TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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Durómetro y penetrador Rockwell del Laboratorio de Ensayos de la EETP Nº466.

 

 

En la siguiente animación se pueden ver algunos de estos tratamientos:

Tiempo-Temperatura-Transformación

CONSIDERACIONES TEÓRICAS GENERALES.

 

Definición de dureza: Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residuales (indentador ó penetrador), de determinada forma y dimensiones.

Los métodos Brinell y Vickers, ya estudiados, poseen la insuficiencia principal de que la medición de las características geométricas de la impronta toma cierto tiempo, además dicha medición a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de desarrollar otros métodos de determinación de la dureza llevando al desarrollo de métodos como el Rockwell, en el cual la medición de la dureza es mucho más ágil y objetiva.

El método de Rockwell aunque es un método de indentación no pretende de manera directa medir la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente proporcional a la penetración del indentador.

El esquema de determinación de la dureza según Rockwell se expone en la siguiente figura:

 

Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la acción de la carga previa P0, la cual se mantiene hasta el final del ensayo.

Esto garantiza una mayor exactitud del ensayo ya que excluye la influencia de las vibraciones y de las irregularidades de la delgada capa superficial.

Después se expone la probeta a la acción de la carga total Pf = P0 + P1 , y la profundidad de penetración aumenta.

Luego de retirada la carga principal P1, en el sistema probeta-indentador ocurre una recuperación elástica, ya que sobre el actúa sólo la carga previa P0, siendo posible la medición de la profundidad de penetración h, la cual determina el número de dureza Rockwell (HR).

PROCEDIMIENTO ROCKWELL

Difiere del ensayo Brinell en que las cargas son menores y los penetradores más pequeños por lo que la impronta será menor y menos profunda.

Además el ensayo Rockwell no requiere la utilización de fórmula alguna para la determinación de la dureza. Esta se obtiene directamente del dial indicador de la máquina ya que la misma está dada por el incremento de profundidad de penetración debido a la acción del penetrador, el cual puede ser una bolilla de acero o un cono de diamante.

En la operación, la cual se muestra esquemáticamente en la figura, se aplica inicialmente una carga de 10 kg la cual causa una penetración inicial A que pone el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición.

El indicador de la máquina se pone en cero, es decir se toma la línea de referencia a partir de la cual se medirá la indentación y se aplica la carga adicional, la que generalmente es de 50 o 90 kg cuando se utiliza como penetrador una bolilla de acero y es de 140 kg cuando se utiliza el cono de diamante.

 

Al aplicar la carga adicional el material fluye plásticamente, resultando una penetración total B. Posteriormente, se retira la carga adicional, permitiendo la recuperación elástica del material resultando una penetración final C. Una vez que la carga principal se retira, el valor de dureza se lee directamente del indicador de la máquina y dependerá de la penetración h dada por la diferencia entre la línea de referencia A y la línea final C.

En las máquinas con sistema de indicación analógico la carátula lleva dos grupos, que difieren por 30 números de dureza, en los que se agrupan las diferentes escalas correspondientes al método, según la siguiente figura:

 

El estándar ASTM E 18-79 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por indentación por la cual, con el uso de una maquina calibrada, se fuerza un indentador cónico-esferoidal de diamante (penetrador de diamante). o una bola de acero endurecido, bajo condiciones especificas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión bajo condiciones especificas de carga.

Entre el numero de Rockwell y la profundidad de la impronta h existe la siguiente dependencia:

Para el cono de diamante:

 

Para las bolas de acero:

 

De estas formulas se deduce que cada unidad de dureza Rockwell corresponde a una penetración de 0,002mm y que el valor de dichas unidades debe ser restado de cierto "tope" para que haya coherencia: a menor profundidad de penetración mayor será el numero de Rockwell y viceversa.

En la práctica no hay necesidad de usar estas fórmulas, ya que los indicadores de las máquinas de Rockwell de manera automática realizan estas operaciones mostrando directamente el número de dureza en sus diales.

EL CICLO DE MEDICIÓN

El ciclo de medición en un ensayo de dureza Rockwell, se puede dividir en 8 pasos.  La velocidad de ejecución de cada uno de ellos tiene influencia sobre el valor de dureza que se obtiene. 

A continuación se indica para cada paso el factor que afecta la medición:

1. velocidad del indentador en el punto de contacto con el material que se ensaya.

2. velocidad de aplicación de la fuerza inicial.

3. tiempo de permanencia de la fuerza inicial.  Es el tiempo que la fuerza inicial permanece a valor constante antes de que la línea base de referencia de la indentación sea tomada.

4. velocidad de aplicación de la carga adicional.

5. tiempo de permanencia de la carga total. Es el tiempo que permanece toda la carga aplicada sobre el material que se ensaya.

6. velocidad con que se retira la carga adicional.

7. tiempo de recuperación elástica del material. Es el tiempo que existe entre que se retira la carga adicional y se mide la profundidad de indentación.

8. velocidad con que se retira la carga inicial.

 

Los efectos de cada uno de los pasos sobre el valor de dureza que se obtiene pueden ser incluidos en dos grandes grupos:

1) Efectos de la velocidad del indentador o velocidad de crecimiento de las fuerzas. En este grupo se encuentran los pasos 1, 2, 4, 6 y 8.

2) Efectos del tiempo de permanencia. Que agrupa los efectos de la duración de los pasos 3, 5 y 7.

Salvo el paso ocho que no tiene influencia alguna, las variaciones en los tiempos de los pasos del primer grupo influyen sobre el valor de dureza que se obtiene, en particular el cuarto paso.

Los efectos en este caso se deben a la sensibilidad del material a la velocidad del indentador o a efectos dinámicos en el indentador tales como sobrecargas o vibraciones producto de los cambios extremadamente rápidos en la fuerza.

Los efectos de los pasos agrupados en el segundo grupo se deben al efecto creep y la recuperación elástica del material que se ensaya, que ocurren en los periodos en los que la fuerza es constante. Los efectos de los tiempos de permanencia de lo pasos 3, 5 y 7 son más influyentes en valor de dureza obtenido que lo efectos asociados a la velocidad de crecimiento de las fuerzas, siempre y cuando esta última no sea exageradamente alta.

CARÁTULA DE MEDICIÓN

En las máquinas con sistema de indicación analógico la carátula lleva dos grupos, que difieren por 30 números de dureza, en los que se agrupan las diferentes escalas correspondientes al método.

 

Uno de los grupos corresponde a las escalas que utilizan el penetrador esférico, mientras que el otro corresponde a las que utilizan el cono de diamante.

Las escalas Rockwell tienen divisiones de 0,002 mm, es decir la diferencia de penetración entre lecturas HRB = 53 y HRB = 56 es de 0,006 mm.

Como las escalas están invertidas un número más alto implica mayor número Rockwell el cual esta dado por HR = E – h

Donde E es el número total de divisiones de la escala y h es el incremento de penetración.

PENETRADORES

 

 Indentador Rockwell

El indentador de diamante debe ser un cono con una punta esférica altamente pulido. El ángulo debe ser de 120º±30´.  La punta debe ser una esfera de diámetro nominal 0,002mm, como se muestran en la figura:

Las esferas deben tener una dureza Vickers (HV) de al menos 850. Las bolas tienen diámetros y tolerancias como se muestra en la siguiente tabla:

 

ESCALAS

Las cargas a aplicar pueden ser:

 

A partir de las combinaciones posibles de distintos indentadores y cargas, el estándar ASTM E18 define 15 escalas diferentes de durezas Rockwell. Se muestra la tabla que las define, tomada directamente de dicho estándar. En esta tabla se muestra también la aplicabilidad de cada tipo de prueba.

 

TIEMPO DE APLICACIÓN DE LA CARGA

Sobre el tiempo de aplicación de la carga principal existen discrepancias.

El estándar ASTM E 18-79 especifica un tiempo de aplicación de la carga principal de no mas de 2s, luego del detenimiento de la palanca de aplicación, además advierte lo siguiente: en el caso de ensayarse materiales que presenten pequeño flujo plástico o no lo presenten luego de la aplicación total de la carga, la palanca debe ser retornada inmediatamente para retirar la carga principal; en el caso de flujo plástico considerable, lo que se manifiesta en el movimiento del puntero del indicador luego del detenimiento de la palanca de aplicación de la carga, esta debe ser retornada luego de 2s de aplicada la fuerza (detenimiento de la palanca).

El estándar DIN 50 103, por el cual se rige el manual de operaciones de la máquina de nuestro laboratorio, aconseja retirar la carga 10s después del detenimiento de la palanca, si el material ensayado es muy blando debe esperarse aun mas.

El estándar GOST 9013-59 pide mantener la carga entre 4 y 8s, luego de establecerse el valor nominal de la misma.

COMPARACIÓN DE IMPRONTAS

En la figura se muestra en forma esquemática y a modo de comparación las improntas que resultan de los ensayos de dureza Brinell, Rockwell estándar y Rockwell superficial.

 

CONDICIONES DE ENSAYO

 Muchas de las consideraciones y precauciones a tener durante el ensayo son las mismas que se mencionaron para un ensayo Brinell.

1- Así por ejemplo la cara a ensayar debe ser lisa y plana, la carga debe actuar en forma perpendicular a la probeta, la cual no debe moverse durante el ensayo.

2- El espesor de la probeta no debe ser menor de 10 veces el incremento de penetración (10h) cuando el penetrador es el cono de diamante y 15 veces (15h) cuando el penetrador es una bolilla.  El ensayo debe ser descartado si la cara opuesta a la ensayada presenta una marca por pequeña que sea, ya que esto implica que el apoyo soportó parte de la carga.

3- La distancia entre 2 huellas 3d; la distancia del centro de la huella al borde 2,5 d  (3 mm).

4- Cuando se ensayan piezas cilíndricas su radio de curvatura no debe ser menor de 5 mm.  En general en estos casos el valor de dureza obtenido disminuye en función del diámetro del material y la norma ASTM E18 da los valores a adicionar a los resultados obtenidos en el ensayo.

5- El valor de dureza debe resultar del promedio de por lo menos tres mediciones las que deberán efectuarse a una distancia de no menos de 3 mm.

6- Temperatura de ensayo 23 ± 5 ºC

7- Si se sobrepasa la carga inicial, se debe realizar una nueva determinación en otro punto.

INDICACIÓN DEL VALOR DE DUREZA