dureza

Dureza

La dureza es el obstáculo o impedimento que presentan algunos materiales cuando se desea alterar su condición física debido a la cohesión de sus átomos. Es decir, es difícil de rayar, penetrar, desgastar, romper, deformar o abrasar.

Para realizar el ensayo de dureza Rockwell se puede emplear como punta una bola de acero o un cono de diamante para el equipo penetrador, el cual indicará la dureza del material según la relación de precarga, carga y descarga empleada al momento de llevar a cabo el ensayo.

Dureza Brinell es una escala que se emplea para determinar la dureza de un material a través del método de indentación, el cual consiste en penetrar con una punta de bola de acero templado en el material duro, una carga y durante un tiempo determinado.

La dureza de Vickers es un ensayo que se emplea en todo tipo de materiales sólidos y de poco grosor o blandos. En este ensayo se le coloca al equipo penetrador un diamante con forma de pirámide de base cuadrada y un ángulo en su vértice de 136°.

En este ensayo se realiza la medición de dureza calculando las longitudes diagonales de penetración.

El durómetro Shore A consta de una pesa de 1 kg y el durómetro Shore D consta de una pesa de 5 kg. La norma general que se emplea es la UNE-EN ISO 868.

Vickers

Brinell

Rockwell

Knoop

Shore

El ensayo de dureza Knoop es una alternativa al ensayo Vickers dentro del rango de microdureza. Además se puede realizar en la misma máquina de ensayo de microdureza o dureza universal. Se utiliza básicamente para superar las fracturas en los materiales quebradizos, y para facilitar los ensayos de dureza en las capas finas.

Como en el ensayo de dureza Vickers, el penetrador utilizado en el ensayo de dureza Knoop es un diamante piramidal. No obstante, en vez de ser simétrico, éste es alargado. La dureza Knoop (HK) se calcula midiendo ópticamente la longitud de la diagonal larga de la penetración.

Ensayo de Dureza

Para determinar la dureza de los materiales se utilizan durómetros con diferentes tipos de puntas y rangos de cargas sobre los diversos materiales.

Las medidas con el durómetro D se recomiendan cuando con el tipo A se obtienen valores superiores a 90, y se recomienda el uso del A cuando se obtienen valores inferiores a 20 con el de tipo D.

Barcol

La dureza Barcol se aplica a materiales plásticos reforzados o no; en los reforzados habrá mayores desviaciones que se deben a la diferencia de dureza existente entre la resina y las cargas que pueden estar en contacto con el penetrador. La norma general empleada es la UNE 53270.

Para designar la dureza Rockwell de un material se usa la siguiente nomenclatura:

n HR letra

donde:

n es el valor numérico de la dureza obtenida

HR es el identificador del ensayo Rockwell

letra después del identificador HR, seguirá una letra correspondiente al tipo de escala usada.

El ensayo Rockwell viene determinado por la norma UNE 7-424-89

Se entiende por dureza de un material a la resistencia que opone el material a su deformación plástica permanente superficial por rayado o penetración. Siempre se cumple que la dureza de un material resulta inversamente proporcional a la huella que queda en su superficie al aplicarle una fuerza.

La dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, y no es una propiedad del material en sí

Los métodos de dureza por indentación presuponen la presencia de esfuerzos de contacto, y por lo tanto, la dureza puede ser cuantificada dentro de una escala

El indentador o penetrador no debe sufrir deformaciones residuales durante el ensayo de medición de la dureza del cuerpo que se esté ensayando.

Definción

La norma ASTM E 10-78 define la dureza Brinell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza una bola fabricada de un acero extraduro, o bien, de carburo de tungsteno, de un diámetro "D", bajo condiciones específicas, aplicándole una fuerza "P" contra la superficie del material a ensayar durante un tiempo "t" dado, apareciendo entonces una huella con forma de casquete esférico de diámetro "d" sobre el material ensayado. El valor medido en el ensayo es este diámetro "d" del casquete en la superficie del material. La dureza Brinell (HB) viene definida entonces por la siguiente expresión

Para materiales blandos ( con dureza menores que 200) el penetrador es una bola de acero de diametro 1.5875 mm y la dureza sera determinada se una dureza Rockwell B

Para materiales duros (con durezas mayores que 200) el penetrador es un cono de diamante de 120° en la punta, y la dureza determinada será una dureza Rockwell C

En la tabla siguiente se indican las escalas de dureza Rockwell. De manera genérica, las escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K, L, M, P, R, S y V, son las empleadas en los ensayos para medir materiales gruesos, mientras que para materiales finos se emplearán las escalas 15-N, 30-N, 45-N, 15-T, 30-T y 45-T.

siendo "S" la superficie de la huella que queda sobre el material ensayado, que resulta ser un casquete esférico. La fuerza "P" se expresa en kp (kilopondios) y la superficie de la huella "S" en mm2.

donde ya se sabe que:

"P" es la carga a utilizar en el ensayo, medida en kp.

"D" es el diámetro de la bola (indentador) medida en mm.

"d" es el diámetro medio de la huella en superficie del material ensayado, en mm.

Como ya se ha indicado, el ensayo de dureza Vickers se recomienda para materiales con durezas superiores a 500 HB. Los ensayos Brinell y Vickers proporcionan resultados muy parecidos hasta un valor de 300 HB. A partir de los 300 HB la deformación de la bola puede falsear los resultados obtenidos mediante el ensayo Brinell, por lo que se recomienda usar el ensayo Vickers a partir de los 300 HB

El tamaño de la bola indentadora se elegirá en función del espesor de la probeta a ensayar. En la siguiente tabla se indican los diámetros (D) de la bola indentadora en función del espesor de la probeta

Una vez determinado el diámetro (D) de la bola indentadora que hay que utilizar en el ensayo haciendo uso de la tabla anterior, se pasa a determinar el valor de la carga (P) que hay que aplicar.

Para la ejecución del ensayo, al principio esta carga se hace aumentar lentamente hasta alcanzar el valor determinado y se mantiene así constante durante un cierto tiempo (t), cuyo valor se verá más adelante cómo calcularlo.

El valor de la carga (P) a aplicar sobre la probeta de ensayo se obtiene con la siguiente fórmula:

P = K · D2

siendo D el diámetro de la bola indentadora y K una constante que depende del tipo de material a ensayar. En la siguiente tabla se indican los valores usuales de esta constante para distintos materiales:

Por último, sólo falta determinar el tiempo (t) durante el cual hay que aplicar la carga en el ensayo. Este tiempo (t) también dependerá del material de la probeta a ensayar, de manera que conforme más blando sea el material a ensayar más tiempo de aplicación de la carga resultará.

En la siguiente tabla se indican los tiempos (t) de duración del ensayo en función del material a ensayar:

Como resultado del ensayo se mide el diámetro de la huella que ha dejado el indentador (la bola) en la superficie de la probeta. El valor de la dureza entonces resultará como el cociente entre la carga (P) y la superficie (S) de la huella del casquete esférico que resulta:

HB = P / S

El ensayo de dureza Vickers tiene ciertas ventajas frente a otros métodos de ensayo para calcular la dureza, como son:

• En el ensayo Vickers los espesores de los materiales ensayados pueden ser mucho más pequeños que los del ensayo Brinell (hasta 0,2 mm).

• Se puede utilizar el ensayo Vickers en materiales con superficies cilíndricas o esféricas.

• El ensayo Vickers se puede utilizar tanto para materiales muy duros como en materiales blandos.

• El ensayo Vickers es el ensayo más sensible para realizar el cálculo de la dureza de los materiales

Escala mhos

Características Mecánicas, Dureza Rockwell y Dureza Brinell para distintos tipos de Acero

Base de apoyo (superficie plana y horizontal).

Punta de penetración: barra de acero de diámetro comprendido entre 1,1 y 1,4 m.

Escala indicadora de la dureza.

La medida se toma a los 15 segundos de aplicación. El resultado se expresa directamente como “dureza Shore”.

El durómetro está formado por un penetrador de acero endurecido en forma de tronco-cono con un ángulo de 26º y diámetro de la base 0.157 mm. El cuadrante estará dividido en 100 divisiones, cada una de las cuales representa una profundidad de penetración de 0.0076 mm.

Las probetas tendrán un espesor mínimo de 1,5 mm, y las medidas se realizarán a una distancia mínima de 3 mm de los bordes. El número de repeticiones dependerá del valor inicial de dureza obtenido. La medida se toma de manera instantánea.

Tiempo de indentación: 10-15 segundos

Grosor de muestra según norma ASTM: Como mínimo 10 veces la profundidad de la penetración

Grosor de la muestra según norma ISO: Como mínimo 1,5 veces la longitud diagonal

ESPACIAMIENTO DEL PENETRADOR.

Independientemente del ensayo de microdureza utilizado, cuando realice un ensayo de dureza Vickers, la penetración deformará el material circundante y alterará sus propiedades. A fin de evitar malas interpretaciones de la dureza percibida, las normativas del ensayo de dureza Vickers prescriben una cierta distancia entre las múltiples penetraciones.

Acero y cobre

Al menos 3 anchos diagonales entre las penetraciones

Plomo, zinc y aluminio

Al menos 6 anchos diagonales entre las penetraciones

ANCHURAS DIAGONALES

Para garantizar una lectura precisa del penetrador, los estándares del ensayo de dureza Vickers prescriben una anchura diagonal mínima de 20 µm.

Ello implica, por ejemplo, que la medición CHD utilizando una dureza Vickers inferior a 0,2 generalmente se debe evitar, ya que producirá una penetración inferior a 20 µm.

MEDICIÓN DE LA PROFUNDIDAD DE DUREZA DE HUELLA (CHD)

El ensayo de dureza se utiliza con frecuencia para evaluar la profundidad de la dureza en aceros de superficie endurecida. Estos ensayos se realizan mediante una serie de impresiones de dureza desde el borde de la muestra seccionada hasta el centro. La progresión de la dureza se refleja en un gráfico y se calcula la distancia entre la superficie y el llamado límite de dureza (HL).

Cuando realice una progresión de dureza, es importante respetar las normas de espaciamiento de los penetradores. La retención de borde es necesaria durante la preparación mecánica de las muestras a fin de garantizar una medición precisa de la profundidad de huella endurecida.

Profundidad de huella = Distancia entre la "superficie" y el "límite de dureza"

CÓMO CALCULAR EL VALOR CHD

Existen diferentes maneras de determinar el límite de dureza. Existen por lo tanto diferentes maneras de calcular el valor CHD. El procedimiento elegido dependerá del proceso de endurecimiento que se emplee. A continuación se detallan los métodos de cálculo más habituales.

1. Piezas carburizadas o carbonitradas (EN ISO 2639)

Límite de dureza = 550 HV

CHD (Eht) = Distancia entre la superficie y el punto en el que la dureza es de 550 HV

2. Piezas endurecidas por inducción o llama (EN 10328, ISO 3754)

Límite de dureza = 80 % x dureza de la superficie (mínimo)

CHD (Rht) = Distancia entre la superficie y el punto en que la dureza es un 80 % de la dureza de la superficie (mínimo).

3. Piezas nitradas (DIN 50190-3)

Límite de dureza = Dureza de núcleo + 50 HV

CHD (Nht, NCD) = Distancia (máxima) entre la superficie y el punto en que la dureza es 50 HV superior a la dureza de núcleo.

Ejemplo de progresión CHD

Medición CHD mostrando el valor CHD de 0,95 mm a límite de dureza de 550 HV1

La escala de dureza Shore se usa frecuentemente para medir elementos blandos o semiblandos.Califican entre ellos: plásticos, cauchos y elastómeros.

En ambos métodos existen distintas escalas de medida adaptadas a distintos tipo de material:

ESCALA A (Gomas blandas, plásticos, elastómeros) Penetrador: Cono truncado 35o de ángulo. Carga 822 g.

ESCALA B (Elastómeros, plásticos duros. papel y material fibroso. Penetrador: Cono 30o de ángulo Carga 822g

ESCALA C (Revestimientos de yeso o perlita, elastómeros y plásticos de dureza media) Penetrador: Cono truncado 35o de ángulo. Carga 4536 g.

ESCALA D (Gomas duras y termoplásticos) Penetrador: Cono 30o de ángulo. Carga 4536 g.

ESCALA DO (Materiales granulares densos y bobinas textiles. Penetrador: Bola 3/32”. Carga: 4536 g.

ESCALA O (Elastómeros muy blandos, bobinas textiles, materiales granulares blandos) Penetrador: Bola 3/32”. Carga 822 g.

ESACALA OO (Espumas ligeras, esponjas) Penetrador: Bola 3/32”. Carga: 113 g.

ESCALA OOO (Geles y esponjas) Penetrador: Bola 1/2”. Carga: 113 g.

Algunas de las normas de referencia:

UNE 102039:1985, Yesos y escayolas de construcción. Determinación de la dureza Shore C, y de la dureza Brinell.

UNE-ISO 7619-1:2011, Caucho vulcanizado o termoplástico. Determinación de la dureza de indentación. Parte 1: Método del durómetro (dureza Shore).

UNE-ISO 7619-1:2011 ERRATUM:2011, Caucho vulcanizado o termoplástico. Determinación de la dureza de indentación. Parte 1: Método del durómetro (dureza Shore).

UNE-EN ISO 868:2003, Plásticos y ebonita. Determinación de la dureza de indentación por medio de un durómetro (dureza Shore). (ISO 868:2003)

Preparación de la superficie

Antes de realizar el ensayo de dureza Knoop, debe preparar la superficie del material a evaluar.

El ensayo de dureza Knoop se utiliza para microensayos (cargas inferiores o iguales a 1 kgf) por lo que la estructura del material de la muestra debe haberse sometido a un elevado pulido o electropulido antes de su introducción en el microdurómetro.

Cargas

El ensayo de microdureza Knoop no debería utilizarse si produce longitudes diagonales inferiores a 20 μm, ya que esto generará una medición imprecisa.

Tiempo de indentación: 10-15 segundos

Grosor de la muestra según la norma ASTM: Como mínimo 10 veces la profundidad de la penetración

Grosor de la muestra según la norma ISO: Al menos un tercio de la longitud de la diagonal larga

El penetrador Knoop penetra la mitad de la profundidad que el Vickers, lo que lo convierte en adecuado para materiales quebradizos como la cerámica.

El ensayo Knoop es más sensible a las condiciones de la superficie ya que el penetrador se introduce menos.

La diagonal mayor Knoop es aproximadamente 3 veces más larga que las diagonales Vickers. Esto minimiza los errores en las lecturas del penetrador Knoop, lo cual es importante cuando se realizan penetraciones pequeñas (con cargas bajas y materiales duros, por ejemplo).

Debido a la geometría del penetrador, el ensayo Vickers es mejor para áreas pequeñas y redondeadas, mientras que el ensayo Knoop es mejor para áreas pequeñas y alargadas como, por ejemplo, los recubrimientos.

Ambos ensayos se pueden realizar en máquinas para ensayos de microdureza

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