Comprensión de las pruebas de dureza: una guía completa

1. Información general

Dureza: la capacidad de resistir la deformación por indentación local o fractura por rayado.

Dos tipos de tablas de secuencia de dureza de Mohs

Orden Material Orden Material
1 talco para bebés 1 talco para bebés
dos gusto dos gusto
3 calcita 3 calcita
4 fluorita 4 fluorita
5 apatito 5 apatito
6 ortoclasa 6 ortoclasa
7 cuarzo 7 vidrio SiO2
8 topacio 8 cuarzo
9 Corundo 9 topacio
10 Adamas 10 granada
11 Circonita fundida
12 Corundo
13 carburo de silicio
14 Cobertizo de carbonización
15 Diamante

2. Dureza Brinell

(1) Principio

Para determinar la dureza Brinell de un material metálico, aplique una cierta carga F con un penetrador esférico de diámetro D a su superficie y manténgala durante un período específico. Este proceso dará como resultado la formación de una indentación esférica, y el valor de la carga por unidad de área de la indentación se considera como la dureza Brinell del material metálico.

Medir el diámetro de la hendidura.

Material del penetrador:

  • Bola de aleación dura (HBW) HB=450~650
  • Bola de acero endurecido (HBS) HB<450

(2) Método de representación

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

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

Condiciones generales: bola de acero de 10 mm de diámetro; Carga de 3000kg; Tiempo de retención de presión de 10 s, es decir, HB280

(3) Pasos de prueba

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

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

Método: Se debe medir el mismo HB para muestras con el mismo material pero diferentes espesores, o materiales con diferente dureza y suavidad.

Al seleccionar D y F, F/D 2 será el mismo.

Principio de similitud de sangría geométrica:

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

Relación F/D 2 : 30,15,10,5,2,5,1,25,1

Según las normas de ingeniería, la relación F/D 2 es 30, 10 y 2,5, que se seleccionan según la dureza del material y el espesor de la muestra.

Consulte varios estándares y especificaciones de prueba para obtener más detalles.

Fig. 1-21 Aplicación del principio de similitud

Tabla de selección de pruebas de dureza Brinell P/D 2

tipo de material Número de dureza Brinell/HB Grosor de la muestra/mm Relación entre la carga P y el diámetro del penetrador D Diámetro del penetrador D/nm Carga P/kgf Tiempo/s de retención de carga
metales ferrosos 140~450 6~3
4-2
<2
P= 30D2 1052,5 3.000
750
187,5
10
<140 >6
6~3
<3
P= 10D2 1052,5 1000
250
62,5
10
Metales no ferrosos >130 6~3
4-2
<2
P= 30D2 1052,5 3.000
750
187,5
30
36~130 9~3
6~2
<3
P= 10D2 1052,5 1000
250
62,5
30
8-35 >6
6~3
<3
P= 2,5D2 1052,5 250
62,5
15.6
60

La experiencia demuestra que HB es estable y comparable cuando 0,25D

(5) Tiempo de retención de carga:

Si influye en la prueba, ésta debe realizarse 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 su alta precisión de medición. Sin embargo, debido al gran tamaño de la muesca, la inspección de los productos terminados puede resultar un desafío.

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

3. Dureza Rockwell

La profundidad de sangría se puede utilizar para reflejar la dureza de los materiales.

Para adaptarse a diferentes materiales blandos y duros, muchos tipos de durómetros utilizan diferentes penetradores y cargas.

Una clase común es C, HRC, que utiliza una carga total de 150 kgf y un penetrador de diamante cónico de 120° que se carga dos veces.

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

Después de 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 proceso de prueba de la prueba de dureza Rockwell

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

Símbolo de dureza cabeza usada Fuerza de prueba total N Ámbito de aplicación rango aplicado
HORA cono de diamante 588,4 20-88 Carburo, aleación dura, acero para herramientas endurecido, acero de endurecimiento superficial
HRB Bola de acero de φ 1.588 mm. 980,7 20-100 Acero dulce, aleación de cobre, aleación de aluminio, hierro fundido maleable
CDH cono de diamante 1471 20-70 Acero templado, acero templado y revenido, acero templado profundo

Penetrador: cono de diamante 120 o bola de acero endurecido

Definición de dureza Rockwell:

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

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

Tabla 3-6 Especificación y aplicación de la prueba de dureza Rockwell

Gobernante Tipo de penetrador Fuerza de prueba inicial/N Fuerza de prueba principal/N Fuerza de prueba total/N k constante Rango de dureza ejemplos de aplicación
A Dimensión circular del diamante 100 500 600 100 60~85 Piezas finas de alta dureza y carburo.
B Bola de acero de φ1.588mm 900 1000 130 25~100 Metales no ferrosos, fundición maleable y otros materiales.
W. Dimensión circular del diamante 1400 1500 100 20~67 Acero estructural y acero para herramientas tratado térmicamente.
D cono de diamante 900 1000 100 40-77 Acero endurecido superficialmente
Y Bola de acero de φ3.175mm 900 1000 130 70~100 El plastico
F bola de acero de φ1.588mmm 500 600 130 40~100 Metales no ferrosos
GRAMO Bola de acero de φ1.588mm 1400 1500 130 31~94 Acero perlítico, cobre, níquel, aleación de zinc.
h Bola de acero de φ3.175mm 500 600 130 Aleación de cobre recocido
k Bola de acero de φ3.175mm 1400 1500 130 40~100 Metales y plásticos no ferrososMetales blandos y materiales no metálicos blandosPiezas delgadas de alta dureza y carburos cementadosMetales no ferrosos, fundición maleable y otros materiales
I Bola de acero de φ6.350mm 500 600 130
METRO Bola de acero de φ6.350mm 900 1000 130
PAG Bola de acero de φ6.350mm 1400 1500 130
R Bola de acero de φ12,70 mm. 500 600 130 Acero estructural y acero para herramientas tratado térmicamente.
s Bola de acero de φ12,70 mm. 900 1000 130
V Bola de acero de φ12,70 mm. 1400 1500 130

Características y aplicación de la dureza Rockwell.

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

(2) La muesca es pequeña y generalmente se considera "no destructiva", lo que la hace adecuada para la inspección de productos terminados.

(3) Sin embargo, el tamaño pequeño de la muesca puede resultar en una baja representatividad y, por lo tanto, no es adecuado para materiales gruesos o no uniformes.

(4) La prueba 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 diferentes escalas no son comparables.

4. Dureza Vickers

1. Principio

Presione una pirámide de diamante sobre la superficie del metal con una cierta 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 fuerza de prueba F es kgf:

Cuando la unidad de fuerza de prueba F es N:

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

2. Método de representación

Por ejemplo: 270HV30/20, si el tiempo de permanencia es de 10 a 15 s, se puede registrar como 270HV

  • 270 – Valor de dureza
  • 30 – Tamaño de carga kgf
  • 20 – Tiempo de retención de carga s

3. Microdureza

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

Indicado por Hm, se puede utilizar para probar la dureza de un solo grano o de fase.

Prueba de dureza Vickers Prueba de carga baja Vickers Prueba de dureza Micro Vickers
Símbolo de dureza Fuerza de prueba/N Símbolo de dureza Fuerza de prueba/N Símbolo de dureza Fuerza de prueba/N
HV5 49.03 HVO.2 1961 HVO.01 0.09807
HV10 98.07 HVO.3 2,942 HVO.015 0.1471
HV20 196.1 HVO.5 4,903 HVO.02 0,1961
HV30 294.2 HV1 9.807 HVO.025 0,2452
HV50 490.3 HV2 19.61 HVO.05 0.4903
HV100 980,7 HV3 29,42 HVO.1 0.9807
Nota: 1. La prueba de dureza Vickers puede utilizar una fuerza de prueba superior a 980,7 N;2. Se recomienda la microprueba de resistencia Vickers.

Características y aplicación de la dureza Vickers.

(1) La forma geométrica del retroceso es siempre similar, aunque se puede variar la carga.

(2) El contorno de la muesca 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 consistentes para diversos materiales.

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

(5) La muesca es pequeña y no es adecuada para materiales gruesos o heterogéneos.

Sin embargo, se pueden utilizar muestras metalográficas para medir la dureza o la distribución de dureza de varias fases.

5. Mejora de la relación dureza-resistencia y del método de prueba.

(1) Características de la prueba de dureza

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

Dureza de algunos materiales.

Material Enfermedad Dureza/(kgf/ mm²
Materiales metálicos 99,5% aluminio anillado 20
laminación en frío 40
Aleación de aluminio (A-Zn Mg Cu)Acero dulce (tc = 0,2%) anillado 60
Endurecimiento por precipitación 170
Aleación de aluminio y acero para rodamientos (A-Zn Mg Cu) normalizando 120
laminación en frío 200
Acero dulce (tc=0,2%) normalizando 200
Enfriamiento (830 ℃) 900
Enfriamiento (150 ℃) 750
materiales cerámicos Baño aglutinación 1500 ~ 2400
Cermet (Co=6%, subsidio WC) 20ºC 1500
750°C 1000
Al 2 o 3 ~1500
B 4 C 2500~3700
Material Enfermedad Dureza/(kgf/ mm²
BN (metro cúbico) 7500
Diamante 6.000-10.000
Vaso
Sílice 700-750
Vaso de refresco de limón 540~580
vidrio óptico 550-600
Polímero
Polietileno de alta presión 40-70
Plástico fenólico (relleno) 30
poliestireno 17
vidrio organico dieciséis
cloruro de polivinilo 14~17
abdomen 8-10
policarbonato 9-10
Polioximetileno 10~11
Óxido de politetraetileno 10~13
polisulfona 10~13

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

② El método es simple, no destructivo y adecuado para inspección de campo;

③ El significado físico no está claro y es difícil proyectarlo 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 los metales recocidos.

Nombre del metal y aleación. media pensión σb/MPa k(σb/HB) σ-1/MPa σ(σ-1/HB)
Metales no ferrososMetales ferrososMetales no ferrosos Cobre 47 220h30 4.68 68,40 1,45
aleación de aluminio 138 455.70 3:30 pm. 162,68 1.18
Duraluminio 116 454.23 3.91 144,45 1.24
metales ferrosos hierro puro industrial 87 300.76 3.45 159,54 1,83
20 acero 141 478.53 3.39 212,66 1,50
45 acero 182 637,98 3.50 278.02 1,52
18 acero 211 753.42 3.57 264.30 1.25
acero T12 224 792,91 3.53 338,78 1.51
1Cr18Ni9 175 902.28 5.15 364,56 2.08
2Ch13 194 660.81 3:40 am 318,99 1,64

Nota: ¡Unidad de dureza!

(3) Prueba de nanoindentación

Durante el proceso de carga, primero se produce una deformación elástica en la superficie de la muestra. 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 la formación de una hendidura en la superficie de la muestra.

Curva de desplazamiento de carga de nanoindentación

Principio de prueba de nanoindentación

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

Existen diferencias importantes entre la nanodureza y la dureza tradicional:

En primer lugar, las dos definiciones son diferentes.

Nanodureza: la fuerza instantánea soportada por una unidad de área en la proyección del área de superficie de la indentación de la 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;

La dureza Vickers se define como la fuerza promedio por unidad de área sobre la superficie de la indentación retenida después de la descarga del penetrador, que refleja la capacidad de la muestra 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 serán similares. Sin embargo, si el proceso está dominado por la deformación elástica, los resultados serán diferentes.

En contacto puramente elástico, el área de contacto residual es muy pequeña. Por lo tanto, la definición tradicional de dureza producirá un valor infinito, haciendo imposible obtener el verdadero valor de dureza de la muestra.

Además, los rangos de medición de los dos métodos son diferentes. La medición de dureza tradicional solo es aplicable a muestras de gran tamaño, no solo 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 escalas micro y nano.

Se utilizan nuevas técnicas de medición y métodos de cálculo para la medición de la nanodureza, que pueden reflejar con mayor precisión las características de dureza de la muestra en las escalas micro y nano.

La principal diferencia entre los dos métodos es el cálculo del área de retroceso. La medición de la nanodureza implica medir la profundidad de la hendidura y luego calcular el área de contacto utilizando una fórmula empírica, mientras que la medición de dureza tradicional implica obtener el área de superficie de la hendidura a partir de fotografías tomadas después de la descarga.

(4) Método de prueba de nanoindentación

Los componentes básicos de un probador de nanodureza se pueden dividir en varias partes, incluido el sistema de control, el sistema de bobina móvil, el sistema de carga y el penetrador.

Se utilizan comúnmente penetradores de diamante, que suelen ser conos triangulares o dimensiones de cuatro filos.

Durante la prueba, los parámetros iniciales se ingresan primero y el microordenador automatiza completamente el proceso de detección posterior.

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

La medición y el control de la carga de la prensa penetradora se realizan mediante el extensómetro, que también proporciona retroalimentación al sistema de bobina móvil para el control de circuito cerrado, lo que permite completar la prueba de acuerdo con la configuración de los parámetros de entrada.

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