Dureza

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión y el rayado.

Escalas de uso industrial

En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración de un indentador. 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:[1]

Durómetro
  • 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 medidas 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 un ensayo de dureza llevado a cabo a la escala de longitudes nanométricas. Se utiliza una punta pequeña para indentar el material objeto de estudio. 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 simultáneamente durante el proceso de indentación y por ello también se la denomina «nanoindentación instrumentada». 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 para la localización del area a estudiar. Sin embargo, a diferencia de los métodos de indentacion a macro y microescala, en la técnica de nanoindentación instrumentada no esposible medir directamente el área de la indentación.

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.

Oliver y Pharr inventaron un método para calcular el área proyectada de la indentación durante la máxima carga.[2] 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,

Sin embargo, en general la punta no perfecta, se desgasta y cambia de forma con cada uso. Por tanto, debe llevarse a cabo regularmente una calibración de la punta que se utiliza. Para ello es necesario encontrar la función relaciona el área Ac de la sección transversal del penetrador a máxima carga con la distancia de la punta hc que está en contacto con el material que se está indentando.

La profundidad total de la indentación h es la suma de la profundidad de contacto hc y la profundidad hs en la periferia de la indentación donde el indentador no hace contacto con la superficie del material, es decir,

donde,

Ɛ

Esquema de la curva carga-desplazamiento para una nanoindentación instrumentada

donde Pmax es la carga máxima y Ɛ es una constante geométrica igual a 0.75 para un penetrador de Berkovich. S es la rigidez al descargar, que se calcula en la curva de nanoindentación:

La dureza de un material determinada por la nanoindentación instrumentada se calcula entonces como:

La dureza (determinada por la nanoindentación) se reporta con unidades de GPa y los resultados de indentaciones múltiples por lo general se promedian para incrementar la precisión.

Este análisis permite el cálculo del módulo elástico y la dureza durante la carga máxima y es conocido como nanoindentación instrumentada; sin embargo, actualmente se emplea de modo normal una técnica experimental conocida como nanoindentación dinámica. Durante ésta, se superpone una carga oscilante pequeña sobre la carga total en la muestra. De esta manera, la muestra se descarga de manera elástica continuamente a medida que se incrementa la carga total. Esto permite mediciones continuas del módulo elástico y de la rigidez como una función de la profundidad de la indentación.

Escala usadas en mineralogía

En mineralogía se utiliza la escala de Mohs, creada por el alemán Friedrich Mohs en 1820, que mide la resistencia al rayado de los materiales.

Dureza Material Composición química
1Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)Mg3Si4O10(OH)2
2Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad)CaSO4·2H2O
3Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre)CaCO3
4Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)CaF2
5Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo)Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)
6Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero)KAlSi3O8
7Cuarzo, (raya el acero)SiO2
8Topacio,Al2SiO4(OH-,F-)2
9Corindón, (solo se raya mediante diamante)Al2O3
10Diamante, (el mineral natural más duro)C

A un nivel profesional, se utilizan en mineralogía, las escala de Rosiwal y de Knoop, ya que estas permiten realizar la valoración de medias con una cuantificación absoluta.

Equivalencia entre escalas de dureza

Lista de equivalencias aproximadas para escalas de dureza de aceros no austeníticos (en el rango de la escala Rockwell C):[3]

Equivalencia Factor
(para pequeñas cargas)
Acero (Matriz-Fe Cúbica centrada en el cuerpo) 3,5
Cu y sus aleaciones, templado 5,5
Cu y sus aleaciones, deformado en frío 4,0
Al y sus aleaciones 3,7
Dureza Rockwell C 150 kgf (HRC)Dureza Vickers (HV)Dureza Brinell, bola estándar de 10 mm, 3000 kgf (HBS)Dureza Brinell, bola de carburo de 10 mm, 3000 kgf (HBW)Dureza Knoop, 500 gf y mayor (HK)Dureza Rockwell, escala A, 60 kgf (HRA)Dureza Rockwell, escala D, 100 kgf (HRD)Dureza superficial Rockwell, escala 15N, 15 kgf (HR 15-N)Dureza superficial Rockwell, escala 30N, 30 kgf (HR 30-N)Dureza superficial Rockwell, escala 45N, 45 kgf (HR 45-N)Dureza escleroscopioDureza Rockwell C 150 kgf (HRC)
6894092085,676,993,284,475,497,368
6790089585,076,192,983,674,295,067
6686587084,575,492,582,873,392,766
65832-73984683,974,592,281,972,090,665
64800-72282283,473,891,881,171,088,564
63772-70579982,873,091,480,169,986,563
62746-68877682,372,291,179,368,884,562
61720-67075481,871,590,778,467,782,661
60697-65473281,270,790,277,566,680,860
5967463471080,769,989,876,665,579,059
5865361569080,169,289,375,764,377,358
5763359567079,668,588,974,863,275,657
5661357765079,067,788,373,962,074,056
5559556063078,566,987,973,060,972,455
5457754361278,066,187,472,059,870,954
5356052559477,465,486,971,258,669,453
52544-50051257676,864,686,470,257,467,952
51528-48749655876,363,885,969,456,166,551
50513-47548154275,963,185,568,555,065,150
49498-46446952675,262,185,067,653,863,749
4848445145551074,761,484,566,752,562,448
4747144244349574,160,883,965,851,461,147
4645843243248073,660,083,564,850,359,846
4544642142146673,159,283,064,049,058,545
4443440940945272,558,582,563,147,857,344
4342340040043872,057,782,062,246,756,143
4241239039042671,556,981,561,345,554,942
4140238138141470,956,280,960,444,353,741
4039237137140270,455,480,459,543,152,640
3938236236239169,954,679,958,641,951,539
3837235335338069,453,879,457,740,850,438
3736334434437068,953,178,856,839,649,337
3635433633636068,452,378,355,938,448,236
3534532732735167,951,577,755,037,247,135
3433631931934267,450,877,254,236,146,134
3332731131133466,850,076,653,334,945,133
3231830130132666,349,276,152,133,744,132
3131029429431865,848,475,651,332,543,131
3030228628631165,347,775,050,431,342,230
2929427927930464,847,074,549,530,141,329
2828627127129764,346,173,948,628,940,428
2727926426429063,845,273,347,727,839,527
2627225825828463,344,672,846,826,738,726
2526625325327862,843,872,245,925,537,825
2426024724727262,443,171,645,024,337,024
2325424324326662,042,171,044,023,136,323
2224823723726161,541,670,543,222,035,522
2124323123125661,040,969,942,320,734,821
2023822622625160,540,169,441,519,634,220

Equivalencias de dureza y resistencia

Para aceros no aleados y fundiciones, existe una relación aproximada y directa entre la dureza Vickers y el límite elástico, siendo el límite elástico aproximadamente 3,3 veces la dureza Vickers.

Rp0,2==3,3*HV

Tabla de equivalencias[4] para el límite elástico, Brinell[5]-, Rockwell-, dureza Vickers.
Límite elástico (aproximado) [nota 1] Dureza Brinell Dureza Rockwell Dureza Vickers
MPaHBHRCHRAHRBHV
6886940
6785920
6685880
6584840
6483800
6383760
6283740
6182720
6081690
5981670
21806185880650
21055995780630
20305805679610
19555615578590
18805425478570
18505175377560
18105235277550
17405045176530
16654855076510
16354734976500
15954664875490
15404514775485
14854374674460
14204184573440
13503994372420
12903804171400
12503704071390
12203763970380
11553423769360
10953233468340
10303043266320
9652763065300
9302762965105290
9002662764104280
8652572663102270
8352472462101260
8002382262100250
770228206198240
74021997230
70520995220
67519994210
64019092200
61018190190
57517187180
54516285170
51015282160
48014379150
45013375140
41512471130
38511467120
35010562110
3209556100
285864890
2557680

Véase también

Notas

  1. Para acero no aleado o de baja aleación y fundición

Referencias

Askeland, Ronald R. (2011). «6». Ciencia e ingeniería de materiales (6° edición). México, D. F.: Cengage Learning. pp. 223-226.

  1. Broitman, Esteban (2017). «Indentation Hardness Measurements at Macro-, Micro-, and Nanoscale: A Critical Overview». Tribology Letters 65: 23.
  2. W.C. Oliver and G.M. Pharr (2011). «Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology». Journal of Materials Research 19: 3. doi:10.1557/jmr.2004.19.1.3. Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2012. Consultado el 4 de mayo de 2018.
  3. Norma ASTM E140-02
  4. Gültig für unlegierte und niedriglegierte Stähle. Für Vergütungs-, Kaltarbeits-, Schnellarbeitsstähle sowie für verschiedenen Hartmetallsorten die anderen Tabellen der Norm EN ISO 18265 verwenden. Gerade bei hochlegierten oder kaltverfestigten Stählen sind hohe Abweichungen zu erwarten.
  5. Die Durchmesserangabe bei der Brinellhärte bezieht sich auf eine 10 mm Prüfkugel.

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