DUREZA

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE “USACH” FACULTAD TECNOLOGICA DEP. TECNOLOGIAS INDUSTRIALES

INFORME 1 LABORATORIO DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO “ENSAYO DE DUREZA”

NOMBRE: GUILLERMO CACERES LALUT CARLOS VASQUEZ MONTECINOS PROFESOR: ENRIQUE CONTRERAS FECHA: 12/01/12

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INTRODUCCION En este primer trabajo de laboratorio se verá un ensayo de dureza, para llegar a esto se comenzara explicando lo teórico de lo que influye en realizar un ensayo de dureza, los tipos de escalas de medición, las escalas de dureza, tipos de metales en general. Para luego, en el equipo que se utilizara, un durómetro “Rockwell”, ver la dureza de diferentes tipos de materiales que se emplearan. Además conoceremos fundamentos para los ensayos de dureza.

OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA:  Aplicar técnicas de inspección destructiva a materiales  Reconocer diferentes escalas de dureza  Analizar el ensayo destructivo de dureza  Tener conocimiento básico de tipos de materiales y características Generales.

ELEMENTOS UTILIZADOS  Lupa de 100 x  Durometro universal Rockwell  Pie de metro

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ESCALAS DE DUREZA: Mohs: La escala de Mohs es una relación de diez materiales ordenados en función de su dureza, de menor a mayor. Se utiliza como referencia de la dureza de una sustancia. Fue propuesta por el geólogo Friedrich Mohs y se basa en el principio que una sustancia dura puede rayar a una sustancia más blanda, pero no es posible lo contrario. Mohs eligió diez minerales a los que atribuyó un determinado grado de dureza en su escala empezando con el talco, que recibió el número 1, y terminando con el diamante, al que asignó el número 10. Cada mineral raya a los que tienen un número inferior a él, y es rayado por los que tienen un número igual o mayor al suyo. Tabla de valores de Mohs Dureza Mineral 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Talco

Comentario

Se puede rayar fácilmente con la uña Se puede rayar con la uña con más Yeso dificultad Calcita Se puede rayar con una moneda de cobre Fluorita Se puede rayar con un cuchillo de acero

Composición química Mg3Si4O10(OH)2 CaSO4·2H2O

CaCO3 CaF2 Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,FApatito Se puede rayar difícilmente con un cuchillo ) Ortoclasa Se puede rayar con una lija para acero KAlSi3O8 Cuarzo Raya el vidrio SiO2 Rayado por herramientas de carburo de Topacio Al2SiO4(OH-,F-)2 Tungsteno Rayado por herramientas de carburo de Corindón Al2O3 Silicio El mineral más duro conocido, rayado solo Diamante C por otro diamante.

Por no guardar la misma proporción en los intervalos se han establecido otras escalas de dureza, basadas en otros métodos, aunque la escala de Mohs aún se aplica en geología debido a su sencillez y facilidad para estimar la dureza de los minerales con medios simples. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE RADIO F5 Alameda 3363 Estación Central · Santiago · Chile · 718 1722 www.RadioF5.cl · [email protected]

Brinell: Medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de dureza más antiguo. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3.000 kilopondios. El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material.

La bola penetra dejando una marca. El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión:

donde: : carga a utilizar medida en [kilopondio (kp)]. : Constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros). : Diámetro de la bola (indentador) medida en [mm]. Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE RADIO F5 Alameda 3363 Estación Central · Santiago · Chile · 718 1722 www.RadioF5.cl · [email protected]

Rockwell: La dureza Rockwell o ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120º +/- 30' y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (Brale), el cual se utiliza para los materiales más duros. El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice. También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material. Para no cometer errores muy grandes el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También decir que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debería hacerse un cambio de escala.

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Vickers: El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. Sus cargas van de 5 a 125 kilopondios (de cinco en cinco). Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de 136º. Se emplea para láminas delgadas hasta 0,15 mm (0.006 pulgadas) y no se lee directamente en la máquina. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula: HV = (1.8544 * F) / d2 Este ensayo constituye una mejora al ensayo de dureza Brinell. Se presiona el indentador contra una probeta, bajo cargas más ligeras que las utilizadas en el ensayo Brinell. Se miden las diagonales de la impresión cuadrada y se halla el promedio para aplicar la fórmula antes mencionada. Este tipo de ensayo es recomendado para durezas superiores a 500 HB (en caso de ser inferior, se suele usar el ensayo de dureza Brinell). Este ensayo, además, puede usarse en superficies no planas. Sirve para medir todo tipo de dureza, y espesores pequeños. (Aunque si el material es muy blando, se usa el método de Brinell).

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CLASIFICACION DE LOS MATERIALES: Los materiales los podemos clasificar en varios subtipos, aquí algunas definiciones. Propiedades Físicas: -Prop. Físicas mecánicas: Elasticidad, plasticidad, rigidez, dureza, fragilidad, tenacidad -Prop. Eléctricas: Conductividad, Permitividad, Resistencia a la fuga -Prop. Magnéticas: Permeabilidad, Campo coercitivo, Inducción residual -Prop. Ópticas: Color, Brillo, Transparencia Propiedades Químicas: -Resistencia a la corrosión, a los ácidos, a los gases, al descascarillado Propiedades tecnológicas: -Colabilidad, maleabilidad, soldabilidad, maquinabilidad Clasificación de los materiales según Mendeleer: METALES: -Ferreos: fundición, aceros ACEROS: Combinación Fe-C ---------- 0-C-2% Fundicion Fe-C ------------ 2-C-4,3% Aceros dulces ------ 0 – 0,2% C 0,6% > C

Semidulces---- 0,2 – 0,6% C Duros------ >

-No ferreos

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NO METALES: -Naturales -Artificiales: Plásticos: poliuretano, poliamidas, fenol, polietileno, termoplásticos, termo rígidos Cerámicos: loza, ladrillos, hormigón, vidrios Dureza elástica o rebote/ ensayo Shore Si es duro rebota más. Si es blando rebota menos.

Penetración (ensayo Brinell en 1900) Se le llama a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación o penetración, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. Los requerimientos para hacer este ensayo son los siguientes:      

Superficie ensayado plana, lisa y perpendicular a la carga Superficie debe estar limpia de óxidos Distancia la borde mayor a 4 D. Espesor pieza mayor a 2 D Material homogéneo Corrección para motores mayores 350 HBN

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La bola penetra dejando una marca El peso de la bola se puede obtener con la siguiente expresión: P= K D2 Donde: P: carga a utilizar medida en (kp). K: Constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros). D: Diámetro de la bola (indentador) medida en (mm).

HB 



2P

D D  D 2 d 2



Q

Q D ( D  D 2 d 2 ) Aid 2 HBN= = Donde: Q=3000 (Kg.) materiales férreos y 2000 (Kg.) materiales no férreos. D=10 (mm) d=diámetro 80= Aluminio 120=Acero estructural 360=Acero C-45 600=Aceros Templados Vu =K (HBN)

donde K=cte.=0.346

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Dureza Rockwell Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella. -Dureza en función profundidad -Precarga de 10 Kg. A = Carga 60 Kg cono brole diamante 1/64” B = Carga 100 Kg cono brole 1/16” C = Carga 150 Kg cono brole diamante 1/64”

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Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor.

P 2

HUN = D x 1.854

D1 D 2 2 D=

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Desarrollo De la Experiencia Realizamos el ensayo de dureza Rockwell, para eso disponemos de un durómetro. Este aparato sirve para medir la dureza de los materiales mediante el proceso de penetración por medio de un elemento normalizado (una bola de acero). Este dejara una huella en el material del cual se podrá definir una dureza. Ensayo Rockwell B -Se utiliza una bola de acero (1/16”). El peso expuesto sobre el sistema es de 100 Kg. Fierro de X1= 86 construccion

X2= 83

X3= 82,5

Tenedor de Acero inoxidable Aluminio

Y1= 86

Y2= 88,5

Y3= 90

Z1= 53,5

Z2= 36

Z3= 48

X promedio= 84 Y promedio= 88 Z promedio= 46

Ensayo Rockwell C -Se utiliza un brale de diamante. El peso expuesto sobre el sistema es de 150 Kg. acero CK45

X1= 77

X2= 77

X3= 75

450 RC

Y1= 82,5

Y2= 85

Y3= 84,5

Acero templado

Z1= 77

Z2= 80

X promedio= 76 Y promedio= 84 Z promedio= 78

X corrección por falla diamante= 51 Y Corrección por falla diamante= 56 Z Corrección por falla diamante= 52

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Ensayo Brinell. Escogemos cualquiera de los materiales ocupados, para que la prueba resulte, nosotros escogimos el tenedor de acero inoxidable Bola: 10 mm Huella: 1.25mm Q

D  D 2

D

2

d 2

187,5 2 Kg   140 2  2 mm   3,14 2,5 2,5  6,25 1,25







TABLA COMPARATIVA

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CONCLUSIONES El comportamiento de los materiales es el resultado de la relación entre su respuesta o deformación frente a una carga a la cual está siendo sometida. En nuestro caso, según la tabla comparativa, los resultados obtenidos presentan diferencias respecto al resultado mostrado en la tabla, lo que nos dice que pudimos haber cometido errores en la medición, pero que no son diferencias siderales lo que nos dice que son materiales aptos para ser sometidos a las cargas en las que realizamos los ensayos. Es así como se puede verificar que la dureza está relacionada con la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste.

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