1. Ciencia

LABORATORIO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES (2013-2014)
Alumno: JOSÉ FIDEL ZAMORA CARBÓ
P3. DETERMINACIÓN DE LA DUREZA DE LOS MATERIALES
OBJETIVOS:
-
Materiales:
Aprender a medir con el durómetro la dureza de
materiales.
Observar y comparar como varía la dureza del acero al
someterlo a diferentes tratamientos térmicos.
Conocer las diferencias experimentales del ensayo de
Rockwell, Vickers y Brinell.
- Durómetro
- Muestras de acero
- Tabla: Dureza Rockwell / R. Tracción
- Lupa y micrómetro
INTRODUCCIÓN:
La dureza de un material es la resistencia que opone a la penetración de
un cuerpo más duro. La resistencia se determina introduciendo un cuerpo
de forma esférica, cónica o piramidal, por el efecto que produce una
fuerza determinada durante cierto tiempo en el cuerpo a ensayar.
Como indicador de dureza se emplea la deformación permanente
(plástica). En algunos casos, es necesario determinar las características
mecánicas de los materiales sin llegar a su destrucción. También podemos
determinar la dureza conseguida mediante un tratamiento de dureza.
Podemos mencionar los tres tipos de ensayos de dureza más importantes
cuyo procedimiento explicaremos en el siguiente apartado: Rockwell,
Vickers y Brinell.
Figura 1. Durómetro
PROCEDIMIENTO EXPERIMIENTAL y RESULTADOS:
ROCKWELL:
En primer lugar se procedió a la medida de la dureza de 4 muestras de acero sometidas cada
una a un tratamiento térmico distinto. Para el desarrollo del ensayo usamos la norma UNEEN ISO 6508-1: 2007. El método operativo a seguir en cada medida fue el siguiente:
Figura 2. Esquema operativo del ensayo por dureza
Rockwell.
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a) Aplicamos una carga previa de F0=10 kg para tomar una referencia h0, independiente
del estado superficial.
b) Aplicamos la sobrecarga de ensayo F1, con lo que se alcanza h1.
c) Volvemos atrás la palanca para la eliminación de la sobre carga F1, con lo que se
recupera la deformación elástica y se conserva la remanente. La profundidad alcanzada
es h y el valor de la dureza es indicado en la escala del durómetro.
d) Leemos en el indicador del durómetro directamente la dureza. Las unidades de dureza
indicadas por el durómetro se establecen por la medida de la profundidad, e, de la
huella:
𝑒 = ℎ − ℎ0
El durómetro tenía dos escalas, una para cada tipo de penetrador: una roja para la bola de acero
y otra negra para el cono de diamante. Según el tipo de penetrador utilizado debe utilizarse una
u otra.
Para las dos primeras muestra se utilizó como penetrado la bola de 1/16”, mientras que para las
tres restantes se utilizó el cono de diamante.
Los resultados obtenidos se pueden ver reflejados en la siguiente tabla:
Muestras
Muestra 1 (Normalizado)
Muestra 2 (Recocido)
Muestra 3 (Temple)
Muestra 4 (Revenido 300°C)
Muestra 5 (Revenido 650°C)
Dureza
91 HB
84 HB
61 HC
43 HC
24 HC
R. a tracción (N/mm2)
705
540
2230
1360
835
Tabla 1. Durezas y resistencias a la tracción medidas por el método Rockwell (HB y HC) para muestras del
mismo acero sometido a diferentes tratamientos térmicos.
donde definimos la resistencia de tracción como el máximo esfuerzo de tracción que un cuerpo
puede soportar antes de romperse (es sinónimo de la carga de rotura por tracción).
Como se observa la muestra de mayor dureza es la templada, seguida del revenido a 300°C y el
de 650°C, el normalizado y encontrándose en último lugar el recocido. Según las propiedades
estudiadas en teoría de cada uno de los tratamientos térmicos estos coinciden con lo esperado.
VICKERS:
Utilizamos la norma UNE-EN ISO 6507-1: 2006 para longitudes de diagonales de huella de
entre 0,020mm y 1,400mm. Los valores de se calcularon a partir de los valores en
kilogramos-fuerza de la carga. Hay que tener en cuenta que para algunos materiales y/o
productos especiales existen Normas Internacionales particulares.
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El objetivo este ensayo es la determinación de la superficie lateral de la huella realizada por
el penetrador de Vickers, una pirámide de diamante de base cuadrada de 136° de vértice
(véase figura 3).
Figura 3. Huella obtenida en el ensayo de dureza Vickers.
Tras aplicar geometría básica a la huella obtenemos la siguiente expresión que nos da la
dureza en Vickers:
𝐹
𝐻𝑉 = 1,854
(
𝑑! + 𝑑2 2
2 )
donde F es la fuerza aplicada (en kp), y d1 y d2 las diagonales de la huella.
Obviamente se necesita de instrumental adecuado para la medida de dichas diagonales, tanto
para el método de Vickers como el de Brinell se utilizó una lupa y un micrómetro para realizar
las medidas de la huella.
Se realizó una única medida de una muestra de acero con una carga de 100 kilopondios (dato
tabulado) obteniendo:
𝑑1 : 0,532 𝑚𝑚
𝑑2 : 0,636 𝑚𝑚
Aplicando la fórmula anterior:
𝐻𝑉 = 1,854
100
0,532 + 0,636 2
(
)
2
= 543,6 𝑘𝑝⁄𝑚𝑚 2
Por tanto la dureza de la muestra es de:
543,6 𝐻𝑉 100/30
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BRINELL:
Para este ensayo utilizamos la norma UNE-EN ISO 6506-1: 2006, en la que se especifica el
método Brinell para materiales metálicos y se aplica hasta el límite de 650 HB.
La metodología de este ensayo no varía
respecto al anterior, solo cambiamos el
penetrador por una bola de acero extraduro
de 2,5mm. Ahora la huella será circular, si
aplicamos geometría básica, podemos llegar
a otra expresión que nos da el número de
dureza Brinell:
2𝐹
𝐻𝐵𝑊 = 0,102
𝜋𝐷2 (1 − √1 −
𝑑2
)
𝐷2
donde F es la fuerza aplicada (en kp), D el
diámetro del penetrador y d el diámetro
medio de la huella (estos últimos en mm).
Dicho diámetro medio viene dado por:
𝑑=
Figura 4. Huella obtenida en el ensayo de
dureza Brinell.
𝑑1 + 𝑑2
2
donde d1 y d2 son dos diámetros de la huella
medidos en direcciones perpendiculares.
Realizando el ensayo con una carga de 187,5 kp y tras proceder a la medida de la huella, se
obtuvo como valor de diámetro medio:
𝑑: 0,642 𝑚𝑚
por tanto,
𝐻𝐵𝑊 = 0,102
2 ∙ 187,5
0,6422
𝜋 ∙ 2,52 (1 − √1 −
)
2,52
es decir, la dureza de la muestra es de:
= 569,8 𝑘𝑝/𝑚𝑚 2
569,8 𝐻𝐵𝑊 2,5/187,5/30
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CONCLUSIONES:
En la Tabla 1 podemos observar como varía la dureza del acero al someterlo a diferentes
tratamientos térmicos puesto que al tratarlos se producen cambios en su estructura y, por
consiguiente, en sus propiedades mecánicas tales como dureza, elasticidad o plasticidad (entre
otras). Si los ordenamos de menor a mayor dureza:
𝐻𝐵𝑟𝑒𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑜 < 𝐻𝐵𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 < 𝐻𝐶𝑟𝑒𝑣𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 650℃ < 𝐻𝐶𝑟𝑒𝑣𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 300℃ < 𝐻𝐶𝑡𝑒𝑚𝑝𝑙𝑒
Este resultado concuerda con lo esperado y lo estudiado en la asignatura sobre tratamientos
térmicos:
Temple: Tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para
ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica
superior (aproximadamente 900 a 950°C) y se enfría luego más o menos
rápidamente (según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio
conveniente, agua, aceite, etc.
Revenido: Es un tratamiento que se da a las piezas que han sido previamente
templadas. Lo que se consigue es disminuir la dureza y resistencia de los aceros
templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad,
quedando además el acero con la dureza o resistencia deseada.
Normalizado: El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo al
calentar aproximadamente a 20°C por encima de la línea de temperatura crítica
superior seguida de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. El
propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que con
el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones éste sea el tratamiento
térmico final.
Recocido: En general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero u otros
metales, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar
las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).
Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frío sin
afectar las propiedades mecánicas de la pieza finalizada, o puede utilizarse el
recocido para eliminar por completo el endurecimiento por deformación. En este
caso, la parte final es blanda y dúctil pero sigue teniendo un acabado de superficie
y precisión dimensional buenos.
Es interesante observar que el revenido a menor temperatura tiene más dureza que el revenido
a mayor temperatura, como era de esperar, ya que la estructura del revenido a menor
temperatura diferirá menos a la estructura original del temple (caracterizada por su gran
dureza).
Aparte de los resultados obtenidos, tras realizar la práctica se ha aprendido la diferencia
experimental existente entre los diferentes tipos de ensayo (Rockwell, Vickers, Brinell) y qué
parámetros debemos medir para realización de cada uno de estos, así como la importancia de
elegir el penetrador adecuado.
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Nota:
En las conclusiones de la Práctica 5 (Tratamientos térmicos en aceros) se explica la relación existente
entre las durezas obtenidas y las microestructuras observadas en la Práctica 4 (Técnicas de
caracterización de materiales. Microscopía óptica) para cada tratamiento.
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