Ensaig de durea

El ensaig de durea permet determinar la resistència que oferix un material a ser rayado o penetrat per una peça d'un atre material distint.

La durea depén de l'elasticitat del material i de la seua estructura cristalina. Particularment, en els metals purs la durea aumenta proporcionalment a la cohesió i número d'àtoms per unitat de volum. En les aleacions la durea aumenta en els tractaments tèrmics o en l'enduriment per deformació. La durea està lligada al comportament d'un material front a l'abrasió o desgast i la facilitat en que pot ser somés a mecanisat.

Per a determinar la durea poden fer-se ensajos que medixen la resistència al rayado o a la penetració.

Ensajos de durea al rayado

Escala de Mohs

És el método més antic per a medir la durea, i encara s'usa en Mineralogia. Va ser establit en 1820 per l'alemà Friedrich Mohs.

En l'escala de Mohs es compara el material que es pretén analisar en 10 mineralés presos com a patrons, numerats de l'1 al 10 en orde creixent de durea.

Durea	Mineral	Es ralla en / ralla a ! Composició química
1	Talc	Es pot rayar fàcilment en l'ungla	Mg3Si4O10(OH)2
2	Algeps	Es pot rayar en l'ungla en més dificulteu	CAS4·2H2O
3	Calcita	Es pot rayar en una moneda de coure	CaCO3
4	Fluorita	Es pot rayar en un gavinet d'acer	CaF2
5	Apatito	Es pot rayar difícilment en un gavinet	Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)l
6	Ortosa	Es pot rayar en una lija per a l'acer	KAlSi3O8
7	Cuarzo	Ralla el vidre	SiO2
8	Topacio	Rayado per ferramentes de carbur de wolframio	A el2SiO4(OH-,F-)2
9	Corindón	Rayado per ferramentes de carbur de silici	A el2O3
10	Diamant	El material més dur en esta escala (rayado per un atre diamant).	C

Un material és rayado pels que tenen un número superior, i ralla als que posseïxen un número inferior.

Inconvenients de l'escala de Mohs

És un método de mida prou imprecís, i no pot utilisar-se per a medir la durea dels metals. No és una escala llineal. La diferència de durea entre el corindón i el diamant és major que l'existent entre el talc i l'algeps.

Durea Martens

En l'ensaig de Martens s'ampra un con de diamant en el que s'raer la superfície del material la durea del qual es vol medir. La durea en este ensaig és invers de l'esgambi de la ralla obtinguda quan s'apreta en una força determinada i constant al con de diamant contra la superfície del material. S'utilisa el valor invers de l'esgambi de la ralla per a que als materials més durs els corresponga una durea major.

Ensajos de durea a la penetració

En estos ensajos es medix la resistència d'un material en ser penetrat per una peça d'un atre material, denominat penetrador, el qual s'espenta en una força controlada i durant un temps fix contra la superfície del material la durea del qual es desija calcular. La velocitat d'aplicació de la càrrega deu ser llenta per a que no eixercixca influència en la mida.

El valor de la durea s'obté dividint la força aplicada al penetrador entre la superfície de la chafada que deixa en el material.

Ensaig Brinell

Archiu:BrinellHardness.svg

La bola penetra deixant una marca.

Va ser ideat en els anys 1900 pel ingenier suec Johann August Brinell. El penetrador és una esfera d'acer templat, de gran durea, que oscila entre 1 i 10 mm, a la que se li aplica una càrrega preestablida d'entre 3000 i 1.25 kp durant 15 segons.

La durea es calcula dividint el valor de la força aplicada al penetrador entre la superfície de la chafada que produïx en el material.

$HB=\frac{F}{S}$

a on HB és la durea Brinell, i es medix en kp/mm²

La chafada produïda pel penetrador té la forma d'un conya esfèrica, la superfície de la qual serà:

$S=\frac{\pi D^2}{2}\cdot (1-cos\Phi )$

Del triàngul rectàngul es deduïx que:

$C=\sqrt{\frac{D^2-d^2}{2^2}}$

i, per tant:

$cos\Phi =\frac{\sqrt{D^2-d^2}}{\sqrt{4}}\cdot \frac{1}{D/2}=\frac{\sqrt{D^2-d^2}}{D}$

D'esta manera, la superfície de la conya esfèrica serà:

$S=\frac{\pi D^2}{2}\cdot (1-\frac{\sqrt{D^2-d^2}}{D})=\frac{\pi D}{2}\cdot (D-\sqrt{D^2-d^2})$

i el valor de la durea Brindell vindrà dau per:

$HB=\frac{2F}{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})}$

Per a medir el diàmetro d de la chafada s'utilisa una lupa microscòpica. Per a que no s'obtinguen valors falsos en les medicions, és necessari que la chafada no present realces ni rebaixes en les seues vores. Per a poder conseguir-ho, el diàmetro de la chafada ha de complir la condició $\mathrm{0,25}D<d<\mathrm{0,5}D$

• Chafada normal: El diàmetro medit coincidix en el diàmetro efectiu de la chafada.
• Chafada realisada: El diàmetro medit és major que el diàmetro de la chafada normal.
• Chafada rebaixada: El diàmetro medit és menor que el diàmetro de la chafada normal.

Gruixa de la peça (mm)		Diàmetro de la bola (mm)
> 6		1; 2,5; 5; 10
3 - 6		1; 2,5; 5
2 - 3		1; 2,5
< 2		1

Per a conseguir que la deformació plàstica que experimenta el material no s'estenga a tota la gruixa de la peça, el diàmetro de la bola deu elegir-se adequadament en funció de la gruixa de la peça somesa a l'ensaig.

K		Material
30		Materials fèrrics
10		Aleacions llaugeres
5		Bronze i latón
2,5		Metals blans
1,25		Metals molt blans
0,5		Metals extremadament blans

Per a que les chafades obtingudes en boles de diferent diàmetro siguen semblants i les durees resulten comparables, es deu complir:

$F=K\cdot D^2$

a on K pot prendre distints valors.

El temps d'aplicació de la càrrega sol ser de 15 segons, encara que si es tracta de materials blans, el temps és major.

Material		Resistència a tracció (kp/mm²)
Acer al carbono		0,35HB
Acer al cromo-níquel		0,34HB
Alumini fos		0,25HB
Aleacions llaugeres de fundició		0,28HB
Coure i aleacions		0,55HB
Cinc		0,42HB

Per mig de l'ensaig Brinell i utilisant un coeficient de proporcionalitat es pot calcular la resistència a la tracció.

Inconvenients de l'ensaig Brinell

• No es pot realisar sobre superfícies esfèriques o cilíndriques.
• Quan la deformació és menuda es cometen grans errors en la mida del diàmetro de la chafada.
• És aplicable en el cas de materials de durees no molt altes, inferiors a la del penetrador.

Expressió del valor de la durea Brinell

La durea Brinell s'expressa:

250 HB 10 500 30

lo que significa que el material té 250 kp/mm² de durea Brinell, l'ensaig s'ha realisat en una bola de diàmetro 10 mm i una càrrega de 500 kp durant 30 segons.

Ensaig Vickers

Archiu:Vickerhard. caps block 19

Penetrador per a l'ensaig Vickers.

S'utilisa com penetrador un diamant tallat en forma de piràmide quadrangular en un àngul de 136° entre dos cares opostes. L'àngul coincidix en el valor de $2\theta$ de l'ensaig Brinell per a la relació $\frac{d}{D}=\mathrm{0,375}$ en la finalitat de que les durees Brinell i Vickers coincidixquen.

La durea Vickers es calcula dividint la força en la que s'apreta el penetrador entre l'àrea de la chafada que deixa.

$HV=\frac{F}{S}$

La força s'expressa en kp, la superfície en mm² i l'unitat de durea Vickers (HV) en kp/mm²

Archiu:Vickers-tester.jpg

La diagonal de la chafada es medix utilisant un microscopi.

La chafada en el material tindrà forma de piràmide i la seua superfície serà igual a a dels quatre triànguls que constituïxen les seues cares:

$S=4\cdot \frac{a\cdot h}{2}=2ah$

sent h l'altura de cada triàngul i a la llongitut de la base.

La superfície de la chafada valdrà:

$S=2ah$

Per tant, la durea Vickers serà:

$HV=\frac{F}{S}=\mathrm{1,8544}\cdot \frac{F}{d^2}$

sent d la diagonal de la base de la piràmide.

Si la càrrega no s'aplica en direcció vertical, la forma de la chafada no serà quadrada. En estos casos es medixen les dos diagonals i s'utilisa el valor mig.

Les càrregues poden variar d'1 a 120 kp, pero lo més freqüent són 30 kp. Per a que no es produïxquen deformacions en la cara oposta, és necessari que es complixca lo següent:

$s>8hcos\alpha$, per lo que $s>8\cdot \frac{d}{7}$

sent s el gruixa de la peça i hcosα la profunditat de la chafada.

Es deu procurar que: $s>\mathrm{1,2}d$

Ventages de l'ensaig Vickers

Archiu:Vickers-path-2.svg

Eixemple d'una prova Vickers.

• És innecessari substituir el penetrador en variar la càrrega.
• Es pot utilisar en superfícies curves.
• El valor de la durea és independent al valor de la càrrega.
• La prova es pot realisar sobre materials molt durs.

Expressió del valor de la durea de Vickers

La durea Vickers s'expressa de la següent forma:

315 HV 30

lo que significa que el material té 315 kp/mm² de durea Vickers i l'ensaig s'ha realisat en una càrrega de 30 kp.

Ensaig Rockwell

Archiu:Dureza rockwell.png

Mostra del funcionament de l'ensaig Rockwell.

Artícul principal → Ensaig Rockwell.

Per la seua rapidea de mida i al chicotet tamany de les chafades que ocasiona, és l'ensaig més utilisat. No obstant, la seua exactitut és menor. Es medix la profunditat de la chafada.

• Per a materials entre 60 i 150 HV s'utilisa un penetrador esfèric d'acer d'1,59 mm de diàmetro. Aixina s'obté l'escala de durea Rockwell B (HRB).
• Per a materials entre 235 i 1075 HV s'ampra un con de diamant en un àngul de 120° i redonejat en la seua punta en una conya esfèrica de radi 0,2 mm. Aixina s'obté l'escala de durea Rockwell C (HRC).

Archiu:Durometro. caps block 27

Durómetro, màquina usada en l'ensaig Rockwell.

Els passos de l'ensaig Rockwell són els següents:

1. En abdós escales s'aplica inicialment una precarga de 10 kp, en lo que el penetrador origina una chafada de profunditat h₁.
2. S'aplica el restant de la càrrega al penetrador (90 kp en el cas de HRB i 140 kp en el cas de HRC), en lo que origina una chafada de profunditat h₂.
3. Despuix d'uns segons, es reduïx la càrrega fins a alcançar el valor de la precarga. La profunditat de la chafada₂ serà major que la d'h₁. La màquina de l'ensaig Rockwell medix la diferència $e=h_2-h_1$, i per a expressar la durea s'ampra: $HRC=100-E$ i $HRB=130-e$

Les màquines d'ensaig de durea oferixen la mida d'i en múltiples de 0,002 mm, i el màxim valor d'i és el corresponent a una profunditat de penetració de 0,2 mm.

Bibliografia

• (2014) Tecnologia industrial II (en Espanyol), Espanya: Everest Societat Anònima, pp. 440. ISBN 9788424190538.