¿Qué es la dureza y tipos de pruebas de dureza?

¿Qué es la dureza de un material?

La dureza es la resistencia de un material a la deformación localizada. El término puede aplicarse a la deformación por hendidura, rayado, corte o flexión. En metales, cerámicas y la mayoría de polímeros, la deformación considerada es la deformación plástica de la superficie. Para elastómeros y algunos polímeros, la dureza se define por la resistencia a la deformación elástica de la superficie. La falta de una definición fundamental indica que la dureza no es una propiedad básica de un material, sino más bien una propiedad compuesta con contribuciones del límite elástico, endurecimiento por trabajo, verdadera resistencia a la tracción, módulo y otros factores. Las mediciones de dureza se utilizan ampliamente para el control de calidad de materiales porque son rápidas y se consideran pruebas no destructivas cuando las marcas o hendiduras producidas por la prueba se encuentran en áreas de baja tensión.

Existe una gran variedad de métodos utilizados para determinar la dureza de una sustancia. A continuación se presentan algunos de los métodos más comunes.

Prueba de dureza de Mohs

Una de las formas más antiguas de medir la dureza fue ideada por el mineralogista alemán Friedrich Mohs en 1812. La prueba de dureza de Mohs consiste en observar si la superficie de un material está rayada por una sustancia de dureza conocida o definida. Para dar valores numéricos a esta propiedad física, los minerales se clasifican a lo largo de la escala de Mohs, que se compone de 10 minerales a los que se les han dado valores de dureza arbitrarios. La prueba de dureza de Mohs, si bien facilita enormemente la identificación de minerales en el campo, no es adecuada para medir con precisión la dureza de materiales industriales como el acero o la cerámica. Para los materiales de ingeniería, se han desarrollado una variedad de instrumentos a lo largo de los años para proporcionar una medida precisa de dureza. Muchos aplican una carga y miden la profundidad o el tamaño de la hendidura resultante. La dureza se puede medir en la macro-,micro o nanoescala.

Prueba de dureza Brinell

El más antiguo de los métodos de prueba de dureza de uso común en materiales de ingeniería en la actualidad es la prueba de dureza Brinell. El Dr. JA Brinell inventó la prueba Brinell en Suecia en 1900. La prueba Brinell usa una máquina de escritorio para aplicar una carga específica a una esfera endurecida de un diámetro específico. El número de dureza Brinell, o simplemente el número Brinell, se obtiene dividiendo la carga utilizada, en kilogramos, por el área de superficie medida de la muesca, en milímetros cuadrados, que queda en la superficie de prueba. La prueba de Brinell se utiliza con frecuencia para determinar la dureza de las piezas forjadas y fundidas de metal que tienen estructuras de grano grande. La prueba de Brinell proporciona una medición en un área bastante grande que se ve menos afectada por la estructura de grano del curso de estos materiales que las pruebas de Rockwell o Vickers.

Se puede probar una amplia gama de materiales usando una prueba Brinell simplemente variando la carga de prueba y el tamaño de la bola de penetración. En los EE. UU., Las pruebas Brinell se realizan generalmente en fundiciones de hierro y acero utilizando una fuerza de prueba de 3000 kg y una bola de 10 mm de diámetro. Normalmente se utiliza una carga de 1500 kilogramos para las piezas fundidas de aluminio. El cobre, latón y material fino se prueban con frecuencia utilizando una fuerza de prueba de 500 kg y una bola de 10 o 5 mm. En Europa, las pruebas Brinell se realizan utilizando una gama mucho más amplia de fuerzas y tamaños de bolas y es común realizar pruebas Brinell en piezas pequeñas utilizando una bola de carburo de 1 mm y una fuerza de prueba tan baja como 1 kg. Estas pruebas de carga baja se conocen comúnmente como pruebas de bebé Brinell. Las condiciones de la prueba deben informarse junto con el número de dureza Brinell.Un valor informado como “60 HB 10/1500/30” significa que se obtuvo una dureza Brinell de 60 utilizando una bola de 10 mm de diámetro con una carga de 1500 kilogramos aplicada durante 30 segundos.

Prueba de dureza Rockwell

La prueba de dureza Rockwell también usa una máquina para aplicar una carga específica y luego medir la profundidad de la impresión resultante. El penetrador puede ser una bola de acero de un diámetro específico o un cono esférico con punta de diamante con un ángulo de 120 ° y un radio de punta de 0.2 mm, llamado brale. Primero se aplica una carga menor de 10 kg, lo que provoca una pequeña penetración inicial para asentar el penetrador y eliminar los efectos de las irregularidades de la superficie. Luego, el dial se pone a cero y se aplica la carga principal. Al retirar la carga principal, la lectura de profundidad se toma mientras la carga menor aún está encendida. El número de dureza se puede leer directamente en la escala. El penetrador y la carga de prueba utilizados determinan la escala de dureza que se utiliza (A, B, C, etc.).

Para materiales blandos como aleaciones de cobre, acero blando y aleaciones de aluminio, se usa una bola de acero de 1/16 ″ de diámetro con una carga de 100 kilogramos y la dureza se lee en la escala “B”. Al probar materiales más duros, hierro fundido duro y muchas aleaciones de acero, se usa un cono de diamante de 120 grados con una carga de hasta 150 kilogramos y la dureza se lee en la escala “C”. Hay varias escalas de Rockwell distintas de las escalas “B” y “C” (que se denominan escalas comunes). Un valor de Rockwell informado correctamente tendrá el número de dureza seguido de “HR” (Dureza Rockwell) y la letra de la escala. Por ejemplo, 50 HRB indica que el material tiene una lectura de dureza de 50 en la escala B.

A – Carburos cementados, acero fino y acero endurecido superficialmente

B – Aleaciones de cobre, aceros blandos, aleaciones de aluminio, hierro maleable, etc.

C – Acero, hierros fundidos duros, perlitas, hierro maleable, titanio, acero cementado profundo y otros materiales más duros que B 100

D – Acero fino y acero templado medio y hierro maleable perlítico

E – Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio, metales para cojinetes

F – Aleaciones de cobre recocido, chapas finas y blandas

G – Bronce fosforoso, cobre berilio, hierros maleables

H – Aluminio, zinc, plomo

K, L, M, P, R, S, V: metales para cojinetes y otros materiales muy blandos o delgados, incluidos los plásticos.

Prueba de dureza Vicker

La prueba de Vickers se ejecuta presionando una pequeña pirámide de diamante de geometría conocida en una muestra con una carga conocida (generalmente gramos o kilogramos de fuerza, sí, esos realmente tienen un uso) y luego midiendo la sangría resultante para determinar su profundidad. Esta profundidad y fuerza se pueden conectar a una ecuación de dureza de Vickers para determinar la dureza de los materiales. En las pruebas de dureza, cuanto más pequeña es la muesca, más dura es la superficie de un material como se muestra en el diagrama a continuación. Aquí, la muestra A tiene una pequeña muesca en comparación con la muestra B y C. Por lo tanto, la muestra A es la más dura y la muestra C es el material más blando.

Prueba de dureza superficial Rockwell

El probador de dureza superficial Rockwell se utiliza para probar materiales delgados, superficies de acero ligeramente cementadas o piezas que podrían doblarse o aplastarse en las condiciones de la prueba regular. Este probador utiliza los mismos penetradores que el probador estándar de Rockwell, pero las cargas se reducen. Se utiliza una carga menor de 3 kilogramos y la carga principal es de 15 o 45 kilogramos, según el penetrador utilizado. Usando el penetrador de bola de acero de 1/16 ″ de diámetro, se agrega una “T” (es decir, prueba de hoja delgada) a la designación de dureza superficial. Un ejemplo de dureza Rockwell superficial es 23 HR15T, que indica la dureza superficial como 23, con una carga de 15 kilogramos utilizando la bola de acero.

Pruebas de microdureza de Vickers y Knoop

Las pruebas de dureza de Vickers y Knoop son una modificación de la prueba de Brinell y se utilizan para medir la dureza de los recubrimientos de película delgada o la dureza de la superficie de las piezas cementadas. Con estas pruebas, se presiona una pequeña pirámide de diamantes en la muestra con cargas que son mucho menores que las utilizadas en la prueba Brinell. La diferencia entre las pruebas de Vickers y Knoop es simplemente la forma del penetrador de la pirámide de diamante. La prueba de Vickers utiliza un penetrador piramidal cuadrado que es propenso a agrietar materiales quebradizos. En consecuencia, se desarrolló la prueba de Knoop que utiliza un penetrador piramidal de base rómbica (relación diagonal 7.114: 1) que produce hendiduras más largas pero menos profundas. Para la misma carga, las indentaciones de Knoop son aproximadamente 2.8 veces más largas que las indentaciones de Vickers. 

Se utiliza una carga aplicada que varía de 10 ga 1000 g. Esta baja cantidad de carga crea una pequeña sangría que debe medirse con un microscopio. Las medidas para recubrimientos duros como TiN deben tomarse con un aumento muy alto (es decir, 1000X), porque las muescas son muy pequeñas. Por lo general, es necesario pulir la superficie. Se miden las diagonales de la impresión y estos valores se utilizan para obtener un número de dureza (VHN), generalmente a partir de una tabla o gráfico de búsqueda. La prueba de Vickers se puede utilizar para caracterizar materiales muy duros, pero la dureza se mide en una región muy pequeña.

Los valores se expresan como 2500 HK25 (o HV25), lo que significa 2500 Dureza Knoop a una carga de fuerza de 25 gramos. Los valores de dureza de Knoop y Vickers difieren ligeramente, pero para los recubrimientos duros, los valores están lo suficientemente cerca como para estar dentro del error de medición y se pueden usar indistintamente.

Pruebas de dureza con escleroscopio y rebote

La prueba del escleroscopio es una prueba muy antigua que consiste en dejar caer un martillo con punta de diamante, que cae dentro de un tubo de vidrio bajo la fuerza de su propio peso desde una altura fija, sobre la muestra de prueba. La altura del recorrido de rebote del martillo se mide en una escala graduada. La escala del rebote se elige arbitrariamente y consta de unidades Shore, divididas en 100 partes, que representan el rebote medio del acero puro endurecido con alto contenido de carbono. La escala continúa por encima de 100 para incluir metales que tienen mayor dureza. El escleroscopio Shore mide la dureza en términos de la elasticidad del material y el número de dureza depende de la altura a la que rebota el martillo, cuanto más duro es el material, mayor es el rebote.

El método de prueba de dureza de rebote es un avance reciente que se basa en el escleroscopio. Existe una variedad de instrumentos electrónicos en el mercado que miden la pérdida de energía del cuerpo de impacto. Estos instrumentos suelen utilizar un resorte para acelerar una masa esférica con punta de carburo de tungsteno hacia la superficie del objeto de prueba. Cuando la masa entra en contacto con la superficie, tiene una energía cinética específica y el impacto produce una muesca (deformación plástica) en la superficie que toma parte de esta energía del cuerpo de impacto. El cuerpo de impacto perderá más energía y su velocidad de rebote será menor cuando se produzca una hendidura más grande en un material más blando. Se miden las velocidades del cuerpo de impacto antes y después del impacto y la pérdida de velocidad está relacionada con Brinell, Rockwell u otro valor de dureza común.

Prueba de dureza del durómetro

Un durómetro es un instrumento que se usa comúnmente para medir la dureza de indentación de cauchos / elastómeros y plásticos blandos como poliolefina, fluoropolímero y vinilo. Un durómetro simplemente usa un resorte calibrado para aplicar una presión específica a un pie penetrador. El pie penetrador puede tener forma de cono o de esfera. Un dispositivo indicador mide la profundidad de la hendidura. Los durómetros están disponibles en una variedad de modelos y los probadores más populares son el Modelo A que se usa para medir materiales más blandos y el Modelo D para materiales más duros.

Prueba de dureza Barcol

La prueba de dureza Barcol obtiene un valor de dureza midiendo la penetración de una punta de acero afilada bajo una carga de resorte. La muestra se coloca debajo del penetrador del probador de dureza Barcol y se aplica una presión uniforme hasta que la indicación del cuadrante alcanza un máximo. El método de prueba de dureza Barcol se utiliza para determinar la dureza de plásticos rígidos reforzados y no reforzados y para determinar el grado de curado de resinas y plásticos.