INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE GRANO EN LA DUREZA DE LOS MATERIALES

ANDRES FELIPE PEDRAZA PARDO

201210322

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGERNIRIA METALURGICA

TUNJA, BOYACA

2015

INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE GRANO EN LA DUREZA DE LOS MATERIALES

ANDRES FELIPE PEDRAZA PARDO

201210322

Practica de laboratorio N°8

PRESENTADO A:

ING. Mónica Isabel melgarejo Rincón

Docente TC Escuela de Ingeniería Metalúrgica

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGERNIRIA METALURGICA

TUNJA, BOYACA

2015

CONTENIDO 1. DESARROLLO DE PREGUNTAS ......................................................................................................4

2. CUADRO COMPARATIVO TAMAÑO DE GRANO VS DUREZA ........................................................8

3. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................................................ 10

4. CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 12

5. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 13

4

1. DESARROLLO DE PREGUNTAS

1. Como se puede obtener el mismo valor de la dureza Brinell con una

carga que no sea especificada?

Para obtener un mismo valor de dureza con una carga que no sea la especificada,

es necesario mantener una relación de semejanza geométrica, esta exige que la

relación de los diámetros de la huella y de la esfera (d/D) sea constante. Basta

mantener (P/D2) constante para que, en primera aproximación, se cumpla la ley

de semejanza.

P= carga

D= Diámetro de la esfera

d= diámetro de la huella

2. A que errores se introduce en el procedimiento y desarrollo de un

ensayo brinell?

Los errores a los que se introduce en el procedimiento y desarrollo de un ensayo

brinell son:

La determinación de esta dureza como una propiedad del mineral en sí,

cuando en realidad es una propiedad de la capa superficial.

La no escogencia de la relación de carga y la correspondiente combinación

de diámetro de bola y carga a aplicar, las cuales se encuentran

previamente establecidas en tablas.

No tener cuidado en que el diámetro de la huella este entre el 24% y el 60%

del diámetro de la bola. En la literatura se considera que la huella ideal es

de d= 0.475D.

La utilización de identadores no adecuados para el material o la dureza del

material; esto supone una leve deformación en este que varía los datos

finales.

5

Por último, es muy común caer en el error de tener superficies muy rugosas

lo cual no es ideal y conlleva a la variación de los resultados finales.

3. Por qué el ensayo de dureza vickers tiene mayor aceptación en el área

de trabajos de investigación?

Este método es muy difundido en el ámbito de la investigación ya que permite

medir dureza prácticamente de todos los materiales independientemente del

estado en que se encuentren y de su espesor.

Además este método es el más indicado para ensayar piezas, barras o flejes

delgados y piezas nitruradas, cementadas o cromadas. Es también el más

utilizado para estudios y trabajos de investigación ya que permite determinar la

dureza sin estropearlos, debido a que deja huellas muy pequeñas.

4. La huella del indentador en la dureza Vickers es independiente o

dependiente de la carga? Por qué?

Las huellas son comparables entre sí; independientes de las cargas debido a que

las improntas resultan bien perfiladas y geométricamente semejantes por lo cual la

dureza para un mismo material es constante.

Sin embargo una carga muy alta puede causar que el indentador penetre más allá

de la capa superficial a la que se desee medírsele la dureza, de otro lado una

impronta muy pequeña es difícil de medir y las imperfecciones geométricas de la

pirámide influyen en la precisión del método.

5. que precauciones se deben tener en cuenta para el desarrollo del

ensayo Rockwell?

Precauciones de la superficie

La superficie del amuestra debe ser plana, si se quieren obtener los resultados

óptimos. Las pruebas de Rockwell requieren una superficie esmerilada o

finamente labrada a máquina.

6

Espesor de la muestra

La muestra debe tener tal espesor que la impresión no la atraviese. Si la

im­presión aparece por el otro lado, esto indica que el yunque del probador

soportó la carga, en parte. En este caso, las lecturas serán erróneamente

elevadas (excepto en el caso raro de que la muestra de prueba sea más dura que

el yunque que la soporta).

Proximidad de impresiones entre sí y al borde de la muestra

Puesto que el penetrador produce un en­durecimiento de trabajo del metal en las

cercanías de la impresión, las lecturas sucesivas que se tomen dema­siado cerca

unas de otras pueden ser elevadas (sin embargo, es concebible que una

penetración que coincida casi o parcialmente con una penetración anterior, pueda

ser baja, debido a la falta de soporte en la orilla).

Lisura de las muestras

Perpendicularidad de la dirección de aplicación de la carga a la

superficie de la muestra

El movimiento del penetrador bajo la carga debe estar en ángulo recto con la

superficie de la muestra. Cuando esta última no está en ángulo recto con la

dirección de aplicación de la carga, resultan lecturas bajas.

Rapidez de aplicación y duración de la carga

Las cargas se aplican lentamente por medio de cáma­ras de aire o dispositivos

mecánicos que evitan los efectos de la inercia. La rapidez de aplicación y la

duración de la carga deben ser tales que el material pueda responder a la carga.

7

6. Siguiendo la norma ASTM E 140 haga conversiones de cada uno de

los resultados obtenidos a las distintas clases de durezas ahí

expuestas?

Tabla 1: Conversión de durezas Según norma ASTM E 140 1

DUREZA AISI 1010 AISI 1020 AISI 1045 01

HRB 87 89 99.5

HRC 21.5 35

HRA 53.4 54.6 61.25 67.9

HRF

HR 15T 88.9 89.5 92.95

HR30T 74.4 75.8 82.8

HV 172 180 244.5 345

HBS 172 180 234 327

HK 188 196 258.5 351

Fuente: Autor

1 Tomado de: Norma ASTM E 140. Conversión de durezas

8

2. CUADRO COMPARATIVO TAMAÑO DE GRANO VS DUREZA

El método utilizado para la determinación del tamaño es el de comparación con

plantilla, el cual está establecido en la norma ASTM E112

Este método consiste en comparar la micrografía a 100X con una serie de

imágenes graduadas.

CUADRO COMPRATIVO TAMAÑO DE GRANO VS DUREZA

Acero AISI Tamaño de grano Dureza HV y HBS

1010

Imagen 2.1. Comparación de tamaño de

grano

100 X Aumentos

HV

172

HBS

172

G=6

1020

Imagen 2.2. Comparación de tamaño de

grano

100 X Aumentos

HV

180

HBS

180

G=7

9

1045

Imagen 2.3. Comparación de tamaño de grano

100 X Aumentos

HV

244.5

HBS

234

G=6

O1

Imagen 2.3. Comparación de tamaño de

grano

100O X Aumentos

Se utilizo factor de correcion

HV

345

HBS

327

G=142

2 American Society for Testing and Materials. ASTM E112. Métodos de prueba estándar para la

determinación del tamaño de grano. 2004. 12 p

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3. ANALISIS DE RESULTADOS

Los límites de grano, son el lugar en que ocurren, preferentemente, las reacciones

en estado sólido. En general, la energía libre de una cantidad de masa de metal

dada disminuye a medida que aumenta el tamaño de grano. La causa del cambio

de energía es la disminución de la energía interfacial asociada a los límites de

grano. Esta disminución de energía es la fuerza impulsora que tiende a producir el

crecimiento del grano. Ahora bien, en la mayoría de las condiciones de aplicación

de los metales, la velocidad de crecimiento del grano es muy pequeña, y sólo a

temperaturas elevadas el crecimiento se produce rápidamente. Un material de

grano fino será, por lo tanto, más duro y más resistente que un material de grano

grueso, el cuál (este último) tendrá más juntas de grano donde se acumularán más

tensiones. Por todo lo anterior debe verificarse que la dureza es inversamente

proporcional al tamaño de grano, aunque en el desarrollo de nuestro laboratorio

hay una pequeña excepción en el acero 1045.3

Grafica 3.1. Tamaño de grano vs Dureza

Fuente: autor

3 Estudio de la relación Hall-Petch en aceros (0,6% C) submi-crométricos. Ing. Investig. vol.31 no.3 Bogotá

Sept./Dec. 2011

4

6

8

10

12

14

16

100 150 200 250 300 350 400

Tam

año

de

gra

no

Dureza HV

Tamaño de grano vs Dureza

11

En la gráfica 3.1 evidenciamos el comportamiento anteriormente explicado, a

medida que el tamaño de grano se hace más pequeño, la dureza va aumentando

considerablemente; en nuestros resultados el acero 1045 presenta una variación

puesto que el grano es más grande que el del AISI 1020; mas sin embargo

presenta un aumento en su dureza de 64.5 HV.

Este comportamiento aunque no cumple con la teoría, puede ser producto del tipo

de fabricación de la varilla, de la velocidad de enfriamiento en la fundición o un

respectivo tratamiento que se le haya realizado. También hay que tener en cuenta

que el acero 1045 tiene mayor cantidad del microconstituyente perlitico el cual

posee dentro de sus propiedades una dureza mayor que la ferrita, correspondiente

al microcontituyente más común en los aceros AISI 1020 y 1045. En la siguiente

tabla se podrá observar la demostración de lo dicho.

Tabla 3.1 Comparación de los microconstituyentes

MICROCONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

AISI 1010 AISI 1020 AISI 1045

500 X

500X

500X

PORCENTAJES

Perlita 11.08 % Ferrita 88.92 %

Perlita 23.13% Ferrita 76.87 %

Perlita 53.25 % Ferrita 46.75 %

Fuente: autor

PERLITA

FERRITA

PERLITA

FERRITA

PERLITA

FERRITA

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4. CONCLUSIONES

La dureza y el tamaño de grano son inversamente proporcional, es decir, a

mayor tamaño de grano menor será la dureza.

A la hora de realizar una comparación entre tamaño de grano y durezas en

los aceros es de vital importancia tener en cuenta los métodos de

fabricación del metal utilizado y la composición química del mismo, pues

esta influye directamente en las propiedades mecánicas del material.

El método de determinación de durezas Vicker es el más utilizado debido a

que se puede aplicar a la mayoría de los materiales y además no deforma

en gran manera el material al cual se le realiza el ensayo.

En cada método de determinación de durezas ya sea Brinell, Vickers o

Rockwell se debe tener cuidado en el identador que se utilizada; este se

escoge según el material y la posible dureza del mismo.

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5. BIBLIOGRAFIA

Belyakov, A., Sakai, Y., Hara, T., Kimura, Y., Tsuzaki, K., Evolution of grain

boundary assemblies in Fe-0.6%O under mechanical milling followed by

consolidating rolling., Scripta Materialia, Vol. 48, 2003, pp 1111-1116. [ Links ]

Belyakov, A., Sakai, Y., Hara, T., Kimura, Y., Tsuzaki, K., Thermal stability of ultra

fine-grained steel contained dispersed oxides., Scripta materialia, Vol. 45, 2001, pp

1213-1219. [ Links ]

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nanocrystalline materials., Scripta Metallur-gica, Vol. 23. No. 10, 1989, pp 1679-

1683. [ Links ]

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USA. 2000. [ Links ]

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hardness in Fe-C alloys with ultra fine grained structure., Scripta materialia, Vol.

44, 2001, pp 1503-1506. [ Links ]

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Nanocrystalline Iron Produced by Mechanical Attrition., Scripta Metallurgical

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