Dureza Brinell - Materiales y Ensayos

1
TEORÍA TP Nº
DUREZA EN METALES
CONSIDERACIONES PREVIAS
La Dureza es una propiedades, no perfectamente definida, de los cuerpos sólidos que indica
generalmente la resistencia que opone el cuerpo a la deformación. O bien la Dureza, es la
capacidad de una sustancia sólida para resistir deformación o abrasión de su superficie.
Se aplican varias interpretaciones al término en función de su uso. En mineralogía, la
dureza se define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral.
Una superficie blanda se raya con más facilidad que una dura; de esta forma un mineral
duro, como el diamante, rayará uno blando, como el grafito, mientras que la situación inversa nunca
se producirá.
90º
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Otras definiciones: "La mayor o menor resistencia
que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro"
o " la mayor o menor dureza de un cuerpo respecto a
otro tomado como elemento de comparación" .
La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la
escala de dureza de Mohs , nombre del mineralogista alemán
Friedrich Mohs que la ideó.
En esta escala, diez minerales comunes están clasificados en
orden de creciente dureza recibiendo un índice:
Talco
Yeso
Calcita
Fluorita
Apatita
Feldespato
Cuarzo
Topacio
Zafiro
Diamante
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
La dureza de una muestra se obtiene determinando qué mineral de la escala de Mohs lo raya.
Así, la galena, que tiene una dureza de 2.5, puede rayar el yeso y es rayado por la calcita.
La dureza de un mineral determina en gran medida su durabilidad.
Para determinar los valores correspondiente a otros materiales se hace en referencia a la
anterior escala, así por ejemplo el :
Plomo
Aluminio-Estaño
Cobre-Plata-Oro
Platino-Acero dúctil
Acero duro
Acero templado
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Gral. M.N.Savio
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Mecánica
Curso:
Año
Div
1.5
2
2.5 a 3
4a5
6.5
8
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof.:
Fecha:
ENSAYO DE DUREZA BRINELL
TeoT.P.
Nº
2
Por medio de este examen obtenemos características mecánicas importantes en forma rápida
y no destructiva (en algunos caso) y permiten ser realizados en piezas ya elaboradas.
MÉTODO DE DUREZA
Si bien son muchas las propiedades de los materiales relacionados directa e indirectamente
con el concepto de dureza, todas dependen de la característica de la deformación plástica del
material. Se pueden clasificar en:
Dureza al rayado:
Resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro, existiendo los siguientes
métodos:
Dureza Mohs (Se usa para determinar la dureza de los minerales.
rayado por otro más duro, se utiliza la escala vista anteriormente)
Se basa en que un cuerpo es
Dureza Lima (Se usa en industria, en todo material templado la lima no "entra". Dependiendo de si
la lima entra o no sabremos si el material raya a la lima: Dureza mayor de 60 H RC , la lima raya al
material: Dureza menor de 60 HRC)
Dureza Martens (se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una
punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90°, con una carga constante)
Dureza Turner
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(Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en función de los
gramos necesarios ,carga necesaria, para conseguir una deformación o raya de 10 micras. El valor de
las carga será el valor de la dureza Turner).
Dureza elástica:
Reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un cuerpo más duro.
Metodo SHORE (HS): Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él
un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro
produce un rebote cuya altura se mide
Método Dinámico o dureza al rebote ( L ) : Este método se basa en las medidas de las
velocidades de impulsión y rebote de un cuerpo móvil impulsado por un resorte contra la superficie
del material metálico a ensayar.
Dureza Pendular: Resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él.
Dureza por rebote ó DUROSCOPIO: Se basa en la reacción elástica que se produce al dejar
caer un penetrador con forma de casquete esférico sobre el material a ensayar. Según la dureza del
material se produce una reacción elástica en forma de ángulo que se traduce luego en unas tablas. A
mayor dureza mayor ángulo y viceversa.
Dureza a la penetración:
Resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro tomado como
referencia, seria la resistencia a la deformación plástica que opone un material al ser presionado por
un penetrador determinado y bajo la acción de cargas preestablecidas, a través de la relación entre la
carga aplicada y la impresión generada.
Existen varios métodos como son Brinell, Rockwell, Vickers y Knoop.
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Nº
3
DUREZA BRINELL
Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy
duro durante un cierto tiempo t produciendo una impresión, que por resultar un calco de la porción
de esfera que penetra, corresponderá a un casquete esférico.
La dureza, comúnmente denominada "número Brinell " resulta de dividir la carga aplicada
por la superficie de dicho casquete.
P
S
S = π .D.h
HB =
HB =
P
(
P
Kg/mm 2
π.D.h
)
α
R
h
La flecha o profundidad de la impresión h se
determina directamente en el esferómetro de la
máquina de ensayo. La penetración de la bolilla se mide
con la carga aplicada, debiendo efectuarse la lectura
rápidamente debido a que el tiempo de aplicación de
carga es muy breve.
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a
d
D
D : Diámetro de la bola
d : Diámetro de la huella
Para evitar determinaciones que por su rapidez puedan ser erróneas, es más conveniente
calcular el número Brinell partiendo del diámetro de la impresión, que ofrece mayor facilidad y
exactitud de medición al poder realizarse las veces que se estimen necesarias y en los aparatos más
convenientes.
De la figura resulta
h=
D
−a
2
donde
a
es un cateto del triángulo rectángulo rayado
D2 − d 2 1
D d 
a =   −  =
=
D2 − d 2
4
2
 2  2
D 1
1
h= −
D2 − d 2 = D − D2 − d 2
2 2
2
P
P
P
HB = =
=
S π .D.h π .D. 1 D − D 2 − d 2
2
2
2
)
(
(
)
HB =
(
2P
π .D. D − D 2 − d 2
)
Para medir el diámetro de la impresión o impronta se exige una precisión de 0,01 mm, por lo
que es necesario el empleo de un microscopio de varios aumentos.
Como en algunos materiales la penetración de la bolilla origina una elevación o lomo en el
borde de la impresión (hierro, cobre) y en otros una depresión (algunos bronces), los valores de la
dureza calculados en base a la flecha no coinciden con los obtenidos con el diámetro de la impresión,
debido a que, la flecha h medida en esos casos no corresponde al casquete cuyo diámetro de
impresión es d, valor empleado para el cálculo.
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RELACIÓN DE LA DUREZA CON LA RESISTENCIA DE LOS ACEROS
Es posible determinar en forma aproximada la resistencia estática de los materiales,
conociendo la dureza Brinell de los mismos, mediante el empleo de fórmulas empíricas que sólo son
aplicables para un determinado número de ellos; así, por ejemplo, para aceros ordinarios y con menos
de 0,8%C se tiene:
σET = 0,346 HB
Para los aceros al cromo-niquel y algunas aleaciones de aluminio se adoptan valores muy
próximos al visto (0,34 y 0,35), y para la fundición gris 0,1 de H B.
ENSAYOS COMPARABLES - CONSTANTE DE ENSAYO
Tratándose de un método empírico, las durezas obtenidas sobre un mismo material sólo son
comparables cuando dan impresiones geométricamente semejantes, lo que se cumple cuando el
ángulo a de abertura del casquete es el mismo en todos los casos.
Condición de comparación:
sen
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α
α d
= = Constante
2 D
Si se realizan dos o más experiencias sobre un mismo metal, con cargas y bolillas distintas,
imponiendo a todos el cumplimiento de la condición de semejanza y considerando que los valores de
dureza deben ser iguales, es posible encontrar una relación entre las cargas y los penetradores que
reemplace a la constante d/D y simplifique el empleo del método.
H B1 = H B2
Así para dos ensayos tenemos:
H B1 =
2 P1
π .D1. D1 − D12 − d12 


P1
2
2
D1. D1 − D1 − d1 


Si
y H B2 =
sen
2 P2
π .D2 . D2 − D2 2 − d 2 2 


P2
=
2
2
D2 . D2 − D2 − d 2 


α
d1 = D1.sen
2
α
d 2 = D2 .sen
2
α d1 d 2
=
=
2 D1 D2
reemplazando y realizando operaciones, nos queda:
P1
α
2 
D1 .1 − 1 − sen 2
2





=
P2
α
2 
D2 .1 − 1 − sen 2
2





P1
P2
=
2
2
D1
D2
y e n f o r m a
general:
P
= const = C
D2
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A esta relación se la llama constante de ensayo y se la
adoptará teniendo presente los límites a los cuales las
deformaciones de las bolillas, por la acción de la carga,
no influyan en los resultados.
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Considerando que para obtener impresiones nítidas no es necesario que se presenten con
gran diámetro, lo que evita la aplicación de cargas elevadas, se fijan los siguientes límites:
0,25 D < d < 0,5 D
Por ejemplo: si se utiliza una bolilla de 10 mm de diámetro la impronta no puede ser mas
grande que 5 mm y mas pequeña 2,5 mm.
Teniendo en cuenta estas consideraciones, las normas IRAM 104 fijan el valor de la
constante en base al material a ensayar.
Aceros y fundiciones
C = 30
Aleaciones de cobre y aluminio
C = 10
Cobre y aluminio
C=5
Plomo, estaño y aleaciones
C = 2,5 ; 1,25 y 0,5
PENETRADORES
Como penetrador normal del método Brinell puede considerarse a la bolilla de 10 mm de
diámetro, de acero muy duro (H B = 630 Kg/mm2), pudiendo emplearse en probetas de poco espesor las
de 5 y 2,5 mm, aceptándose en todos los casos una tolerancia máxima en el diámetro de 0,5%D.
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Para fijar la bolilla a utilizar en un ensayo las norma IRAM establecen que en ningún caso se
ensayarán probetas cuyo espesor sea menor que el diámetro de la bolilla empleada.
En general el diámetro de las bolillas puede tomarse de acuerdo al espesor del material, en base al
siguiente cuadro:
Espesor probeta
e (mm)
>6
3<e<6
<3
Diámetro bolilla
D (mm)
10
5
2,5
TIEMPO DE APLICACIÓN DE LA CARGA
Las impresiones que se obtienen no dependen solamente del penetrador y de la carga
aplicada, sino que también del tiempo de aplicación de ésta, muy especialmente en los materiales
denominados "blandos", por lo que fue necesario fijar el lapso de ensayo para que los valores
obtenidos puedan ser comparables.
Así se estableció para aceros un tiempototal de 30 seg, o sea 15 seg para alcanzar la carga
máxima y 15 seg de aplicación de ésta sobre el material, fijandose para metales más blandos un
tiempo de aplicación de por lo menos 30 seg, debiendo llegarse al valor máximo de la carga en 15 seg.
Las cargas empleadas en el ensayo varian desde 250 kgf hasta los 3000 kgf.
La elección del penetrador y de la carga será correcta si luego de la experiencia no quedan
marcas en la cara opuesta a la de la impresión, pues de ocurrir es de suponer que parte de la carga
aplicada fue absorbida por la mesa de apoyo de la probeta, debiendo modificarse las condiciones de
ensayo hasta cumplir con aquel requisito.
Al dar un resultado de dureza Brinell se usa la siguiente forma:
H B 10 / 3000 / 30 = 185
Donde para indicar las características del ensayop se colocará como subíndice de la letra
HB, símbolo de dureza Brinell, el diámetro de la bolilla empleada (10), la carga aplicada (3000) y el
tiempo de su aplicación (30).
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CONDICIONES DE ENSAYO
Para tener valores exactos en un ensayo de dureza, deben seguirse las prescripciones siguientes:
1- Las caras de la probeta ensayada estarán perfectamente planas y paralelas; deberán estar bien
pulidas para poder observar con claridad el contorno de la impresión, y al prepararlas se evitará todo
calentamiento que pueda dar lugar al desarrollo de tensiones internas en el material.
2- La probeta no debe moverse durante el ensayo, para lo cual es necesario que apoye perfectamente
sobre el soporte y que la carga actúe normal a su superficie.
3- El centro de una impresión y el borde de la probeta deben distar por lo menos 2d y del centro de
otra impresión 3d . Esta condición se impone por el hecho de que la deformación que produce la
penetración genera el efecto de " endurecimiento mecánico ", en las superficies adyacentes a la
impresión.
4- Después del ensayo la cara opuesta a la impresión no debe presentar marcas.
5- En ensayos de materiales muy duros la nitidez de la impresión puede mejorarse mojando
ligeramente el penetrador en ácido nítrico o coloreandolo con azul de prusia. En los casos que la
recuperación del material sea muy grande, el borde de la impresión se hace más visible si se reviste a
la probeta con un pigmento de color negro apagado.
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Medición de la impronta:
Para medir el diámetro de la impresión o impronta (d) se realiza por medio de un
microscopio micrométrico con lectura a la centésima de mm (0.01 mm) o de una lupa con retículo
graduado, por lo que sólo será necesario colocar el cero del mismo tangente a un borde, efectúandose
la lectura del diámetro mediante la tangencia de una de las divisiones con el borde opuesto.
Impronta
d1
d=
d2
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d1 + d 2
2
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