– Analizar la homogeneidad de un material. – Comprobar la homogeneidad de un tratamiento. – Búsqueda de fallos en soldaduras y ensambles. – Obtener la resistencia al desgaste. – Evaluar aproximadamente la resistencia a tracción. La dureza no es exactamente una propiedad del material, sino que depende de otras propiedades como la elasticidad, la plasticidad y la cohesión. De hecho, utilizamos el término dureza para definir conceptos tan distintos como los siguientes: – Dureza al rayado – Dureza a la penetración o indentación – Dureza al impacto o capacidad de rebote – Dureza al desgaste o abrasión Todos estos conceptos se pueden determinar en función a unos baremos o unidades estándar previamente establecidas. Muchos de estos ensayos pueden realizarse in situ y, en general, son poco destructivos o requieren de muestras de reducidas dimensiones, lo que supone una gran ventaja. Dividiremos los ensayos en grupos, si bien todos pertenecen a dos principales: Ensayos dinámicos: En los que se hace impactar algo sobre el material a ensayar o por roce entre materiales Ensayos estáticos: En los que se aplica una carga continua sobre el material. Existen, también, ensayos de nueva generación basados en ondas ultrasónicas que miden el rebote de dichas ondas sobre la superficie regulados por la norma ASTM A1038 (Standard Test Method for Portable Hardness Testing by the Ultrasonic Contact Impedance Method) GRUPO A. DUREZA AL RAYADO 1 DUREZA MOHS (ensayo dinámico por rozamiento) Dada su simplicidad, su uso es habitual para determinar la dureza de minerales y rocas. Si bien puede emplearse en todos los materiales no se trata de un método exacto ya que debe apreciarse visualmente. Data de 1812 y fue creada por el geólogo alemán Friedrich Mohs. El método Mohs consiste en determinar si en el material a ensayar producen ralladura uno materiales estándar ordenados del 1 al 10 según su dureza. La escala Mohs está formada por los siguientes minerales:
Existen kits calibrados de ensayo como el que vemos en la siguiente imagen:
No existe ningún material natural más duro que el diamante. No obstante, en el año 2012 se creó en laboratorio un material estable basado también en el carbono de mayor dureza.
2 DUREZA A LA LIMA (ensayo dinámico por rozamiento) Ensayo muy simple y reservado exclusivamente para determinar el templado en metales. Consiste en dar unos pases con la lima (de sección 1″ x 1/4”) sobre una probeta el metal. Si se observa penetración se concluye que el metal no es templado y su dureza será inferior a 60 Rockwell C (Método que desarrollaremos más adelante). Si no hay penetración su dureza es superior a 60 Rc y puede considerarse templado.
3 DUREZA MARTENS (ensayo dinámico por rozamiento) El primer ensayo normalizado de dureza en el que se mide la oposición que un material ofrece a ser rayado por un diamante de forma piramidal de base cuadrada y con un ángulo en el vértice de 90o.
Desplazando la punta de diamante sobre la probeta con una carga determinada y constante se produce una ralladura de la que medimos su anchura “a”. Una vez medida calculamos la dureza Martens según la fórmula: HM = 104/a2; donde “a es la anchura de la huella. 4 DUREZA TURNER (ensayo dinámico por rozamiento) Es una variante de la dureza Martens. Se realiza en dos pases de la punta de diamante Martnes (adelante y atrás) En este caso la dureza viene determinada por la carga necesaria “P” para conseguir que la anchura de la huella “a” sea igual a 10 micras. El valor de la carga será el valor de la dureza Turner. GRUPO B. DUREZA A LA PENETRACIÓN B1. Contacto hertziano DUREZA HERTZIANA (ensayo estático de penetración) Empleada en determinar el comportamiento de elementos metálicos en contacto con superficies curvas. Se realiza aplicando distintas cargas sobre bolas de 1,5 a 4 mm de diámetro de acero con tratamientos especiales de dureza en lo que denominamos contacto hertziano (contacto con elementos esféricos o cilíndricos)
Fractura en ensayo de dureza hertziana Este ensayo no se suele utilizar únicamente como referente de dureza sino para determinar al mismo tiempo el futuro funcionamiento de piezas metálicas en contacto con elementos esféricos o cilíndricos, ya que se busca la posibilidad de que se produzcan fisuras por fracturas frágiles y deformaciones cuasi-plásticas producidas a distintas cargas.
Fractura en ensayo de dureza hertziana
DUREZA BRINELL (ensayo estático de penetración) Es uno de los más empleados, pero no puede utilizarse en aceros muyo duros o templados. Este método consiste en presionar una bola de acero duro o carburo de tungsteno de un diámetro conocido (denominada indentador) sobre el material a ensayar por medio de una carga y durante un tiempo también conocido.
El valor de dureza HBW viene dado por: HB= F/S (Carga / área de la superficie curva de la huella) N/mm2. Para el cálculo de la superficie se toman 2 diámetros perpendiculares d1 y d2 y de la media obtendremos el valor d. De aquí mediante la siguiente expresión calculamos la dureza Brinell HBW: HBW = 2F/ π D2 (1- √1- d2/D2) Los valores normales para este ensayo son: – Diámetro de la bola (D): 10 mm. – Valor de la carga (F): 3.000 Kp. – Duración de la carga: 15 segundos. El resultado debe expresarse con el siguiente esquema: 60 HBW 10/30/15. Donde se indica que 60 es el valor de la dureza Brinell obtenida de la superficie de la huella, 10 el diámetro de la bola en mm (D), 30 el valor de la carga P en Newtons, y el último valor, 15, corresponde al tiempo de presión (entre 10-30 segundos para aceros) Se obtienen buenos resultados en materiales de bastante grueso: Superiores a 6 mm. Para espesores inferiores se suele disminuir el diámetro de la bola y el valor de la carga, de modo que el diámetro de la huella (d) quede comprendido entre los siguientes valores: 0,24D < d < 0,6D No es recomendable en piezas cilíndricas o esféricas, ni cuando se obtenga una huella poco visible. La distancia entre el borde de la probeta y el centro de la huella no debe ser menor que el valor 2,5d. Se puede obtener un valor aproximado del contenido de carbono en los aceros mediante la siguiente expresión, si bien es bastante inexacto:
C(%) = (HBW – 80) /141 También existe una correlación entre la dureza Brinell y resistencia a la tracción: σT = 0,346 HBS, si bien debemos tomar esta valor con mucha reserva. Existen valores recomendados de relación fuerza/diámetro (F/D) para cada material a ensayar. Los materiales más comunes ensayados con esta técnica son: Acero, aleaciones de níquel o titanio, cobre y sus aleaciones, plomo, estaño y metales ligeros. La relación F/D oscila entre el valor 1 para plomo y estaño hasta 30 para el acero.
Durómetro Brinell DUERZA MEYER (ensayo estático de penetración) Variación de la dureza Brinell en la que la superficie de referencia S es la proyectada por la huella, en lugar del área de la superficie curva de la huella. DUREZA MONOTRON (ensayo estático de penetración) Utiliza una semiesfera de diamante de 0,75 mm de diámetro. En este caso se establece previamente una profundidad y se mide la fuerza para alcanzarla, lo cual lo hace un ensayo muy impreciso. Se desarrolló para medir la dureza en superficies nitruradas (La nitruración es un tratamiento termoquímico que se le da al acero y cuyo resultado es un incremento de la dureza superficial, la resistencia a la corrosión y a la fatiga) Actualmente se encuentra en desuso.
GRUPO B. DUREZA A LA PENETRACIÓN B2. Indentadores prismáticos DUREZA ROCKWELL (ensayo estático de penetración)
Pese a que hemos incluido este ensayo en los indentadores (punta que ejerce presión sobre la probeta) prismáticos, la medición de la dureza Rockwell utiliza tanto indentadores cónicos de diamante con ángulo de 120o y curvatura 0,2 mm en punta (para materiales duros) como indentadores esféricos de acero o carburo con diámetro 1,5875 o 3,175 mm (para materiales más blandos) Los ensayos se dividen en grupos denominados escalas (A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) El ensayo mide la profundidad permanente h de la huella causada por el indentador. La dureza Rockwell viene determinada por la siguiente expresión: HR= N – (h/S) Siendo N una constante (100 ó 130) en función de la escala utilizad y S otra una constante (0,001 ó 0,002) también asociada a la escala. En realidad lo que hacemos con este ensayo es determinar previamente en qué escala de dureza Rockwell puede encontrarse el material que deseamos ensayar (si no lo conocemos podemos realizar una o varias pruebas de testeo) Por ejemplo, para aceros nitrurados la escala de medición óptima es la A. Una vez encajado en la escala, se ejecuta el ensayo. Como cada escala tiene un máximo o mínimo es posible que tengamos que movernos a otra si superamos o no llegamos a los valores establecidos. Hay dos grupos de escalas. La que va desde la A hasta la K y a que va desde 15N hasta 45T. Las cargas se aplican en dos tiempos; primero se aplica la carga de ensayo preliminar y posteriormente la carga de ensayo adicional.
Cada una de estas escalas tiene definida: –
La nomenclatura de la escala
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El tipo de indentador (Cono diamante/esfera de 1,587/esfera de 3,175)
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La carga de ensayo preliminar Fo
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La carga de ensayo adicional F1.
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La carga de ensayo total F = Fo + F1
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Los valores máximo y mínimo comprendidos en dicha escala.
–
Las constantes N y S.
Así, por ejemplo, la escala A tiene una denominación para el valor de la dureza HRA, su indentador es el cono de diamante, las cargas son 98,07 N + 490,3 N = 588,4 N y comprende los valores desde 20HRA hasta 88HRA. A los ensayos que se realicen con bola se les añadiría S si es de acero o W si es de carburo (ejemplo: HRFW) Cada escala y tramo de dureza tiene además un espesor mínimo de probeta a ensayar definido por una gráfica. DUREZA VICKERS (ensayo estático de penetración) Ensayo para piezas delgadas metálicas (hasta 0,2 mm), templadas, o de reducidas dimensiones. Se obtiene un valor correspondiente a la superficie de la huella (indentación) que se suele realizar con una punta piramidal de diamante de base cuadrangular y ángulo en el vértice entre caras de 136°. La dureza Vickers viene dada por la siguiente expresión: HV = F/S [N/mm2]donde S es la superficie de la impronta en mm2 y F la carga aplicada en Newtons. Para valores de fuerza F mayores a 49,03 N hablamos de dureza Vickers a secas. Si se comprende entre este valor y 1,961 N se denomina dureza Vickers a baja fuerza y por debajo de 1,961 la denominación pasa a ser microdureza Vickers.
El resultado se expresa de este modo: 150HV 10/25, siendo 150 el valor de la dureza Vickers, 10 el valor de la carga en Newtons y 25 la duración de la carga. No obstante, existen unos valores normalizados de carga que es recomendable seguir. El tiempo de aplicación oscila entre 10 y 30 segundos, siendo 15 segundos el más empleado. Es un ensayo recomendable para durezas superiores a 500 HB. Se puede utilizar en materiales duros y blandos. Obtendremos un valor similar a la dureza Brinell hasta el valor de 300; a partir de aquí la dureza Vickers es superior a la Brinell.
Indentador Vickers DUREZA KNOOP (ensayo estático de penetración) Este método, similar al Vickers se reserva para láminas muy delgadas (menos de 2 mm) como en el caso de la geología (lámina delgada). También se usa en vidrios.
Indentador Knoop
El indentador es una pirámide rómbica con relación entre diagonales de 1:7 normalmente con ángulos de 172o30’ y 130o. Se denomina con las siglas HK y el método de cálculo es el mismo de la dureza Vickers: el cociente entre fuerza en Newtons y la superficie de indentación en mm2. Una fuerza de 0,9807 N se mantiene durante 30 segundos en la superficie de la probeta y se deja en reposo unos 5 minutos antes de realizar la medida.
Huella de indentador Knoop DUREZA POLDI (ensayo dinámico de penetración) Se trata de un ensayo dinámico a diferencia de los anteriores. La carga es aplicada con un golpe de martillo que ocasionará dos huellas: una en el material a ensayar y otra en una probeta de dureza conocida. El valor de dureza se obtiene de la comparación de la huellas, por lo que no tiene relación directa con la carga de impacto aplicada
