04-Ensayos de dureza

La dureza es la resistencia de un material a ser rayado o penetrado, por lo cual estamos midiendo la cohesión entre los átomos del material. Ésto, por tanto, guarda relación con la resistencia a la deformación y a la rotura, y cuanto más duro sea un material, más resistente será también.La escala de Mohs sigue siendo empleada en geología, y consiste en rayar los materiales con una roca de referencia, empezando con el talco, que recibe el número 1, y terminando con el diamante, al que se asigna el número 10.

Con los metales se utiliza un ensayo técnico conocido como método Martens que consiste en medir el surco que deja una punta de diamante de forma piramidal que se desplaza sobre la superficie. Sin embargo, es más frecuente hablar de otro tipo de ensayos en los que se mide la marca que se deja en un material cuando se intenta clavar en él otra pieza de formas definidas, llamada penetrador.

El método consiste en aplicar una fuerza y medir la huella que queda. Según la forma del penetrador y la forma de aplicar la fuerza tenemos varios ensayos de dureza, entre los que destacan tres: el método Brinell, el método Vickers y los métodos Rockwell. En los dos primeros se trata de calcular el esfuerzo resistente (F/S) y ese será el valor de dureza.


DUREZA BRINELL

Este método consiste en aplicar una fuerza a una bola de acero y calcular el cociente entre la fuerza y la superficie de la huella, que viene dada por la expresión S = Π · D · f


El diámetro d de la huella se mide fácilmente con un microscopio, pero la profundidad f no es sencilla. Por lo tanto, se busca la relación matemática entre los valores:


Ahora se divide la fuerza entre la superficie de la huella y se obtiene el valor de la dureza Brinell, que se expresa mediante una expresión normalizada, en la que se escribe el valor de dureza en kp/mm², las letras HB (Hardness Brinell), el diámetro en mm de la bola, la fuerza en kp y el tiempo que dura la aplicación de la fuerza en segundos:

100 HB 5 250 30

Este ensayo se considera correcto cuando el tamaño de la bola no es demasiado pequeño (se clavaría) ni demasiado grande (apenas dejaría marca). Se establece como criterio que el diámetro de la huella obtenida esté comprendido entre la mitad y un cuarto del tamaño de la bola del penetrador:

D/4 < d < D/2

La relación entre la fuerza y el tamaño de la bola recibe el nombre de constante de ensayo K (F = K·D²), que suele rondar el valor de 30. Dos ensayos que tengan la misma constante K darán el mismo valor de dureza.


DUREZA VICKERS

Este ensayo se utiliza cuando el grosor del material es pequeño o cuando su dureza es muy grande para que una bola de acero deje marca. En este caso el penetrador es una pirámide de diamante con base cuadrada y ángulo en el vértice de 136°.


Al igual que en el caso anterior, se divide el valor de la fuerza entre la superficie dejada por el penetrador, expresada en función de las distancias dejadas en una superficie formada por cuatro triángulos, que se calcula así:

 


 

De forma idéntica que en la dureza Brinell, en la escala Vickers también se indica el valor resultante de dividir la fuerza entre la superficie en kp/mm², y la expresión normalizada consiste en escribir este valor, las iniciales HV (Hardness Vickers) y luego la fuerza aplicada en kp:

700 HV 30

 

DUREZA ROCKWELL

En los ensayos anteriores no se tiene en cuenta que el material penetrado tiene una cierta recuperación elástica tras la desaparición de la carga. Para obviar este punto se desarrollaron los métodos Rockwell, en los que además se mide la profundidad de la huella mediante máquinas de precisión llamadas durómetros.

Se usan penetradores y fuerzas normalizadas para cubrir un amplio espectro de materiales, y cada combinación recibe una letra, de las cuales las más frecuentes son las escalas Rockwell B (con una bola de acero) y la Rockwell C (con un cono de diamante).

El proceso es el siguiente:

1º Se aplica al penetrador una precarga baja de 10 kp para provocar una deformación elástica, y se obtiene una profundidad h0.

2º A continuación se aplica una carga adicional hasta alcanzar los 100 kp (HRB) o de 150 kp (HRC), con lo cual el penetrador se introduce hasta una profundidad h1 produciendo una deformación plástica.

3º Por último se retira esta carga adicional y se vuelve hasta el valor de 10 kp de la precarga, con lo cual el penetrador se queda a una profundidad h2.


La diferencia entre la profundidad inicial y la final d = h2 - h0 elimina la componente elástica de la deformación. A continuación se comprueba cuántas veces cabe en esta diferencia "d" la unidad Rockwell de 0,002 mm y éste es el valor de penetración.


Este valor es tanto menor cuanto más duro sea el material. Para que los materiales más duros tengan valores de dureza más altos, se resta la penetración Rockwell de 130 (en la escala HRB) o de 100 (en la escala HRC).

HRB = 130 - e

HRC = 100 - e



Para saber más:

Ensayos de dureza    (video)

Hardness testing 

Measuring the hardness



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