Ensayos de dureza

Acerca de los ensayos de dureza

La dureza de un material puede definirse como "la resistencia que el material exhibe contra la deformación permanente ocasionada por la penetración de otro material de mayor dureza". La dureza no es una propiedad fundamental de un material y su valor cuantitativo debería evaluarse siempre en relación a:

  • una carga dada en un penetrador
  • un perfil de tiempo de carga específico y una duración de carga específica
  • una geometría de penetrador específica

El propósito principal de un ensayo de dureza es determinar la idoneidad de un material, o el tratamiento concreto al cual el material ha sido sometido.

Cómo realizar un ensayo de dureza

El ensayo de dureza suele llevarse a cabo midiendo la profundidad de penetración del penetrador (Rockwell, ensayo de penetración instrumentado, dureza de penetración de bola) o bien midiendo el tamaño de una impresión dejada por un penetrador (Vickers, Knoop y Brinell).

El método de ensayo de dureza por penetración más adecuado dependerá de la microestructura de los materiales; es decir, de la homogeneidad del material. Es importante que el material, bajo la penetración realizada por el ensayo de dureza, sea representativo de la totalidad de la microestructura, salvo que la tarea sea estudiar los diferentes constituyentes presentes en la microestructura. Esto significa que si una microestructura es muy tosca y hetereogénea, se necesitará una mayor impresión que para un material homogéneo.

 

Cómo seleccionar el método del ensayo

Cuando se seleccione un método, deberá considerarse:

  • El tipo de material que se someterá al ensayo
  • Si es necesario cumplir alguna normativa concreta
  • La dureza aproximada del material
  • Homogeneidad/Heterogeneidad del material
  • El tamaño de la pieza
  • Si se necesita embutición
  • La cantidad de muestras que se someterán a un ensayo
  • La precisión necesaria del resultado

Los cuatro ensayos de dureza por penetración más comunes

Rockwell

Rockwell

Rockwell es un método rápido, desarrollado para el control de producción, y que cuenta con una lectura directa de los resultados. La dureza Rockwell (HR) se calcula midiendo la profundidad de la penetración después de haber forzado un penetrador en un material de muestra a una carga dada.

Vickers

Vickers

La dureza Vickers (HV) se calcula midiendo las longitudes diagonales causadas por una penetración realizada a través de introducir un penetrador piramidal de diamante con una carga dada en un material de muestra. El tamaño de las diagonales de la penetración se lee ópticamente a fin de determinar la dureza usando una tabla o fórmula.

Knoop

Knoop

La dureza Knoop (HK) es una alternativa a los ensayos Vickers dentro del rango de microdurezas, cuya finalidad es la de principalmente superar las fracturas en los materiales quebradizos (como, por ejemplo, la cerámica), así como para también facilitar los ensayos en capas finas. El penetrador es un diamante piramidal asimétrico. El tamaño del penetrador está basado en la medida de una diagonal longitudinal que se lee ópticamente a fin de determinar la dureza.

Brinell

Brinell

La penetración Brinell ofrece una impresión de un tamaño relativamente grande con una bola de carbón de tungsteno de denominación HBW, siendo W el símbol químico del tungsteno. El tamaño de la penetración se lee ópticamente a fin de determinar la dureza. Las aplicaciones típicas son los forjados y los fundidos cuyos elementos estructurales son de gran tamaño e inhomogéneos o cuyas estructuras son demasiado toscas para someterse a otros métodos (Rockwell/Vickers) y obtener un resultado representativo.

Factores influyentes

El resultado de la dureza está influido por varios factores. Cuanto menor sea la carga que se utilice en el ensayo de dureza, más factores será necesario controlar, algunos de los cuales pasamos a comentar a continuación.

  • Deberán controlarse los factores externos como la luz, la suciedad, las vibraciones, la temperatura y la humedad.
  • También deberán garantizarse las condiciones previas de los ensayos, como, por ejemplo, una mesa sólida para el yunque y el durómetro, o que el soporte o sujeción de la muestra sea la apropiada mediante un portamuestras o un yunque. El penetrador debería estar en posición perpendicular con relación a la superficie que se somete al ensayo.
  • Durante el ensayo, la configuración relativa a la iluminación deberá ser constante siempre que se apliquen los ensayos de dureza Vickers, Knoop o Brinell.
  • Será necesario recalibrar/verificar el durómetro cada vez que se cambie el penetrador o la lente de objetivo.
Factores que influyen en los ensayos de dureza

Requisitos de la preparación

El estado en que necesariamente deberá encontrarse la superficie dependerá del tipo de ensayo y de carga que se empleen.

Por norma general, la superficie de suelo será suficiente para realizar ensayos de macrodureza, y a veces ni tan solo se precisará preparación alguna. Los ensayos de microdureza requieren una superficie pulida o electropulida. Es importante que los bordes/esquinas de una impresión que se evalúe ópticamente sean claramente visibles.

En el rango de microdurezas, cuanto menor sea la carga utilizada durante el ensayo de dureza, mayores serán los requisitos relativos a la preparación de la superficie. Esta puede realizarse mecánica, química o electroquímicamente. Es importante que, durante la preparación, no se induzca ningún cambio en las propiedades de la superficie de la muestra debido al calor o al trabajo en frío.

Deformaciones
Será necesario eliminar las deformaciones introducidas durante los procesos de corte y esmerilado; para ello, deberá realizarse un pulido a 6, 3 o 1 μm dependiendo de la carga del ensayo. En caso de cargas muy pequeñas, de menos de 300 gf1, la superficie deberá estar totalmente libre de deformaciones y será necesario realizar un pulido con óxido, o incluso un pulido electrolítico, en las muestras a fin de obtener una superficie totalmente libre de daños. También será necesario tener en cuenta que los materiales blandos y/o dúctiles (es decir, de una HV de menos de 120-150) son más sensibles a la hora de introducir artefactos en la preparación.

En general, no obstante, puede decirse que la variación del resultado de la dureza medida está directamente relacionada con la calidad de la preparación de la superficie. Por este motivo, antes de tomar una decisión sobre la superficie inferior, será una buena idea tener en cuenta la compensación entre la calidad de la superficie y la variación en el resultado del ensayo.

Referencia: 1 Metallography and practice, George F. Vander Voort

En la tabla a continuación se describen los requisitos de preparación para los diferentes ensayos de dureza:

HAT

Cargas en ensayos de dureza

  • El término "ensayo de microdureza" suele usarse cuando las cargas de penetración son inferiores o iguales a 1 kgf.
  • El término "ensayo de macrodureza" se usa cuando las cargas son superiores a 1 kgf. Si las normativas lo permiten, use la mayor carga/fuerza posible para el penetrador más grande y, por lo tanto, la más alta precisión.

Oficialmente, las cargas aplicadas deberán expresarse en Newton (N). No obstante, históricamente las cargas se expresan en kilogramo-fuerza (kgf), gramo-fuerza (gf) o libra (p). La correlación entre kgf, kp y N es: 1 kgf = 1000 gf = 1 kp = 9,81 N

Las cargas que se usan en cada uno de los cuatro métodos para materiales metálicos* cumplen con las diferentes normas ISO y ASTM:

Tabla 2 de método de ensayo de dureza.
Espaciamiento del penetrador en el ensayo de dureza.

Espaciamiento del penetrador.

Durante los ensayos de dureza, la penetración deformará el material circundante y alterará sus propiedades. A fin de evitar malas interpretaciones sobre la dureza percibida, las normativas prescriben una cierta distancia entre los múltiples penetradores.

Ejemplo
Para el acero, el cobre y las aleaciones de cobre, los penetradores Vickers deberán espaciarse como mínimo 3 anchuras diagonales, mientras que en el caso del plomo, el zinc, el aluminio y la hojalata, el espaciamiento entre penetradores deberá ser de como mínimo 6 anchuras diagonales.

Resolución de problemas

Problema

Puede resultar difícil obtener superficies planas-paralelas durante la preparación. Asimismo, el penetrador debería estar en posición perpendicular con relación a la superficie que se somete al ensayo. En los ensayos de dureza Vickers, las diagonales medidas no deberían desviarse más de un 5 % las unas de las otras. En los ensayos Knoop, las dos mitades de las diagonales largas no deberán diferir en más de un 10 % la una de la otra.

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Solución:

Si la desviación no se debe a la anisotropía en el material, la mejor solución será usar un método de   sujeción que fije la muestra para que el penetrador penetre en la superficie perpendicularmente. En caso de no disponer de  ninguna sujeción, asegúrese de que la preparación mecánica de las muestras genere superficies planas-paralelas.
Si el acabado de la superficie de una muestra es demasiado rugoso, podría ser problemático evaluar las  esquinas de un penetrador, especialmente si se usa un equipo automático. Cuando se realice un ensayo de dureza  automático, los arañazos causados durante la preparación podrían provocar lecturas incorrectas en el tamaño del penetrador.
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Solución:

Use una superficie pulida; los requisitos de la superficie dependerán de la carga aplicada y la dureza   del material, ya que, cuanto más blando sea el material, mejor pulido tendrá que estar. Consulte los requisitos de la Preparación  en la sección sobre Cómo realizar un ensayo de dureza, y encuentre un método de preparación adecuado  para el material en el e-metalog.
Si la muestra no está bien limpia después de haberse realizado la preparación mecánica, y se realiza una lectura óptica del ensayo de dureza, la lectura automática podría causar una interpretación errónea de las esquinas del penetrador.
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Solución:

Asegúrese siempre de que las muestras estén bien limpias, ya que de lo contrario los contaminantes  como la suciedad o las fibras procedentes del paño de pulido podrían complicar la lectura.
En muestras con un ataque elevado, podría resultar difícil evaluar las esquinas de un penetrador, lo cual podría darnos un valor de dureza menos preciso.
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Solución:

El ataque deberá evitarse en la medida de lo posible, ya que resulta en una superficie menos reflectante. Si el ataque  fuera necesario, entonces sería preferible usar un ataque ligero que permitiera discriminar las  esquinas del penetrador. A veces, podría ser necesario realizar un ataque, por ejemplo, cuando se evalúa una soldadura.
La dureza resulta ser superior a lo esperado.
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Solución:

Compruebe las normas relativas al espaciamiento correcto entre penetradores para cada ensayo de dureza. Si las penetraciones  están demasiado cerca las unas de las otras, podría generarse un endurecimiento del estrés.
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