Overview
Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Prueba de la dureza es uno de los ensayos mecánicos más universalmente valiosos disponibles para ingenieros, ya que es simple y relativamente barata para la riqueza de la información y los datos que produce. Ensayos de dureza, generalmente bajo la forma de un ensayo de penetración superficial, es más rápido y menos destructivos que los ensayos de tracción. Dureza proporciona una relación lineal con resistencia a la tracción sobre una amplia gama de fortalezas para muchos materiales, tales como el acero. Pruebas de dureza son empíricas, más que derivadas de la teoría, como los resultados confunden los efectos de muchas propiedades de diferentes materiales (módulo de Young, resistencia, etcetera).
Dureza es una característica de un material que se utiliza para describir cuánto plástica deformación (rendimiento) que un material se experimentan cuando se aplica una fuerza conocida). Uno puede caracterizar dureza de tres maneras: rayado, indentación y dureza del rebote. Un ejemplo común de principios de una prueba de dureza (cero) es la escala de Mohs (1820), derivada de minerales, y en que talco tiene un valor de 1 y el diamante de un valor de 10. En muesca prueba utilizando el método Rockwell, se utilizan pequeños penetradores con cargas diferentes. Los más comunes son el B Rockwell de dureza (HRB), que utiliza un 1/16 de pulgada habían endurecido a penetrador de bola de acero con un peso de 100 kg y C de la dureza Rockwell (HRC), que utiliza a un penetrador de cono de diamante con un peso de 150 kg. HRB las pruebas se realizan para materiales con dureza de gama baja, tales como aluminio, latón y aceros blandos, mientras que pruebas HRC se utilizan para materiales con dureza alta gama, como los aceros más duros. Pesos más pequeños (15 a 45 kg) se utilizan para la prueba de dureza superficial Rockwell como HR15W, que utiliza una bola de acero 1/8 de pulgada con un peso de 15 kg. Con su carga baja y poco profunda impresión, una prueba de dureza superficial de Rockwell es ideal para materiales muy delgados o quebradizos. Un ejemplo de una prueba de rebote es el martillo de Schmidt, utilizado para medir la resistencia del hormigón. En esta prueba, una masa de acero se dispara en la superficie con una fuerza conocida y se mide el rebote de la bola. En todos los tipos de prueba de la dureza, es imprescindible para llevar a cabo calibraciones extensas si se quieren obtener resultados fiables.
Para este experimento analizaremos la prueba de dureza Rockwell, que mide la dureza de indentación de aluminio sin tratar y tratada térmicamente.
Principles
Existen varios métodos comunes para medir dureza, Brinell (HB), Vickers (V), Knoop (K) y pruebas de dureza Shore. Cada uno de estos métodos utiliza un penetrador, ya sea en la forma de una esfera (Brinell), cono (Rockwell) o pirámide diamante (Vickers, Knoop y Rockwell) para hacer una muesca en la superficie de un metal, que se mide ópticamente o por lectura directa. La prueba de dureza Shore mide generalmente la penetración en la superficie de materiales plásticos y otros polímeros. La prueba Brinell de la dureza fue la primera prueba de dureza introducida y es un método robusto para alta cargas utilizando instrumentos rudimentarios. Pruebas de dureza de Vickers son beneficiosas cuando uno mira la dureza sobre una amplia gama de valores, como puede medir desde el más bajo a más alto registrado dureza. Pruebas de dureza de Knoop son valiosas para aplicaciones con muestras muy pequeñas o delgadas. Sin embargo, la prueba de dureza Rockwell es que el más popular, ya que es mucho más rápida y barata, además de ser la dureza única prueba donde uno puede leer directamente la dureza sin la ayuda de un instrumento óptico.
Para este estudio, nos centraremos en la prueba de dureza Rockwell, como se define en ASTM E-18. El probador de la típico se muestra en la figura 1 y consiste en una lectura y un sistema de palanca para aplicar las cargas, que se oculta al espectador. Manual y automatizadas versiones de estas máquinas son comúnmente disponibles en laboratorios de ensayo.
Figura 1: Rockwell máquina de prueba.
Más duro el material, menos profundidad de la penetración, así será menor el correspondiente valor de dureza Rockwell. El Rockwell B y dureza C se calculan como:
Los resultados de cualquier prueba de dureza se pueden convertir en otras escalas de dureza a través de ecuaciones de mejor ajuste para conjuntos de datos extensos. Sin embargo, no hay una conversión discreta, lineal y los valores resultantes serán así aproximaciones en lugar de valores absolutos. Por ejemplo, para materiales de trabajo-endurecimiento bajo deformación plana:
Figura 2 muestra típicas hendiduras en un bloque de calibración, que generalmente está equipado con la máquina de prueba. Estos bloques deben usarse periódicamente para asegurar que la máquina esté funcionando correctamente.
Figura 2: Hendidura en bloque de la calibración.
En general, la resistencia a la tracción de un material (σu) puede estar relacionada con su dureza Brinell (HB) a través de ecuaciones como:
Una de las formas en que se cambia la fuerza del material es a través de tratamiento térmico o laminación en frío. En general, laminado en frío mediante rodillos sucesivamente más finos se traducirá en una más fuerte (y el material más duro). De manera similar, en los aceros, la velocidad de enfriamiento afecta significativamente la formación de estructuras martensíticas, que contribuyen a mejorar el rendimiento mecánico. Estructuras martensíticas exhiben la estructura cristalina distinta de centrada en el cuerpo tetragonal (BCT), donde los cristales son estirado para estar a escuadra en ambos extremos pero más largo en los lados, como una lente, de tal modo impartiendo gran dureza al material.
Una forma de caracterizar el tratamiento térmico es a través de una prueba de Temple final de Jominy (ASTM A225). En esta prueba un espécimen circular, 4 pulgadas de largo se calienta uniformemente en un horno. Una vez que ha alcanzado la temperatura deseada que se ha llegado a Austenitización completa (> 900 ° C), la muestra se enfría con un chorro de agua en un extremo. Austenization es el proceso por el cual el acero es calentado para cambiar la estructura cristalina de la ferrita en austenita, un alótropo metálico, no magnético de hierro conocido como hierro gamma-fase.
El extremo sometido al chorro de agua se enfriará significativamente más rápido que el otro extremo, dando por resultado diferentes estructuras martensíticas y por lo tanto, diferentes durezas, a lo largo de la longitud de la muestra. En este punto a una superficie plana poco profunda es tierra a lo largo de la longitud de la muestra para permitir la prueba sobre una superficie plana de la dureza. El espécimen Jominy es útil para demostrar la prueba de dureza Rockwell, pero debe tener cuidado de no confundir los resultados de la prueba de dureza con la dureza de un material que se supone la prueba de Temple final Jominy para medir. Templabilidad se pretende medir cómo estructura martensítica varía según la profundidad de una pieza de material; dureza es una manera de caracterizar esa variación.
En la típica prueba de Rockwell C, se aplica una carga preliminar para el penetrador, y se mide una profundidad de la penetración inicial. Este primer paso es establecer un cero o referencia de posición, con el fin de mitigar los efectos de las variaciones en la superficie del material. A continuación, la carga principal se aplica en el penetrador. Finalmente, la precarga se retira y se mide la profundidad de penetración final. Luego se calcula la diferencia de este valor con el valor de precarga inicial en un valor de dureza.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
El siguiente procedimiento es para el manual de la máquina que se muestra en la figura 1. El procedimiento es típico de otras máquinas también.
- Obtener a un ejemplar típico de prueba extremo-quench Jominy que ha experimentado el tratamiento de agua de refrigeración.
- Asegure a la pieza a la mesa de la máquina de prueba para que no se mueva durante la prueba.
- Asegurar la palanca de selección esté en posición de "Descarga".
- Usando la rueda de ajuste con el apoyo, aumentar la muestra hasta que se establece contacto con el penetrador (cuando el contacto se acaba de hacer, la aguja en el dial delantero voluntad comienza a moverse un poco).
- Ajuste el calibrador del dial, que la lectura inicial es 0.
- Aplicar una precarga al continuar lentamente gire el ajuste de la mesa hasta que el dial gage ha pasado por tres vueltas completas; deténgase cuando la aguja está a 0.
- Mueva la palanca de lado en posición de "Carga".
- Espere hasta que la aguja deje de moverse (5 a 10 s) entonces volver la palanca a "Descarga".
- Grabar la dureza de Rockwell C del calibre de dial de lectura.
- Repita la prueba a lo largo de la longitud. ASTM A255 especifica que las lecturas deben tomarse en intervalos de 1/16 de pulgada para el primer 1/2 pulgada y a intervalos de 1/8 de pulgada por la próxima 1/2 en.
Prueba de la dureza es una prueba sencilla y relativamente barata. Más rápido y menos destructivos que los ensayos de tracción, es considerado uno de los ensayos mecánicos más universalmente valiosos disponibles para ingenieros.
Valores de pruebas de dureza son empíricos, y sin embargo resultados proporcionan una muy buena correlación con la resistencia del material en una amplia gama de materiales. Cuando se aplica una fuerza conocida en una prueba de la dureza, la cantidad de deformación plástica que sufre el material determina el valor de dureza.
En las pruebas de tipo Rockwell, cargado a penetradores de dureza diferentes de medida de tamaños y formas. Para este experimento, vamos a medir y comparar la dureza de acero sin tratar y tratada térmicamente utilizando la prueba de dureza Rockwell.
Varios métodos comunes para medir la dureza de metales incluyen dureza Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop BNC. Cada uno de estos métodos utiliza un penetrador, ya sea en la forma de una esfera, un cono o una pirámide de diamante.
Se hace una muesca en la superficie de un metal y se muestra una lectura de dureza. De esta lista, la prueba de dureza Rockwell es el más popular de los aceros estructurales. Un probador manual estándar consiste en un sistema de palanca para aplicar la carga y una lectura analógica que muestra el número de dureza.
En la típica prueba de Rockwell, se establece un punto cero para tener en cuenta las variaciones de la superficie aplicando una carga preliminar y una profundidad de penetración inicial. A continuación, la carga principal se aplica en el penetrador. Por último, la carga se retira y se mide la profundidad de penetración final. El indicador de dial en la parte superior de la máquina utiliza la diferencia entre estos dos valores para mostrar un valor de dureza Rockwell. El material es el más difícil, menos penetrará el penetrador, resultando en un mayor valor de dureza Rockwell. Así, los valores de dureza Rockwell B y Rockwell C se basan en la profundidad de la penetración, y por lo tanto las máquinas de ensayo son calibradas a menudo usando bloques de prueba de calibración para los rangos de dureza específica.
Ensayos de dureza Rockwell se pueden utilizar para evaluar cómo cambia la fuerza de un material a través de procesos como el tratamiento térmico o laminación en frío. Laminación en frío tiende a producir materiales más fuertes, más difíciles. Tratamiento térmico puede resultar en materiales blandos a través de estructuras pero más difíciles apagar la calefacción.
Por ejemplo, en la prueba Jominy fin saciar, un espécimen cilíndrico se calienta uniformemente. Uno de los extremos entonces se apaga con una corriente de agua. Cambios a lo largo de la longitud de la probeta desde el extremo templado al final insaciable pueden verse en los valores de dureza, que son representativos de los cambios en la microestructura.
En la siguiente sección, medimos la dureza a lo largo de la longitud de un espécimen Jominy sacian prueba final acero para observar la transición de tratamiento tratamiento térmico del acero usando la prueba de dureza Rockwell.
Antes de comenzar, familiarícese con la máquina de prueba. El yunque, que puede ser levantado o bajado por el cabrestante volante, apoya una muestra bajo el indentador intercambiable.
Una carga de prueba es elegida con el selector en el lado de la máquina y se aplica girando la palanca de carga desde la posición de descarga a la posición de carga. Correcta de cargar y mediciones finales se determinan usando el calibrador del dial en la parte superior de la máquina.
Antes de insertar a su espécimen de la prueba, confirmar que está instalado el penetrador de cono de diamante de Rockwell C y la carga de prueba se establece en 150 kilogramos. Fijar al espécimen en la máquina con la superficie plana contra el yunque. Para esta demostración utilizaremos a un espécimen Jominy apagó el final que ha sufrido enfriamiento tratamiento de agua.
Mueva la palanca de carga a la posición de descarga y luego levantar el yunque para traer a la muestra de cerca el penetrador. Ajustar la posición de la muestra para que el penetrador es una-16 de una pulgada del extremo. Cuando la posición es correcta, vuelva a fijar a la muestra para que no se mueva durante la prueba. Ahora, levante la muestra una vez más hasta que la aguja del dial frontal comienza a moverse un poco, indicando que se establece contacto con el penetrador.
Aplicar la precarga al levantar lentamente la muestra hasta que la aguja en el dial ha completado tres vueltas completas. Deténgase cuando la aguja ha completado la tercera vuelta. Ajuste el anillo exterior del dial indicador de modo que la lectura inicial es cero. Luego mueva la palanca de carga a la posición de carga para aplicar la carga de la prueba. La aguja se asentarán en un nuevo valor como se aplica la carga. Espere hasta que detiene y luego mueva la palanca de carga hacia atrás a la posición de descarga.
Grabar la dureza de Rockwell C del calibrador del dial y luego baje el yunque para mover la muestra del penetrador. Repetir esta prueba a lo largo de la longitud de la muestra. Las normas ASTM A255 especifican que lecturas se deben tomar intervalos de XVI de una pulgada de la primera media pulgada y a intervalos de un octavo de pulgada para la próxima media pulgada.
Trama de Rockwell de la dureza de la muestra en función de la posición a lo largo de la muestra. Claramente, la dureza disminuye como la distancia desde el extremo templado aumenta.
La prueba de dureza Rockwell se utilizó para demostrar que debido a la velocidad de enfriamiento, el cambio en la estructura interna del material afecta la dureza del material, que a su vez indica la resistencia del material.
Ahora que se aprecia la prueba de dureza por su facilidad de uso, vamos a echar un vistazo a cómo se aplica para asegurar la calidad de los productos de uso cotidiano.
Valores de dureza se pueden convertir fácilmente a valores de fuerza mediante gráficos derivadas de ecuaciones empíricas. Como era de esperar, materiales más blandos tienen menores valores de resistencia y materiales duros tienen valores más altos de la fuerza. Debido a esto, valores de dureza pueden utilizarse en lugar de ensayos de tracción más costosos para predecir la fuerza de las cosas que usamos todos los días.
Sólo mirando a su alrededor en una barbacoa del patio trasero, podrás ver muchos productos que son considerados seguros debido a la dureza. Metal sillas de jardín, las rejillas en la parrilla sobre una amplia gama de temperaturas, cuchillos de acero endurecidos y la escalera metálica de la piscina en condiciones acuáticas. Todos eran probablemente dureza probada para garantizar la seguridad del consumidor.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a la prueba de dureza Rockwell. Ahora debería entender por qué prueba de la dureza se utiliza comúnmente, cómo realizar la prueba de la dureza y cómo analizar los resultados obtenidos.
¡Gracias por ver!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
Un resultado típico de Rockwell prueba sobre un espécimen Jominy para una prueba de C de h se muestra en el video. La dureza disminuye sensiblemente mientras uno se mueve del extremo del objeto del chorro de agua. El valor de prueba de dureza se puede convertir a una resistencia a la tracción por medio de tablas proporcionadas por el fabricante de máquina de prueba. Los resultados muestran que el acero varía considerablemente en fuerza y dureza como uno se mueve lejos desde el extremo templado.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
Prueba de la dureza es una de las principales pruebas para recabar información importante de ingeniería sobre un material. Ensayos de dureza Rockwell es el método preferido de dureza, ya que elimina la necesidad de avanzado equipo óptico, pero en su lugar emplea equipo básico de laboratorio con precisión, bajo costo y rápidamente medir la dureza de un material. Más importante aún, este método es fácilmente traducido y reproducibles entre laboratorios y prueba personal debido a su relativa simplicidad. El procedimiento requiere que después de tomar una lectura inicial en condiciones de precarga, se aplica la carga mayor y medir el cambio en la posición del valor inicial. Entonces se puede calcular este valor en un valor de dureza, que también puede ser transformado y aproximarse a otras escalas de dureza por una serie de ecuaciones. La prueba de dureza Rockwell se utilizó para mostrar cómo la velocidad de enfriamiento afecta la estructura martensítica del acero, y cómo la tasa de enfriamiento da lugar a materiales con concentraciones significativamente diferentes.
Pruebas de dureza nos permiten utilizar materiales adecuados que garanticen alta calidad de rendimiento en su uso. Todos los productos que utilizamos en nuestra vida cotidiana ha sido probado para la dureza. Considere que el siguiente escenario de la diversión es sólo uno de muchos ejemplos diarios en cuanto a cómo dureza nos permite disfrutar de materiales que son útiles y seguras. Imagine la gran cantidad de veces, prueba de la dureza se utilizó a fin de que para lanzar una barbacoa del patio trasero para su reunión familiar. Las sillas de jardín de metal sin duda tuvieron que ser dureza probada para asegurarse de que el metal era lo suficientemente fuerte, para que tía Bessie no ir cayendo al suelo cuando se sentó. Las rejillas de metal en la parrilla también tuvieron que ser probado en un amplio rango de temperaturas (dado que su madre le gusta su filete bien hecho en alto calor) dureza para no fracturar ni dar cuando inevitablemente se cayeron las tenazas para cocinar a la parrilla. Los cuchillos que utilizan para cortar la carne también son todos de acero endurecido. Por último, la escalera de metal en la piscina había dureza probado en condiciones acuáticas para asegurarse de que cuando su primo más joven trató de salir de la piscina, no cae cuando el metal no. Hay un montón de hamburguesas guardados, niñatos y perritos calientes, para no hablar de vidas humanas, gracias a la prueba de la dureza.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
