Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco

Facultad de Ingeniería Química e Ingeniera Metalúrgica

Carrera Profesional Ingeniería Metalúrgica

Informe: Determinación de la Dureza y Resiliencia.

Asignatura: Tratamientos Térmicos.

Docente: Ing. Guillermo Barrios Ruiz.

Pertenece a: Yaquelin Andrea Salas Ccahua

Código: 111053

Cusco – Perú

2015

Practica N° 01:

“Determinación de la Dureza y Resiliencia.”

Objetivos

Realizar las pruebas de determinación de la Dureza y Resiliencia, a partir de 3 Probetas diferentes.

Marco Teórico

ENSAYOS DE DUREZA .

De forma genérica se entiende por dureza la resistencia superficial a la deformación de un sólido. Aunque no es una propiedad fundamental de un material, a partir de ella se pueden obtener informaciones acerca de las características mecánicas del mismo, ya que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas.

El valor de dureza obtenido en un ensayo determinado sirve sólo como comparación de ese material con otros, o con él mismo, tras un tratamiento efectuado sobre él.

El procedimiento de ensayo y la preparación de la muestra tienen la ventaja de ser sencillos, rápidos y en algunos casos no destructivos. Además, a partir de la dureza de un material se puede obtener cierta información sobre sus características mecánicas. Composición resistencia al desgaste, dificultad de mecanizado, influencia de los tratamientos térmicos o mecánicos que ha sufrido, etc.

La moderna tecnología aplicada a las construcciones metálicas y las transformaciones a que pueden someterse las estructuras internas de los metales, mediante procesos térmicos y de aleación demuestra la importancia que para la industria tiene el conocimiento a priori de la dureza de los materiales para la correcta utilización de los mismos.

Los diversos ensayos de dureza se pueden dividir en tres grandes grupos:

1. Ensayos de dureza al rayado. 2. Ensayos de dureza por penetración estática. 3. Ensayos de dureza elástica o dinámica.

ENSAYO DE RESILIENCIA.

Hay muchos materiales que ante la actuación de un esfuerzo se comportan de una manera plástica pero en otras ocasiones se manifiestan de una forma frágil.

Generalmente tres son las causas que pueden motivar un comportamiento más frágil ante la actuación de un esfuerzo:

Descenso de temperatura. Casi todos los metales o aleaciones se vuelven más frágiles al descender la temperatura. Los casos más relevantes se dan en aquellos que cristalizan en sistema cúbico centrado en el cuerpo, donde se presenta una temperatura de transición en la que disminuye bruscamente su plasticidad.

El efecto de la triaxilidad. Normalmente sobre los materiales actúan esfuerzos en una sola dirección del espacio, pero cuando está lo hace en dos o tres direcciones restringe la capacidad de deformación del material, aumentando por lo tanto su fragilidad. Cuando actúa un esfuerzo sobre un material con entalla (aunque sea sólo en una dirección del espacio), además de provocar un efecto de concentración de esfuerzos, crea unas tensiones en las tres direcciones del espacio (triaxilidad), que restringen su deformación.

Figura 11. Influencia de la temperatura en el comportamiento de distinos materiales.

El efecto de la velocidad de aplicación de la carga. Se ha comprobado que conforme aumenta la velocidad de aplicación de la carga, disminuye la capacidad para deformarse un material, es decir aumenta su fragilidad.

Es obvio que se presentarán en muchas ocasiones en las que los materiales sufran la actuación de esfuerzos en condiciones que afecten a la plasticidad de los mismos y es por tanto necesario un ensayo que nos permita medir la respuesta de un material cuando está sometido a estas condiciones.

Normalmente se hacen ensayos que nos sirven para conocer la tenacidad del mismo (Cantidad de energía consumida por unidad de sección para deformar y romper un material). Aunque no tienen el mismo significado, hay una correspondencia entre plasticidad (cantidad de deformación) y tenacidad (consumo de energía), por lo que implica que un material muy tenaz es un material con alta plasticidad y a la inversa.

Los ensayos más empleados para medir la resiliencia de un material (energía consumida por unidad de sección) son el método Charpy (muy empleado en Europa) y el Izod (más empleado en Estados Unidos).

Materiales y Equipos

Procedimiento

Probetas. Durofractometro.

Primero se realiza la preparacion de la Probeta.

Luego se realiza la practica de determinacion de dureza.

Seguidamente se realiza la pratica de fractura.

Finalmente se realiza los calculos correspondientes.

Cuestionario

1. Describa un equipo para determinar la dureza.

Un durómetro es un aparato que mide la dureza de los materiales, existiendo varios procedimientos para efectuar esta medición.Los más utilizados son los de Rockwell, Brinell, Vickers y Microvickers. Se aplica una fuerza normalizada sobre un elemento penetrador, también normalizado, que produce una huella sobre el material. En función del grado de profundidad o tamaño de la huella, obtendremos la dureza.Dentro de cada uno de estos procedimientos, hay diversas combinaciones de cargas y penetradores, que se utilizarán dependiendo de la muestra a ensayar.

Funcionamiento del durómetro

Para la medición de la dureza de materiales el durómetro funciona de la siguiente manera: Una vez que se selecciona el material del cual se quiere conocer la dureza se normaliza la fuerza que se le ha de aplicar a través de un elemento penetrador, que también debe estar normalizado.Dependiendo de la profundidad o tamaño de la huella que se obtenga de esta aplicación de fuerza es como sabremos el grado de dureza del material.Así se puede conocer la resistencia al corte de la superficie que tiene el material analizado y se utilizan diferentes tipos de durómetros, entre los que encontramos los que se explicaron más arriba.Usos y aplicaciones del durómetroEl uso más común del durómetro en la industria farmacéutica es la medición de la resistencia y dureza de pastillas y cápsulas para verificar que puedan resistir el proceso de producción, empaque, distribución y venta, también para asegurarse de que la dureza del medicamento permita su desintegración dentro del cuerpo o que sea fácil de masticar.En industrias como la de la construcción y la del metal se trata de medir la dureza y resistencia de los materiales con los que se ha de construir para garantizar que cumplen con determinados estándares de seguridad y calidad.

ENSAYOS DE DUREZA

Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.

Ensayo BrinellEn el ensayo de dureza Brinell el penetrador es una bola de acero extraduro de diámetro D, que se apoya sobre la probeta a estudiar; ejerciendo sobre la misma una fuerza P durante un tiempo t dado, aparece una huella de diámetro d sobre el metal, figura 1. La dureza Brinell viene definida por:

Figura 1. Esquema del ensayo de dureza Brinell.

HB = P/S (2.5)

Siendo: S = la superficie de la huella, casquete esférico. P = se expresa en kg fuerza y S en mm2. También puede expresarse de la siguiente manera:

(2.6)

La selección de las cargas, P, y diámetros, D, es una función del espesor de la pieza a ensayar, pues los resultados de dureza quedan falseados cuando pequeños espesores son ensayados con grandes cargas. La norma DIN 50351, indica la forma de selección de las cargas, materiales y diámetro de bolas, estableciendo para cada material una relación entre la carga y el cuadrado del diámetro, la cual constituye la constante del ensayo, Ce:

Ce = P/D2 (2.7)

Se consigue obtener unidades Brinell de dureza equiparable para una misma aleación, si se mantiene constante, para distintas cargas de ensayo, el parámetro Ce.En consecuencia, el tipo de ensayo Brinell queda definido por: el diámetro de la bola, D, la carga, P, y el tiempo de permanencia de la carga, t. Cada tipo de ensayo Brinell, se expresa en la forma, [n HBD/P/t]

Ensayo VickersEl ensayo de dureza Vickers es, como el Brinell, un ensayo cuyo objetivo es la determinación de la superficie lateral, S, de la huella. El penetrador es una pirámide de diamante de base cuadrada, cuyo ángulo en el vértice es de 136°, figura 2.

Figura 2. Penetrador Vickers

S = d2/2 sen68° (2.8)

Con lo que:HV = 2P sen68°/d2 = 1.8544 P/d2 (2.9)

La selección de la carga se realiza en función inversa a su dureza. La norma UNE 705473 establece los distintos aspectos de este ensayo. Como en el ensayo Brinell, la aplicación de la carga se realiza con una velocidad mínima, vm, y se requiere un tiempo mínimo de permanencia, t, entre 15 y 20 segundos generalmente. La denominación de la dureza obtenida se realiza citando las siglas HV seguido de la carga utilizada, P, y del tiempo de permanencia, t, separado por barras, por ejemplo, [nHV/P/t]

Ensayos Rockwell.En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la medida de la profundidad, e, de la huella de acuerdo con el modelo:

HR = A - e (mm)/0.002 (2.10)

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:

a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell, con diámetros de bola y cargas normalizados para cada tipo de ensayos.

b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos.

c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.

La denominación de la dureza Rockwell ensayada es por escalas, de A a L, que identifica la precarga, carga y tipo de penetrador, según se especifica en la tabla siguiente.

ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS

A 60 Cono de diamante

Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc.

B 100 Bola de 1/16"Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc

C 150 Cono de diamante

Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.

D 100 Cono de diamante

Acero superficialmente cementado.

E 100 Bola de 1/8"Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio.

F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.

G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.

H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.

K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio.

L 60 Bola de 1/4"Plásticos y metales suaves, como el plomo.

Figura 3. Secuencia de cargas, F, y profundidades en el ensayo Rockwell. Con el objeto de obtener ensayos reproducibles, la máquina obtiene el valor "e", por incrementos de las cargas aplicadas de acuerdo con la secuencia siguiente, figura 3:

1 - Aplicación de una carga previa, F0 = 10 kg. Esta sirve para tomar una referencia h0, independiente del estado superficial.

2 - Aplicación de la sobrecarga de ensayo, F1, con lo que se alcanza h1.

3 - Eliminación de la sobrecarga F1, con lo que se recupera la deformación elástica y se conserva la remanente. La profundidad alcanzada es h.

4 - La profundidad de la huella viene definida por: e = h - h0 (2.11)

Durómetro Rockwell y Brinell. Durómetro Rockwell y Vickers.Durómetro Rockwell C y B.

Figura 4. Diferentes durómetros Rockwell y Vickers.

Figura 5. Equipo portátil para medición de la dureza, con microprocesador para realizar estadística y conversión de escalas.

2. Determine un equipo para la determinación de la fractura.

Ensayo Charpy.El péndulo con el que se realiza este ensayo, está constituido por dos montantes verticales unidos por su parte inferior a una base rígida, y un eje horizontal alrededor del cual gira un brazo que tiene en su extremo una pesa en forma de disco. El disco presenta una arista afilada que forma un ángulo de 30º, con radio de 1 mm., y que se encarga de romper la probeta por choque (ver figura 12).En la parte inferior del montante hay dos apoyos regulables sobre los que descansa la probeta en posición horizontal, de forma que la cara entallada quede opuesta a la cara que recibe el golpe.Para realizar el ensayo se levanta el péndulo a una determinada altura (en nuestro caso 1,5 m. o un ángulo de 161º10´) dejándola caer después. Al incidir sobre la probeta, la rompe y sigue moviéndose hasta una altura inferior a la de caída, pues parte de la energía que llevaba se consume en el choque, siendo ésta la energía que utilizaremos para calcular la resiliencia.Para medir esa energía, la máquina dispone de una aguja que es arrastrada por el péndulo, indicando en un disco graduado, el ángulo que alcanza el péndulo después del choque o, directamente por ser proporcional, la energía consumida. Con estos datos podemos deducir el valor de la resiliencia pues, como hemos dicho, la energía nos viene dada directamente en el disco graduado o la hallamos por diferencia de alturas (que conocemos en función de los ángulos de caída y subida), siendo la sección la correspondiente a la probeta.Se han normalizado tres tipos de péndulos capaces de desarrollar una energía de 10, 30 y 300 Kpm, respectivamente. Con los de 10 y 30 Kpm. se ensayan probetas de 10 x 10 mm de sección colocados en apoyos que distan 40 mm. El de 10 Kpm. se utiliza para métales de baja resiliencia como Al, Zn, etc. Con el péndulo de 300 Kpm. se ensayan probetas de 30 x 30 mm de sección y una distancia entre apoyos de 120 mm.

La elección del tipo de probeta se hace de acuerdo con el material objeto de ensayo. Por lo general, las probetas de los materiales más dúctiles deben poseer entalladuras más agudas y profundas que los normales.

Figura 13. Probeta tipo Mesnager.

El tipo de probeta de mayor uso en España es la de Mesnager, con una entalladura de 2 mm. de profundidad, 2 mm. de anchura y el fondo redondeado con 1 mm. de radio (ver fig. 13). Los valores de resiliencia varían entre 30 Kpm/cm2 para aceros extradulces y 5 Kpm/ cm2 para aceros extraduros.El tamaño y forma de las probetas tiene una importancia extraordinaria en los resultados, por ejemplo, manteniendo constante la altura de una probeta y aumentando la anchura, se obtienen valores de resiliencia decrecientes, debido a que la zona donde se experimentan mayores alargamientos, influye cada vez en menor grado conforme aumentamos la anchura.

Ensayo Izod.

Es también un ensayo de flexión por choque muy semejante al de Charpy. Se caracteriza porque la probeta entallada está sujeta por un extremo y libre por el otro (ver fig. 14). Sobre este último recibe el golpe de la maza pendular (en este caso, cuando la maza golpea lo hace con una energía de 19,6 Kpm.) . El golpe lo recibe por la cara de la entalla, que debe quedar enrasada con el borde de la mordaza de sujeción. La maza golpea a una distancia de 22 mm. de la entalla.

Figura 14. Configuración del Ensayo Izod.

Las probetas que se utilizan son, por lo general, de 130 mm. de longitud con tres entallas en distintas caras que distan 28 mm. entre sí, de forma que se pueden efectuar tres ensayos sobre la misma probeta, siendo el resultado final el promedio de los tres.

3. Describa el equipo utilizado en la carrera.

En general, consisten en un péndulo (ver fig.), con una determinada masa pendular, que sube hasta una cierta altura h y, por lo tanto, con una energía potencial determinada (Ep1), y se deja caer rompiendo por flexión una probeta (a una altura 0), subiendo después de haber perdido energía (la consumida en la deformación y rotura de la probeta) hasta una altura h´ con una energía potencial Ep2. La diferencia de energía potencial nos dará la energía consumida y al dividirla por el valor de la sección de la probeta, el valor de resiliencia.En estos ensayos, probetas normalizadas se rompen de un solo golpe, midiendo la energía consumida para producir la rotura.

Se entiende por resiliencia, la energía absorbida en la rotura por unidad de sección, expresada en Kp/cm2.

4. Determine la dureza y la resiliencia de las 3 probetas sin tratamiento térmico. Datos:

Determinación de la dureza:

B= PS

Donde: P = peso del martillo 34.500kg S = superficie de la huella circular dejada por el punzón en mm2. B = dureza Guibaru en Kg/ mm2.

Probetas DurezaPerfil Lizo ½”

B= 34.500kg

π4×(0.133 pulg× 25.4mm1 pulg )

2

B=3.849Kg /mm2

Fierro Corrugado ½”

B= 34.500 kg

π4×(0.298 pulg× 25.4mm1 pulg )

2

Probetas Diámetro para la dureza Fractura

Perfil Lizo ½” D = 0.133 pulg D = 0.301pulg

Fierro Corrugado ½” D = 0.117 pulg D = 0.298 pulg

Muelle 1 D = 0.096 pulg 1.01×0.09 pulg2

Muelle 2 D = 0.091 pulg 0.957×0.198 pulg2

B=4.974Kg /mm2

Muelle 1

B= 34.500 kg

π4×(0.096 pulg× 25.4mm1 pulg )

2

B=7.388Kg /mm2

Muelle 2

B= 34.500kg

π4×(0.091 pulg× 25.4mm

1 pulg)2

B=8.222Kg /mm2

Determinacion de la Resilencia:

R=WS

Donde W = energía Absorbida para producir la fractura. S = superficie de la fractura en cm2.

W=P×hDonde

P = peso del martillo 34.5 kg. h = altura de caída que se absorbe para ocasionar la fractura de la probeta,

por especificaciones técnica de durofractrometro 10° = 0.15m.

Probetas ResilenciaPerfil Lizo ½”

R=34.5 kg×43 ° ×

0.15m10 °

π4×(0.301 pulg× 25.4mm1 pulg )

2

R=0.484×10−6Kg

Fierro Corrugado ½”

R=34.5 kg×4 °×

0.15m10°

π4×(0.096 pulg× 25.4mm1 pulg )

2

R=0.443×10−6 Kg

Muelle 1

R=34.5kg×8 ° ×

0.15m10 °

1.01×0.09 pulg2׿¿

R=0.070×10−6 Kg

Muelle 2

R=34.5kg×9° ×

0.15m10 °

0.957×0.198 pulg 2× ¿¿

R=3.809×10−9 Kg

Conclusiones

Se realizó de una manera óptima la práctica hallando los resultados de dureza y resiliencia.