Comprender los ensayos de dureza: Una guía completa

1. Visión general

DurezaCapacidad de resistir la deformación local por indentación o la fractura por rayado.

Dos tipos de tablas de secuencias de dureza Mohs

2. Dureza Brinell

(1) Principio

Para determinar la dureza Brinell de un material metálico, aplique una determinada carga F con un indentador esférico de diámetro D sobre su superficie y manténgala durante un tiempo específico. Este proceso dará lugar a la formación de una hendidura esférica, y el valor de la carga por unidad de superficie de la hendidura se considera la dureza Brinell del material. material metálico.

Medición del diámetro de indentación

Material del penetrador：

• Aleación dura bola (HBW) HB=450~650
• Bola de acero templado (HBS) HB<450

(2) Método de representación

Por ejemplo: 280HBS10/3000/30
1kgf=9,81N

• 280 - Valor de dureza
• HBS - Símbolo de dureza
• 10 - Diámetro de la bola de acero mm
• 3000 - Tamaño de la carga kgf
• 30 - Tiempo de mantenimiento de la carga s

Condiciones generales: Diámetro de la bola de acero de 10 mm; carga de 3000 kg; tiempo de mantenimiento de la presión de 10 s, a saber, HB280.

(3) Etapas de la prueba

(4) Selección de F y D (principio de similitud geométrica de la sangría)

Al medir Dureza Brinell con indentadores de diferentes diámetros y cargas de diferentes tamaños, debe cumplirse el principio de similitud geométrica para obtener el mismo valor HB, es decir, que el ángulo de aperturaφ de la indentación sea igual.

Método: Se medirá el mismo HB para muestras con el mismo material pero diferente espesor, o materiales con diferente dureza y blandura.

Al seleccionar D y F, F/D² será el mismo.

Principio de similitud geométrica de la indentación:

Se puede observar que mientras F/D permanezca constante, HB sólo depende del ángulo de prensado φ.

F/D² relación: 30,15,10,5,2,5,1,25,1

Según las normas de ingeniería, la relación F/D² es 30, 10 y 2,5, que se seleccionan en función de la dureza del material y del grosor de la muestra.

Para más detalles, véanse las distintas normas y especificaciones de ensayo.

Fig. 1-21 Aplicación del principio de similitud

Tabla de selección del ensayo de dureza Brinell P/D²

El experimento muestra que HB es estable y comparable cuando 0,25D<d<0,5D.

(5) Tiempo de retención de la carga:

Si influye en la prueba, se realizará respetando estrictamente la normativa, generalmente 10s y 30s.

(6) Características y aplicación de la dureza Brinell

Este método es adecuado para materiales gruesos o heterogéneos debido a su gran área de indentación y a su elevada precisión de medición. Sin embargo, debido al gran tamaño de la indentación, la inspección de productos acabados puede resultar complicada.

Se utiliza principalmente para inspeccionar materias primas, y el material del penetrador se limita a materiales más blandos (HB450~650). Además, la eficacia de la medición de la indentación es relativamente baja.

3. Dureza Rockwell

La profundidad de indentación puede utilizarse para reflejar la dureza de los materiales.

Para adaptarse a los diferentes materiales blandos y duros, muchas clases de durómetros utilizan diferentes penetradores y cargas.

Un grado común es el C, HRC, que utiliza una carga total de 150 kgf y un penetrador de cono de diamante de 120° que se carga dos veces.

En primer lugar, se aplica una carga inicial de P1=10kgf para garantizar un contacto adecuado entre el penetrador y la superficie del material. A continuación, se añade la carga principal de P2=140kgf.

Tras retirar P2, se mide la profundidad de la indentación y se utiliza para determinar la dureza del material.

Fig. 3-17 Diagrama esquemático del principio y el proceso de ensayo de la prueba de dureza Rockwell

(a) Añadir precarga (b) Añadir carga principal (c) Descargar carga principal

Indentador: Cono de diamante 120 o bola de acero endurecido

Definición de dureza Rockwell:

0,002 mm de profundidad de indentación residual es una unidad de dureza Rockwell.

K - constante, 130 para el penetrador de bola de acero y 100 para el penetrador de diamante

Tabla 3-6 Especificación del ensayo y aplicación de la dureza Rockwell

Características y aplicación de la dureza Rockwell

(1) Este método permite la lectura directa del valor de dureza y es muy eficaz, por lo que resulta adecuado para la inspección de lotes.

(2) La indentación es pequeña y generalmente se considera "no destructiva", por lo que es adecuada para inspeccionar productos acabados.

(3) Sin embargo, el pequeño tamaño de la indentación puede dar lugar a una escasa representatividad y, por lo tanto, no es adecuado para materiales gruesos o no uniformes.

(4) El ensayo de dureza Rockwell se divide en varias escalas, cada una con una amplia gama de aplicaciones.

(5) Es importante señalar que los valores de dureza Rockwell obtenidos a partir de diferentes escalas no son comparables.

4. Dureza Vickers

1. Principio

Presione una pirámide de diamantes en el superficie metálica con una determinada carga F para formar una hendidura piramidal.

El valor de la carga en el área de indentación unitaria es la dureza Vickers del material metálico.

Cuando la unidad de la fuerza de ensayo F es kgf:

Cuando la unidad de la fuerza de ensayo F es N:

Material del penetrador: pirámide de diamante con un ángulo incluido de 136 °.

2. Método de representación

Por ejemplo: 270HV30/20, si el tiempo de mantenimiento es de 10-15s, puede registrarse como 270HV

• 270 - Valor de dureza
• 30 - Tamaño de la carga kgf
• 20 - Tiempo de mantenimiento de la carga s

3. Microdureza

Dureza Vickers con carga muy pequeña, la carga es de 5-200gf.

Indicado por Hm, puede utilizarse para comprobar la dureza de un solo grano o fase.

Características y aplicación de la dureza Vickers

(1) La forma geométrica de la indentación es siempre similar, mientras que la carga puede variar.

(2) El contorno de la indentación del cono de la esquina es distinto, lo que da como resultado una alta precisión de medición.

(3) El penetrador de diamante tiene una amplia gama de aplicaciones y puede proporcionar escalas de dureza coherentes para diversos materiales.

(4) La eficacia de la medición por indentación es baja, lo que la hace inadecuada para la inspección de lotes in situ.

(5) La indentación es pequeña y no es apropiada para materiales gruesos o heterogéneos.

Sin embargo, las probetas metalográficas pueden utilizarse para medir la dureza o la distribución de la dureza de varias fases.

5. Mejora de la relación entre la dureza y la resistencia y del método de ensayo

(1) Características del ensayo de dureza

① El estado de tensión es muy suave (α>2), que es ampliamente aplicable;

Dureza de algunos materiales

Enlace covalente ≥ enlace iónico>enlace metálico>enlace de hidrógeno>enlace de Van.

② El método es sencillo, no destructivo y adecuado para la inspección sobre el terreno;

③ El significado físico no está claro, y es difícil de diseñar cuantitativamente.

(2) Relación entre dureza y resistencia

σb≈KH

Acero: K=0.33~0.36

Aleación de cobre, acero inoxidable, etc.: K=0,4~0,55

Relación entre dureza y resistencia de metales recocidos

Nota: ¡Unidad de dureza!

(3) Ensayo de nanoindentación

Durante el proceso de carga, primero se produce una deformación elástica en la superficie de la probeta. A medida que aumenta la carga, la deformación plástica aparece gradualmente y también aumenta.

El proceso de descarga consiste principalmente en la recuperación de la deformación elástica, mientras que la deformación plástica provoca finalmente la formación de una indentación en la superficie de la muestra.

Curva de desplazamiento de carga de la nano indentación

Principio del ensayo de nanoindentación

• H - Nanodureza;
• S - Rigidez de contacto;
• A - Zona de contacto;
• β - Constantes relacionadas con la geometría del penetrador;
• Er - módulo equivalente

Existen diferencias importantes entre la nano dureza y la dureza tradicional:

En primer lugar, las dos definiciones son diferentes.

Nanodureza: la fuerza instantánea soportada por una unidad de superficie sobre la proyección de la superficie de la indentación de base durante el proceso de indentación de la muestra, que es una medida de la capacidad de la muestra para soportar la carga de contacto;

Dureza Vickers se define como la fuerza media por unidad de superficie en la superficie de la indentación retenida tras la descarga del indentador, que refleja la capacidad de la probeta para resistir la deformación residual lineal.

En el proceso de medición de la dureza, si la deformación plástica domina el proceso, los resultados de las dos definiciones son similares. Sin embargo, si el proceso está dominado por la deformación elástica, los resultados serán diferentes.

En el contacto elástico puro, el área de contacto residual es muy pequeña. Por lo tanto, la definición tradicional de dureza arrojará un valor infinito, lo que hace imposible obtener el verdadero valor de dureza de la muestra.

Además, los rangos de medición de ambos métodos son diferentes. La medición tradicional de la dureza sólo es aplicable a muestras de gran tamaño, no sólo debido a las limitaciones del instrumento de medición, sino también porque la indentación residual no puede reflejar con precisión la verdadera dureza de la muestra en las microescalas y nanoescalas.

Para la medición de la nanodureza se utilizan nuevas técnicas de medición y métodos de cálculo, que pueden reflejar con mayor precisión las características de dureza de la muestra en las microescalas y nanoescalas.

La diferencia clave entre los dos métodos es el cálculo del área de indentación. La medición de la nanodureza implica medir la profundidad de la indentación y luego calcular el área de contacto mediante una fórmula empírica, mientras que la medición de la dureza tradicional implica obtener el área superficial de la indentación a partir de fotos tomadas después de la descarga.

(4) Método de ensayo de nanoindentación

Los componentes básicos de un nano durómetro pueden dividirse en varias partes, como el sistema de control, el sistema de bobina móvil, el sistema de carga y el indentador.

Se suelen utilizar penetradores de diamante, que suelen ser conos triangulares o de cuatro aristas.

Durante la prueba, primero se introducen los parámetros iniciales y, a continuación, el microordenador automatiza por completo el proceso de detección.

La manipulación del sistema de carga y la acción del penetrador pueden lograrse cambiando la corriente en el sistema de bobina móvil.

La medición y el control de la carga de presión del penetrador se llevan a cabo mediante la galga extensométrica, que también proporciona retroalimentación al sistema de bobina móvil para el control de bucle cerrado, lo que permite completar la prueba de acuerdo con los ajustes de los parámetros de entrada.