MODELOS MATEMATICOS BASADOS EN E.D.O DE PRIMER

DUREZA ROCKWELL OBJETIVO DEL ENSAYO: determinar experimentalmente la dureza Rockwell. Estudiar su campo de aplicación. 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 estándar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador cónicoesferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la profundidad permanente de la impresión bajo condiciones específicas de carga.

El estándar ASTM E18-03 define el número de dureza Rockwell como un número derivado del incremento neto en la profundidad del indentador cuando la fuerza en el indentador es incrementada desde una fuerza previa (preliminar específica) hasta una fuerza total (específica) y luego retornada al valor de fuerza previa.

El esquema de determinación de la dureza según Rockwell se expone en la figura 1.

Figura 1. Esquema de medición de la dureza Rockwell

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

Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao

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).

Para determinar la dureza Rockwell se utilizan dos tipos de indentadores: el cónico-esferoidal de diamante y el de bola (acero o carbono de tungsteno) de varios diámetros

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

Para el cono de diamante
 = 100 −



, 

Para las bolas de acero
 = 130 −



, 

De estas fórmulas se deduce que cada unidad de dureza Rockwell corresponde a una penetración de 0,002 mm 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 número 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. Esta característica granjeó para este método una gran popularidad.

El estándar define las características geométricas de los indentadores. Para el penetrador cónico esferoidal se muestran en la figura:

Indentador cónico esferoidal de Rockwell

Las bolas son similares a las del método Brinell y tienen los siguientes diámetros: ∅ 1/16”; ∅ 1/8”; ∅ 1/4”; ∅ 1/2”.

Las cargas a aplicar pueden ser:

carga previa P0 [kgf] 10 carga principal P1 [kgf] 50 90 140 carga total Pf [kgf] 60 100 150

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.

Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao

Tabla 1. Escalas de dureza Rockwell

Escala Indentador Carga Total Color de escala Aplicaciones A Cono diamante 60 Negro Metales duros, superficies templadas, chapa fina (<0,4 mm) D Cono diamante 100 Negro Piezas con superficies templada de dureza media, chapas C Cono diamante 150 Negro Aceros templados F Bola de ø 1/16” 60 Rojo Aleaciones cobre recocido. Chapa fina metálica (>0,6 mm) B Bola de ø 1/16” 100 Rojo Aceros blandos, de construcción, metales no ferrosos G Bola de ø 1/16” 150 Rojo Bronce, cobre-berilio, cobre-níquel, fundición maleable H Bola de ø 1/8” 60 Rojo Aluminio, zinc, plomo E Bola de ø 1/8” 100 Rojo Fundición, aleaciones Al-Mg, metales antifricción o sintéticos K Bola de ø 1/8” 150 Rojo

Metales antifricción o de dureza muy baja, Ebonita (ASTM D530-59T), Madera laminada (ASTM D 805-52), Materiales sintéticos (ASTM D-785-60T), Otros materiales muy blandos o muy finos.

L Bola de ø 1/4” 60 Rojo M Bola de ø 1/4” 100 Rojo P Bola de ø 1/4” 150 Rojo R Bola de ø 1/2” 60 Rojo S Bola de ø 1/2” 100 Rojo V Bola de ø 1/2” 150 Rojo -Escalas de dureza Rockwell (Tomado de ASTM E 18 - 03) Nota: La máquina de nuestro Laboratorio difiere de lo consignado en esta tabla, al estar marcada en color rojo la escala de aplicación con diamante y en negro la escala de aplicación con bolas de acero

En la práctica las escalas más difundidas son la B y C.

El número de dureza Rockwell se denota como HR seguido de la letra mayúscula de la escala así: 64 HRC

Esta notación indica una dureza Rockwell de 64 unidades en la escala C (diamante, carga total 150 kgf)

Cuando se utiliza una bola como indentador, la designación de la escala es seguida por la letra “S” si es de acero o “W” si es de carburo de tungsteno.

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