Informe Nº 1

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

Laboratorio de Ciencia de los Materiales

Objetivos:

Entender el concepto de dureza. Comprender el uso y la finalidad de los durmetros en la determinacin de

los valores de dureza de los metales.

Determinar la dureza de los siguientes materiales metlicos ;acero de bajo

carbono , acero de medio carbono, bronce, cobre, Aluminio, mediante el uso

de tres mtodos diferentes , los cuales se pasarn a mencionarse:

1. Mtodo Vickers.

2. Mtodo Rockwell.3. Mtodo Brinell.

Comparar las durezas segn el material analizado.

Conocer las propiedades y caractersticas de los elementos para poder ver la

mejor aplicacin de estos en la ingeniera.
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DESCRIPCIN DE LOS EQUIPOS

Durmetro Rockwell.-

Marca Wilson; Modelo N 1 JR 0

Mxima separacin vertical: 3-1/4

Escalas Rockwell de trabajo:

A, B, C , D, E, F, G, H, K

Profundidad de la garganta: 5-1/4

Dimensiones promedio: 13" x 20" x 24" Alto

Escala PenetradorPre-

carga

Carga

completaDial

B 1/16" 10kgf 100kgf Rojo

C Brale 10kgf 150kgf Negro

A Brale 10kgf 60kgf Negro

D Brale 10kgf 100kgf Negro

E 1/8" 10kgf 100kgf Rojo

F 1/16" 10kgf 60kgf Rojo

G 1/16" 10kgf 150kgf Rojo

H 1/8" 10kgf 60kgf Rojo

K 1/8" 10kgf 150kgf Rojo
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Durmetro Brinell.-

Marca Avery-Denison Limited; Modelo LEEDS LS01DE ENGLAND

Capacidad mxima: 3000kgf

Durmetro Vickers Microdureza.-

Marca Leitz Wetzlar; Modelo EL110-14-I

Indentadores Pirmide de diamante de base cuadrada

Cargas 0,5 g, 25, 50, 100, 200, 300, 500 g

Objetivos 10x, 50xMagnificacin 100x, 500x

Tamao de la plataforma X axis 135mm, Y axis 135mm

Desplazamiento de

la plataforma

X axis 25mm, Y axis 25mm

Altura mxima de prueba 100mm aprox.

Durmetro Vickers Durmetro Brinell

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DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTO:

Se entiende por dureza a la propiedad de la capa superficial del material de

resistir la deformacin elstica , plstica o a la destruccin en presencia de

acciones de contacto locales inferidas por otro material mas duro , que no se

somete a la deformacin residual del cuerpo .Estas afirmaciones son validas para

la mayor parte de mtodos existentes .

En la actualidad existen muchos mtodos para medir la dureza y entre ellos los

mas usados son los siguientes :

Brinell , Rockwell , vickers y shore.

Dureza brinell.

Este ensayo consiste en oprimir una bola de acero endurecido contra una probeta.

De acuerdo con las especificaciones de la ASTM (ASTM E 10), las estipulaciones de

las cuales se siguen aqu, se acostumbra usar una bola de 10 mm y una carga de

3000 Kg, para metales duros, 1500Kg para metales de dureza intermedia y 500 Kg

para materiales suaves.

Hay disponibles varios tipos de mquinas para hacer este ensayo; pueden definir en

cuanto a : el mtodo de aplicacin de la carga ( presin de aceite, tornillo propulsado

por engranes, pesas con palanca),mtodo de operacin (manual, fuerza motriz),

mtodo de medicin de la carga (pistn con pesas y calibrador bourdon,

dinammetro, pesas con palanca ), y tamao ( grande y pequeo).Este tipo de

ensayo puede realizarse en una pequea mquina universal de ensaye mediante el

uso de un adaptador adecuado para sujetar la bola, as como las mquinas

especiales diseadas con este propsito.

Se requiere que la bola este dentro de 0,01 mm de dimetro nominal de 10 mm; esto

es necesario para obtener resultados concordantes con mquinas diferentes. Al

usarse sobre aceros muy duros se requiere que la bola no sufra un cambio

permanente de dimetro de ms de 0,01mm; por esto las bolas de carboloy (carburo

de tungsteno) se usan frecuentemente para el ensaye de los aceros ms duros.En el ensayo normal el dimetro de la indentacin se mide usando un microscopio

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micrmetro que lleve una escala transparente grabada en el campo visual; la escala

tiene divisiones correspondientes a 0,1 mm y las mediciones se hacen por

estimacin, hasta cuando menos 0,02mm. El dimetro se toma como promedio dedos lecturas tomadas a 90 una de la otra, aunque a veces la profundidad de la

indentacin se mide por medio de un indicador calatular fijado al mbolo y accionado

por un arco que se mantiene pegado a la superficie de la probeta.

Para realizar un ensayo por este procedimiento la superficie de la probeta de be ser

plana y estar razonablemente bien pulida; de otra manera se encontrarn

dificultades al hacer una determinacin exacta del dimetro de la huella. En el

ensayo normal, la carga completa se mantiene por un mnimo de 15 segundos para

los metales no ferrosos, y de 30 segundos para los metales ms suaves, y despus

de este intervalo la carga se retira y se mide el dimetro de la huella hasta 0,02mm

ms cercano con el microscopio. Sin embargo, frecuentemente se usa un intervalo

de 30 segundos para los no ferrosos y uno de 60 segundos para otros metales.

El material de la probeta queda permanentemente deformado hasta una distancia

apreciable debajo de la superficie de la huella. Si una indentacin se hace

demasiado cerca del borde de la probeta, ste puede ser demasiado grande y

asimtrico; si se hace demasiado cerca de uno anterior, puede resultar demasiado

grande debido a la carencia de superficie material sustentante o demasiado pequeo

debido al endurecimiento por trabajo del material por la primera indentacin.

El nmero de dureza de Brinell es nominalmente la presin por rea unitaria (Kg x

mm2), de la huella que queda despus de retirar la carga; se obtiene dividiendo la

carga aplicada por el rea de la superficie de la huella, la cual se supone esfrica. Si

P es la carga aplicada (Kg), D es el dimetro de la bola de acero (mm), y d es el

dimetro de la huella (mm), entonces :

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El nmero de dureza de Brinell;

= HB

DONDE:

P: carga que acta sobre la probeta

D: dimetro del penetrador

d: dimetro de la huella

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Dureza Vickers:

El mtodo Vickers se deriva directamente del mtodo Brinell y fue introducido en

1952 siendo actualmente uno de los ms usados en la determinacin de la dureza

de materiales, especialmente los materiales delgados y templados con espesores

mnimos hasta de 0.2 mm

Este mtodo es muy difundido ya que permite medir dureza prcticamente de todos

los materiales metlicos independientemente de los materiales metlicos

independientemente del estado en que se encuentran y de su espesor.

El procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirmide de base

cuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya

dureza se desea medir, bajo la accin de una carga P. Esta carga es mantenida

durante un cierto tiempo, despus del cual es retirada y medida la diagonal d de

la impresin que quedo sobre la superficie de la muestra. Con este valor y utilizando

tablas apropiadas se puede obtener la dureza Vickers , que es caracterizada por HV

y definida como la relacin entre la carga aplicada ( expresada en Kgf ) y el rea de

la superficie lateral de la impresin

El ensayo de dureza Vickers es como el Brinell, un ensayo cuyo obtjetivo es la

determinacin de la superficie lateral S, de la huella. El penetrador es una pirmide

de diamante de base cuadrada, cuyo ngulo en el vrtice es de 136. La dureza

Vickers viene definida por la relacin:

Expresndose Pen Kg fuerza. La superficie lateral S de

la huela puede expresarse en funcin de la diagonal d

del cuadro de la base de la huella piramidal cuando se

ha suprimido la carga.

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Con lo que

Dureza Rockwell:

La medicin de dureza por el mtodo Rockwell gano amplia aceptacin en razn de

la facilidad de realizacin y el pequeo tamao de la impresin producida durante el

ensayo.

El mtodo se basa en la medicin de la profundidad de penetracin de una

determinada herramienta bajo la accin de una carga prefija.

El nmero de dureza Rockwell (RH) se mide en unidades convencionales y es igual

al tamao de la penetracin sobre la carga determinada. El mtodo puede utilizar

diferentes penetradores siendo estos esferas de acero templado de diferentes

dimetros o conos de diamante. Una determina combinacin constituye una escala

de medicin,caracterizada como A, B, C etc. Y siendo la dureza un numero

arbitrario ser necesario indicar en qu escala fue obtenida (HRA,HRB,HRC,ect)

La carga totalPes aplicada sobre el penetrador en dos etapas: una previa P0y una

posterior P1tal que inicialmente el cono penetra en la superficie una profundidad h0

sobre la accin de la cargaP0que se mantendr hasta el fin del ensayo. Esta

penetracin inicial permite eliminar la influencia de las condiciones superficiales.

P=P0+P1

A continuacin se aplica la carga P1y la penetracin se acenta. Finalmente la carga

P1es retirada y la profundidad h restante (solamente acta p0) determina el numero

de dureza HR. La escala de los instrumentos de lectura empleados en las maquinas

esta invertida para permitir un lectura directa.

En los certificados de calidad es comn utilizar la escala HRB donde el cono de

diamante es reemplazado por una esfera de 1/16 y la carga P1vale 100 Kgf. En

casos de materiales muy finos donde la carga de 100Kgf es muy elevada, pudiendo

inclusive perforar la muestra, es utilizada la escala Vickers con una carga de 10 Kgf

y luego efectuada en transformaciones de escala HRB utilizando tablas de

conversin adecuadas.

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Fig.: Aparato para

determinar la dureza Rorcwell

(Durmetro rockwell)

1. Bancada

2. Columnas

3. Pesos

4. Traviesa5. Grillete

6. Palanca

7. Feno de aceite

8. Palanca de carga

9. Gatillo

10. Palanca de indicador

11. Prisma12. Indicador

13. Resorte calibrado

14. Vstago

15. Probeta

16. Tornillo17. Volante

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DATOS RECOGIDOS EN EL LABORATORIO Y CLCULOS RESPECTIVOS

Mtodo Brinnell

El mtodo Brinnell consiste en comprimir una bola de acero templado, de undimetro determinado, sobre el material a ensayar, por medio de una carga ydurante un tiempo determinado.

P(Kg) , S(mm) , D(mm) , d(mm)

En este caso averiguaremos el material trabajado en el laboratorio para elexperimento usando los datos obtenidos en el laboratorio; y hallando su medida enla escala de dureza brinnell.

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Datos del experimento:

D = 10 mmP = 3000 Kg

Datos obtenidos:

d= 4.3 mm , d= 4.5 mm dm= 4.45 mm

Reemplazando estos datos en las formulas anteriores obtenemos que:

HB = 187.237 ; K = 30 ; %C = 0.761%

Basndonos en el porcentaje de carbono, en la dureza de nuestro elemento y enla tabla anterior de durezas de algunos elementos metlicos, deducimos quenuestro elemento es un ACERO DURO.

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Mtodo Vickers

El mtodo Vickers consiste en comprimir una punta de diamante, sobre el materiala ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo determinado. La cualdejara una huella de forma cuadrada de diagonal d.

;

Datos obtenidos:

MATERIAL d1(mm) d2(mm) d (mm) P (Kg)

Acero bajo carbono 45 47 46 0.3

Acero mediocarbono 44 45.5 44.75 0.3

Bronce 50 47.5 48.75 0.3

Cobre 63.5 68 65.75 0.3

Aluminio 86 85 85.5 0.3

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De los datos obtenidos y reemplazando en las formulas ya dadas se obtiene ladureza de cada material en la escala Vickers

Mtodo Rockwel

Se utilizo una bola de acero de un 1/16

MATERIAL Resultado1

Resultado2

Dureza(HRB)

Acero bajo carbono 99 96 97.5Acero corrugado 111 106 108.5Bronce 104 100 102Cobre 85 89 87

Aluminio 65 59 62

MATERIALHV

0.3/15

Acero bajo carbono 262.854

Acero medio

carbono 277.744

Bronce 234.036

Cobre 128.659

Aluminio 76.085

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Observaciones :

Para la utilizacin del equipo rockwell, es necesario hacer una calibracinde la mquina mediante la aplicacin de la precarga.

Se observ que la relacin entre la profundidad de la huella y la dureza delos materiales son inversamente proporcionales.

En general no se utilizan los ensayos no se utilizan los ensayos Brinell paradurezas superiores a 500, porque se deforman las bolas.

La huella dejada por el durmetro Rockwell es relativamente pequea y porello no malogra a la probeta.

Conclusiones:

La carga (peso) que se aplique a las probetas para el ensayo vicker no

alterar el resultado o la medida de la dureza del material analizado ya

que la dureza es inversamente proporcional a las longitudes den las

diagonales obtenidas.

Recomendaciones:

Antes de realizar cualquier tipo de ensayo se recomienda tener

mnimamente una nocin terica del tema a fin de optimizar el proceso

de obtencin de datos.

Es recomendable hacer uso de plastilina para fijar y nivelar la superficie

de la probeta que ser observada en el microscopio Vickers.

Para el ensayo Brinell se deber tener en cuenta que las cargas tienenque ser proporcionales al cuadrado del dimetro de la bola metlica.

Para el ensayo con el durmetro Rockwell se deber tener presente que

primero se le deber de aplicar una precarga posteriormente la carga

complemento.

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Cuestionario:

1.- En qu consiste el ensayo de dureza shore para los aceros?

ENSAYO SHORE:

Mediante este mtodo se mide la dureza por la altura que alcanza el rebote de un

cuerpo al caer de una altura fija sobre la superficie del material que se ensaya. Laprctica se realiza en un "esclermetro" o "escleroscopio", aparato formado por un

tubo de cristal de 300 mmde altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de

diamante redondeada de 2,36 g. La altura de la cada es de 254 mm y la escala

est dividida en 140 divisiones. Si el material es blando absorbe la energa del

choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide.

VENTAJAS DEL MTODO SHORE

1. No produce prcticamente ninguna huella en el material ensayado.

2. Permite medir dureza superficial de piezas terminadas.

3. Es el nico ensayo NO destructivo para medir durezas

2.- Cmo se relacionan el tamao de grano y la dureza en los materiales

metlicos?

Hay tres reas o intervalos en el tamao de grano que se pueden reconocer al

momento de relacionarlo con la dureza. El rea o rgimen 1 que va para granos

con el dimetro mayor a una micra, el rea o rgimen 2 que va para granos con el

dimetro entre 10 y 1000 nanmetros, y el rea o rgimen 3, que va para granos

con el dimetro menor a 10 nanmetros aproximadamente.

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La disminucin del dimetro de grano y, por consecuencia, el tamao de grano,

significa un aumento o mejora en las propiedades mecnicas en el material. Este

comportamiento se da en las reas 1 y 2, siendo la razn de ello en que aumenta

la densidad de dislocaciones en la estructura de la red cristalina, en el caso del

rea 1 es por el acercamiento de dichas dislocaciones, mientras que en el rea 2

se debe a que las dislocaciones se apilan o se amontonan.

Sin embargo en el rea 3, una disminucin mayor en el dimetro del grano resulta

en el ablandamiento y la reduccin de la dureza del metal. Esto se debe a que a

esas dimensiones (d

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3.-Cules son y cmo influyen los aleantes en los valores de la dureza enlos casos del cobre y el hierro (bronce y aceros al carbono)?

Los aleantes en el caso del cobre son: el zinc, y la manera en la que influyen en sudureza e la siguiente. EI Zn es soluble en el cobre hasta en un 37% a temperaturaambiente es suave y maleable entre los 470 C y el punto de fusin

el aluminio, Este contenido en las aleaciones de cobre Cu 3 y Cu 4 enconcentraciones entre 8-9,5%. En conjunto con pequeas concentraciones de Ni,

Fe y Mn incrementa el esfuerzo mecnico y la dureza de estos bronces parahlices Es altamente soluble en cobre. Tiene un efecto desoxidante ydesulfurante; el manganeso, el fosforo, el nquel Es completamente soluble encobre. En la estructura cristalina ste forma ncleos duros,el hierro, estao,bismuto y silicio;

En el caso del acero; Boro: Aumenta de manera muy notable la templabilidad enlos aceros calmados de medio contenido en carbono. El porcentaje de borosiempre es muy pequeo (entre 0,0005 y 0,005%).

Plomo: Permanece disperso en forma de pequeas partculas esfricas insolublesen el acero. Aumenta la maquinabilidad de los aceros en pequeas proporciones

(0,25%). Cobre: La presencia de cobre permite que las aleaciones puedan ser

endurecidas por precipitacin, dando una gran resistencia a la traccin y un elevado

lmite elstico. Mejora la resistencia a la corrosin electroqumica de los aceros.

Molibdeno: Es un fuerte formador de carburos y aumenta fuertemente la

templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia mecnica de los aceros a altas

temperaturas y reduce la susceptibilidad a la fragilidad de revenido en aceros al

cromo-niquel. Da dureza secundaria de revenido. Adems aumenta la resistencia a

la corrosin de los aceros inoxidables en presencia de disoluciones de cloruros.

Cromo: Aumenta la resistencia a la corrosin y al disolverse en la austenita,

aumenta tambin la templabilidad. En los aceros con un alto contenido en carbono,

aumenta la resistencia a la abrasin y al desgaste. Es menos caro que el niquel.

Niquel: Disminuye las temperaturas crticas del acero y aumenta la templabilidad del

acero. No tiende a formar carburos. Se pueden obtener aceros resistentes con

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menos contenido en carbono, incrementndose la tenacidad y la resistencia a la

fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosin. Es un elemento caro.

Fsforo: Normalmente, el fsforo se disuelve en la ferrita hasta un 1%, pero por

encima de este valor, aparece en forma de Fe3P. El fsforo aumenta la fragilidad de

los aceros, y al igual que el azufre, tiene una gran tendencia a la segregacin,

produciendo el fenmeno de la segregacin complementaria del acero (zonas de

distinta concentracin). En las zonas donde el contenido de carbono es mayor, hay

ms perlita y menos ferrita. Por el contrario, en las zonas con menor contenido en

carbono, el porcentaje de perlita es menor y el de ferrita mayor. Esto provoca la

aparicin de bandas alternas de ferrita y cementita, conocidas como bandasfantasmas. El contenido de fsforo en el acero no debera ser superior a 0,05%.

4.- Dos estados alotrpicos de un metal, tienen el mismo valor de dureza?

No, puesto que los estados alotrpicos son estructuras cristalinas de los metales

que cambian con la variacin de la temperatura y/o presin. Adems sabemos que

todo solido al aumentar su temperatura tiende a separar mas sus tomos, porende ser mas sencillo hacer ingresar otros tomos entre estos; es decir, los

distintos ensayos de dureza penetraran con mayor facilidad al elemento, lo que

har una mayor huella en el metal y causara un menor valor de dureza.

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Bibliografa

William Smith. Ed. Mc. Graw-Hill. Fundamentos de ciencia de ingenierade materiales.

Lasheras Snchez . tecnologa de los materiales industriales.

Informe Nº 1

Documents

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