ENSAYOS DE DUREZA

El ensayo de dureza es un elemento clave en múltiples procedimientos de control de calidad y en trabajos de I+D.

¿Qué es un ensayo de dureza? ¿Cómo puede seleccionar el mejor método para un ensayo de dureza? ¿Cuál es la mejor aplicación para el ensayo de dureza? ¿Y cómo podemos extraer conclusiones de los ensayos de dureza? Las siguientes páginas responden a estas preguntas, entre otras.

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¿Cuál es la definición de "ensayo de dureza"?

La aplicación del ensayo de dureza le permite evaluar las propiedades de un material, tales como su fuerza, ductilidad y resistencia al desgaste. También le ayuda a determinar si un material o el tratamiento de un material es adecuado para el propósito deseado.

El ensayo de dureza se define como "una evaluación que permite determinar la resistencia de un material a la deformación permanente mediante la penetración de otro material más duro". No obstante, la dureza no es una propiedad fundamental de un material. Sin embargo, cuando se extraen conclusiones de un ensayo de dureza, siempre se debe evaluar el valor cuantitativo en relación con:

La carga aplicada en el penetrador
Un perfil de tiempo de carga específico y una duración de carga específica
Una geometría de penetrador específica

¿Cómo se realizan los ensayos de dureza?

Por lo general, un ensayo de dureza consiste en presionar un objeto (penetrador) con unas medidas y una carga concretos sobre la superficie del material a evaluar. La dureza se determina al medir la profundidad de penetración del penetrador o bien midiendo el tamaño de la impresión dejada por el penetrador.

Los ensayos de dureza que miden la profundidad de penetración de dicho objeto son: Rockwell, ensayo de penetración instrumentado, y dureza de penetración de bola
Los ensayos de dureza que miden el tamaño de la impresión dejada por el penetrador son: Vickers, Knoop y Brinell

SELECCIÓN DEL MEJOR MÉTODO DE ENSAYO DE DUREZA

Cómo seleccionar el método del ensayo

El ensayo de dureza elegido debería basarse en la microestructura –p. ej.: la homogeneidad– del material que evalúe, así como el tipo de material, el tamaño de la pieza y su estado.

En todos los ensayos de dureza, el material bajo la penetración debería ser representativo de la totalidad de la microestructura (salvo que la tarea sea estudiar los diferentes componentes presentes en la microestructura). Por consiguiente, si una microestructura es muy tosca y heterogénea, se necesitará una impresión mayor que para un material homogéneo.

Existen cuatro ensayos de dureza a destacar, cada uno con sus respectivas ventajas y requisitos. Existen diferentes estándares para estos ensayos, que explican los procedimientos y la aplicación del ensayo de dureza en detalle.

Al seleccionar un método de ensayo de dureza, es importante considerar lo siguiente:

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

Los cuatro ensayos de dureza por penetración más comunes

El ensayo de dureza Rockwell

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

Por lo general, se usa en geometrías de muestras de mayor tamaño
Un "ensayo rápido" utilizado principalmente con materiales metálicos
Se suele utilizar en ensayos avanzados, como el ensayo Jominy (extremo templado) (HRC)

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El ensayo de dureza Vickers

Vickers es un ensayo de dureza para todos los materiales sólidos, incluyendo los materiales metálicos. La dureza Vickers (HV) se calcula midiendo las longitudes diagonales causadas por una penetración realizada al introducir un penetrador piramidal de diamante con una carga concreta 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.

Este ensayo de dureza se utiliza para evaluar todos los materiales sólidos, incluyendo los metálicos
Es adecuado para un amplio rango de aplicaciones
Incluye un subgrupo de ensayos de dureza de soldaduras

Obtener más información sobre el ensayo de dureza Vickers

El ensayo de dureza Knoop

La dureza Knoop (HK) es una alternativa a los ensayos Vickers dentro del rango de evaluación de microdureza. Se utiliza básicamente para superar las fracturas en los materiales quebradizos, y para facilitar los ensayos de dureza en las capas finas. El penetrador es un diamante piramidal asimétrico, y la indentación se calcula midiendo ópticamente la longitud de la diagonal larga.

Se usa para materiales duros y quebradizos, como la cerámica
Está especialmente indicado para áreas pequeñas y alargadas, como los recubrimientos

Obtener más información sobre el ensayo de dureza Knoop

El ensayo de dureza Brinell

El ensayo de dureza Brinell se utiliza para muestras de mayor tamaño con una estructura de grano grande o irregular. La penetración del ensayo de dureza Brinell (HBW) deja una impresión relativamente grande al utilizar la bola de carburo de tungsteno. El tamaño de la penetración se lee ópticamente.

Se utiliza para materiales con una estructura de grano grande o irregular
Se utiliza para muestras de gran tamaño
Es idóneo para forjados y fundidos cuyos elementos estructurales son de gran tamaño

Obtener más información sobre el ensayo de dureza Brinell

CÓMO GARANTIZAR LA PRECISIÓN Y REPETIBILIDAD EN EL ENSAYO DE DUREZA

La aplicación correcta del ensayo de dureza requiere una preparación y una ejecución exhaustivas. No obstante, una vez que se establecen los principios básicos, la mayoría de los ensayos de dureza ofrecen una precisión y una repetibilidad adecuadas.

Factores que afectan al ensayo de dureza

Existen varios factores que afectan a los resultados de los ensayos de dureza. En términos generales, cuanto menor sea la carga utilizada en el ensayo de dureza, mayor será el número de factores que deberá controlarse para garantizar una conclusión precisa del ensayo de dureza.

A continuación se citan algunos de los factores más importantes a considerar para obtener una conclusión precisa del ensayo de dureza.

Deberán controlarse factores externos como: luz, suciedad, vibraciones, temperatura y humedad.
También se dispondrá de una mesa horizontal sólida para el durómetro, así como un soporte o sujeción de la muestra apropiado mediante un portamuestras o un yunque
El penetrador deberá estar en posición perpendicular respecto a la superficie sometida al ensayo
La configuración de la iluminación deberá ser constante durante 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

Requisitos de preparación de la superficie para el ensayo de dureza

Antes de realizar el ensayo de los materiales metálicos u otros materiales, debe preparar la superficie. El estado en que deberá encontrarse la superficie dependerá del tipo de ensayo y de la carga aplicada. En general, la calidad de preparación de la superficie afecta directamente al resultado del ensayo de dureza. Por ello, antes de tomar una decisión sobre la superficie inferior, se recomienda tener en cuenta la compensación entre la calidad de la superficie y la variación en el resultado del ensayo.

Ensayo de macrodureza
Por lo general, la superficie esmerilada es suficiente para realizar ensayos de macrodureza, y a veces ni siquiera se requiere dicha preparación.

Ensayo de microdureza
Debido a cargas inferiores utilizadas durante el ensayo de dureza, el ensayo de microdureza requiere una superficie pulida o electropulida. Es importante que los bordes/esquinas de una impresión evaluada ópticamente sean claramente visibles. Ésta se puede realizar mecánica, química o electroquímicamente. Es importante que no se introduzca ningún cambio en las propiedades de la superficie de la muestra debido al calor o al trabajo en frío.

Deformaciones

El corte y el esmerilado pueden introducir deformaciones. Éstas se pueden eliminar tras realizar un pulido a 6,0, 3,0 o 1,0 μm dependiendo de la carga del ensayo.

En caso de cargas 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 la siguiente tabla se describen los requisitos de preparación para los diferentes ensayos de dureza.

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DEFINICIÓN DE LAS CARGAS DE LOS ENSAYOS DE DUREZA

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: 1,0 kgf = 1.000 gf = 1,0 kp = 9,81 N.

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 máxima carga/fuerza posible para el penetrador más grande a fin de obtener la precisión más alta.

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

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ESPACIAMIENTO DEL PENETRADOR

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

Ejemplos de espaciamiento del penetrador en ensayos de dureza Vickers en materiales metálicos

Para acero, cobre y aleaciones de cobre: El espaciamiento entre los penetradores debe ser de al menos tres anchuras diagonales
Para plomo, zinc, aluminio y estaño: El espaciamiento entre los penetradores debe ser de al menos seis anchuras diagonales

RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN ENSAYOS DE DUREZA

Problema

Puede resultar difícil obtener superficies planas-paralelas durante la preparación del ensayo de dureza. Además, el penetrador debería estar en posición perpendicular respecto a la superficie sometida al ensayo. En los ensayos de dureza Vickers, las diagonales medidas no deberían desviarse más de un 5,0 % entre sí. En los ensayos de dureza Knoop, las dos mitades de las diagonales largas no deberán diferir en más de un 10,0 % entre sí.

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 actúe 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.

Solución:

Utilice una superficie pulida. Los requisitos de la superficie dependerán de la carga aplicada y la dureza del material; si el material es más blando, requerirá un pulido mayor. Consulte los requisitos de 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 se limpia correctamente 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.

Solución:

Asegúrese siempre de limpiar las muestras correctamente, ya que de lo contrario, contaminantes procedentes del paño de pulido (suciedad o fibras) 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.

Solución:

El ataque deberá evitarse en la medida de lo posible, ya que generará 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, al evaluar una soldadura.

La dureza resulta ser superior a lo esperado.

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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