CIENCIA DE LOS MATERIALES

Ciencia de los materiales. Guía 3 1
CIENCIA DE LOS
MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 3
1
Tema: EL ENSAYO DE DUREZA: SU NATURALEZA Y USO
Contenidos
Ensayo de dureza
Objetivos
Específico
Objetivo general:
Ejecutar el procedimiento para la toma de durezas de diferentes materiales.
Objetivos específicos
1.- Definir el término dureza y la forma de determinarla
2.- Indicar el procedimiento para la toma de dureza
3.- Mencionar las diferentes clases de durómetros y sus escalas
4.- Determinar la equivalencia entre escalas y tipos de dureza
5.- Determinar la resistencia a la tensión de un material a partir de los
datos de dureza
6.- Mencionar las ventajas y desventajas de medir la dureza de un material
versus efectuar un ensayo de tensión para determinar las propiedades de un
material.
Materiales y Equipo
-
Material y equipo
Durómetro universal
Indentadores punta de diamante y de bola
7 Muestras metálicas en estado de entrega
Tabla 1 lista de materiales.
ITEM
Cantidad
1
1
Pieza cilíndrica de acero AISI 1020 de ∅1” X 3/4” L
2
1
Pieza cilíndrica de acero AISI 1045 de ∅1” X 3/4” L
3
1
Pieza cilíndrica de acero AISI 4340 de ∅1” X 3/4” L
4
1
Pieza cilíndrica de acero AISI 01 de ∅1” X 3/4” L
5
1
Pieza cilíndrica de acero AISI 304 de ∅1” X 3/4” L
6
1
Pieza cilíndrica de aluminio AISI 6061 ∅1” X 3/4” L
7
1
Pieza cilíndrica de bronce fosfórico ∅1” X 3/4” L
8
1
Pliego de lija
Designación
# 300
Ciencia de los materiales. Guía 3
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Marco Teórico
El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a
ser penetrada por un objeto duro. Existe una diversidad de pruebas de
dureza, son de uso común los ensayos Brinell y Rockwell (fig. 1)
El ensayo de dureza Brinell utiliza una esfera de acero endurecido (por lo
general de 10 mm de diámetro, aunque hay otros diámetros) colocada en un
indentador (penetrador), la bola se oprime, aplicándole una fuerza
previamente establecida, contra la superficie del material al cual se le
quiere conocer la dureza.
Se retira el penetrador y se mide con una lupa especial el diámetro de la
impresión (huella) dejada por la bola, ésta generalmente mide entre 2 y 6
mm, y con esta medida se calcula el número de dureza Brinell (ó índice de
dureza) simbolizado por HB ó BHN, por medio de la siguiente ecuación:
HB =
Donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro de la bola y D1
es el diámetro de la huella, ambas en mm.
El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para
materiales blandos y un cono de diamante para materiales duros. En este
ensayo no se mide el diámetro de la huella, sino su profundidad, el aparato
lo hace automáticamente y por medio de un instrumento de carátula se lee
directamente la dureza Rockwell (HR). Existe una diversidad de cargas que se
pueden aplicar y varios indentadores de bola (diferente diámetro), además
del indentador de diamante. Cada combinación de carga e indentador genera
una escala de durezas diferentes, tal como se muestra en la tabla. Cada
escala tiene sus aplicaciones, por ejemplo la escala C (Dureza HRC) se
utiliza para aceros endurecidos. Si se quiere medir la dureza del aluminio,
se utilizará la escala F (HRF). Con otras escalas es posible tomar la dureza
de materiales tan duros como las cerámicas o tan blandos como los polímeros
(plásticos).
Existen otros tipos de ensayo tales como el Vickers (HV) y el Knoop para
pruebas donde es necesario que la huella sea lo más pequeña posible, ya sea
porque el material es muy delgado o porque en alguna investigación se
necesite medir la dureza de alguna microestructura. A estas se le conoce
como pruebas de microdureza, no se debe de pensar que la dureza es muy
pequeña ya que el término se refiere al tamaño de la huella y para medirse
la huella se necesita de microscopios.
Ciencia de los materiales. Guía 3
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Tabla 1: Resumen ensayos de dureza
Los índices de dureza se utilizan principalmente como base de comparación de
materiales, de sus especificaciones para su manufactura y tratamientos
térmicos, para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras
propiedades de los mismos. Por ejemplo la dureza Brinell está relacionada
estrechamente con la resistencia a la tensión del acero
mediante la
relación siguiente:
Resistencia a la tensión (psi) = 500 HB
Se puede obtener un índice de dureza Brinell en unos cuantos minutos sin
preparar ni destruir el componente; y obteniéndose una buena aproximación a
la resistencia a la tensión.
La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se
utiliza para fragmentar o moler mineral debe ser muy duro para asegurarse
que no se desgastará o sufrirá abrasión de los materiales con los que está
en contacto. De manera similar los dientes de los engranes de transmisión en
el sistema impulsor de un vehículo deberán ser lo suficientemente duros para
que soporten el rozamiento sin desgastarse.
Ciencia de los materiales. Guía 3
Figura 2: Comparación de varias escalas de dureza
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Ciencia de los materiales. Guía 3
Figura 3: Relación entre dureza y la resistencia a la tensión para
latones y fundición de hierro esferoidal.
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aceros,
Como se observa en la figura 3, la resistencia a la tensión y la dureza son
proporcionales en ciertos rangos de valores y cualquiera de los dos ensayos
puede dar una idea de la resistencia a la deformación de tales materiales.
Las relaciones en los aceros son las siguientes:
Resistencia a la tensión en psi: σ = 500 HB
Resistencia a la tensión en megapascales (MPa): σ = 3.45 HB
Los ensayos de dureza se utilizan con mayor frecuencia que otros ensayos por
varias razones, entre ellas:
1.- Son sencillos y baratos, y ordinariamente no es necesario prepara una
muestra especial.
Ciencia de los materiales. Guía 3
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2.- El ensayo no es destructivo, no es necesario fracturar la muestra, ni
deformarla excesivamente, la única deformación resultante es una pequeña
huella.
3.- Otras propiedades mecánicas se pueden estimar a partir del resultado del
ensayo de dureza.
VARIABILIDAD DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.
Las propiedades de los materiales no tienen valores exactos. Aunque
tuviéramos los instrumentos de medida más precisos y un procedimiento
completamente controlado siempre tendríamos dispersión y variabilidad de los
resultados en diferentes muestras de material.
Muchos factores producen esa variabilidad, entre ellos el método de ensayo,
las variaciones en el proceso de fabricación del material y de las probetas
(muestras), la acción del operador, la calibración del aparato de medida,
entre otras. Además dentro del mimo material existen partes no homogeneas y
ligeras diferencias en composición de un punto a otro y de un lote de
material a otro.
Desde luego, deben tomarse todas las precauciones para minimizar errores en
las medidas, así como minimizar aquellos factores que generan la
variabilidad en lo resultados.
Es importante que el ingeniero se dé cuenta de que esta dispersión y
variabilidad de las propiedades de los materiales es inevitable y deben
considerarse de forma apropiada. En algunas ocasiones los datos deben ser
tratados de
forma estadística y deben determinarse probabilidades. Por
ejemplo, en lugar de preguntarse ¿Cual es la resistencia a la rotura de esta
aleación?, debería acostumbrase a preguntar ¿Cuáles la probabilidad de
rotura de esta aleación en determinadas circunstancias?
A pesar de la variación en las propiedades medidas, es conveniente
especificar un “valor típico”. Frecuentemente el valor típico se toma como
el promedio de los valores experimentales. Estos se obtienen dividiendo la
suma de todos los valores medidos por el número de medidas.
PPROCEDIMIENTO PARA MEDIR LA DUREZA DE UNA MUESTRA METALICA EN UN DURÓMETRO
ROCKWELL
1.- Investigar la dureza aproximada de los materiales proporcionados, tanto
en estado de suministro como con los tratamientos térmicos a los que se le
han sometido.
2.- Seleccionar el indentador (penetrador) según la dureza investigada.
3.- La probeta debe de tener las caras superior e inferior planas (finamente
lijadas) y paralelas, para asentarla correctamente sobre la base del
durómetro y tomar adecuadamente la dureza.
4.- Regular la altura de la base del durómetro de tal manera que contacte
ligeramente la punta del indentador.
5.- Girar la base del durómetro hasta que la aguja pequeña de la caratula
del durómetro llegue al punto rojo. Esta es la aplicación de la precarga.
6.- Bajar lentamente la palanca para aplicar la carga principal. En cierto
momento, la palanca se moverá automáticamente y puede soltarla.
7.- Esperar de 20 a 40 segundos para que se produzca la fluencia completa.
8.- Retirar lentamente la carga por medio de la palanca.
9.- Esperar que se estabilice la aguja grande de la caratula y leer en la
escala correspondiente.
10.- Bajar la base del durómetro y retirar la muestra
11.- Repetir dos veces más el procedimiento, teniendo el cuidado de hacerla
a una distancia de 5 veces el diámetro de la indentación de cualquier otra
huella.
12.- Calcular el promedio de dureza
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Procedimiento
1.- Se procederá a tomar la prueba de dureza a una muestra de cada tipo de
acero y se completará la siguiente tabla
Tabla 2: Lecturas de dureza
Tipo
de
Dureza
Dureza
Dureza
dureza
Resistencia a la
1
2
3
promedio
tensión
material
Acero AISI 1020
Acero AISI 1045
Acero AISI 4340
Acero AISI 304
Aluminio
6061
Bronce
fosfórico
AISI
2.- Se investigará en internet o en empresas que distribuyen los materiales
mencionados la dureza en estado de entrega de los materiales citados y se
comparará con los datos obtenidos en el laboratorio, Indique claramente su
fuente de información. Mencione las posibles causas de las diferencias.
Tabla 3: Comparación de durezas
Tipo de material
Dureza promedio
Dureza investigada
medida
% de
diferencia
Acero AISI 1020
Acero AISI 1045
Acero AISI 4340
Acero AISI 304
Aluminio
AISI
6061
Bronce fosfórico
Bibliografía
1) Avner,
edición
S.
(1988)
Metalurgia
Física,
México
D.F.
McGraw-Hill.
2ª
Ciencia de los materiales. Guía 3
8
2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de
materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición
3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los
materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición.
4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y
Procesos de Manufactura.
México D. F. Limusa.
5) www.steel.org/
6) www.sae.org/
7) www.astm.org/
8) www.matweb.com/
9) http://asminternational.org
Rúbricas para este laboratorio
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
investigación, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha
de entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos y Procedimiento abreviado
Requisito
Examen previo (individual)
30
Mediciones efectuadas y Tablas de datos
Requisito
Cálculos efectuados correctamente
Requisito
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al
menos en 3 sitios confiables)
30
Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados
experimentales con lo reportado en sitios web confiables (éstos
se considerarán los valores teóricos), indicar si se lograron los
objetivos o no y porqué.
35
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y
concisa.
5
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos
-
10
No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
No colabora o se comporta indebidamente (individual)
-
10
Comentarios
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Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como
Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo: .doc o .docx, solo si
es muy extenso podrá enviarse en PDF, el envío será al correo
electrónico del docente, quien deberá responder de recibido. Si
la entrega es informe Impreso, se le dará personalmente al
docente, los estudiantes podrán llevar una hoja para que las
firme el docente, haciendo constar de que fue recibido.
TOTAL
-
9
10 % por
cada día
de
retraso.
100
El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el
laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se
entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada
día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la
condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no
cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 %
adicional.
El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay
violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al
infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin
posibilidad de solicitarla diferida.