Ensayos de Durezas

Arquitectura. Plásticos. Deformación plástica. Teoría de deslizamiento en bloque. Maclado. Rayado. Martens. Turner. Herziana. Monotrón. Brinell

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En primer lugar, antes de empezar el trabajo de recuperación, quiero decir que debido a la nula información encontrada sobre “ensayos de dureza en materiales plásticos”, el trabajo se centra mayormente en los ensayos de dureza (en general), sin descuidar una breve introducción a lo que son los plásticos y la zona plástica.

Que es un plástico:

-Un plástico es un material dúctil, blando y fácil de moldear.

-Una materia plástica se compone de una sustancia macromolecular (derivado celulósico) y un plastificante (el alcanfor).

Durante la historia se han perfeccionado muchas técnicas para la elaboración de plásticos; prensa inyectora (1872), extrusor de tornillo (1879), polimerización de un metacrilato (1880), resinas… y con el desarrollo de la química macroscópica aparecen nuevas técnicas de base; poli(cloruro de vinilo)(1931), resinas poliésteres insaturadas (1933), poliamidas…

-Debido a su plasticidad, las materias plásticas se oponen a los elastómetros, que, tras cesar el esfuerzo a que están sometidos, recobran mas o menos exactamente su forma y dimensiones iniciales.

Muchos objetos plásticos recuperan su forma en cuanto se deja de ejercer presión sobre el, o, más simplemente, rechazan cualquier deformación apreciable y se rompen al ser sometidos a un esfuerzo excesivo.

El comportamiento mecánico de una sustancia plástica se determina esencialmente por la naturaleza del material macromolecular que contiene.

Se pueden representar los materiales plásticos por su gráfica de tracción a distintas temperaturas.

-Así pues, los plásticos y gomas expansionadas o en forma de espuma tienen una gran aplicación en envasado como aislantes de calor y sonido y acolchado de materiales.

Otra variable de los plásticos son los denominados termoplásticos. El gran aumento en el consumo de los plásticos es debido a sus múltiples aplicaciones prácticas, que, unidas a su costo comparativamente más bajo, contrarrestan sus posibles desventajas. Algunas propiedades interesantes de los plásticos son sus bajas densidades, alta resistencia al ataque químico, sus propiedades de aislante térmico y eléctrico, y su facilidad de fabricación en una gran variedad de formas lo mismo sencillas que complicadas.

Las principales desventajas de los plásticos son su reducida resistencia mecánica y su bajo módulo de elasticidad, así como su poca resistencia al calor.

Algunos de los materiales termoplásticos más importantes son: polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo (PVC), politetrafluoretinelo (PTFE), poliestireno, materiales acrílicos, poliamidas y poliésteres, elastómetros, cauchos sintéticos y siliconas.

Que es la deformación plástica:

-Cuando un material está en tensión, sus dimensiones varían. Por ejemplo, la tracción causará un aumento de longitud. El cambio dimensional provocado por las tensiones se denomina deformación.

-En el comportamiento elástico, la deformación producida en un material al someterle a tensión cesa totalmente, recuperándose el estado inicial al cesar la tensión actuante.

-Muchos materiales poseen un límite elástico determinado y cuando se someten a tensión se deforman elásticamente hasta ese límite. Más allá de este punto la deformación originada no es directamente proporcional a la tensión aplicada, y también ocurre que esta deformación no es totalmente recuperable. Si cesa la tensión, el material quedará en estado de deformación permanente o plástica.

Una teoría para explicar la deformación plástica en los metales fue la teoría de deslizamiento en bloque; cuando aumenta la tensión del material, tiene lugar la deformación plástica por el movimiento de grandes bloques de átomos con deslizamiento relativo de unos en relación a otros a lo largo de determinados planos dentro del cristal.

La teoría cuenta con un gran número de justificaciones en su favor, pero cuenta con ciertos inconvenientes.

-Actualmente, las teorías sobre las deformaciones plásticas de metales se basan en la existencia de pequeñas imperfecciones o defectos en los cristales. Se denominan dislocaciones, y la deformación plástica es debida al movimiento de dislocaciones a través de los planos de deslizamiento de un cristal bajo la acción de una tensión aplicada.

-Otro modo de conseguir deformaciones plásticas es por maclado, que se origina por tensiones mecánicas, tensiones que aparecen durante el enfriamiento en el moldeo o por las que aparecen durante los tratamientos térmicos.

Que es un ensayo:

Los ensayos tienen como finalidad determinar las características de los materiales.

Clasificación de los ensayos:

1.1 Ensayos de características Químico: Determinar la composición de los materiales. Cristales: Determinar la cristalización, se realiza mediante un microscopio electrónico.

Microscópicos: Determinar el grano.

Macroscópicos: Determinar la fibra

Térmicos: Puntos de fusión. Puntos críticos.

Constituyentes: (Ej. (Carburo de...)

1.2 Ensayos destructivos: (E.D.)

Ensayos de propiedades mecánicas:

Estáticos:

Durezas, Tracción, Compresión, Cizalladura, Flexión, Pandeo, Fluencia

Dinámicos:

Resistencia al choque, Desgaste, Fatiga

1.3 Ensayos tecnológicos: Determ. el comportamiento de los mat. ante operaciones industriales: Doblado, Plegado, Forja, Embutición, Soldadura, Laminación,...

1.4 Ensayos No destructivos: (Por orden de importancia)Rayos X, Rayos Gamma (Se usa un isótopo reactivo, uso de radiografías), Ultrasonidos, Partículas magnéticas, Líquidos penetrantes, Corrientes Inducidas, Magnéticos, Sónicos (Es el más utilizado, un mat. sin grietas tiene un sonido agudo; si el mat. Tiene grietas el sonido es más grave.)

Que es un ensayo de dureza:

las propiedades mecánicas de los materiales son:

COHESION: Resistencia de los átomos a separarse unos de otros.

ELASTICIDAD: Capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que los deformara.

PLASTICIDAD: Capacidad de un material a deformarse. Se clasifica en:

MALEABILIDAD: Facilidad a deformarse en láminas.

DUCTILIDAD: Facilidad a deformarse en hilos.

Para determinar la cohesión se realizan ensayos de DUREZA y tamaño del grano.

Para determinar la elasticidad y la plasticidad se realizan ensayos de TRACCION y COMPRESION.

2 - Definiciones de Dureza.

a) Dureza al rayado: Resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro.

Dureza Mohs (mineralúgica), Dureza Lima, Dureza Martens, Dureza Turner.

b) Dureza a la penetración: Resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro.

HBS y HBW, HR, HV, HK, POLDI (Brinell dinámico), Herziana, Monotrón.

c) Dureza elástica: Reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un cuerpo más duro.

SHORE y Método Dinámico.

d) Dureza Pendular: Resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él.

a) Dureza al Rayado.

* Dureza MOHS: Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro. Esta es la escala de Mohs:

1 - Talco 6 - Feldespato (Ortosa)

2 - Yeso 7 - Cuarzo

3 - Calcita 8 - Topacio

4 - Fluorita 9 - Corindón

5 - Apatita 10 - Diamante

La fundición gris esta entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8.

* Dureza MARTENS: Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90º, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide “a” en micras y la dureza Martens viene dada por:

DUREZA MARTENS= peso en gr que produce en el material una huella de 10 micras

* Dureza TURNER: Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en función de los gramos necesarios (carga necesaria, P) para conseguir una deformación tal que a = 10 micras. El valor de las carga será el valor de la dureza Turner.

* Dureza a la lima: Se usa en industria. En todo material templado la lima no "entra". Dependiendo de sí la lima entra o no entra sabremos:

No entra, el material raya a la lima; Dureza mayor de 60 HRC

Entra, la lima raya al material; Dureza menor de 60 HRC

b) Dureza a la penetración:

* Dureza HERZIANA: Viene determinada por la menor carga que hay que aplicar a un material (con bolas de 1,5 a 4 mm. de acero extraduro) para que deje huella.

* Dureza MONOTRON: Es una variante de la dureza Herziana. Viene expresada por la carga que hay que aplicar para producir una penetración de 0,0018 pulgadas. El penetrador es una semiesfera de diamante de 0,75 mm. Tiene dos dispositivos, uno que da la carga aplicada y un sensor que para el ensayo cuando la penetración es de 0,0018Ó.

* Dureza BRINELL ( HBS y HBW): UNE 7-422-85

Este método consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre un material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo también conocido.

HB viene dado por:

DUREZA=(fuerza aplicada (kgf))/(superficie esférica de la huella)

El valor de la carga P viene dado por: P = K D2, donde K=cte. de ensayo. El tiempo de ensayo es t=10 - 15 seg. según normas UNE. Los valores de K para algunos materiales son:

Aceros y elementos siderúrgicos: K=30 ;

Cobres, Bronces, Latones: K=10 ;

Aluminio y aleaciones: K=5 ;

Materiales blandos (Sn, Pb): K=2,5;

No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 (aceros templados), porque se deforman las bolas.

Nomenclatura: XXX HBS (D/P/t) Ej. 156 HBS 10/3000/15

Generalmente se usan bolas de 10 mm; cuando t = 15 seg. no hace falta indicarlo.

Condiciones de ensayo:

1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.

2 - El espesor de la probeta (s), debe ser al menos ocho veces la flecha de la impronta. ( s = 8f)

3 - La distancia entre 2 huellas = (4:6) d; la distancia del centro de la huella al borde = (2,5:3) d.

4 - Temperatura de ensayo = 23¡ C ±5

Uso de HBS:

-Cálculo de la resistencia a la tracción.

r= mH n

* Dureza Meyer ( HBW ): Es igual que la Brinell excepto que S es la superficie proyectada de la huella: HV=1,8544 P/l [kg/mm]

* Dureza ROCKWELL ( HRx ): UNE 7-424/89/1 (Normal) UNE 7-424/89/2 (Superficial)

El método Rockwell se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella. Permite medir durezas en aceros templados.

Da directamente la dureza en el durómetro:

- escala de bolas de 130 divisiones (rojo)

- escala de conos de 100 divisiones (negro)

Los ensayos se pueden realizar con 2 tipos de penetradores:

Bolas de 1/8” y 1/16” y Conos de 120º ángulo en el vértice.

Las cargas se aplican en dos tiempos; primero se aplica la carga previa (10 — 3 Kp); y posteriormente se mete el resto de la carga. A partir de introducir la carga adicional se mide la dureza.

La carga previa en HR normal es de 10 Kp y en HR superficial es de 3 Kp.

Nomenclatura: XXX HRx t XXX HRS P/t

Condiciones de ensayo:

1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.

2. El espesor de la probeta debe ser 10 veces la penetración del cono. s = 10 f

3-La distancia entre 2 huellas = 3d; la distancia del centro de la huella al borde = 2,5d

4 - Temperatura de ensayo = 23º C ±5ºC

5. Si las piezas son cilíndricas y d<30 mm. debemos introducir un factor de corrección que se da en gráficas.

Ventajas del método Rockwell:

- Método rápido y preciso, no necesita de operarios especializados.

- Huellas más peque-as que el método Brinell.

- Inconveniente tiene que si el material no asienta perfectamente, las medidas resultan falseadas.

* Dureza VICKERS ( HV ): UNE 7-423/84/1 (HV 5 a HV 100)

El método Vickers se deriva directamente del método Brinell. Se emplea mucho en laboratorio y en particular para piezas delgadas y templadas, con espesores mínimos hasta de 0,2 mm.

Se utiliza como penetrador una punta piramidal de base cuadrangular y ángulo en el vértice entre caras de 136º. Este ángulo se eligió para que la bola Brinell quedase circunscrita al cono en el borde de la huella.

La dureza Vickers viene dada por: HV = P/S [Kg/mm]

donde S es la superficie de la impronta y P la carga aplicada.

Nomenclatura: XXX HV P/t

Condiciones de ensayo:

1 - La superficie de la probeta debe ser pulida, plana; estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes.

2 - s = 1,5 d (s= espesor de la probeta).

3 - Distancia entre centros de 2 huellas = (3:6) d; Distancia del centro de la huella al borde = (2,5:3) d.

4 - Temperatura de ensayo = 23º C ±5ºC

5 - En probetas cilíndricas, P debe ser tan pequeña que f < 0,01 mm.

d ± 0,001 mm. ; d>0,5 mm. => d±0,01 mm.

HV<25 ==> se redondea a la décima.

HV>25 ++> se redondea a la unidad.

Ventajas del método Vickers:

1. Las huellas Vickers son comparables entre sí; independientes de las cargas.

2. Pueden medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1.150 HV.

3. Se pueden medir piezas muy delgadas con cargas peque-as, hasta espesores de orden de 0,05 mm.

4. Puede medirse dureza superficial. (para determinar recubrimientos de los materiales)

5. La escala Vickers es más detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad Rockwell

6. Como es preciso examinar la huella puede comprobarse el estado del penetrador.

* Dureza KNOOP ( HK ):

Se usa para durezas normales (P=1-5 Kp), superficiales (P=1/2-1 Kp) y microdurezas (P=10 gr-500 gr).

El penetrador esta hecho con una pirámide rómbica con relación entre diagonales de 1:7. Sus ángulos entre aristas son a = 130¡ y b = 170º30”.

El método Knoop se emplea sólo en laboratorio, para medir la dureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos.

Nomenclatura: XXX HK P/t

Condiciones de Ensayo:

1. D £ 3e (e= espesor de la probeta)

* Dureza POLDI :

Es una variable de la dureza Brinell. Es portátil. Es independiente del tiempo de carga.

Se basa en ejercer una carga P sobre el durómetro que nos producirá 2 huellas en dos probetas, una de dureza conocida y otra de dureza desconocida. La dureza esta en razón inversa del tipo del material (duro, blando).

Nomenclatura: XXX HBS D POLDI

c) Dureza elástica:

* Dureza SHORE ( HS ):

Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro.

Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide.

La práctica se realiza en un ESCLEROMETRO o escleroscopio, aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm. de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 gr. La altura de la caída es de 254 mm. y la escala esta dividida en 140 divisiones

Nomenclatura: XXX HS

Condiciones de ensayo:

1. Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerímetro.

2. Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por el choque).

Ventajas del método Shore:

1. No produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado.

2. Permite medir dureza superficial de piezas terminadas.

3. Es el único ensayo NO destructivo para medir durezas.

* Método Dinámico para ensayo de la dureza al rebote ( L ):

Este método se basa en las medidas de las velocidades de impulsión y rebote de un cuerpo móvil impulsado por un resorte contra la superficie del material metálico a ensayar.

Existen curvas de relación de L con HB y HRC.

El tiempo de ensayo es de 2 seg. y el durómetro puede estar en cualquier posición (horizontal, vertical, inclinado...), vasta con luego restar al resultado 10 si estaba horizontal, y diferentes valores(18...26) si estaba invertido.

Uso industrial:

Piezas de gran tamaño, Mapas de dureza de una misma pieza.

Ventajas:

Operario No cualificado, Resultados independientes del operario

* Dureza por rebote — DUROSCOPIO:

d) Dureza pendular:

Se basa en la resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él. Sirve para materiales con reacción elástica muy alta.

Consiste en 2 péndulos, uno se apoya sobre un eje de cuarzo y el otro sobre el material a ensayar. Se dejan caer y empiezan a oscilar, como son diferentes materiales tienen diferentes durezas, luego hay una descompensación de oscilaciones, cuando las oscilaciones coinciden de nuevo se mide el tiempo que han tardado en coincidir y luego con ese tiempo se traduce a la dureza correspondiente.

* Método UCI:

Es un aparato portátil, con un penetrador piramidal de 136º entre caras de diamante. Se coloca el penetrador que vibra con una frecuencia y una carga de 5 Kp. Según la huella que produce se genera una frecuencia de resonancia, que es traducida por el aparato al dato numérico de la dureza que se halla seleccionado, puesto que nos puede dar cualquiera (HBS, HRx, HV,...). Existe una relación directa entre la frecuencia de resonancia y la dureza del material.

* Relación de HBS con HRb y HRc.

Fórmulas empíricas de tolerancia ±10%:

Con esto quedan explicados los ensayos de dureza para cualquier tipo de material, al no haber podido encontrar nada acerca de los ensayos de dureza en los materiales plásticos.

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Deformación plástica por maclado

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