ENSAYO DE DUREZA BRINELL

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Durómetro y penetradores Brinell del Laboratorio de Ensayos de la EETP Nº466.

TEST DE DUREZA BRINELL

 

DEFINICIÓN DE DUREZA BRINELL

Consiste en comprimir sobre la superficie del material a ensayar una bolilla de acero muy duro durante un cierto tiempo t produciendo una impresión, que por resultar un calco de la porción de esfera que penetra, corresponderá a un casquete esférico.

La dureza, comúnmente denominada "número Brinell" resulta de dividir la carga aplicada por la superficie de dicho casquete.

El valor de dureza, número de Brinell HB, resulta de dividir la carga aplicada P por la superficie del casquete S, por lo que:

La flecha o profundidad de la impresión h se determina directamente en el esferómetro de la máquina de ensayo.

La penetración de la bolilla se mide con la carga aplicada, debiendo efectuarse la lectura rápidamente debido a que el tiempo de aplicación de carga es muy breve.

Para evitar determinaciones que por su rapidez puedan ser erróneas, es más conveniente calcular el número Brinell partiendo del diámetro de la impresión, que ofrece mayor facilidad y exactitud de medición al poder realizarse las veces que se estimen necesarias y en los aparatos más convenientes.


De la figura resulta:

donde a es un cateto del triángulo rectángulo rayado.

La expresión para el número de Brinell en función del diámetro de la huella es:

En la práctica el número de Brinell se puede tomar directamente de una tabla ingresando con el valor del diámetro de la impronta.

En algunos materiales la penetración de la bolilla origina una craterización (hierro, cobre) y en otros una depresión (algunos bronces).

En estos casos los valores obtenidos a partir de la medición de h no coinciden con los obtenidos en función de d, ya que la profundidad h medida no corresponde al casquete cuyo diámetro es d, sino al de diámetro d1, cuya determinación exacta en forma práctica es dificultosa.

Por todo esto se ha generalizado la determinación de HB a partir de d, ya que ofrece mayor seguridad de una determinación correcta. Ya sea en la, determinación de h o en la de d, se requiere una precisión mínima de 0,01mm.

ENSAYOS COMPARABLES - CONSTANTE DE ENSAYO

Tratándose de un método empírico, las durezas obtenidas sobre un mismo material sólo son comparables cuando dan impresiones geométricamente semejantes, lo que se cumple cuando el ángulo a de abertura del casquete es el mismo en todos los casos.

Condición de comparación:

Si se realizan dos o más experiencias sobre un mismo metal, con cargas y bolillas distintas, imponiendo a todos el cumplimiento de la condición de semejanza y considerando que los valores de dureza deben ser iguales, es posible encontrar una relación entre las cargas y los penetradores que reemplace a la constante d/D y simplifique el empleo del método.

Así para dos ensayos tenemos:

si:

reemplazando y realizando operaciones, nos queda:

y en forma general:

La constante de ensayo C debe ser utilizada teniendo presente los límites en los cuales la deformación en la bolilla, por acción de la carga, no influye en los resultados.

En este sentido se ha determinado, por ejemplo, que para diámetros de impresiones d inferiores a 0,25 mm con bollillas de 10 mm y una carga de 3000 kg, los valores de dureza obtenidos no son exactos por la deformación en la misma.

En forma práctica se ha determinado que una impronta nítida es aquella que guarda la siguiente relación:

en promedio d = 0,375D

De acuerdo a esto las normas fijan el valor de la constante de ensayo C.

En la tabla 1 se muestra el valor de C para diferentes materiales de acuerdo a la norma IRAM 104, mientras que en la tabla 2 se muestra el valor de C para diferentes durezas según la norma ASTM E10

PENETRADORES

Como penetrador normal del método Brinell puede considerarse la bolilla de 10 mm de acero muy duro HB = 630 pudiendo emplearse, en probetas de menor espesor, penetradores de 5 y 2,5 mm, aceptándose en cualquier caso una tolerancia de ±0,005D.

También se emplean penetradores de 1,25 y 0,625 mm de carburo de tungsteno que permiten ensayar materiales más duros, aunque los ensayos no son comparables con los realizados con los otros tipos de bolillas.

Existen diversos criterios para determinar la bolilla a utilizar en un ensayo. Las normas IRAM especifican que en ningún caso se ensayarán probetas cuyo espesor e sea menor que el diámetro del penetrador D, mientras que las ASTM indican que e no debe ser menor de 10 veces la profundidad de penetración.

La norma ASTM especifica la dureza mínima requerida para satisfacer la condición e<10h para un espesor de probeta determinado y distintas condiciones de carga, como se muestra en la tabla 3.

En la tabla 4 se expresa un criterio algo más práctico, que permite seleccionar el diámetro de la bolilla en función del espesor de la probeta.

CARGAS EMPLEADAS

De acuerdo a las normas ASTM las cargas estándar son las de 3000, 1500 y 500 kg, por lo que considerando que el penetrador normal es el de 10 mm, la relación 0,25D < d < 0,5D se cumple para metales cuya dureza Brinell se encuentra comprendida entre los valores indicados en la tabla 5

Por otra parte, de acuerdo con los distintos diámetros de los penetradores y constantes de ensayo, tomadas en base a la naturaleza del material, se han confeccionado tablas como la tabla 6 que permite conocer directamente la carga a emplear para cada material y espesor de probeta.

TIEMPO DE APLICACIÓN DE LA CARGA

En ensayos normales la carga máxima se alcanza en un lapso de 15s y se mantiene, al menos, durante otros 15s para aceros y 30s para metales más dúctiles.

Sin embargo a menudo la carga máxima se retiene durante un intervalo de 30s para los metales ferrosos y un intervalo de 60s para los otros metales.

Los aparatos de ciclo automático permiten realizar ensayos a alta velocidad, por lo que el tiempo de transición de la carga y el tiempo en que se retiene la misma pueden ser mucho menores a los mencionados.

Sin embargo, estos tiempos tienen influencia en el valor de dureza obtenido.

Si la velocidad de aplicación de la carga es muy alta, es decir el tiempo de crecimiento de la carga es muy corto, se puede producir una sobrecarga (la carga sobrepasa el valor de ensayo antes de estabilizarse) que producirá una huella de mayor diámetro.

Por otro lado si el tiempo que se retiene la carga es insuficiente para que el material complete el flujo plástico, el tamaño de la huella será menor.

En este sentido se ha observado que para la mayoría de los materiales el flujo plástico es rápido en los primeros 30s, siendo bastante más lento en el intervalo de 30s a 120s.

INDICACIÓN DEL VALOR DE DUREZA

La indicación del valor de dureza Brinell debe ir acompañado de la indicación de las condiciones de ensayo tales como diámetro del penetrador, carga aplicada y tiempo de aplicación, de la siguiente manera:



Para distinguir los ensayos que utilizan penetrador de acero de los que utilizan penetrador de carburo de tungsteno se suele indicar con HBS a los primeros y con HBW a los segundos.

RELACIÓN DE LA DUREZA CON LA RESISTENCIA DE LOS ACEROS

Es posible determinar en forma aproximada la resistencia estática de los materiales, conociendo la dureza Brinell de los mismos, mediante el empleo de fórmulas empíricas que sólo son aplicables para un determinado número de ellos; así, por ejemplo, para aceros ordinarios y con menos de 0,8%C se tiene:

ET = 0,346 HB (Kg/mm2)

Para los aceros al cromo-niquel y algunas aleaciones de aluminio se adoptan valores muy próximos al visto (0,34 y 0,35), y para la fundición gris 0,1 de HB.

Es importante notar que la estimación del valor de resistencia a la tracción a través de la ecuación anterior debe ser considerada como una primera aproximación y no debe ser tomado como un valor confiable si no se conoce de antemano y empíricamente que dicha relación se cumple para el material y las partes ensayadas.  Cualquier irregularidad superficial, tal como endurecimiento localizado por deformación, tratamiento superficial, etc, puede causar una estimación errónea de la resistencia a la tracción.

CONSIDERACIONES

Para tener una buena medición es conveniente contemplar las siguientes recomendaciones:

1- Las caras de la probeta deben ser lo más planas y paralelas posible; deben estar pulidas y durante su preparación se debe evitar cualquier tipo de calentamiento que pueda introducir tensiones.

2- La carga debe actuar en forma normal a la cara de la probeta, la cual no deberá moverse durante el ensayo.

3- El centro de la impresión debe distar al menos 2d del borde la probeta y 3d de otra impresión, para evitar así los efectos del endurecimiento localizado producido en las adyacencias de la penetración.

4- Luego del ensayo no deben quedar marcas en la cara opuesta de la probeta.

5- Si la pieza a ensayar presenta una superficie curva la impresión no será circular, por esta razón el radio de curvatura no debe ser inferior a los 25 mm y el diámetro d puede tomarse como el promedio de mediciones en varias direcciones.

6- Si las propiedades de una probeta plana no son uniformes debido a la dirección de rolado o la a los esfuerzos inducidos por el enfriamiento, resultará una huella no circular, en este caso el valor de dureza Brinell puede obtenerse a partir del diámetro d que resulta del promedio de 4 mediciones a 45º.

7- Por aproximación puede conocerse el tipo de acero que se ensaya mediante la relación:

%C = (HB – 80) / 141

ALCANCE Y APLICABILIDAD DEL MÉTODO BRINELL

Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se recomienda utilizar penetradores duros (de carburos metálicos). A partir de estos valores de dureza la deformación en el penetrador comienza a ser importante, y esta debe ser menor de ±0,005D. Por esta razón el empleo de este método está limitado a una dureza máxima de HB = 600.

De esta manera se puede decir que a partir de los 400 Brinell es recomendable determinar la dureza a través de métodos como el Rockwell o Vickers.

Por último es claro que el método no es aplicable a piezas de espesor delgado ya que la penetración usual puede ser mayor que dicho espesor. Tampoco es aplicable a superficies cementadas, nitruradas, o recubiertas ya que la profundidad de penetración puede ser mayor al espesor que alcanza el tratamiento en la superficie.

Es un método conveniente en materiales poco homogéneos tales como las fundiciones materiales de grano grueso y piezas forjadas, debido a que el tamaño de la impronta permite obtener un mejor promedio de la dureza en la zona. Además si se utiliza la profundidad h de la impronta para la determinación de la dureza, la superficie a ensayar no requiere demasiada preparación. Como regla general: cuanto mayor es la huella menor es el requerimiento de preparación superficial.