Prueba de dureza de Rockwell y su efecto sobre el acero

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.

Existen varios métodos comunes para medir dureza, Brinell (H_B), 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 (σ_u) puede estar relacionada con su dureza Brinell (H_B) 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.

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.

1. Obtener a un ejemplar típico de prueba extremo-quench Jominy que ha experimentado el tratamiento de agua de refrigeración.
2. Asegure a la pieza a la mesa de la máquina de prueba para que no se mueva durante la prueba.
3. Asegurar la palanca de selección esté en posición de "Descarga".
4. 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).
5. Ajuste el calibrador del dial, que la lectura inicial es 0.
6. 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.
7. Mueva la palanca de lado en posición de "Carga".
8. Espere hasta que la aguja deje de moverse (5 a 10 s) entonces volver la palanca a "Descarga".
9. Grabar la dureza de Rockwell C del calibre de dial de lectura.
10. 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.

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.

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.