Informe #1 - Dureza y Espectrometria

Sánchez Buitrago, Gómez Rodríguez, Zorro Mendoza, Gómez Luna. Ciencia e Ingeniería De Materiales, Universidad Nacional de Colombia.

INFORME DE LABORATORIO #1 – ENSAYOS DE DUREZA Y ESPECTROMETRÍA Jarvy Andrés Sánchez Buitrago [email protected]

Andrés Felipe Felipe Gómez Rodríguez Rodríguez [email protected]

Andrés Camilo Camilo Zorro Mendoza Mendoza [email protected]

Johan Sebastián Gómez Luna [email protected]

Resumen: En documento tiene como finalidad presentar los

mecánicas, entre las cuales encontramos la dureza. A lo largo de la historia, en múltiples escenarios al rededor del mundo se han descubierto y tecnificado cientos de procesos y caracterizaciones relacionadas con la dureza, la más notable y conocida es la escala Mohs. La prueba de dureza nos permite clasificar la muestra dentro unos parámetros preestablecidos, y que son de suma importancia al momento de hacer la selección y uso de los materiales. En este documento caracterizamos dicho proceso, describiendo el procedimiento para realizar un ensayo de manera adecuada, el equipo utilizado para realizar los ensayos y como retroalimentación de la práctica, el análisis de los resultados registrados. A pesar que la escala Mohs, es la más “conocida”, en esta práctica, los equipos usados, arrojan resultados bajo las escalas Rockwell (B y C), aunque no se hizo uso de maquinaria que expresa los resultados, en la escala Brinell, también se hará el análisis bajo esta escala. Bajo el análisis de los resultados siguiendo las tablas asociativas de las diferentes escalas, podemos caracterizar un material de acuerdo a su dureza teniendo en cuenta los parámetros obtenidos.

datos recopilados durante la práctica de laboratorio #1, en la cual se realizaron los ensayos de dureza y espectrometría. También se expresaran los análisis y las conclusiones a las que se pudieron llegar. Este este documento empieza con una breve introducción, seguida por una perspectiva general acerca de las herramientas, tanto intelectuales como instrumentales, que permitieron la comprensión de los datos registrados durante el desarrollo de la práctica. Luego se hace una descripción del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio, procedimiento que a su vez nos introduce al análisis de los datos y resultados registrados. Finalmente, una vez presentado el análisis análisis de los los datos, datos, procedemos a presentar presentar las conclusiones de la experiencia.

Palabras Clave: Dureza, Espectrometría, Indentador, Rockwell (B, C, T), Precarga, Carga, Muestra, Calibración, Acero. Abstract: The objective of this document is to present the data collected during the lab # 1, which were performed hardness tests and spectrometry. Also express the analysis and the conclusions that might arrive. This document begins with a brief introduction, followed by an overview about the tools, both intellectual and instrumental, which allowed the understanding of the recorded data during the development of the practice. The next part of the document is a description of the procedure carried out in laboratory, which in turn introduces the Data analysis and results recorded. Finally, after submission of the data analysis, we proceed to present the conclusions of the experience.

2. OBJETIVOS 2.1. GENERAL 

Comprender que el ensayo de dureza es una actividad analítica y experimental de relevancia, que permite evaluar y clasificar los materiales de acuerdo sus propiedades.

2.2. ESPECIFICOS

Key Words: Toughness, Spec, Indenter, Rockwell (B, C, T), Preload, Load, Sample, Calibration, Steel.

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1. INTRODUCCIÓN



En el estudio de materiales es indispensable estudiar y comprender las características y propiedades que poseen los mismos. Dentro del conjunto de las propiedades, podemos resaltar unas que sin duda alguna tienen peso dentro de las aplicaciones orientadas a la Ingeniería, las propiedades



1

Identificar los casos de uso para las diferentes escalas de dureza. Aprender a hacer los los cálculos correctos con la información adquirida para obtener las mejores conclusiones, estableciendo apropiadamente la dureza relacionada con dicho material. Comprender el funcionamiento y la importancia del durómetro como la herramienta indispensable a la hora de evaluar la dureza de un material.


3. MARCO TEORICO 

3.1. Términos claves 

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Cuando nos referimos a dureza mecánica hacemos referencia a aquella evaluada por la resistencia del material a ser indentado ya sea por procedimientos estáticos o dinámicos y la instrumentación empleada. Es por ello que es importante hablar de las clases de ensayos mecánicos existentes para calcular la dureza pero a continuación hablaremos solo de las más importantes.

Carga: Fuerza capaz de producir estados tensionales en una estructura. Precarga: Fuerza de menor magnitud que la carga, se aplica antes de la carga para asegurar la precisión de esta última. Indentador: Dispositivo utilizado en la prueba de dureza que es comprimido contra la probeta para dejar una “huella”.

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3.2. Dureza

Brinell

El indentador empleado en este ensayo tiene en la punta una esfera de acero templado o carbono W, no es muy preciso en muestras muy delgadas y con materiales duros suele ser poco exacto. La prueba se lleva a cabo mediante tracción, de manera que se aplica determinada fuerza sobre la superficie lisa de la muestra durante cierto tiempo con el indentador, hasta que este deje huella. Luego, se calcula la dureza Brinell (H) del material teniendo como parámetros la carga aplicada (C) y la superficie de la huella (S) en la siguiente ecuación.

La definimos como la resistencia que ofrece un metal a ser rallado, por otro, lo que es equivalente a la resistencia mecánica de dicho material. Se calcula mediante un método comparativo, es decir, intentando rayar la superficie del material con otro cuya dureza es conocida, obteniendo un valor utilizando el durómetro.

3.2.1. Tipos de Dureza 

Mecánica

Mineralógica

Para este tipo de dureza tenemos en cuenta la composición química de las sustancias y sus características físicas. Esta tipología fue desarrollada por el alemán Friedrich Mohs, la cual se basa en el principio que una sustancia dura puede rayar a una sustancia más blanda, pero no es posible lo contrario. Los valores de la escala Mohs, están representados en la Tabla 1.

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(1)

Tabla 1.

Mineral Talco

Dureza

Método de Identificación

1

Yeso

2

Calcita

3

Fluorita

4

Apatito

5

Ortosa

6

Cuarzo

7

Topacio

8

Corindón

9

Diamante

10

Marca la ropa Se puede rayar fácilmente con la uña Se puede rayar con una moneda de cobre Se puede rayar con un c uchillo de acero Se puede rayar difícilmente con un cuchillo Se puede rayar con una lija para el acero Raya el vidrio Rayado por herramientas de carburo de wolframio Rayado por herramientas de carburo de Silicio El más duro, no se altera con nada excepto otro diamante

Grafica 1. Geom etría Ind entado r B rinell. 

Rockwell

Se utiliza un indentador con punta cónica de diamante para dejar la huella, la cual no es de gran tamaño. Además, puede utilizarse con cualquier material y no hay necesidad de hacer ningún cálculo para hallar la dureza ya que esta es medida directamente. En la Grafica 2, observaremos el aspecto de la punta del indentador empleado.

2


Usualmente se aplican cargas que van desde 1 hasta 120 kg, siendo la carga pr omedio 30kg. Aunque estos sean solo tres de los diferentes ensayos industriales existentes para calcular la dureza, nos referimos a ellos por la mayor cercanía con la experiencia llevada a cabo. 

Grafica 2. Geomet ría Inden tador Rock well.

Elástica

Es la relación elástica de que posee un material cuando se deja caer sobre el un cuerpo más duro. Se puede clasificar en tres tipos: penetración por golpe, Shore y limas.

Para el ensayo realizado se aplicó una precarga (aproximadamente 10 kg) a la muestra y una vez elegido el tipo de prueba que se realizara se aplica una carga mayor que junto con la precarga actúa sobre la muestra. El diagrama de fuerzas está representado en la Grafica 3.

3.3. Espectrometría La espectrometría es la técnica espectroscópica para tasar la concentración o la cantidad de especies determinadas. El instrumento que realiza tales medidas es un espectrómetro o espectrógrafo. La espectrometría a menudo se usa en física y química analítica para la identificación de sustancias mediante el espectro emitido (Grafica 5), o absorbido por las mismas.

Grafica 3. Diagrama de fuerzas d e un ensayo Rockwell.

Para los materiales más duros hablamos de Rockwell C, Rockwell A y Rockwell D, y para los más blandos Rockwell B, Rockwell C y Rockwell T. 

Vickers

El cálculo de la dureza, al igual que en la escala Rockwell, se determina con la Ec. (1), donde (H) es la dureza del material, (C) la carga aplicada y (S) la superficie de la huella dejada por el indentador (Grafica 4), que en este caso corresponde a una punta de diamante con forma de pirámide cuadrangular de 136° entre sus caras. Se recomienda usarlo cuando la dureza de la muestra es superior a 500 en la escala Brinell.

Grafica 5. Descom posición de la luz en espectros.

4. REVISIÓN NORMA TÉCNICA COLOMBIANA (NTC – 19)

Tipo de ensayo de dureza: Ensayo de dureza Rockwell (escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K).

Equipo empleado Máquina de ensayo (durómetro): Capaz de aplicar fuerzas predeterminadas de hasta 1471 N. Indentador cónico de diamante: Con un ángulo en la punta de 120° y radio de c urvatura en la punta de 0.2mm. Indentador con esfera de acero: Con un diámetro de 1,587 mm ó 3,175 mm. Dispositivo de medición: Que dependiendo de la carga que se esté aplicando (escala de Rockwell que se esté trabajando) indica el valor de dureza que posee el material.

Grafica 4. Geom etría Ind entado r Vickers .

3


Escala de fuerza empleada:

 

  

F=588,4 N para las escalas A, F y H. F=980,7 N para las escalas B, D y E. F=1471 N para las escalas C, G y K.



Tipo de Probeta Los materiales que en las condiciones de ensayo no muestren plasticidad dependiente del tiempo: se les aplicará la fuerza total de ensayo entre 1 s y 3 s. Los materiales que en las condiciones de ensayo muestran alguna plasticidad dependiente del tiempo: se les aplicará la fuerza total de ensayo entre 1 s y 5 s. Los materiales que en las condiciones de ensayo muestran considerable plasticidad dependiente del tiempo: se les aplicará la fuerza total de ensayo entre 10 s y 15 s.

Tipo de indentador  

Indentador cónico de diamante Indentador con esfera de acero

Tipo de material relacionado con la fuerza y el indentador Tabla 2 Escala

Material

Fuerza

Indentador

A

Metales duros, superficies templadas

588,4 N

Cono de diamante

980,7 N

Esfera de acero de 1,587 mm

1471 N

Cono de diamante

980,7 N

Cono de diamante

B

C

D

Cobre, Latón Acero 1045 templado y revenido, acero 1045, acero inoxidable, acero 1020 Piezas con superficies templadas de dureza media

E

Fundiciones, aleaciones AlMg, metales sintéticos

F

Aleaciones de cobre recocido

588,4 N

G

Bronce, cobreberilio, cobreníquel

1471 N

H

Aluminio, zinc, plomo

588,4 N

K

Metales antifricción o de dureza muy baja

980,7 N

1471 N

30 a 94 HRG 80 a 100 HRH 40 a 100 HRK

Requerimientos de la probeta (geometría, dimensiones, condiciones superficiales) La superficie donde se realizará el ensayo de be ser suave y con la menos rugosidad posible, debe ser lo mas plana posible, estar libre de óxido, materia extraña y lubricantes. Preferiblemente realizar el ensayo a temperatura ambiente para que el calor o el frío no afecten la dureza del material. El espesor de la probeta debe ser al menos diez veces mayor que lo que se espera sea la profundidad de la perforación que se le hará a la pieza. Para ensayos en superficies esféricas y cilíndricas convexas se tienen que aplicar unas correcciones al valor de dureza hallado que están determinadas en tablas que dependen del radio de curvatura en (mm) de la pieza y en donde al valor de dureza hallado se le indica el respectivo ajuste que se le debe hacer.

Esfera de acero de 3,175 mm

Forma de medir la huella

Esfera de acero de 1,587 mm Esfera de acero de 1,587 mm Esfera de acero de 3,175 mm Esfera de acero de 3,175 mm

Tomando como unidad     se mide profundidad de esta huella y se expresa en n°s de “e”.

la

Forma de encontrar el valor de dureza Con la huella medida el valor de dureza correspondiente depende de la escala de Rockwell empleada:  

Escalas (A, C, D): Valor de dureza=100-n°e Escalas (B, E, F, G, H, K): Valor de dureza=130-n°e

Requerimientos necesarios al momento de elegir el sitio para hacer la huella

Escalas equivalentes Los intervalos de la dureza de Rockwell en cada escala son:      

La distancia entre dos huellas debe ser al menos cuatro veces el diámetro de estas (nunca menos de 2 mm) y la distancia que debe de haber entre una huella y el borde de la probeta debe de ser al menos dos y media veces el diámetro de la huella (nunca menos de 1 mm).

20 a 88 HRA, siendo 60,7 HRA=98,1 HRB 20 a 100 HRB, siendo 98,1 HRB=20,3 HRC 20 a 70 HRC, siendo 20,3 HRC=40,3 HRD 40 a 77 HRD, siendo 40,3 HRD=114,3 HRF 70 a 100 HRE 60 a 100 HRF

4


Pregunta. ¿Qué otras normas colombianas se emplean para la realización del ensayo de dureza?

5. MATERIALES LABORATORIO

Y

EQUIPO

DE

Los equipos utilizado durante el desarrollo de los ensayos, fueron dos, el durómetro Wolpert (Grafica 6), y el ® espectrómetro de masas BAIRD Spectrovac (Graficas 7-8). El durómetro tal como su nombre lo indica se utiliza para medir la dureza de los materiales mediante la aplicación de cargas, por intermedio de un indentador, el cual deja una huella sobre el material. La dureza puede ser medida según diversos parámetros que varían de acuerdo a la escala utilizada, del mismo modo, el tipo de indentador usado en cada prueba de dureza varía según la escala utilizada. El indentador no tiene otra función más que rallar la superficie de la muestra.

®

Gráfica 7. Espect rómetro de mas as BA IRD Spectrov ac .

El espectrómetro de masas aplica una técnica experimental que permite la medición de iones derivados de moléculas, dicha técnica mide las razones carga/masa de iones, calentando un haz de material del compuesto a analizar hasta vaporizarlo e ionizar los diferentes átomos (Grafica 9), él haz de iones produce un patrón específico en el detector, que permite analizar el compuesto.

Gráfic a 6. Dur ómetr o Wol pert .

El espectrómetro de masas es un instrumento que permite analizar con gran precisión la composición de gran cantidad de materiales, separando los núcleos atómicos en función de su relación masa-carga. Puede ser utilizado para identificar los elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto.

Gráfica 8. Porta-Muestras Espectr ómetro d e masas BA IRD ® Spectrovac .

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Sánchez Buitrago, Gómez Rodríguez, Zorro Mendoza, Gómez Luna. Ciencia e Ingeniería De Materiales, Universidad Nacional de Colombia. en el “0” y la más pequeña en un punto rojo, se esperaban unos 4 s o 5 s y se presionaba un botón para que se le aplicara la carga al material, por último se esperaba que el durómetro mostrara cual era el valor de dureza de este. Para el proceso de calibrado se tenía que bajar el soporte con el volante, acomodar el material patrón para la siguiente identación y repetir el proceso antes mencionado unas dos veces más o hasta que el valor dado por el durómetro sea o se aproxime mucho al valor real. Posteriormente se montaba la probeta en el soporte y se hacía el mismo proceso que con el material patrón para obtener el valor de dureza de esta, también haciéndose varias veces para luego poder sacar un promedio que sea más confiable que los demás valores obtenidos.

7. ANALISIS DE RESULTADOS

Gráfica 9. Diagrama de func ionam iento esp ectrómetro de masas.

6. PROCEDIMIENTO EXPERIEMNTAL Antes de hacer el ingreso al laboratorio, realizamos el respectivo protocolo de seguridad, es decir hacer uso del overall o bata con el fin de evitar cualquier incidente relacionado con las prendas de vestir. Luego procedimos a ingresar al laboratorio, donde iniciamos con el ensayo de espectrometría, una vez concluidas las pruebas nos dirigimos al espacio dispuesto para los ensayos de dureza. Antes de empezar los ensayos de dureza, el laboratorista hizo una introducción de los equipos e instrumentos que se usarían durante los ensayos. Luego, para empezar los ensayos, se necesitaba saber que material era el que se tenía y al que se le iba a aplicar el ensayo de dureza para poder determinar que escala de dureza Rockwell era la apropiada para este (las más usadas generalmente son la B y la C), luego de eso de una serie de tubos que tiene el durómetro a un costado se hundía el que tuviera indicado la carga correspondiente (fuerza) a la escala de dureza Rockwell que se iba a trabajar, entonces con una herramienta que sirviera de palanca, podría ser un destornillador, se aflojaba el sistema de presión que tiene el husillo del durómetro para cambiar o simplemente introducir el indentador correspondiente, posteriormente se ajustaba nuevamente el husillo. Antes que nada se tomaba un material patrón del que ya se tenía un valor de dureza y se montaba en la base del durómetro para calibrarlo. Girando un volante que estaba en el soporte del durómetro se movía este verticalmente y con él el material, se subía a tal punto de que el indentador tocará el material perpendicularmente, luego se aplicaba la precarga, que consistía en girar aún más el volante haciendo que el contacto del material con el indentador fuera más fuerte con un movimiento constante y ni muy rápido ni muy lento y hasta que en el dial que tiene el durómetro la aguja más grande quedara

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Informe #1 - Dureza y Espectrometria

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