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Universidad Tecnolgica de Panam
Facultad de Elctrica
Lic. En Ingeniera Electromecnica
Ciencias de los Materiales I
Prof. Cenobio Villalobos
PROYECTO SEMESTRAL DE CIENCIA DE LOS MATERIALES I
CONFECCIN DE UN DURMETRO
Nombre: Ochoa, Alvin (Coordinador)
Cdula: 6-716-250
e-mail: [email protected]
Nombre: Garca, Jorge
Cdula: 6-714-1553
e-mail: [email protected]
Nombre: Nez, Io
Cdula: 6-715-1671
e-mail: [email protected]
Nombre: Peralta, Alexis
Cdula: 8-848-1246
e-mail: [email protected]
Resumen: Este informe trata de la confeccin de un durmetro, para
realizar la prueba de dureza Brinell
experimentalmente en diferentes materiales en motivo de proyecto
semestral de la materia de Ciencias de los materiales I.
Descriptores: Dimetro de la huella, dureza Brinell, durmetro,
indentador, materiales de prueba, muestras.
1. Introduccin.
Para la realizacin de este proyecto fue necesaria la gua y
aprobacin del profesor y la investigacin previa para la
escogencia del diseo final.Los anlisis y las pruebas efectuadas
en diferentes materiales sern mostrados en este informe,
mostrando el funcionamiento del durmetro Brinell creado y
diseado por nuestro grupo.
Un durmetro es un aparato especializado en la medicin de la
dureza de diferentes materiales utilizando varios
procedimientos llamados ensayos.
Clasificacin de los durmetros
La dureza de los materiales tiene distintas clasificaciones y
para cada una de estas existe un durmetro. Los ms
comunes se enlistan a continuacin:
Durmetro Brinell: Los durmetros Brinell miden la resistencia a
la traccin del material analizado.
Durmetro Rockwell: Obtiene la medicin de la dureza del material
de manera directa obteniendo una huella pequea del material, por lo
que su procedimiento es considerado como ensayo no destructivo.
Durmetro Vickers: Utilizado para materiales blandos, aunque sus
mediciones coinciden con las de la escala Brinell.
Funcionamiento del durmetro
Para la medicin de la dureza de materiales el durmetro funciona
de la siguiente manera:
Una vez que se selecciona el material del cual se quiere conocer
la dureza se normaliza la fuerza que se le ha de aplicar a
travs de un elemento penetrador, que tambin debe estar
normalizado.
Dependiendo de la profundidad o tamao de la huella que se
obtenga de esta aplicacin de fuerza es como sabremos el
grado de dureza del material.
As se puede conocer la resistencia al corte de la superficie que
tiene el material analizado y se utilizan diferentes tipos
de durmetros, entre los que encontramos los que se explicaron ms
arriba.
Usos y aplicaciones del durmetro
El uso ms comn del durmetro en la industria farmacutica es la
medicin de la resistencia y dureza de pastillas y
cpsulas para verificar que puedan resistir el proceso de
produccin, empaque, distribucin y venta, tambin para asegurarse
de que la dureza del medicamento permita su desintegracin dentro
del cuerpo o que sea fcil de masticar.
En industrias como la de la construccin y la del metal se trata
de medir la dureza y resistencia de los materiales con los
que se ha de construir o del metal que se est forjando para
garantizar que cumplen con determinados estndares de
seguridad y calidad.
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Dureza Brinell
Se denomina dureza Brinell a la medicin de la dureza de un
material mediante el mtodo de indentacin, midiendo la
penetracin de un objeto en el material a estudiar. Fue propuesto
por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, junto
a su ayudante el "duro" Martin Marcaida, siendo el mtodo de
dureza ms antiguo.
Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y
muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es
una bola de acero templado de diferentes dimetros. Para los
materiales ms duros se usan bolas de carburo de tungsteno.
En el ensayo tpico se suele utilizar una bola de acero de 10 a
12 milmetros de dimetro, con una fuerza de 3000 kg
(kilogramos). El valor medido es el dimetro del casquete en la
superficie del material. Las medidas de dureza Brinell son
muy sensibles al estado de preparacin de la superficie, pero a
cambio resulta en un proceso barato, y la desventaja del
tamao de su huella se convierte en una ventaja para la medicin
de materiales heterogneos, como la fundicin, siendo el
mtodo recomendado para hacer mediciones de dureza de las
fundiciones.
Figura 1. La bola penetra dejando una huella o marca.
Frmula aplicada Para determinar el valor de la dureza Brinell se
emplea la siguiente ecuacin:
Donde:
HB: Dureza Brinell (Hardness Brinell). Se puede tomar como
adimensional aunque su unidad es [kg/mm]. : Carga aplicada o carga
a utilizar medida en [kg].
: Dimetro de la bola (indentador) medida en [mm].
: Dimetro de la huella en la superficie del material de prueba o
muestra en [mm] (se toma como la media de d1 y d2).
Hay sealar que los valores del dimetro de la huella en la
superficie de la muestra debe encontrarse en un rango
dependiendo del dimetro de la bola o indentador, en los cuales
para efectos de precisin se establece que ste debe estar
entre un 20% y un 60% del dimetro del indentador. As, si se
tiene un indentador de 10 mm, las huellas del mismo deben
estar entre 2 a 6 mm para que se trate de un estudio vlido.
Esto es, porque si el dimetro de la huella est por debajo del
20% del dimetro del indentador podra ocurrir que ste
ltimo sufriera un esfuerzo grande y produjera un dao sobre la
misma, sufriendo una deformacin permanente mnima;
pero, si por otro lado, el dimetro de la huella est por encima
del 60% del dimetro del indentador, entonces, se tratara de
un material muy blando para la carga aplicada y, por
consiguiente, podra interferir con la precisin de los resultados.
Slo
en caso de materiales moderadamente duros. Otro rango ms
conservador para el dimetro de la huella est entre 25% y
50% del dimetro del indentador. Esto solamente aplicara para
materiales de muy duros o de alta dureza como todas las
familias de aceros, hierros colados, aluminios, latones (Es
decir, HB > 100). Para nuestro caso, que slo trabajaremos con
materiales de prueba blandos no es necesario tomar estos
criterios.
(1)
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2. Materiales y mtodos.
Primeramente, para la confeccin de un durmetro se requera
informacin de cmo se hacen estas pruebas y qu se
consiguen con ellas; as mismo, del procedimiento para la
realizacin de una prueba de dureza. Luego de haber ledo y
estudiado sobre las distintas pruebas de dureza que existen, se
tom confeccionar un durmetro que midiera la dureza de los
materiales utilizando la escala Brinell.
Para ello, se hicieron en papel bosquejos para llevar a la
realidad este instrumento. Se hicieron preguntas y se debati
sobre la estructura final. Una vez finiquitado ese paso, se
realiz el plano en AUTOCAD y tambin se bosquej en 3D en
SKETCHUP, la estructura final ya analizada y revisada por el
profesor. Ver plano y bosquejo en las pginas siguientes*.
Ms tarde, este plano se llev a una fbrica o ms bien taller que
realizan este tipo de trabajos. Este taller queda ubicado
en Chitr atrs del MOP y se llama: METAL INOX CHITR.
Prontamente, la estructura se realiz con xito y se nos fue
entregada. Este trabajo alcanz un valor de $80.00 debido
principalmente al calibre o grosor de las planchas de acero
utilizadas. Hay que resaltar que parte de este trabajo se hizo
manual porque no se contaba con mquinas herramientas que le
permitieran realizar los agujeros en la pieza No. 2. Aadir a
esto que como no se contaba con las planchas y tubos de aceros
de la medida dispuesta en los planos, stas fueron
reemplazadas por aquellas que tenan all; es decir, que las
medidas en los planos no fueron las que al final se realizaron
para la estructura, sino las que ellos nos proporcionaron. A
pesar de que esto parecera un error o ms bien un imprevisto, no
represent un imprevisto significativo para el diseo que se tena
y se sigui adelante. A continuacin mostraremos en
imgenes las nuevas dimensiones de la estructura final:
Medida de la pieza No. 2. L = 25 cm Medida de la pieza No. 2. A
= 23 cm Medida de uno de los 4 tubos. D = pulg.
Medida de la pieza No. 1. E = 5 mm Medida de la pieza No. 2. E =
5 mm Medida del baln de acero. D = pulg.
Con ello, hay que tener en consideracin, que toda la estructura
final del durmetro fue realizada en acero inoxidable (4
tubos, las 2 planchas o piezas), y el baln obtenido
gratuitamente que posteriormente fue soldada y centrada a la
parte
inferior de la pieza No. 2 es de acero de alto carbono, usados
para las balineras de bicicletas, siendo ste nuestro
indentador.
Despus, para concluir con la parte fsica de la confeccin de este
durmetro se necesitaron los siguientes materiales.
2 maniguetas o tiradores. 4 tornillos (vinieron con las
maniguetas compradas). Martillo. Destonillador. Dril o mquina
perforadora. Brocas. Pie de rey o calibrador vernier. 7 bloques de
concreto de 4 que servir de carga aplicada. (Dimensiones: 39 cm x
14 cm x 9 cm. Peso: 25 lb).
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Y as fue como nos qued la estructura final de nuestro
durmetro:
Finalmente, hay que tambin reportar el costo final, las
fortalezas y debilidades que tiene este insturmento el cual fue
diseado por nosotros.
Costo tabulado.
CANTIDAD DESCRIPCIN COSTO
UNITARIO COSTO
1
Conjunto-Estructura de acero inoxidable de 5 mm de espesor
(2 planchas o piezas de 25 cm x 23 cm; y 4 tubos de y de 14 cm
de altura; y soldadura a todas las piezas ms indentador o baln de
acero de )
80.00 80.00
2 Maniguetas o tiradores con sus respectivos tornillos
sujetadores (2 c/u) 1.25 2.50
7 Bloques de concreto de 4 (Dimensiones: 39 cm x 14 cm x 9 cm.
Peso: 25 lb) 0.55 3.85
1 Pie de rey digital (Resolucin: 0.01 mm; Salida: mm/in; Error:
0.01 mm) 33.00 33.00
1 Batera LR44 2.00 2.00
1 Calculadora - -
GRAN TOTAL 121.35
Entre sus fortalezas.
Este sistema, el cual es un instrumento de gran utilidad en el
rea de mecnica y ciencias de los materiales, goza de
ciertas ventajas, o fortalezas:
Es pequeo, bastante compacto. Fcil de usar. Moderadamente barato
en su confeccin. Su sistema de aplicacin de carga no se ve limitado
slo al uso de bloques. La carga a utilizar puede ser regulada. Se
pueden utilizar diversos materiales de muestras de manera rpida y
obtener un resultadoaceptable.
Obteniendose as valores demostrativos vlidos.
Como la lectura es a base de un pie de rey digital, sta nos
puede dar una lectura precisa.
Entre sus debilidades.
Pero, como todo sistema fsico, ste tambin sufre de algunas
desventajas o debilidades:
Como parte en su confeccin fue realizada manualmente, ste posee
un pequeo juego y proporciona una pequea dificultad en la
movilizacin de la pieza No. 2. Para ello ambas piezas tienen una
ranurita de gua que
deben coincidir.
Si el material de muestra no se centra en su posicin, al momento
de colocar la carga, ste puede sufrir un pequeo desbalance; aunque
ello no represente un error significativo para la impresin de la
huella y, por ende,
tampoco en su medida.
Si la carga no es correctamente centrada, puede ocurrir lo
anterior. No puede medirse la dureza de materiales muy duros como
lo son: hierros, hierros colados, aceros, latones, etc.
Es decir, ofrece un gama baja de materiales de pruebas.
Como la lectura es a base de un pie de rey digital, a pesar de
que sta nos puede dar una lectura precisa, tambin existe el error
humano de no leer o ver bien el diametro de la impresin de la
huella sobre el material
de prueba ya que se manejan impresiones muy pequeas, por debajo
de los 6 mm.
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Imagen final.
Figura 10. Imagen de la estructura final del durmetro.
Mtodo de empleo o uso.
Ahora, veamos cmo es la correcta utilizacin de este
instrumento.
Primero hay que tener a disposicin nuestra estructura (durmetro)
junto con un pie de rey, bloques de concreto que
sirvan de carga a aplicar y tambin un cronometro.
Luego, tambin tener en un lugar donde se puedan colocar los
materiales de pruebas o las muestras a utilizar.
Entonces a partir de esto, se realiza lo siguiente:
1. Retirar la plancha de acero superior (tambin llamada pieza
No. 2) del durmetro. 2. Insertar el material de muestra en el
centro del durmetro. 3. Colocar la placa superior nuevamente
haciendo que las ranuras de gua coincidan.
4. Colocar bloques sobre la placa superior a discrecin del
usuario. La marca surgir en funcin de la carga
aplicada por los bloques, y dependiendo de la dureza del
material ser ms fcil o ms difcil producir una
marca en l.
Pieza No. 2 (Plancha o placa de acero superior)
Base o Pieza No. 1 (Plancha o placa de acero inferior)
Tubos guas
Ranuras de gua
Maniguetas o tiradores
Indentador o baln de acero de pulg o 6.35 mm
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5. Esperar aproximadamente de entre 15 s a 25 s (Mayor tiempo a
mayor cantidad de bloques utilizados). Se
espera por lo general 20 s.
6. Retirar nuevamente la plancha superior y tambin el material
de prueba. 7. Medir el dimetro del agujero o huella producido con
un pie de rey o calibrador vernier.
8. Si no se tiene certeza de lo que se midi, debido a error de
la medicin humana viendo el dimetro del crculo
de la huella, repetir desde el paso 1.
9. Promediar los resultados de los dimetros de la huella en el
material de prueba o muestra utilizada. 10. Obtener la dureza
Brinell del material en funcin de la ecuacin expuesta al final de
la introduccin, en la
seccin 1.
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Nota: Hay que sealar que la masa de la plancha o placa de acero
superior, es decir, la pieza No. 2 tiene una masa
que hay que considerar, siendo sta de aproximadamente 2.15
kg.
3. Anlisis y discusin de resultados.
A continuacin se detalla en una tabla la cantidad de bloques o
carga a utilizar, la masa total, el dimetro de la huella en
el material de prueba o muestra y los valores de dureza Brinell
obtenidos experimentalmente a cada uno de estos.
DUREZA BRINELL DE DISTINTOS MATERIALES PROBADOS
MATERIAL BLOQUES
USADOS
PESO
APROXIMADO
(25 LBS C/U)
MASA TOTAL
(BLOQUES MS
PLACA) (kg)
DIMETRO DE
LA HUELLA
FINAL (mm)
DUREZA
BRINELL
(HB)
% DE LA
HUELLA
ES VLIDO?
Madera 3 75.00 36.24 5.25 1.308 82.7%
SI
Cartn 3 75.00 36.24 5.69 1.029 89.6%
SI
Hielo Seco 1 25.00 13.51 6.18 0.277 97.3%
SI
Hierro 7 175.00 81.70 1.01 101.3 15.9%
NO
Bloque
Reciclado 1 1 25.00 13.51 5.81 0.358
91.5%
SI
Bloque
Reciclado 2 1 25.00 13.51 4.83 0.608
76.1%
SI
Bloque
Reciclado 3 1 25.00 13.51 5.00 0.556
78.8%
SI
Bloque
Reciclado 4 1 25.00 13.51 5.46 0.436
86.0%
SI
Bloque
Reciclado 5 1 25.00 13.51 5.10 0.528
80.3%
SI
Bloque
Reciclado 6 1 25.00 13.51 5.41 0.448
85.2%
SI
Bloque
Reciclado 7 1 25.00 13.51 5.36 0.460
84.4%
SI
Bloque
Reciclado 8 1 25.00 13.51 5.50 0.426
86.6%
SI
Tabla 1. Resultados experimentales de dureza Brinell para
distintos materiales a partir de la informacin obtenida.
Notas: Los bloques reciclados son los bloques realizados por el
grupo 1 de ciencias de los materiales I, llamado:
Bloques ecolgicos a partir de material reciclable. La cuarta
columna se obtiene as: 2.15 + (columna tres/2.2). El indentador
utilizado es de 6.35 mm. Como se tratan de materiales blandos, los
resultados obtenidos se tomarn como
vlidos. La ltima columna se calcula as: (columna
cinco/6.35)*100%.
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Otras notas importantes.
Recapitulando El baln se midi y result en 6.37 mm, aunque, se
puede adoptar el resultado de 6.35 mm que alguna vez si midi el
pie
de rey y esto equivale a por lo que finalmente se anota como
oficial esta medida para el baln de acero o nuestro indentador. A
esto, el dimetro del crculo formado en la parte inferior de la
placa de acero superior o pieza No. 2 es de 6.22
mm, esto es, debido a que cuando se sold, ms de la semiesfera
qued adentro de la misma .Nuestra carga mxima fue
fijada a 81.70 kg y la carga mnima a 2.15 kg. Los dimetros de
las huellas deben estar entre 1.27 mm y 3.81 mm. Esto solo
vale para materiales de prueba que estn por encima de los 100HB,
es decir, para aceros, hierros colados, hierros, latones,
aluminio, etc. Veamos algunas otras imgenes que enriquecen todo
el instrumento y su consecuencia en la medicin
4. Conclusiones.
Podemos concluir en esta prctica, que el dimetro de la huella
hecha por el baln de acero o indentador depende de la dureza del
material que se utilizaron. Ya que a mayor dimetro de la huella de
la muestra, su dureza es menor y a
menor dimetro de la huella, la dureza es mayor, lo cual se
demuestra en los ensayos realizados.
Tambin podemos concluir que el tiempo y la carga de aplicacin
influyen en el dimetro de la huella, por eso es necesario
clasificar el tipo de material que se va a utilizar para comparar
los datos obtenidos. El tiempo utilizado en
general debiera ser de 20 s.
Cabe destacar que de los materiales utilizados, podemos concluir
que el hierro tiene ms dureza que la madera, asimismo la madera
tiene ms dureza que el cartn, y ste ltimo es ms duro que el hielo
seco. Tambin a su vez,
decir, que los bloques reciclados resultaron ser ms duros que el
hielo seco pero ms blando que el cartn y la
madera; y adems que entre todas las muestras, la ms dura result
ser la placa de hierro, aunque esto por teora se
saba se pudo verificar en la prueba experimental, a sabiendas de
que este valor no resulta ser vlido para nosotros
debido a que resulta ser menor que el 20% del indentador.
Otro punto importante a sealar es que este instrumento puede
soportar cualquiera magnitud de carga. Pero para nuestro caso, la
fijamos hasta 7 bloques de concreto de 25 lb c/u y sumndole a ello
la carga que representa la pieza
No. 2 o placa de acero superior que equivale a 2.15 kg, la masa
mxima resultante est dada en 81.70 kg, lo cuales
aunados en el dimetro mnimo vlido terico (20% del indentador),
es decir, 0.2*6.35 mm = 1.27 mm; nos resulta
en la mxima dureza Brinell terica, siendo: 63.84HBmxt o 63.84
kg/mm. Por otro lado, la dureza Brinell
mnima terica viene siendo cuando la masa es mnima y el dimetro
de la huella es el mximo vlido terico, 2.15
kg (slo la placa de acero superior o pieza No. 2) y 3.81 mm,
respectivamente. Esto resulta en: 0.170HBmnt o
0.170 kg/mm. Visto esto, resulta que la dureza del hierro
probado es mayor a 100HB y por ello sobrepasa de
nuestro mximo y por ende, no es vlido.
Hay que tomar en cuenta que el dimetro de la huella no puede ser
mayor ni a 6.35 mm ni a 6.22 mm que es el dimetro mayor alcanzado
si el baln se enterrase completamente en el material de prueba.
Entonces, la dureza
Brinell mnima posible segn nuestro diseo es de 0.043HBmn de
diseo siendo la huella de 6.22 mm. Por otro
lado, si el dimetro de la huella fuera los 6.35 mm, resulta en
0.034HBmn posible.
En cuanto a los valores mximos de dureza Brinell, si no existe
huella su dureza tiende al infinito por lo que sera invlido e
ilgico tomar en cuenta esto, as esto significara que la muestra
ofrece una dureza mayor a lo que la
carga le est ofreciendo. En teora, el valor mximo de dureza
Brinell est alrededor de los 600HB, para el material
ms duro.
Si verificamos en la Internet, especficamente, en una de las
direcciones que se encuentran en las referencias bibliogrficas, nos
toparemos con valores de dureza Brinell de algunos materiales. As,
tenemos que la madera se
encuentra entre 1HB y 7HB y en nuestras pruebas experimentales,
result que tratndose de una madera vieja
arroj un valor de dureza Brinell de 1.309HB, como se detall en
la tabla 1. Por lo que se trata de valores
confiables o aceptables que nuestro instrumento/durmetro nos
ofrece. Ver referencia bibliogrfica [3].
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5. Referencias bibliogrficas.
[1] ASKELAND, DONALD R.; WRIGHT, WENDELIN J.; FULAY, PRADEEP P.
Sexta Edicin, 2013, traducido al
espaol. Ciencia e ingeniera de materiales. Editorial Cengage
Learning, Estados Unidos de Amrica. 921 pgs. Ver Pgs. 221-223.
[2] WIKIPEDIA. 2013. Dureza. [Online]. [Citado el 9 de Diciembre
de 2013]. Disponible en: .
[3] WIKIPEDIA. 2013. Dureza Brinell. [Online]. [Citado el 9 de
Diciembre de 2013]. Disponible en: .
[4] WIKIPEDIA. 2013. Durmetro. [Online]. [Citado el 9 de
Diciembre de 2013]. Disponible en: .
