La
dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la
penetración,
la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre
otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que
no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio
es
mucho más difícil de rayar. Otras propiedades relacionadas con la
resistencia
son la resiliencia , la tenacidad o la ductilidad .
Escalas
de uso industrial
En
metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración.
Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen
diferentes escalas, adecuadas para
distintos
rangos de dureza. El interés de la determinación de la dureza en los aceros
estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica,
siendo un método de ensayo
más
económico y rápido que el ensayo de tracción , por lo que su uso está muy extendido.
Hasta
la aparición de la primera máquina
Brinell
para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando
una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los
talleres.
Las
escalas de uso industrial actuales son las siguientes:
Dureza
Brinell : Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio.
Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con
chapas de menos de 6 mm de espesor.
Estima
resistencia a tracción.
Dureza
Knoop : Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad
de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de
diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.
Dureza
Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de
acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y
es apto para todo tipo de materiales. Se
suele
considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
Rockwell
superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para
la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de
materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.
Dureza
Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a
la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón
con un valor de 1000.
Dureza
Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del
material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A
mayor rebote -> mayor dureza.
Aplicable
para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración
como los otros.
Dureza
Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular.
Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala
Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas
de hasta 2 mm de espesor.
Dureza
Webster : Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de
difícil manejo como perfiles largos extruidos . El valor obtenido se suele convertir
a valores Rockwell.
Nanoindentación
La
nanoindentación es la prueba de dureza llevada a cabo en la escala de
longitudes nanométricas. Se utiliza una punta pequeña para indentar el material
de interés. La carga impuesta y el desplazamiento se miden de manera continua
con una resolución de micronewtons y subnanómetros, respectivamente. La carga y
el desplazamiento se miden a través del proceso de indentación. Las técnicas de
nanoindentación son importantes para la medición de las propiedades mecánicas
en aplicaciones microelectrónicas y para la deformación de estructuras a micro
y nanoescala . Los nanoindentadores incorporan microscopios ópticos. La dureza y
el módulo de elasticidad se miden utilizando la nanoindentación.
Las
puntas de los nanopenetradores vienen en una variedad de formas. A una forma común
se le conoce como penetrador de Berkovich, el cual es una pirámide con 3 lados.
La
primera etapa de una prueba de nanoindentación involucra el desarrollo de indentaciones
sobre un patrón de calibración. La sílice fundida es un patrón de calibración
común, debido a que tiene propiedades mecánicas homogéneas y bien caracterizadas.
El propósito de efectuar indentaciones sobre el estándar de calibración es
determinar el área de contacto proyectada de la punta del penetrador Ac como
una función de la profundidad de la indentación. Para una punta de Berkovich
perfecta,
PRUEBAS DE DUREZA
3.1
Generalidades
La
dureza se define ingenierilmente como la resistencia a la penetración. Esta resistencia
es la función de las propiedades mecánicas del material, sobre todo de su límite
elástico y, en menor grado, de su tendencia al endurecimiento de trabajo, y del
módulo de elasticidad. Si se tiene un material de composición dada, y se conoce
su historial, se puede relacionar el límite elástico (para fines prácticos, el
esfuerzo de cedencia) con la resistencia a la tensión, la ductilidad y la tenacidad.
Por tanto, las pruebas de dureza pueden proporcionar datos de los que se pueden
derivar muchas propiedades mecánicas importantes. Y, puesto que las pruebas de
dureza se pueden llevar a cabo fácil y rápidamente, se usan ampliamente y se emplean
para controlar procesos, así como para inspeccionar y determinar la aceptación
de
materiales y componentes.
Las
pruebas de dureza comunes se basan en la aplicación lenta de una carga fija a
un muescador que se abre paso sobre la superficie lisa de la muestra. Una vez
que se quita la carga, se mide el área o bien la profundidad de la penetración,
lo cual indica la resistencia a la carga. A continuación se analizan tres
clases de pruebas.
3.2
Prueba de Brinell
La
prueba de Brinell se basa en cargas mecánicas o hidráulicas hasta de 3,000 kg,
que actúan a través de una bola de 10 mm de acero endurecido o de carburo. A
fin de compensar las variaciones en la respuesta de los materiales a la aplicación
de la carga, se debe especificar el tiempo que ésta se aplica. Para materiales duros,
tales como el acero, un período de carga de quince segundos es el apropiado.
Los
metales y las aleaciones más blandos, por ejemplo el bronce, requieren
alrededor de treinta segundos; y el magnesio, aproximadamente dos minutos.
Después de quitar la carga, el diámetro de la impresión hecha por la bola se
mide en milímetros. El número de dureza de Brinell, cuya abreviatura es BHN ,
es el cociente de la carga P , dividido por el área A de la impresión:
BHN
= P .
D-
(D 2 - d 2) π D /
2
en
donde D es el diámetro de la bola y d el de la impresión.
En
la práctica, el BHN se lee directamente en una tabla en la que se enumeran
valores diferentes de d para varios valores de P .
La
prueba de Brinell produce una impresión grande en la superficie de la pieza
probada. Cuando no se pueda tolerar una impresión tan grande ( y a menudo éste es
el caso), la prueba es destructiva. No obstante la impresión grande tiene la ventaja
de que proporciona resultados más representativos que los de una impresión pequeña,
la cual sería más sensible a heterogeneidades locales de suavidad y dureza. La
magnitud de la impresión hace también que la prueba sea menos sensible a la
presencia de escamas y acabado áspero, que cuando se efectúan pruebas a base de
muescas pequeñas.
3.3
Pruebas de Rockwell
Las
pruebas de Rockwell dependen de la medición de la profundidad diferencial de
una deformación permanente, producida por la aplicación y la eliminación de
cargas diferenciales. Se usan varias combinaciones de penetrador y carga, para
adaptar las distintas pruebas de Rockwell a materiales de diversa dureza y
espesor. Entre los penetradores se incluyen diamantes de forma cónica,
conocidos como Brale, y bolas de acero duro, cuyos diámetros varían 1/16 a 1/2
pulgada. El diamante cónico tiene un ángulo de abertura de 120° y un radio de 0.2
mm, en la punta.
Las
pruebas Rockwell estándar requieren que se emplee una carga ligera de 10 kg,
para asentar firmemente el penetrador en la superficie de la muestra; esto se
conoce como carga menor. Después de la aplicación de la carga menor, se pone a
cero el calibrador de profundidad y se aplica y se retira una carga mayor,
llamada carga principal. Mientras está; actuando todavía la carga menor, se
mide la profundidad de penetración permanente. El indicador de profundidad, que
sirve para medir la penetración, se calibra en forma tal que su lectura se haga
directamente en índices de dureza, en vez de pulgadas. Las cargas más usuales
para las pruebas
Rockwell
están dar son de 60, 100 y 150 Kg.
Las
pruebas Rockwell superficiales se utilizan para medir la dureza de muestras
delgadas y de otras que sólo tienen una capa delgada de endurecimiento superficial
( que se conoce como cápsula) sobre una base blanda (llamada núcleo). Los penetradores
existentes para las pruebas superficiales son los mismos que los que se emplean
para las pruebas estándar. Las cargas para las pruebas superficiales son mucho
más ligeras que para pruebas estándar; la carga menor es de 3 kg y la mayor de
15, 30 ó 45 kg.
La amplia
gama de combinaciones de penetradores y cargas permite la adaptación de la
prueba Rockwell a una variedad igualmente amplia de materiales de diversas
durezas. El penetrador de diamante permite probar fácilmente los aceros más
duros, y las bolas grandes permiten probar materiales blandos e, incluso,
plásticos. En general, se considera que las pruebas de Rockwell no son destructivas,
ya que las cargas ligeras y los pequeños penetradores producen impresiones
diminutas; sin embargo, a causa de la pequeñez de las impresiones, deben
tomarse varias lecturas para obtener un resultado representativo. Además, cuanto
menores sean las impresiones tanto mayor debe ser el cuidado que se tenga al preparar
la superficie.
No
obstante los esfuerzos especiales necesarios para preparar la superficie, la prueba
Rockwell es más sencilla y se realiza con mayor rapidez que la de Brinell.
Aunque la
uperficie de la muestra debe ser plana, si se quieren
obtener los resultados óptimos, en las superficies no planas, la prueba de Rockwell
da mejores resultados que la de Brinell.
3.4
Pruebas con penetrador piramidal
Es
difícil la medición del diámetro de la impresión hecha con la bola de Brinell.
La ventaja de un penetrador piramidal sobre el de bola, reside en la facilidad
relativa con que se mide la diagonal de la impresión. En la prueba de dureza de
Vickers se utiliza como penetrador un diamante tallado en forma de pirámide de
base cuadrada invertida. Se aplican cargas ligeras por medio de un sistema de
pesas y palancas. La impresión de la prueba de Vickers se mide utilizando un
microscopio y es tan pequeña que se la puede considerar como una medición semimicroscópica
de dureza. En la prueba de dureza de Tukon se utiliza una pirámide que produce
impresiones largas, estrechas y en forma de diamante. Este penetrador se llama
penetrador o indentador de Knoop.
La
impresión larga puede medirse con mayor precisión que las diagonales iguales y
más cortas de las impresiones cuadradas de Vickers( Fig 3.36). El penetrador de
Knoop (Fig 3.37) se emplea para pruebas reales de microdureza. Puede usarse
para comparar la dureza de diferentes fases en aleaciones de fases múltiples,
para medir la dureza de granos individuales y de varias porciones de un mismo
grano. La dureza de Vickers se calcula dividiendo la carga por el área
proyectada de la impresión. En la práctica, el índice de dureza se determina a partir
de tablas de carga y mediciones diagonales.
3.5
Precauciones que deben tomarse en las
pruebas
de dureza
3.5.1
Preparación de la superficie
La
superficie de las muestras se debe preparar con cierto esmero. Esta preparación
depende del tamaño de la impresión que se produzca, de modo que para la prueba
de Brinell es apropiada una superficie desbastada o, incluso, con costras de
óxido.
Las
pruebas de Rockwell requieren una superficie esmerilada o finamente labrada a máquina
y para las pruebas de Vickers y Tukon, es preferible que las muestras sean pulidas
y atacadas químicamente. El ataque químico elimina las capas superficiales que sufrieron
endurecimiento de trabajo durante el labrado a máquina, el esmerilado y el
pulido.
Debido
a estas capas superficiales se obtienen índices de dureza erróneamente
elevados, en las impresiones de tamaño
microscópico.
Bibliografía
materiales
de construccion. (s.f.). Recuperado el 22 de noviembre de 2014, de
materiales de construccion:
www.3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/durezam4.htm
Rincon
del vago. (s.f.). Recuperado el 22 de Noviembre de 2014, de Rincon
del vago: www.html.rincondelvago.com/tratamientos-termicos_1.html
Wikipedia.
(s.f.). Recuperado el 22 de Noviembre de 2014, de Wikipedia:
www.es.m.Wikipedia.org/wiki/Dureza
Wikipedia.
(s.f.). Recuperado el noviembre de 22 de 2014, de Wikipedia:
www.es.m.Wikipedia.org/wiki/Tratamiento_termico.com
