Reporte de Dureza Brinell y Rockwell

Introducción

Este primer experimento titulado “Dureza”, representa para el estudiante de ingeniería el primer contacto de manera directa con la ciencia de materiales. En esta ocasión, como lo denota el título, se trabajara en la medición de la dureza a través del ensayo de Brinell y Rockwell y luego se procederá a hacer una comparación entre ambas. Para la correcta realización de dicho proceso, se debe tener una base de estudio en la teoría que permitirán que el estudiante tenga consciencia de los pasos que se den y pueda plasmar los conocimientos de una forma empírica, y en relación directa con “lo que se ve en el pizarrón”.

Durómetro

El uso del durómetro, instrumento utilizado para medir la dureza o resistencia de los materiales, es solo parte de la práctica. Saber interpretar los resultados que este presente sobre la probeta (suelen ser huellas, puntos y, dependiendo del tipo de ensayo, rayados), es esencial para lograr el acometido que se persigue. Lo que quizás, en el pasado, pudo haber representado para el estudiante no más que una serie de puntos imprimidos en una barra de acero, a lo largo de este experimento se convertirán en una fuente de información.

Para la efectiva interpretación de las pruebas realizadas, el estudiante se ha de ayudar de una serie de herramientas las cuales serán ilustradas a lo largo de este reporte. Estas, permitirán observar detalles en un ensayo y diferenciar un ensayo de otro en aspectos de tamaño aun cuando la diferencia entre los mismos sea indeterminable con solo el empleo del ojo humano.

Por otra parte, en cuanto a los significados de las lecturas que se obtengan, estas pueden definirse a través de una tabla que, utilizada en conjunto con la aplicación de criterios matemáticos, se convierte para el estudiante en una valiosa manera de relacionar la lectura con la dureza.

Con estas pinceladas generales, se puede ver como la medición de la dureza no es nada simple. Es bastante comprensible, pues el afán de obtener los resultados más precisos va en relación directa con la importancia de esta característica de los materiales. Se sentiría una persona común igualmente segura viajando en un avión de un  metal con aleaciones para que resista, que en una avioneta de madera y motor de vapor? Las propiedades no son las mismas, por tanto es muy probable que no.

Como se ha podido vislumbrar en estas líneas (y como se desarrollará ampliamente en las líneas subsiguientes), el estudio de la dureza  y de la ciencia de materiales en sí misma, desde la ignorancia puede verse como algo monótono y sin sentido. Sin embargo es solo asomándose, adentrándose e incursionando con curiosidad en la materia que se descubre el vasto universo de posibilidades y aplicaciones que esta ciencia tiene y que ha tenido a lo largo de la historia, sirviendo al hombre como herramienta propulsora hacia el progreso y la “supervivencia” más que la  mera “sobrevivencia”.

Objetivos

·         Conocer los durómetros Brinell y Rockwell.

·         Comparar la dureza Rockwell B con la dureza Brinell.

·         Analizar el comportamiento de la dureza en la probeta en la medida Rockwell B y Brinell.

Marco Teórico

Se denomina dureza a la capacidad de una sustancia sólida para resistir deformación o abrasión de su superficie. Otras fuentes la describen como la oposición que ofrece la superficie de un mineral a ser rayado por otro. Lo cierto es que la dureza es un aspecto de los materiales que juega un papel crucial en el estudio de los mismos.

La dureza de un material se relaciona a las acciones que se realicen sobre el mismo y su respuesta a dichas acciones. Ejemplo de lo anterior son dureza al rayado, penetración, impacto y desgaste o abrasión. Si se analizara a nivel molecular, sería la resistencia que muestran los átomos de las moléculas de un determinado material, a ser desplazadas mediante la aplicación de una fuerza.

Los métodos para determinar la dureza de los distintos materiales que ofrece la naturaleza han variado a lo largo de la historia. A lo largo de los años, muchos científicos han incursionado en las formas de determinar la resistencia de un material. A causa de esto, se conocen distintos tipos de dureza según el científico que innovó en una nueva forma (o mejor conocido como ensayo),de medir las mismas. Entre estos tipos de ensayos se pueden señalar los siguientes:

La presente práctica se llevó a cabo básicamente con la utilización de dos ensayos que están dentro de la categoría de penetración, estos son el Brinell y el Rockwell.

El ensayo Brinell consiste en comprimir una esfera de acero templado sobre una probeta del material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo conocido. El penetrador es la esfera de gran dureza y de un diámetro que oscila entre 1 y 10 mm. A esta se le aplica una carga presionando el material en cuestión, y produciendo un efecto de desplazamiento que luego se estudiará, para determinar su dureza.

El ensayo Rockwell se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser  penetrados. Este, a diferencia del anterior, determina la dureza en función de la profundidad de la huella y permite medir durezas en aceros templados. La penetración se realiza con una huella en forma cónica, con bolas de 1/8¨ y 1/16¨ y ángulos de 120° en el vértice.

Para la realización de estos ensayos debe de haber una armonía entre la fortaleza de la herramienta y la del material. Es obvio que si se realizara un ensayo sobre una probeta de acero y se utilizara un penetrador de plástico, sería prácticamente imposible obtener resultados. Es por esto que se emplean herramientas con altos niveles de dureza, para que puedan surtir efecto sobre las probetas en los experimentos. Ejemplos de lo anterior podrían ser la punta de diamante en forma piramidal que se usa en el ensayo Vickers, la esfera de acero templada, o la aplicación del compuesto cerámico carburo de tungsteno, reconocido por su alta dureza y su efectividad en el trabajo con acero.

Hay que señalar que si se pudiera escoger un ensayo que resultara más económico para el proceso de fabricación de piezas, este sería sin duda el Rockwell. Esto se debe a que luego de probar aleatoriamente en alguna pieza, el rastro de la huella es tan pequeño que esta puede ser retornada al grupo junto con las demás. Sin embargo no sucede lo mismo con el ensayo Brinell. La huella provocada por la esfera es tan grande que no puede ser retornada al proceso de fabricación, por lo cual esta se pierde.

Otros ensayos no utilizados (pero también importantes en la ciencia de materiales), con los siguientes:

Ensayo de Mohs

Este método de dureza al rayado consiste en practicar una serie de rayas sobre el mineral objeto de ensayo con el filo de una serie de cuerpos de durezas diferentes.

Ensayo de Martens

Se basa en la anchura del surco que provoca una punta de diamante de forma piramidal cuando se desplaza sobre el material objeto de ensayo, siendo la carga de aplicación constante.

Ensayo de la lima

Es útil para tener idea de la dureza conseguida después del temple de las herramientas y en las piezas cementadas, sin embargo esta sujeto a errores subjetivos y los resultados obtenidos no se pueden expresar en datos numéricos.

Con las informaciones obtenidas de múltiples experimentos, se ha conformado la llamada tabla de comparación de durezas, que permite, como su nombre lo dice, comparar los resultados obtenidos en un ensayo, con sus equivalentes en otros ensayos, sin necesariamente tener que efectuar ambos experimentos. Esta ha clasificado los distintos métodos en renglones en cuanto a la capacidad de dureza que pueden medir.

Gráficos y cálculos tipo

 

Muestra	Medida Diámetro	Dureza Brinell	Dureza Rockwell B
1	4.92	147.8	80.6
2	4.73	160.6	84.4
3	4.78	157.2	83.4
4	4.76	158.4	83.8
5	4.73	160.6	84.4
6	4.77	157.8	83.6
7	4.56	173.2	87.8
8	4.77	157.8	83.6
9	4.72	161.4	84.6
10	4.49	179.8	89.2
11	4.68	164.2	85.4
12	4.41	186.2	90.8

Conclusiones

Como estudiantes principiantes en esta ciencia,  la realización de este primer experimento que aborda de manera práctica los temas de la dureza y diferentes tipos de dureza, ha suscitado una serie de reflexiones orientadas a la manera en que anteriormente se percibían las propiedades de un material. Como resultado de tales reflexiones y en base tanto a los conocimientos teóricos adquiridos, como a aquellos aprendidos durante la práctica, se han podido notar ciertos fenómenos y llegar a conclusiones acerca de los resultados obtenidos.

Tras la comparación de las durezas medidas mediante los ensayos empleados, se pudo ver como variaba la dureza aun tratándose del mismo material en todos los casos. Esta variación se relacionaba directamente con la medida del diámetro de la huella impresa en la probeta. Se observó que a mayor tamaño del diámetro, menor era la dureza cuando se hacía la comparación según la tabla.

Este fenómeno salió a la luz durante el proceso de experimentación con la singularidad de que, aun tratándose de un mismo tipo de ensayo, en este caso el de Brinell, se veía una variación en las mediciones a lo largo de la probeta. Tanto las mediciones realizadas en ambos extremos de la probeta, como las que se realizaron a lo largo de la misma, permitieron comprobar que la dureza cambiaba de forma relativamente ascendente en la misma. Ante estas alteraciones, mínimas, pero significativas, y con la aplicación de los conocimientos y la lógica de la ciencia, se fueron proponiendo respuestas que dieran explicación de las razones por las cuales acontecía ese hecho

Aunque si es cierto que se trataba del mismo material, una observación critica permite notar que la probeta sobre la cual se iban a realizar los ensayos tenía una diferencia de grosor (se puede comprobar en la figura de la misma De la sección de anexos). Esto puede que tenga un efecto mínimo en la medida del diámetro de la huella, que es lo que posteriormente denotará la dureza. Como se puede ver en el esquema del ensayo Brinell en el marco teórico, la esfera de acero templado que despliega el material sobre la probeta aplica la fuerza de forma perpendicular a la superficie de la probeta.

Esto quiere decir que cuando se forma la huella sobre la probeta la vista frontal de la misma sería similar a una media elipse perfecta, y que la vista en planta sería un círculo perfecto. Ahora, tratándose del caso de la diferencia de grosor en la barra de acero que se utilizó en el pasado experimento, la condición es distinta. Debido a la inclinación de la superficie de la probeta a causa del grosor, la fuerza que ejerce el durómetro Brinell no es perpendicular a dicha superficie. El resultado es que aunque la vista en planta de esta probeta sigue viéndose como un círculo, la vista frontal deja de verse como la mitad de una elipse perfecta.

Como se puede ver en la imagen, al observar desde arriba con el micrómetro óptico y medir los diámetros de estos dos ejemplares, el resultado no será el mismo, y esto afectara directamente en la medida de la dureza, aunque se tratara del mismo material.

Este fenómeno en combinación la localización a la cual los estudiantes efectúen la huella (si más a la derecha o a la izquierda de la inclinación mostrada), puede ser una de las principales razones por las cuales la dureza presentaba variación.

Bien dicho esto se observa también que la variación es relativamente ascendente. Esta condición puede que le deba su razón de ser a la manera como fue pulida la barra para la realización del experimento.

En el laboratorio se fueron haciendo los ensayos a una distancia prudente uno de otro, para evitar lo que se conoce como tensión superficial., que no es más que la cantidad de energía necesaria para aumentar la superficie de un material por unidad de área. Si se hicieran las pruebas una muy cerca de la otra, la tensión superficial del material desplazado de un ensayo, podría influir en la medida del otro dando como resultado una dureza mucho mayor, ya que “hay mas material que resiste ser movido en esa área”.

Lo que no se tomo en cuenta durante el experimento, y que probablemente fuera un factor incluido a propósito, es el hecho de que al pulir y cortar la probeta también se desplaza material aunque sea en proporciones mínimas. Esto quiere decir que esa acumulación de material que va ascendiendo desde un lado a otro también ejerce una mínima tensión que, acumulada a lo largo de la barra, da como resultado una secuencia de de durezas ascendiente o descendiente, dependiendo esto de el sentido en el que se haya comenzado a medir.

Tras la exposición de las reflexiones y conclusiones acerca del experimento y la interpretación en los cambios que se presentaron en los resultados, se puede afirmar que los objetivos planteados al inicio de la práctica fueron satisfactoriamente cumplidos. El uso de los durómetros Brinell y Rockwell, así como la observación detallada y comparación de los ensayos, permitió al estudiante adquirir una nueva perspectiva respecto a los materiales en sus propiedades de dureza, cuyo estudio es, como se ha demostrado y probado empíricamente, una verdadera ciencia.

Bibliografías

·         Pce- Ierica (2014). Instrumentos de dureza. [ONLINE] Available at: http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/instrumento-de-dureza/comprobador-dureza-pce-hbx.htm. [Last Accessed 29 enero 2015].

·         Patologias construcción (2013). Medicion de la dureza de los materiales. [ONLINE] Available at: http://www.patologiasconstruccion.net/2012/10/medicion-de-la-dureza-de-materiales/. [Last Accessed 29 enero 2015].

·         Vlady71 (2014). Ensayos de dureza. [ONLINE] Available at: http://www.slideshare.net/vlady71/ensayo-de-dureza. [Last Accessed 29 enero 2015].

·         La palma (2014). Ensayos de dureza. [ONLINE] Available at: https://lapalma88.files.wordpress.com/2011/10/ensayos-de-dureza_a.pdf. [Last Accessed 29 enero 2015].