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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA “SAN JUAN BOSCO
FACULTAD DE INGENIERIA
CATEDRA: CIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES
Trabajo Práctico Nº 2
1.- Dureza de los metales
a) Dureza Brinell (IRAM—IAS U500—104)
b) Dureza Rockwell(IRAM—IAS U500-105)
c) Dureza Vickers (IRAM-IAS U500—110)
2.- Ensayos dinámicos-choque
a) Charpy (IRAM-lAS U50O15/U500-16/U5OO-1O6)
b) Izod (IRAM-lAS U500-17)
/
1
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FACULTAD DE INGENIERIA
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DUREZA DE METALES
Método Brinell
Objeto:
Determinar la dureza de un material metálico, para poner de manifiesto su resistencia la abrasión
mecánica, o sea a ser penetrado o cortado por otros materiales más duros.
La cifra obtenida, constituye un índice de la calidad del material, si bien para el juzgamiento
completo del mismo hace falta determinar otras propiedades, como ser: resistencias a la tracción y
flexión, estructura metalográfica,etc.
Aparatos:
Máquina para aplicar las cargas.
Penetrador a bolilla
Microscopio reticular de lectura directa.
Esquema del ensayo
Procedimiento:
1) Se elige el penetrador a emplear en el ensayo (*); el que es colocado en la máquina para aplicar
la carga.(*)Los penetradores (bolillas) más utilizados en el ensayo Brinell son los de diámetro: D=10;
5; 2,5; 2 y 1 mm. Se exige que éstos tengan una dureza mínima de 850 HV 10.
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2) Se establece la carga a aplicar, según el metal de que se trate referida al dIámetro (D) de la
bolilla, conforme al siguiente cuadro.
Material metálico
Aceros y fundiciones
Carga (daN)
30*D2
Aleaciones de cobre o de aluminio 13*D2
Cobre y aluminio
5*D2
Plomo, estaño y aleaciones
2,5; 1,25; 0,5*D2
La carga debe elegirse de modo que el diámetro de la impresión tenga un valor comprendido entre
0,25 y 0,5*D. Para obtener resultados comparables se deben emplear bolillas de diferentes
diámetros pero con la misma carga.
3) Como la impresión de la bolilla produce sobre la probeta de metal una marcada deformación
plástica que es función del tiempo, está normalizado el lapso de aplicación dé la carga.
Para materiales ferrosos, la carga debe alcanzarse en 15 seg. Para metales más blandos (plomo,
zinc, etc.) el tiempo de aplicación de la carga puede llegar hasta 3 min
4) Se quita la carga y se mide el diámetro de la impresión sobre dos ejes perpendiculares con ayuda
de un microscopio reticular de lectura directa al 0,01 mm.
La determinación del diámetro (d) sirve para calcular la superficie (S) del casquete:
HB =
F
2* F
=
1
S
π * D * (D − (D2 − d 2 ) 2
( daN/mm2)
Existen tablas, que permiten determinar H, en base a d.
5) Condiciones Generales:
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La superficie de la probeta debe estar exenta de cuerpos extraños, aceites, grasas, óxidos, etc. Si es
posible, la superficie estará pulida.
La pieza o probeta apoyará perfectamente sobre el soporte, actuando la carga en forma gradual,
perpendicularmente a la superficie donde se hará la impresión.
El centro de la impresión debe distar por lo menos 2*d del borde de la probeta y 3*d del centro de
otra impresión.
Después del ensayo no debe aparecer ninguna marca en la cara opuesta a la que se aplico la carga.
Para ello, no deben ensayarse probetas de espesor menor que el diámetro de la bolilla; de lo
contrario deben superponerse espesores del mismo material hasta alcanzar el espesor mínimo.
Durante la preparación de la probeta debe cuidarse especialmente de no alterar las condiciones
primitivas del material.
En el resultado de un ensayo de dureza Brinell, se debe indicar el diámetro de la bolilla (en mm), la
carga (en daN) y el tiempo de permanencia de la carga (en segundos):
H 10/3000/30, no indicándose la unidad de medición, la que queda implícita.
Existe una relación empírica entre la dureza Brinell de los metales y su resistencia a la tracción. Así
en el caso de los aceros dulces es de 0,38 y para los aceros de más de 100 daN/mm2 de resistencia
a tracción ese valor es de 0,34. En caso particular, la norma exige que se realicen ensayos
comparativos para tener una base cierta sobre valores de comparación.
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Resultado de un ensayo:
Laboratorio:
Operador:
Fecha:
Material:
Procedencia:
Bolilla:
x D2 =
Carga Aplicada: F=
daN
Primera determinación: d=
mm
Segunda determinación: d=
mm
Tercera determinación: d=
mm
Promedio
mm
HB
=
=
daN/mm2
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METODO ROCKWELL
Objeto:
Determinar la dureza de un metal, para poner de manifiesto su resistencia a la penetración de un
material más duro.
Se emplea un aparato especialmente construido para ese fin, leyéndose directamente un dial, la cifra
de dureza. La impresión producida es de un tamaño insignificante.
Aparatos:
Aparato de Rockwell
Penetradores
Esquema del ensayo
.
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Procedimiento
1) Se elige el penetrador a emplear en función e la dureza del metal para el ensayo (cono de
diamante o bolilla de acero), el que se coloca en el aparato Rockwell.
2) Se ubica la probeta sobre el soporte inferior del aparato maniobrando con el volante hasta poner
en contacto la superficie de la probeta con el penetrador. Se continúa luego girando suavemente
hasta poner en coincidencia la aguja chica del dial con el punto rojo de la izquierda. En esa forma
queda aplicada sobre la probeta una carga inicial: Fo = 10 daN (a posición 1 en el esquema).
3) Se gira el marco exterior del dial, hasta hacer coincidir el cero con la aguja grande.
4) Se gira la manivela hacia atrás, con lo que queda aplicada la carga suplementaria: F1 = 90 daN si
se utiliza el penetrador de acero de 1/16” (Rockwell “B”), o F1 = 140 daN si se emplea el penetrador
cónico de diamante (Rockwell “C”).(Posición 2 en el esquema).
5) Se observa la aguja grande hasta el instante en que se detiene. En ese momento se gira la
manivela nuevamente a su posición inicial, con lo que queda suprimida la carga adicional F1
(posición 3 en el esquema).
6) Se lee el número de dureza Rockwell sobre el dial, en la escala correspondiente, ya sea “BI” 6
“C”. La cifra esta dada por la diferencia de penetración producida por la carga inicial Fo y la carga
máxima Fo + Fl, tal como se indica en el esquema del ensayo. Este valor se llama: e
7) Condiciones generales: La superficie a ensayar tiene que ser plana y lisa y estar libre de cuerpos
extraños (aceites, etc.). Al prepararla no se introducirán modificaciones en el material que puedan
alterar su estructura metalográfica. Después del ensayo no deben quedar marcas en la cara de la
probeta opuesta a la que se aplicó el penetrador. Para ello su espesor mínimo será igual a: 1O*e. La pieza o probeta debe apoyar perfectamente en el soporte y la carga debe actuar
perpendicularmente a la superficie a ensayar. El borde dé una impresión debe estar, por lo menos, a
3 mm del borde de la pieza o probeta o del borde de otra impresión. Se tomará como valor de
dureza, el valor medio de tres determinaciones, tomadas en puntos vecinos.
La carga inicial Fo no deberá ser sobrepasada. Si ello ocurre, se realiza una nueva determinación en
otro punto de la superficie.
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Fórmulas para el cálculo
El
0,2
dial
mm.
está
Por
dividido
lo tanto,
en
100
partes,
para
una
penetración
total
de
cada unidad de la escala es igual a 0,002 mm.
A mayor penetración corresponde sobre el dial una lectura menor.
Las
expresiones
de
dureza
que
se
leen
directamente
en
el
dial
son,
según sea, dureza “C” ó “E”, respectivamente:
HRC=100-e (escala color negro)
HRB=130-e (escala color rojo)
Se observa que entre las escalas B y C existe un desplazamiento de 30 unidades.
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Resultado de un ensayo:
Laboratorio:
Operador:
Fecha:
Material:
Procedencia:
Penetrador:
Carga:
daN
Dureza Rockwell:
HRC =
HRB =
10
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METODO VICKERS
Objeto:
Determinar
la
dureza
de
los
materiales
metálicós
por
el
procedimiento
Vickers, basado en la resistencia que oponen dichos materiales a dejarse penetrar por una punta
prismática de diamante.
Aparatos:
Máquina de aplicar las cargas.
Penetrador a diamante de forma piramidal.
Microscopio reticular
Cronómetro.
Esquema del ensayo.
Procedimiento:
1) El buen estado del penetrador debe ser frecuentemente controlado con instrumentos ópticos.
2) La superficie a ensayar debe ser plana, pulida o mejor aún, rectificada, y al prepararla debe
evitarse que se produzcan modificaciones en el material por calentamiento o enfriamiento brusco.
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3) En probetas curvas, en las cuales la superficie sobre la que tiene que realizarse la impresión no
puede ser esmerilada para dejarla plana, los valores de dureza deben afectarse de factores de
corrección que figuran en la citada norma.
4) El espesor de la probeta no debe ser menor de 1,5 * d, siendo d la diagonal de la impresión, en
mm.
5) Durante el ensayo la probeta debe estar bien apoyada en el soporte para evitar su movimiento, no
debiendo la máquina sufrir vibraciones de ninguna índole.
6) La longitud de las dos diagonales de la impresión debe medirse con una aproximación de ± 0,5%,
para longitudes menores de 0,2 la exactitud de la medición puede limitarse a ± 0,00.1 mm.
7) Al indicar la dureza Vickers de un material debe especificarse el valor de la carga y el tiempo de
aplicación si éste fuera distinto de 15 segundos.
Ejemplo:
La
dureza
Vickers
de
una
carga
de
30
daN
durante
Si el tiempo de aplicación fuera
probeta
a
la
15
seg.
se
de 20 seg., la
que
se
aplicó
una
indica
asi:
HV
30.
indicación es: HV 30/20.
8) El valor d la carga aplicada debe ser tal, que no produzca deformaciones en la superficie opuesta
a la de aplicación.
9) El valor de la carga, según las características del material a ensayar, puede oscilar entre límites
que varían entre 1 daN a 100 daN siendo la carga normal de ensayo de 30 daN.
10) Antes de comenzar el ensayo se elimina de la superficie a ensayar y de la de apoyo todo
material adherido (pinturas, óxidos, rebabas, etc.), que no forme parte integral de la muestra. En
caso de ser necesario y para mayor exactitud se debe limpiar adecuadamente la superficie inferior.
11) La carga debe actuar perpendicularmente a la cara de aplicación de la probeta.
12) El penetrador debe apretarse suavemente y alcanzada la carga final, ésta se mantiene 15 seg.
como mínimo, salvo que se especifique otro lapso.
13) El centro de la impresión debe distar del borde de la probeta o, de otra impresión no menos de
2,5 veces la longitud de la diagonal (mínimo 3 mm.)
14) Suprimida la carga de prueba y retirado el penetrador, se verifican las longitudes de las
diagonales de la impresión. Debe tomarse como diagonal de la impresión, para el cálculo, el valor
medió de las dos diagonales, medidas con aparatos que permi1an obtener la aproximación
requerida en el punto 6.
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Cálculo de la cifra de dureza Vickers:
La dureza Vickers se calcula con la fórmula:
HV = 1,854 *
F
d2
siendo:
HV: el número de dureza Vickers
F: la carga aplicada, en daN
d: el valor promedio de las dos diagonales de la impresión en mm.
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Resultado de un ensayo:
Laboratorio:
Operador:
Fecha:
Material:
Procedencia:
Penetrador:
Carga:
daN
Tiempo de aplicación:
seg.
HV =
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ENSAYOS DINAMICOS – CHOQUE
Objeto
El ensayo estático de los materiales metálicos, si bien proporciona una información valiosa acerca
de las propiedades de los mismos, puede resultar insuficiente en los casos en que dichos materiales
estuvieran solicitados por esfuerzos instantáneos, tales como los de tracción o de flexión por
choque, en que las cargas correspondientes son aplicadas en forma instantánea.
En esas condiciones sucede que un material dúctil, como el acero dulce, o de bajo contenido de
carbono, presenta una fractura de tipo frágil.
Los ensayos dinámicos por choque dan, por lo tanto, una idea de la fragilidad de los materiales
metálicos, puesto que mediante los mismos se determina el trabajo necesario para romper una
probeta,
de
forma
determinada,
de
un
solo
golpe.
Dicho trabajo, referido al área útil de la probeta (So), nos brinda; la resiliencia del mismo.
Para hacer el ensayo más severo (o asegurar el resultado), las probetas suelen dotarse de
entalladuras a los efectos de concentrar la acción del impacto en una determinada sección,
resaltando
aún
más
las
condiciones
de
fragilidad.
De ese modo el ensayo por choque sirve para poner de manifiesto ya sea la fragilidad de los
materiales (metales, plásticos, porcelanas etc.) como para verificar el grado de bondad de un
tratamiento térmico (temple, revenido, nitruración, cementación, etc.) o bien la incidencia de ciertos
tipos de forma sobre la concentración de tensiones, y por ende, la fragilización (maquinados
incorrectos, fileteados, curvaturas de transición, etc.).
Los
ensayos
principales
por
choque
son
tracción. Nosotros veremos sólo los dos primeros.
los
de
flexión
Cuando
se
seleccionan
materiales
teniendo
en
cuenta
la rotura frágil, el factor más decisivo es la temperatura de transición.
Charpy,
su
Izod
tendencia
y
a
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Energía
Absorbida
Temperatura ambiente
Aparatos a emplear para el ensayo:
Máquina pendular
Calibre
Péndulo de Charpy:
El esquema consiste en lo siguiente:
Siendo:
A1: energía inicial = G*h1
A2: energía final = G*h2
A0: energía consumida por la probeta.
Tipo de máquina:
La máquina es un péndulo “
“ con una capacidad de carga de
daN.m.
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Consiste simplemente en un péndulo con un peso en la parte inferior. Si el péndulo se encuentra a
una altura h1 y si en su trayectoria no encuentra ningún objeto, cuando llegue al punto más alto del
otro extremo, se encontrará a una altura igual a la de partida ( si no hay roce).
Por consiguiente, si recordamos que A1 es la energía potencial inicial a A2 la energía potencial final,
se cumplirá:
A1= G*h1
A2= G*h1
Por lo tanto A1=A2
En cambio, si en la trayectoria del péndulo interponemos una probeta tendremos que éste no llega a
h1, sino hasta h2, menor que h1.
Entonces la energía consumida por la probeta será A0(Energía de rotura de la probeta).
A0 = A1-A2 = G*(h1-h2)
Si:
(1)
h1= R-R*cosα1 = R*(1-cos α1)
h2= R-R*cosα2 = R*(1-cos α2)
Reemplazando en (1) se tiene:
Ao 0 G*R*(cos α2 - cos α1 )
En la máquina se lee directamente la energía consumida por la probeta igual a Ao en daN.m
El resultado final está dado por la Resiliencia K :
K=
Ao(daNm)
Sn(cm 2 )
Sn: sección útil o neta (So en norma)
Este procedimiento se calcula en el ensayo de Charpa como en el de Izod, pero en éste varía el tipo
y colocación de la probeta como así también el martillo.
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ENSAYO DE CHARPY
Probeta para el ensayo Charpy: (caso de probeta con entalladura ojo de cerradura o U IRAM-IAS-U500-106)
Medidas en mm
Se considera la sección correspondiente a la probeta en el lugar donde se halla la entalladura,
después de hecha ésta.
El martillo hace impacto sobre la probeta en la zona de menor sección en correspondencia con la
entalladura. La probeta sólo se encuentra apoyada en los extremos, quedando libre una abertura de
40 mm.
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Ensayo práctico de Charpy
Utilizamos una probeta con una sección neta en la entalladura Sn de:
Sn = 9,9 mm * 4,91 mm
La energía disponible en la máquina, es decir la energía inicial es :
A1= 6,5 daNm
La energía consumida leída directamente en la máquina es:
Ao = 4,5 daNm ( energía de rotura)
Velocidad de ensayo (en momento de impacto):
V= 5 m/seg
1
Donde V= (2 * G * h) 2
Por lo tanto la resiliencia será:
K=
Ao
4,5daNm
=
= 0,092daNm / mm 2 = 9,2daNm / cm 2
2
Sn 4,91x9,9mm
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ENSAYO DE IZOD
En este ensayo se cambia la probeta, su ubicación y el martillo. Tanto en el ensayo de Charpa como
en el de Izod la rotura se produce por flexión.
Probeta cuadrada con tres entalladuras: ( c/u en diferentes caras)
La probeta se coloca en forma vertical y empotrada; el péndulo golpea a 22 mm de la entalladura. El
resultado final es leído directamente en la escala de la máquina.
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Ensayo práctico de Izod:
Sección de entalladura: Sn = 8,04 x 9,9 mm (promedio de tres probetas)
Energía inicial disponible: A1 = 17 daN.m
Ensayo Nº
1
2
3
Ao promedio=
Energía consumida (daNm)
8,8
9,2
9,2
9,07
La resiliencia resulta:
K=
9,07 daNm
= 0,114daNm / mm 2 = 11,4daNm / cm 2
2
8,04 * 9,9mm
Resultado de ensayo de Charpy:
Laboratorio:
Operador:
Fecha:
Material:
Procedencia:
Sección de entalladura: Sn=
Energía inicial disponible: A1=
Energía consumida: Ao =
Velocidad de ensayo: V=
RESILIENCIA K=
Ao
=
Sn
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Resultado del ensayo Izod:
Laboratorio:
Operador:
Fecha:
Material:
Procedencia:
Sección de entalladura: Sn=
Energía inicial disponible: A1=
mm *
daNm
Ensayo Nº
mm (promedio de tres probetas)
Energía consumida (daNm)
1
2
3
Ao promedio=
La resiliencia resulta:
Aop
RESILIENCIA K=
=
Sn
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