La dureza es la calidad de un material para soportar la deformación localizada. Puede ser especialmente importante cuando se busca un material adecuado para un entorno que incluya pequeñas partículas que puedan inducir el desgaste del material. Los materiales blandos sufren hendiduras, mientras que los duros resisten cualquier cambio de forma.
La dureza debe considerarse en contexto con otras propiedades del material, como resistencia, elasticidad, etc. Por ejemplo, muchos materiales duros tienden a ser frágiles, lo que limita sus casos de uso.
En este artículo, analizaremos más de cerca qué es la dureza del material, cómo se mide y cómo comparar las diferentes unidades.
¿Qué Es la Dureza de los Materiales?La dureza
es la medida de la resistencia de un material a la deformación permanente localizada. La deformación permanente también se denomina deformación plástica. Mientras que la deformación elástica significa que un material cambia de forma solo durante la aplicación de la fuerza, una deformación plástica resultante significa que el material no volverá a su forma original.
Algunos materiales son naturalmente duros. Por ejemplo, el tungsteno es un metal increíblemente duro que se usa como elemento de aleación en aceros para herramientas. Esto garantiza que este grupo de aceros pueda resistir el desgaste incluso a altas temperaturas durante las operaciones de corte.
Carburo cementado, que encuentra mucho uso en fresas, también incluye a menudo tungsteno. Estas brocas de herramientas de corte reemplazables alargan considerablemente la vida útil de las herramientas de corte.
Por otro lado, algunos materiales, incluidos los metales, son blandos hasta el punto de que los hace inútiles para muchas aplicaciones. El oro puro es tan suave que rayarlo o doblarlo no necesita mucho esfuerzo. Por lo tanto, la adición de otros metales como la plata, el cobre y el aluminio es esencial para mejorar su dureza.
Con algunos materiales, el tratamiento térmico es una posibilidad de inducir una mayor dureza de la superficie mientras se mantienen las otras cualidades del metal en su núcleo. Los ejes de la máquina a menudo se someten a este proceso para garantizar una vida útil más larga.
Un ingeniero también debe considerar la relación de dureza al crear un concepto de diseño de producto. Por ejemplo, en un ajuste de cojinete y eje, el cojinete tiene que ser más suave porque es más fácil reemplazarlo. Con un movimiento constante, una parte tiene que desgastarse y la elección depende del ingeniero.
Tipos de dureza
Los materiales se comportan de manera diferente bajo diferentes tipos de carga. Por ejemplo, un metal que puede soportar un impacto de una sola vez extremadamente bien puede no actuar de la misma manera durante la carga continua.
Se deben realizar pruebas de dureza para cada caso, de modo que se pueda hacer una elección bien informada para la aplicación.
Los tres tipos de dureza son dureza de rayado, rebote y sangría. La medición de cada tipo de dureza requiere un juego de herramientas diferente. Además, el mismo material tendrá diferentes valores de dureza para cada uno de los tipos mencionados anteriormente.
Dureza de indentación
Este tipo de dureza se refiere a la resistencia a la deformación permanente al someter un material a una carga continua.
Dureza de indentación es a lo que los ingenieros y metalúrgicos generalmente se refieren cuando hablan de dureza. La medición de su valor es de interés primario, ya que la carga continua es la forma más común de carga a la que se someten los metales.
Dureza al rayado
Este tipo de dureza se refiere a la capacidad de un material para resistir arañazos en la superficie. Los arañazos son hendiduras estrechas y continuas en la capa superior debido al contacto con un material afilado y más duro.
La prueba de rayado también se usa comúnmente para materiales frágiles como la cerámica, ya que no sufren una deformación plástica significativa. Es importante tener en cuenta la dureza a los arañazos, ya que algunas aplicaciones de materiales son muy sensibles a las marcas.
Considere el caso de un revestimiento de cilindro de motor como ejemplo. El rayado o la puntuación pueden tener lugar debido a varias razones. La superficie del revestimiento entra en contacto con una variedad de metales, como aros de pistón, partículas extrañas en el combustible o el aceite lubricante. A veces, el asiento inadecuado del revestimiento puede contribuir a ello.
Las partículas abrasivas pueden causar arañazos que, en última instancia, degradan el rendimiento del motor y cuestan más en mantenimiento, piezas de repuesto y consumo de combustible a largo plazo.
En la etapa de diseño, la selección de metal adecuada considera la dureza de los materiales con los que entrará en contacto. La dureza del revestimiento debe ser mayor que los materiales con los que interactuará. Esto ayuda a evitar muchos problemas posibles.
Dureza de rebote o dinámica
La dureza de rebote tiene más que ver con la dureza elástica que con la dureza plástica. El material absorbe la energía en el impacto y la devuelve al penetrador.
Un indentador es un material de referencia utilizado para pruebas de dureza. La dureza dinámica generalmente se mide dejando caer un martillo con punta de diamante en la pieza de prueba y registrando el rebote del martillo después de que golpea la superficie.
Cuanto más cerca esté la altura a la altura de caída original, mayor será el valor de dureza de rebote.
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la Dureza Diferente Unidades
La unidad SI de la dureza es N/mm2. Por lo tanto, la unidad Pascal también se utiliza para la dureza, pero la dureza no debe confundirse con la presión.
Los diferentes tipos de dureza discutidos anteriormente tienen diferentes escalas de medición. Para dureza de rayado, sangrado y rebote, los métodos de medición varían (por ejemplo, Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb y Meyer). Como las unidades se derivan de estos métodos de medición, no son adecuadas para la comparación directa.
Sin embargo, siempre puede usar una tabla de conversión para comparar los valores de Rockwell (B & C), Vickers y Brinell. Tablas como estas no son 100% precisas, pero dan una buena indicación.
| Brinell Hardness | Rockwell | Rockwell | Vickers | N/mm² |
| HB | HRC | HRB | HV | |
| 469 | 50 | 117 | 505 | |
| 468 | 49 | 117 | 497 | |
| 456 | 48 | 116 | 490 | 1569 |
| 445 | 47 | 115 | 474 | 1520 |
| 430 | 46 | 115 | 458 | 1471 |
| 419 | 45 | 114 | 448 | 1447 |
| 415 | 44 | 114 | 438 | 1422 |
| 402 | 43 | 114 | 424 | 1390 |
| 388 | 42 | 113 | 406 | 1363 |
| 375 | 41 | 112 | 393 | 1314 |
| 373 | 40 | 111 | 388 | 1265 |
| 360 | 39 | 111 | 376 | 1236 |
| 348 | 38 | 110 | 361 | 1187 |
| 341 | 37 | 109 | 351 | 1157 |
| 331 | 36 | 109 | 342 | 1118 |
| 322 | 35 | 108 | 332 | 1089 |
| 314 | 34 | 108 | 320 | 1049 |
| 308 | 33 | 107 | 311 | 1035 |
| 300 | 32 | 107 | 303 | 1020 |
| 290 | 31 | 106 | 292 | 990 |
| 277 | 30 | 105 | 285 | 971 |
| 271 | 29 | 104 | 277 | 941 |
| 264 | 28 | 103 | 271 | 892 |
| 262 | 27 | 103 | 262 | 880 |
| 255 | 26 | 102 | 258 | 870 |
| 250 | 25 | 101 | 255 | 853 |
| 245 | 24 | 100 | 252 | 838 |
| 240 | 23 | 100 | 247 | 824 |
| 233 | 22 | 99 | 241 | 794 |
| 229 | 21 | 98 | 235 | 775 |
| 223 | 20 | 97 | 227 | 755 |
| 216 | 19 | 96 | 222 | 716 |
| 212 | 18 | 95 | 218 | 706 |
| 208 | 17 | 95 | 210 | 696 |
| 203 | 16 | 94 | 201 | 680 |
| 199 | 15 | 93 | 199 | 667 |
| 191 | 14 | 92 | 197 | 657 |
| 190 | 13 | 92 | 186 | 648 |
| 186 | 12 | 91 | 184 | 637 |
| 183 | 11 | 90 | 183 | 617 |
| 180 | 10 | 89 | 180 | 608 |
| 175 | 9 | 88 | 178 | 685 |
| 170 | 7 | 87 | 175 | 559 |
| 167 | 6 | 86 | 172 | 555 |
| 166 | 5 | 86 | 168 | 549 |
| 163 | 4 | 85 | 162 | 539 |
| 160 | 3 | 84 | 160 | 535 |
| 156 | 2 | 83 | 158 | 530 |
| 154 | 1 | 82 | 152 | 515 |
| 149 | 81 | 149 | 500 |
En todas estas escalas, un material duro tendrá un mayor número de dureza.
Las unidades comúnmente utilizadas para la medición de dureza son:
- Número de dureza Brinell (HB)
- Número de dureza Vickers (HV)
- Número de dureza Rockwell (HRA, HRB, HRC, etc.)
- Valor de dureza Leeb (HLD, HLS, HLE, etc.)
Dureza de medición
Los diversos tipos de dureza se miden utilizando diferentes métodos de ensayo. Una característica común entre todos los métodos es el uso de un penetrador para crear la sangría en el área de superficie de la pieza de prueba. La hendidura proporciona una representación tangible de la dureza de los materiales y es fácil de medir y replicar.
Los materiales más duros tendrán hendiduras poco profundas y los materiales más blandos tendrán hendiduras más profundas.
Prueba de dureza Brinell
Prueba de dureza Brinell
La prueba Brinell fue una de las primeras pruebas de dureza ampliamente aceptadas para la medición de la dureza de la indentación. En la prueba Brinell, se utiliza una bola de acero de 10 mm de diámetro como penetrador para crear una impresión en la pieza de prueba para calcular su número de dureza Brinell.
La pelota se mantiene en su lugar durante un tiempo predeterminado, generalmente 30 segundos, y se aplica una fuerza sobre la pelota. Esta fuerza variará dependiendo del metal de prueba que se esté midiendo.
La carga estándar es de 3000 kg, pero puede reducirse a 500 kg para metales más blandos. Para metales más duros, se puede usar una bola de carburo de tungsteno para evitar la distorsión de la bola. La unidad de dureza HB (o HBN) se cambiará a HBW en caso de tungsteno para notificar su uso (Tungsteno=Wolframio en alemán/sueco).
Al retirar el penetrador, la abolladura se observa con un microscopio de baja potencia y el tamaño se calcula tomando el promedio de las mediciones en ángulo recto.
Al finalizar la prueba Brinell, el número de dureza se calcula de la siguiente manera:
, donde
fuerza F, N
Diámetro del penetrador D, mm
diámetro de la sangría d, mm
Rockwell Prueba de dureza
Prueba de dureza Rockwell
La prueba de dureza Rockwell es el método más utilizado para mediciones de dureza de indentación. El valor de la dureza Rockwell se acompaña de la escala utilizada.
Dependiendo del material que se esté probando, se debe seleccionar una escala adecuada. Esta escala de dureza proporciona información sobre el tipo de combinación de penetrador-carga utilizada.
Hay un total de 30 escalas disponibles para elegir. Esto es lo que hace de Rockwell una prueba de referencia para medir la dureza de una amplia gama de materiales. Incluso es posible realizar mediciones de dureza de materiales cerámicos y compuestos. Las escalas más utilizadas son «B» y «C».
En el ensayo de dureza Rockwell, antes de aplicar la carga de prueba, se aplica una pequeña carga menor para asentar el penetrador en la probeta y eliminar el efecto de cualquier irregularidad de la superficie. Esto proporciona una mayor precisión.
Luego, similar a la prueba Brinell, el penetrador se utiliza para crear una impresión en el material aplicando la carga de prueba también conocida como carga mayor. A continuación, se mide la impresión para determinar la dureza. Se utiliza un manómetro para registrar la deformación.
El aumento neto en la dimensión de la abolladura (entre la aplicación de la carga menor y mayor) se considera para calcular el valor de dureza.
Es necesario especificar la velocidad de carga. En metales blandos, las velocidades variables de aplicación de carga pueden producir una diferencia apreciable en el valor final. Es importante controlar cuidadosamente que la velocidad de carga esté de acuerdo con la norma.
La fórmula para la dureza Rockwell es:
, donde
Factor de escala N en función de la escala utilizada
factor de escala s en función de la escala utilizada
d – profundidad de indentación permanente en comparación con carga menor, mm
Prueba de dureza Vickers
Prueba de dureza Vickers
La tercera forma de medir la dureza del material es utilizando la prueba Vickers. Esto es especialmente adecuado para materiales más blandos que no necesitan cargas elevadas. Con materiales blandos, el método Vickers proporciona una mayor precisión.
Además, calcular el valor de dureza es más fácil, ya que Vickers utiliza el mismo penetrador de diamante para todos los materiales. Por lo tanto, no es necesario ajustar la fórmula.
Otra característica importante es el uso de una lupa, que permite probar áreas con una microestructura específica.
Primero, el probador tiene que colocar la pieza en la máquina y usar el microscopio para encontrar la altura adecuada. Luego, utilizando las imágenes, se determina el lugar correcto.
El penetrador de diamante tiene la forma de una pirámide de cuatro lados. Después de tocar la pieza, la máquina pronto alcanza el valor de fuerza predeterminado. Permanece en la misma carga durante un cierto tiempo.
A continuación, se realiza la medición de la sangría. Para calcular el valor de dureza Vickers se utiliza la siguiente fórmula:
, donde
fuerza F, N
diagonal de sangría d, mm
Prueba de dureza Mohs
Prueba de dureza de MOHS
El mineralogista alemán Mohs ideó por primera vez la prueba de dureza de Mohs para medir la dureza a los arañazos de los materiales. En esta prueba, el material se raya con un material de referencia que tiene una dureza definida.
Se asigna un valor numérico de dureza al material de ensayo en función de los resultados del ensayo. La prueba de dureza Mohs utiliza 10 materiales de referencia de dureza variable como escala para la prueba.
El material más blando utilizado es el talco (valor = 1) y el material más duro es el diamante (valor=10). Dado que las referencias utilizadas para la escala de Mohs no tienen un aumento gradual, la escala de Mohs carece de precisión y es solo una medida aproximada de dureza.
Hoy en día, las pruebas de rayado modernas se llevan a cabo utilizando indentadores de diamante Rockwell rayando la pieza de prueba para una longitud específica presionada por el valor de carga seleccionado.
Prueba de escleroscopio
Prueba de dureza de rebote
Un escleroscopio es un dispositivo utilizado para medir el rebote o la dureza dinámica de los materiales. La configuración consiste en un tubo de vidrio vertical hueco conectado a un soporte. A través de este tubo, se deja caer un martillo de diamante sobre la pieza de prueba y se registra el rebote del martillo.
El martillo de diamante se deja caer desde una altura fija bajo su propio peso. Al entrar en contacto con la pieza de prueba, el martillo rebota. Este rebote será mayor para materiales con mayor dureza.
El rebote será menor para un metal blando, ya que una parte de la energía de impacto se agotará al crear una abolladura en la superficie de prueba. El tubo de vidrio tiene gradientes para medir la altura del rebote. La dureza de rebote se mide en unidades de tierra.