética que es el dato con el que se trabajará. 2- Cuando se realizan pruebas en superficies curvas, el radio mínimo de la curvatura de las superficies debe ser de dos veces y medio el diámetro de la bola. No existe una forma exacta de convertir los valores brinell a otras escalas solo hay método aproximados basando en una tabla establecida. Reporte de resultados Se deben reportar los resultados en los informes con tres cifras significativas. Por ejemplo 225 HBW o 100 HBW 10/500. Si se utiliza un dispositivo de medición tipo A se debe declarar en el informe si se utiliza tipo B no es necesaria esta declaración. También se debe indicar la temperatura ambiente de donde se realizó la prueba. Precisión y desviación La repetibilidad: cuando se tienen dos resultados serán juzgados como no equivalentes en más del valor rPB establecido para un determinado material, donde este valor es un intervalo que representa la diferencia crítica entre dos resultados de ensayo para un mismo material obtenido por 2

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una misma persona en el mismo día y en el mismo laboratorio. Reproducibilidad: dos resultados no serán equivalentes cuando el valor RPB de un material es mayor al ya tabulado, el valor RPB será la diferencia entre dos resultados de la prueba para un mismo material obtenido por diferentes operadores en diferentes equipos y laboratorios. DUREZA VICKERS Norma E384 - 11e1 Definición La dureza vickers es un método de ensayo por indentación en donde se utiliza una máquina calibrada con un indentador en forma piramidal con base cuadrada y se mide la diagonal resultante de la impresión luego de remover la carga. Al utilizar este método es necesario trabajar en escala de gf y kgf y siguiendo el sistema internacional las unidades para la fuerza son los Newton y para la longitud los mm o las micras. La fórmula para calcular la dureza vickers es la siguiente: HV=1.000*10^3*P/A=2.000*10^3*P*sin(α/2)/d^ 2 Donde: P= fuerza dada en gf A= área de la superficie de indentación en metros cuadrados d= es la longitud de la diagonal de la indentación α= ángulo de cara del penetrador en grados En la práctica es común utilizar la siguiente fórmula debido al valor del ángulo que es de 136° para una pirámide de diamante: HV = 1,8544 P/d^2 Para expresar los datos se utilizarán tres cifras significativas por ejemplo 725 HV. Equipo En la máquina debe existir una base para poner el material y es recomendable que tenga incorporado un microscopio óptico de luz para poder realizar la medición de la huella.

Es necesario que el operador evite estar en o con la máquina para reducir cualquier golpe o vibración que afecte en la prueba. Además el indentador piramidal debe bajar de tal forma que todas las caras sean igualmente inclinadas al eje del penetrador. Estado de la muestra Por lo general la superficie debe presentar un buen acabado pero entre más pequeña sea la fuerza de ensayo y la indentación el acabado (pulido) debe ser aún mejor. También es necesario que no se presenten defectos en la superficie para evitar el daño de la pirámide indentadora. En cuanto a la alineación hay que tomar en cuenta que la superficie debe estar de forma perpendicular al eje del penetrador para poder obtener datos que nos resulten útiles a la hora de estudiar un material. El espesor de la probeta debe ser al menos diez veces la profundidad de indentación. Procedimiento Se debe trabajar en un rango de temperatura entre 10 y 35°C para no afectar los resultados. Siempre será necesario asegurarse que el indentador esté correctamente colocado mediante dos muescas preliminares. Los indentadores siempre deben limpiarse periódicamente con algodón y alcohol; y ser analizados y reemplazados si se desgastan o se agrietan. Para realizar el ensayo se debe seguir las siguientes instrucciones: 1- Se monta la pieza de prueba en la máquina. 2- Con el microscopio localizar la prueba punto, además se debe ajustar la intensidad de la luz para generar un contraste óptimo, es necesario antes de aplicar la fuerza enfocar la pieza para estar seguros del mayor aumento disponible. 3- El indentador se debe poner en o con la probeta a una velocidad entre 15 y 70 micras / s para un ensayo micro y para un ensayo macro es necesario no exceder 0.2 mm /s. 4- La fuerza de ensayo se debe aplicar por un periodo entre 10 y 15 s. 5- Seguidamente se debe retirar la fuerza sin golpes ni vibraciones. 3

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6- Luego cambiar al modo medición y seleccionar un lente adecuado para realizar la medición Se debe tener en cuenta que si un medio de cualquier diagonal es mayor al 5% que la otra mitad de esa diagonal, esto nos quiere indicar el que el eje no estaba perpendicular a la superficie de ensayo por lo tanto esta prueba no nos servirá y se debe realizar otra. Aspectos que afectan precisión y desviación En el ensayo podrían afectar el resultado situaciones como las vibraciones, exactitud en la carga, la aplicación de la carga en un ángulo mayor en 2° a la perpendicular entre la superficie y el eje el indentador. También la homogeneidad del material puede afectar en el ensayo alterando los resultados. DUREZA ROCKWELL Norma E18-15 Definición La dureza Rockwell consiste en uno de los métodos de ensayo por penetración, en el cual los penetradores pueden ser conos de diamante industrial o esferas de acero endurecido. En lo que consiste este ensayo es en aplicar dos cargas de manera consecutiva. Para obtener el valor de dureza, se compara el incremente de la penetración debido a la segunda carga y cuando esta última se elimina. No se requiere hacer ningún cálculo ni aplicar ninguna fórmula ya que se obtiene la dureza directamente de la máquina. Uso e importancia Este ensayo es el más usado para determinar la dureza de un material. Esto se debe a su versatilidad a la hora de medir la misma, ya que puede determinar la dureza de la parte superficial. Por lo mencionado anteriormente, el ensayo de dureza Rockwell no representa la dureza del objeto en su totalidad. Se considera que existen dos tipos de ensayos Rockwell, uno superficial y otro que evalúa la dureza interior. La diferencia entre ambos es la cantidad de fuerza que se utiliza al penetrar el material, siendo el superficial el de menor fuerza aplicada. Principios de la prueba y equipo utilizado

La dureza del material es dada por el durómetro usado, ya sea de manera digital o de manera mecánica. Existen escalas de dureza Rockwell que determinan cuanta fuerza se debe ejercer con relación a los penetradores utilizados, por lo que los valores que determinan dicho ensayo deben darse con respecto a una de las escalas. Al expresar el valor se debe poner el símbolo HR y la escala usada en la medición. Si se usa una esfera, se debe indicar se debe indicar con una “W” si el material de la misma es tungsteno de carburo o con una “S” si es de acero. Los penetradores deben ser de 1.588 mm, 3.175 mm, 6.350 mm o 12.70 mm de diámetro, ya sean esferas o conos. Pieza de prueba El material que se quiere medir y los penetradores deben ser lisos y libres de óxido, lubricantes y materia ajena a ambos materiales. La única ocasión que se usan lubricantes es cuando la pieza de prueba se adhiera a los penetradores. Se debe tener en cuenta que los materiales usados no se vean afectados por la temperatura y condiciones usadas a la hora de hacer el ensayo de dureza. Se debe tomar en cuenta la escala a utilizar, y apegarse a ella durante todo el ensayo. Procedimiento El ensayo consiste en una serie de tres pasos en los cuales se penetra el material con un cono de diamante industrial o una esfera de acero endurecido. Existen casos especiales donde se puede usar una esfera de tungsteno de carburo. El primer paso consiste en aplicar una fuerza inicial con los penetradores en la muestra de material. Esta fuerza se aplica por un tiempo determinado se remueve la misma y se mide la abolladura hecha por el cono o la esfera. El segundo paso consiste en aumentar la fuerza aplicada y mantenerla por un tiempo que se determina desde un principio. El último paso se trata de presionar de nuevo el objeto con la primera fuerza aplicada por un tiempo, y se mide la deformación hecha por el mismo. Todas estas medidas son usadas para determinar la dureza del material de prueba. Algunas consideraciones 4

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• La temperatura a la hora de hacer el ensayo de dureza debe de estar entre los 10 y 35°C, o puede estar fuera de este rango si está comprobado que no se verá afectado el resultado final. • Se debe tener en consideración que ambas superficies estén lo más limpias posibles de materiales ajenos. • El durómetro utilizado se debe probar primero para así confirmar que esté en condiciones óptimas para dar un resultado acertado a la realidad. • Recordar que el valor de dureza no necesariamente refleja la misma de toda la pieza de prueba. • Se debe apegar a las escalas dadas para las mediciones del ensayo Rockwell, y expresar de manera correcta el resultado obtenido.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM. Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials. ASTM Com, Easton, USA, 2011. ASTM. Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. ASTM Com, Easton, USA, 2015. ASTM. Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials 1,2. ASTM Com, Easton, USA, 2015. Jiménez, R., & Conejo, M. (2004). Laboratorio de tecnología de materiales. Cartago: Editorial Tecnológica de Costa Rica

CONCLUSIONES  

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El ensayo Rockwell es el más utilizado a la hora de determinar la dureza de una pieza de prueba. El ensayo de dureza superficial Rockwell permite determinar la dureza exterior de un material sin que necesariamente sea la misma en todo el material. El ensayo Rockwell utiliza un durómetro para determinar la dureza de una pieza de prueba. El ensayo de dureza brinell se utiliza en materiales blandos. En ensayo de dureza brinell se utiliza solo en materiales gruesos. El ensayo de dureza vickers se puede aplicar en materiales bastante delgados. Para todos los ensayos es recomendable eliminar todo tipo de vibraciones sobre los equipos para no afectar los resultados.

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