2 ENSAYO DE DUREZA Laboratorio MEC-2248

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA - ELECTROMECÁNICA
TEORÍA Y ENSAYO DE MATERIALES
MEC - ELM
Guía de LABORATORIO
Doc.: Ing. Gustavo Zubieta B.
ENSAYO DE DUREZA
MEC 2248
Rev.:
15.12
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Laboratorio MEC-2248
2 ENSAYO DE DUREZA
2.1 INTRODUCCIÓN
Una de las propiedades mecánicas importantes en los procesos industriales es la dureza de
los materiales. Las pruebas de dureza pueden considerarse del orden no destructivo, ya que
el rastro de una huella pequeña, que es una de sus características, no impide la utilización
del objeto ensayado posteriormente. [1]
El ensayo de dureza es frecuente en el control de calidad de materiales pre y post
procesados. Es más económico que los ensayos destructivos, de ahí su uso frecuente.
2.2 CUESTIONAMIENTOS INICIALES
Las siguientes preguntas tienen la finalidad de motivar e incentivar el interés en la temática
experimental del presente laboratorio: ¿De qué aparatos o dispositivos se cuenta para determinar la dureza de materiales metálicos? ¿Será directa la cuantificación del número de
dureza o implica procedimientos intermedios como sugiere la introducción teórica efectuada en clases? ¿Existe alguna relación entre la dureza y la resistencia mecánica de los aceros?
2.3 OBJETIVO GENERAL
Efectuar un ensayo de dureza en distintos tipos de acero mediante la utilización de un
durómetro de rebote de lectura directa y así viabilizar la verificación de la correlación experimental entre dureza y resistencia mecánica.
2.3.1 0bjetivos Específicos
Se plantean las tareas que siguen a continuación:
- Conocer las características generales del durómetro de rebote disponible: Uso, lectura y
precauciones.
- Determinar la dureza de: Un riel de ferrocarril, un diente de engranaje prefabricado, la
probeta de tracción destinada al ensayo de tracción (Lab. 1).
- Estimar, a partir de la dureza, la resistencia mecánica de la probeta de ensayo de tracción,
para comparar con el valor obtenido de dicho ensayo (Lab. 1), a fin de evaluar la validez
de la correlación empírica existente entre resistencia a la tracción y la dureza.
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2.4 MARCO TEÓRICO BÁSICO
La dureza es una propiedad mecánica, que consiste en la oposición de un material a la deformación plástica localizada como el rayado o la penetración de superficie. [2]
El ensayo de dureza consiste básicamente en la acción controlada de un penetrador o
indentador esférico, piramidal o cónico―generalmente de acero endurecido o templado,
algún carburo de alta dureza como es el carburo de tungsteno, o diamante― sobre una superficie pulida correspondiente al material objeto de la prueba. [1]
En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante que se relaciona con el número de dureza en relación al método particular empleado (Brinell, Rockwell, etc.), siendo que cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella
o indentación, y menor el número de dureza. [2]
Por otra parte, tanto la resistencia como la dureza son indicadores de la oposición del
material a ser deformado plásticamente, por ello ha sido posible establecer una relación de
proporcionalidad entre ambas propiedades mecánicas.
Figura 1
Relación de proporcionalidad entre dureza Brinell (Brinell hardness number, BHN) y resistencia
a la tracción (tensile strength) en algunos materiales: Aceros (steels), latón (brass), y fundición
nodular (nod. cast iron). [2]
La correlación empírica entre resistencia mecánica y el número de dureza Brinel se
puede expresar por la relación:
𝑅𝑅𝑚𝑚 = 3.45 × 𝐻𝐻𝐻𝐻
Siendo:
(1)
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𝑅𝑅𝑚𝑚 , Resistencia a la tracción o resistencia mecánica (MPa o N/mm2).
𝐻𝐻𝐻𝐻, número de dureza en escala Brinell (BHN) (kgf/mm2).
La Ec. (1) es de carácter experimental que permite estimar la resistencia a la tracción
de una gran gama de aceros. No es válida para todos los metales.
También resulta importante mencionar que existen dispositivos cuyo principio de indentación resulta interesante como el caso de los durómetros de rebote. El principio de
dicho método de ensayo fue desarrollado y propuesto por Dietmar Leeb en 1978, se trata
de la dureza Leeb. [3]
En dicho sistema la cabeza de prueba armada con un hierro magnético viaja por el cilindro embobinado de inducción (coil) a cierta velocidad, actúa en la superficie metálica de
ensayo y rebota de retorno. En este caso el voltaje de inducción está en proporción directa
a la velocidad que será percibida por el aparato.
La ecuación correspondiente a la dureza Leeb se expresa por:
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 =
𝑣𝑣𝑏𝑏
1000
𝑣𝑣𝑎𝑎
(2)
Siendo:
𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻, valor de dureza Leeb.
𝑣𝑣𝑏𝑏 , velocidad de rebote (LT-1).
𝑣𝑣𝑎𝑎 , velocidad de impacto (LT-1).
La evaluación de la Ec. (2) es efectuada internamente por el sistema propio del dispositivo cuyo diseño se basa en el micro-procesamiento. [3]
2.5 MEDIOS Y EQUIPAMIENTO
Se utilizará lo siguiente:
- Durómetro de rebote, marca “LEED’S”, modelo THL-300 Hardness Tester, dispositivo portátil; accesorios: Calibrador de dureza Leeb (HLD) consistente en pieza
cilíndrica de acero cuya dureza está predefinida (HLD 0784);
- Un riel de ferrocarril, ~0.60m;
- Una rueda dentada o engranaje, ∅120mm;
- Espécimen o probeta normalizada de acero para ensayo de tracción (provista por cada grupo de estudiantes previamente al ensayo de tracción);
- Mesa de trabajo, de apoyo firme sin vibración (conforme a requerimientos particulares del durómetro disponible), 1 × 2m;
- Trapo de limpieza superficial.
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2.6 METODOLOGÍA PROCEDIMENTAL
La ejecución experimental del ensayo se rige bajo el siguiente proceso:
2.6.1 Preparación de las piezas
o Efectuar la limpieza de cada pieza a ser ensayada: Liberar de rastros de grasa, u otra
suciedad en forma de escarcha.
o Las superficies de prueba deben ser pulidas (sin rugosidad apreciable), planas o de baja
curvatura en su superficie (> 30mm, si es posible). [3]
o Es recomendable que las piezas a ensayar sean mayores a 2.5kg para dar suficiente estabilidad y apoyo durante la medición con el durómetro.
o Percibir el carácter sonoro de las distintas piezas disponibles mediante un golpe leve
con otra pieza metálica. Nótese las diferencias sensoriales que producen.
2.6.2 Medición de dureza: Registro de Datos
o En el durómetro, una vez encendido:
- Seleccionar el método y la escala de medición (HB, HRB, HRC, etc.). Por defecto
está disponible el método Leeb.
- Seleccionar, en el mismo dispositivo, un material referencial correspondiente a un
rango de durezas en el cual se encuentre el número de dureza de la pieza a ensayar,
en la escala requerida. Si no se cuenta con experiencia previa será recomendable revisar la Tabla 1 (Application range) del manual del aparato. [3] Por ejemplo, para el
riel se recomienda: Escala HRC / Stainless steel.
- Cargar el durómetro por retracción móvil del disparador, asentar el apoyo sobre la
superficie de la pieza preparada, el dispositivo debe quedar perpendicularmente bien
apoyado en la superficie, efectuar el disparo con el botón de impacto.
- Registrar la lectura mostrada en la pantalla LCD: Cinco lecturas por pieza (si hay
lecturas consecutivas que muestran apreciable error con respecto a las anteriores,
conviene repetir esa medición).
- Se sugiere utilizar las siguientes tablas de registro:
Tabla 1 Registro de dureza para pieza de ensayo: Riel de ferrocarril
Material
Escala de Dureza:
Lectura 1
Lectura 2
Rockwell C (HRC)
Lectura 3
Lectura 4
Lectura 5
Valor Promedio
Acero al Mn
Tabla 2 Registro de dureza para pieza de ensayo: Diente de engranaje
Material
Acero temple Superf.
Escala de Dureza:
Lectura 1
Lectura 2
Rockwell B (HRB)
Lectura 3
Lectura 4
Lectura 5
Valor Promedio
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Tabla 3 Registro de dureza para pieza de ensayo: Probeta para tracción
Material
Escala de Dureza:
Lectura 1
Lectura 2
Brinell (HB)
Lectura 3
Lectura 4
Lectura 5
Valor Promedio
SAE 1045
2.6.3 Trabajo de gabinete: Procesamiento de Datos
o Calcular los promedios de las lecturas de los valores de dureza medidos.
o Para el caso de la probeta de tracción corresponde verificar la correlación empírica entre
resistencia mecánica y número de dureza Brinell mediante la Ec. (1) y comparar con el
valor determinado en el ensayo de tracción correspondiente al Laboratorio 1.
2.7 RESULTADOS
Resumir la información obtenida de la siguiente manera:
Tabla 4 Resultados obtenidos del Ensayo de Dureza
Valor medido de Dureza
Pieza ensayada
Material
Riel de ferrocarril
Acero al Mn
Diente de engranaje
Acero templado superficial
Probeta para
tracción
SAE 1045
Brinell (HB)
Rockwell B (HRB)
Rockwell C (HRC)
Tabla 5 Resultados obtenidos para correlación Dureza Brinell-Resistencia Mecánica
Verificación de correlación empírica
a
Pieza ensayada
Material
Probeta para
tracción
SAE
1045
Dureza Brinell, HB
(kgf/mm2)
Rm estimado por Ec.(1)
(MPa)
Rm determinado por
ensayo de tracción a
(MPa)
Procedimiento realizado en Laboratorio 1.
2.7.1 Interpretación y Discusión de Resultados
Aquí se pide analizar la validez de los valores encontrados, su lógica, la correspondencia
con lo teórico, así como observaciones e inquietudes personales que expliquen los resultados alcanzados en relación a las expectativas de los mismos.
Es importante que toda discusión o aporte personal se apoye en fundamentos científicos expuestos en el marco teórico u otras referencias que el estudiante conozca. De ser así
deberá referenciar en la sección destinada a Referencias Bibliográficas.
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2.8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Es necesario valorar la correspondencia entre el procedimiento recomendado, la disponibilidad de medios, el logro de objetivos, limitaciones e imprevistos que han tenido lugar en
la realización del Laboratorio.
También, revisar el alcance que ha tenido la realización del presente Laboratorio en
dar respuesta a los cuestionamientos inicialmente planteados en la Sección 2.2.
2.9 CUESTIONARIO
Es importante responder a las siguientes preguntas una vez realizada y ejecutada la experiencia:
1) ¿A qué factores se deben los errores de lectura de dureza que suelen presentarse en el
dispositivo?
2) ¿Qué precauciones deben seguirse al medir dureza en piezas que tienen antecedente de
estar endurecidas superficialmente?
3) ¿Es correcto pretender estimar la resistencia a la tracción de esas piezas a partir de un
ensayo de dureza? Justifique su respuesta.
2.10 DIRECTRICES GENERALES PARA LA PRESENTACIÓN DEL INFORME DE LABORATORIO
Se valorará en la calificación del informe los siguientes aspectos de forma y contenido:

Formato:
 Tamaño de hoja: A4.
 Carátula: Universidad, facultad, carrera, título (Nº de Informe de Laboratorio),
nombre del Laboratorio, nómina de integrantes (1 a 4), docente, lugar y fecha.
 Hoja de Resumen: Síntesis breve del trabajo realizado. Resaltando objetivos,
métodos, resultados, discusiones y conclusiones.
 Estructura del Informe: Utilizar la que se sugiere en la presente Guía (Introducción, Objetivo, etc.). Cada sección numerada, del mismo modo las páginas.

Contenido:
 Ampliación y complementación del marco teórico. Referenciar fuentes consultadas.
 Detalle del procedimiento seguido: Explicaciones ampliadas y personalizadas, fotografías, imágenes u otros.
 Análisis y discusión de resultados obtenidos.
 Cuestionario respondido con fundamento científico y criterio, aceptables.

Varios:
 Es requisito para la presentación del informe: Haber asistido y participado en la
ejecución del Laboratorio.
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 La ampliación del marco teórico, así como del procedimiento efectuado, debe ser
original: Mostrar capacidad de resumen y síntesis, presentar lo que sea estrictamente necesario, respeto a la propiedad intelectual referenciando las fuentes consultadas.
 Advertencia: Hacer uso desenfrenado del fenómeno copiar/pegar (copy/paste) le
resta gran valor al trabajo realizado.
2.11 REFERENCIAS
[1]
William F. SMITH, Javad HASHEMI, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, 4ta Ed., McGraw-Hill, México, 2006.
[2]
William D. CALLISTER, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3ra Ed.,
Reverté, Barcelona, 1996.
LEED’S, Hardness Tester THL-300 Manual, 2009.
[3]