Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao
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 ‫ = ܴܪ‬100 −
௛
଴,଴଴ଶ
Para las bolas de acero
௛
଴,଴଴ଶ
‫ = ܴܪ‬130 −
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
A
D
C
F
B
G
H
E
K
L
M
P
R
S
V
Indentador
Cono diamante
Cono diamante
Cono diamante
Bola de ø 1/16”
Bola de ø 1/16”
Bola de ø 1/16”
Bola de ø 1/8”
Bola de ø 1/8”
Bola de ø 1/8”
Bola de ø 1/4”
Bola de ø 1/4”
Bola de ø 1/4”
Bola de ø 1/2”
Bola de ø 1/2”
Bola de ø 1/2”
Carga Total
60
100
150
60
100
150
60
100
150
60
100
150
60
100
150
Color de escala
Negro
Negro
Negro
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Rojo
Aplicaciones
Metales duros, superficies templadas, chapa fina (<0,4 mm)
Piezas con superficies templada de dureza media, chapas
Aceros templados
Aleaciones cobre recocido. Chapa fina metálica (>0,6 mm)
Aceros blandos, de construcción, metales no ferrosos
Bronce, cobre-berilio, cobre-níquel, fundición maleable
Aluminio, zinc, plomo
Fundición, aleaciones Al-Mg, metales antifricción o sintéticos
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.
-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.
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 más
de 2 s, 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, ésta debe
ser retornada luego de 2 s de aplicada la fuerza (detenimiento de la palanca).
El estándar DIN 50 103, por el cual se rige el manual de operación de la máquina de nuestro
laboratorio, aconseja retirar la carga 10 s después del detenimiento de la palanca, si el material
ensayado es muy blando debe esperarse aún más.
El estándar GOST 9013-59 pide mantener la carga entre 4 y 8 s, luego de establecerse el valor
nominal de la misma.
En nuestro laboratorio nos atendremos al estándar ASTM, de todos modos, cuando se apliquen
las cargas por un tiempo mayor a los 2 s, este hecho será consignado en el informe.
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PROCEDIMIENTO
Para obtener la dureza Rockwell de la superficie de un material se presiona contra la probeta un
indentador (cónico-esferoidal
esferoidal o esférico, según el caso) con una carga previa, luego se aplica la
carga principal para sostener la carga total durante algún tiempo. Luego de retirada la carga
principal y mantenido la previa, se observa en la escala correspondiente al tipo de indentador, el
valor de la dureza Rockwell, calculado automáticamente por la máquina. En las mismas
condiciones se realizan varias indentaciones más.
MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA.
Máquina. Para los ensayos Rockwell se usa el escleroscopio HP-250
HP 250 marca
Wekstoffprüfmaschinen,, del cual se muestra su aspecto general en la siguiente figura. Este
aparato sirve para la medición tanto de dureza Rockwell como Brinell y Vickers. Aplica cargas
hasta de 250 kgf. Posee incorporado un sistema de medición de la profundidad de penetración,
el cual muestra la dureza Rockwell obtenida durante el ensayo.
Máquina de dureza Rockwell
El funcionamiento de la máquina puede verse en la parte final de este informe, el procedimiento
de medición será explicado por el profesor y el monitor en el momento de la práctica.
Probetas. Se ensayarán tres probetas de acero AISI O1, con distintos tratamientos térmicos.
Estas mismas probetas se usaron para la medición de la dureza
dureza Vickers y serán destruidas
durante el ensayo de Impacto.
1)
2)
3)
Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro,
Probeta de acero AISI O1 templada en aceite,
Probeta de acero AISI O1 templada en agua.
Las probetas deben ser limpiadas para retirar el óxido, suciedad y escamas de una de sus caras
donde se realizarán las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar la superficie
durante el procedimiento de limpieza. La probeta debe ser montada de tal forma que la
superficie
perficie esté en la normal del eje del indentador.
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Indentadores. El indentador de diamante debe ser un cono con punta esférica altamente pulido.
El ángulo debe ser de 120° ± 30´. La punta debe ser una esfera de diámetro nominal 0,200 mm.
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.
Diámetro de la bola Tolerancia [in]
1/16”
± 0,001
1/8”
± 0,001
¼”
±0,001
½”
±0,001
REALIZACIÓN DEL ENSAYO
Como el ensayo se realiza bajo la estricta supervisión y dirección del profesor y monitor, sólo se
darán aquí algunas recomendaciones adicionales.
1.
Se selecciona el tipo de ensayo según la tabla de escalas de dureza Rockwell. Las
condiciones específicas para las durezas HRC y HRB se muestran en la siguiente
tabla.
Indentador
2.
Carga Pf
Escala Límites
[kgf]
HRB Bola 1/16”
100
negra
25...100
HRC
150
roja
20...67
Diamante
Las mediciones se realizarán así para cada probeta:
Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro
Probeta de acero AISI O1 templada en aceite
Probeta de acero AISI O1 templada en agua.
→ HRB
→ HRC
→ HRC
Se debe tener especial cuidado en que la mediciones de dureza muestren resultados
dentro de los límites permitidos, de no ser así se debe echar mano de otra escala u otro
método de medición de dureza.
3.
Cada vez que se realice cambio de indentador la primera impronta obtenida no será
tenida en cuenta, esto para permitir el asentamiento del sistema indentador, montura y
porta indentador.
4.
Se realizarán entre 5 y 10 indentaciones por probeta, teniendo en cuenta que la
separación del borde de la probeta y de una huella al borde de la otra debe ser mayor a
2,5 veces el diámetro de la huella.
TRATAMIENTO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS
Los datos obtenidos para cada impronta se anotan. Para obtener un dato consolidado se
promedian las durezas obtenidas en todas las indentaciones de cada probeta. Este número se
redondea hasta unidades enteras. Los resultados se presentan escribiendo la notación estándar
correcta. Ejemplo:
Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro: 90 HRB
Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao
INFORME
De manera particular, el informe sobre el ensayo Dureza Rockwell , debe contener.
1)
2)
3)
3)
4)
5)
Objetivo.
Consideraciones teóricas generales: Definición de dureza. Método Rockwell.
Maquinaria. Indentadores.
Probetas. Dibujo de las mismas, comparación con la probeta ASTM.
Resultados de dureza para cada probeta, con la notación correcta.
Conclusiones.