¿Qué es Dureza?

La dureza de los materiales es la resistencia que ofrecen los materiales a sufrir una deformación de tipo plástica en su superficie. Causado por indentación, penetración o rayado.

Entonces se puede entender que la dureza es la capacidad de los materiales a resistir deformación por efecto de esfuerzos mecánicos localizados de otros cuerpos. Así que, el material que ofrezca mayor resistencia será el material más duro. Y esta propiedad se puede medir con algunos tipos de ensayos de dureza.

1. Para los metales se considera a la dureza como la resistencia a la deformación plástica superficial.
2. Para los polímeros y los cerámicos se cumple lo mismo que en los metales.
3. Pero en caso de los elastómeros y otros pocos polímeros. La dureza es la resistencia a la deformación elástica superficial.

Tipos De Ensayos De Dureza Y Su Clasificación

Los objetivos de los diferentes tipos de ensayos de dureza, es hacer una caracterización mecánica de los materiales en base a su dureza. Cada ensayo de dureza considera factores diferentes para llevar a cabo una medición de tal propiedad en los materiales, como la profundidad, dimensiones de indentación, fuerzas aplicadas, y otras.

Hay tipos de ensayos de dureza que son cualitativos como la escala de dureza Mohs, pero resultan ser ensayos limitados e imprecisos.

Ello ha conducido al desarrollo de ensayos de dureza cuantitativos. Que, a su vez tienen diferente mecanismo de aplicación.

¿Cuál Es La Clasificación De Los Ensayos De Dureza?

Entonces la clasificación de los ensayos de dureza se puede llevar acabo tomando en cuenta el mecanismo del ensayo.

Ensayos de dureza por rayado: Se someten al rayado a los materiales para determinar su dureza.

1. Método de dureza Mohs
2. Ensayo de dureza Martens
3. Ensayo de dureza a la lima
4. Ensayo de dureza turner

Por Penetración: Los ensayos de dureza de este tipo miden la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por otros.

1. Ensayo de dureza Brinell
2. Ensayo de dureza Rockwell
3. Ensayo de dureza Vickers
4. Ensayo de dureza Knoop

Ensayos De Dureza Dinámicos: Determinan la respuesta elástica de un material al chocar contra otro material.

1. Método de dureza Shore
2. Método de dureza Leep

¿Cómo Medir la Dureza de un Material?

Como ya vimos anteriormente la dureza es un tema muy amplio. Por ello es que también hay muchos tipos de ensayos para medir la dureza que se han ido ideando a través de los años. Con el fin de poder determinar la dureza de los materiales.

Así que en los siguientes apartados veremos los métodos y ensayos de dureza que se han utilizado para determinar la dureza de los materiales.

Tipos de Ensayos de Dureza Por Rayado

Consiste en someter al rayado a los materiales. Dentro de este grupo de ensayos de dureza, se encuentra la dureza Mohs, que es uno de los ensayos de dureza mas conocidos.

Escala de Dureza de Mohs

La escala de Mohs es una escala de dureza que va del 1 al 10, donde cada lugar es ocupado por un mineral en especifico. La escala de dureza Mohs ha sido definida por el geólogo Friedrich Mohs en 1820.

La prueba de escala de dureza Mohs ha sido de los primeros métodos para determinar la dureza de un material, por ende es un método de dureza mas antiguo. Y sirvió de referencia por mucho tiempo.

Esta forma de determinar la dureza de los materiales consiste en hacer rayar un material con cada uno de los minerales que forman la escala de Mohs. Hasta que el material haya sido rayado por uno de los minerales de referencia de la escala de Mohs. Cuando el material haya sido rayado, entonces tal material tomara un valor de dureza igual o inferior a la de ese mineral de la escala de Mohs.

A pesar de que este método funciona bien. No es tan preciso como lo son otros ensayos de ingeniería que detallaremos más adelante.

Ensayo de Dureza Martens

El método de dureza MARTENS consiste en rayar el material a medir, con un diamante de forma piramidal.

Para calcular la dureza de un material por el método de dureza Martens, primero se debe de tener la longitud del ancho («a») del surco generado por el diamante aplicado.

Ensayos de Dureza Turner

Es un ensayo similar a la dureza MARTENS. La forma en la que se puede diferenciar estos dos métodos de dureza es prestando atención a las cargas que se le aplican al material sobre el cuál se esta aplicando el ensayo.

Ensayos De Dureza a la Lima

La aplicación del método de dureza a la Lima ha sido principalmente para ser aplicado en metales templados. Este método de dureza es especialmente usado para determinar si un metal es duro a los 60 Rockwell C.

Tipos de Ensayos de Dureza Por Penetración

Estos tipos de ensayos de dureza son los más actuales y son cuantitativos. Estos ensayos consisten en la acción de un identador para producir una deformación localizada.

Ensayo de Dureza Brinell

El ensayo de dureza Brinell también ha sido de los primeros métodos para determinar la dureza de un material. Es más utilizado para aceros forjado y fundiciones. Las cuales tienen grandes estructuras de grano.

El ensayo Brinell consiste en aplicar una bolita de carburo de tungsteno o acero duro. Este indentador es aplicado con una carga controlada, y es una esfera endurecida con un diámetro determinado.

Para obtener el valor de dureza Brinell, se tiene que hacer el cálculo de la carga que ha sido aplicada (Kg) entre la superficie del casquete (mm) o la huella.

Formula del ensayo de dureza Brinell

Ensayo de Dureza Rockwell

Los ensayos de dureza Rockwell y el ensayo de dureza Brinell son muy parecidos. Ambos ensayos de dureza se basan en el grado de penetración del indentador. Y bajo una carga determinada que a su vez es estática.

En caso del ensayo Rockwell, una bolita de acero o un cono esférico que tenga punta de diamante (brale).

El ensayo de dureza rockwell comienza con la aplicación de una carga inicial menor a 10 Kg. Esto permite que el penetrador se asiente y de esta manera evitar y eliminar las posibles irregularidades en la superficie. Luego el DIAL debe marcar en cero para seguir con la aplicación de la carga principal.

Posteriormente la carga principal es retirada mientras que la carga inicial permanece activa, y se procede a tomar lectura de la profundidad de penetración. El número de dureza se lee directamente de la escala. Además, el identador y la carga utilizada, determinan la escala de dureza, ya sea A, B, C, etc.

En el ensayo de dureza Rockwell hay varias escalas de Rockwell, pero las más comunes son las escalas B y C. Además, para este ensayo de dureza no hace falta calcular el número de dureza porque esta se registra del equipo de ensayo.

Ensayo De Dureza Rockwell

Ensayo de Dureza Vickers

El ensayo de dureza Vickers es una modificación del ensayo Brinell. Pero esta principalmente diseñado para medir la dureza de los recubrimientos delgados o superficies de piezas que han sido endurecidas.

El ensayo Vickers hace uso de un indentador piramidal cuadrado que es aplicado sobre la pieza o material a ensayar.

Este penetrador suele generar grietas en materiales quebradizos.

Ensayo de Dureza Knoop

Es otro ensayo de dureza que proviene del ensayo de dureza Brinell al igual que el método Vickers, esta también viene del ensayo Brinell.

En el ensayo de dureza knoop se usa un penetrador piramidal, con forma de rombo. Esto va a facilitar la creación de hendiduras más largas, pero con menor profundidad con respecto a otros ensayos de dureza.

Ensayos Dinámicos de Dureza

Estos tipos de ensayo de dureza dinámicos se basan en el impacto. Así que para determinar el valor de dureza con estos ensayos. Los resultados deben ser tomados con cuidado. Ya que estos métodos dependen de la energía absorbida por el material.

Método Shore

En el método Shore se dejar caer un percutor desde una altura determinada, la cuál cae sobre la superficie de la probeta o pieza a ensayar. Después del evento, se determina el rebote del percutor con respecto a la superficie de la pieza.

Hay dos tipos de ensayo de dureza shore. Se diferencian por que usan diferente tipo de diámetro en su indentador y porque cada ensayo es  aplicado a diferente tipo de material.

Ensayo de Dureza Shore A – Diámetro de la punta del indentador 0.79 mm.

Ensayo de Dureza Shore D – Diámetro de la punta del indentador 0.1 mm.

Dureza Leep

A este método se le conoce como el método shore mejorado.

Al igual que el método de dureza Shore, consiste en lanzar el percutor (bolita de tungsteno), a una velocidad controlada. Con respecto a los materiales blandos, después de que el percutor toca la superficie de la pieza de ensayo, este alcanza menor velocidad luego del impacto. La medición de las velocidades del ensayo se determina mediante el uso de un potencial eléctrico que se genera en una bobina.

Al aplicarle el ensayo de dureza Brinell a un material metálico, se podrá obtener información que resulta muy útil. Ya que brindara información que se puede relacionar con otras propiedades y características físicas de determinado material. Tales como la resistencia a la tracción, al desgaste, también la ductilidad y otras.

Además, dependiendo de la dureza de un material, esta será capaz de resistir a efectos de deformación plástica superficial, penetración y rayado. Por otro lado, a mayor dureza de un material, esta se verá favorecida en algunas de sus propiedades tales como la resistencia al desgaste por fricción o erosión en medios húmedos, de aceites o agua.

Ensayo de Dureza Brinell

Este método consiste en la aplicación de una carga constante sobre una superficie plana, durante un tiempo determinado, haciendo uso de una pequeña bola que debería de ser de carburo de tungsteno, pero también hay bolas de acero endurecido.

El ensayo de dureza Brinell (HB) suele ser más adecuado para materiales metálicos cuyas estructuras de grano son gruesas y no homogéneos. Por lo tanto, su aplicación resulta más idónea en fundiciones y en piezas forjadas.

Fórmula del Ensayo de Dureza Brinell

La fórmula que se muestra en la imagen, ayuda a determinar el valor de dureza de los materiales metálicos.

• HB = Indica el valor de Dureza Brinell del material.
• F = Se refiere al valor de la carga que ha sido aplicada.
• D = Indica el diámetro de la bola de carburo de tungsteno o acero endurecido (indentador).
• d = Indica el diámetro del área de la superficie de la sangría (sangría = impresión = indentación). Es la marca que deja el identador después de la operación.

Especificaciones del Ensayo De Dureza Brinell

1. La bola para su aplicación debería ser de carburo de tungsteno, pero también se usan otras como bolas de acero endurecido.
2. Las cargas para el ensayo de dureza Brinell se aplica de manera que se encuentre en el rango de 500 a 3000 N.
3. El tiempo de aplicación de la carga debe ser determinado, y se encuentra entre 10 a 30 segundos.
4. En ensayo de dureza Brinell se aplica sobre una superficie plana y rectificada.

En cuanto a los estándares nuevos del ensayo Brinell, se exige que las bolas sean de carburo de tungsteno.

Las razones se deben a que las cargas que se aplican son variadas y debido a los grandes rangos de dureza. Entonces, mientras que se usan 500 N para materiales metálicos blandos como el aluminio, también se usan cargas de 3000 N para otros materiales metálicos que son muy duros.

Además, las bolas de acero endurecido solamente pueden usarse para valores de hasta 444 HB. Mientras que usando las bolas de carburo de tungsteno se puede medir una dureza máxima de 650 HB.

En algunos casos se van a encontrar valores de dureza acompañados con HB (Hardness Brinell), HBW (Hardness Brinell Wolfram carbide) o HBS (Hardness Brinell Steel). Para el caso de HBW, Wolfram carbide = carburo de tungsteno.

Los estándares que en los que se explica y se define el ensayo de dureza Brinell son las siguientes:

• ASTM E 10
• ISO 6506

Procedimiento de Aplicación del Ensayo de Dureza Brinell

Para llevar a cabo este ensayo de dureza se tiene que seguir con un procedimiento que permita que el resultado sea el correcto.

Primero, limpiar o pulir la superficie sobre la cual se aplicará la carga. Además, la superficie debe ser plana, rectificada, lapeada y mecanizada.

Se debe configurar la máquina, según la carga requerida para la prueba.

Se debe colocar la base del soporte de la muestra a una distancia considerable para realizar el ensayo. Enseguida se colocará la muestra.

Paso siguiente, es aplicar la carga principal sobre la pieza a ensayar. Maniobrando la palanca de la máquina.

Se debe mantener la carga aplicada durante un tiempo determinado. Luego maniobrar la palanca para liberar la carga.

Una vez concretada los pasos anteriores para el ensayo de dureza, se debe retirar la pieza que ha sido ensayada para medir el diámetro de hendidura formada con el microscopio Brinell. Muchas veces la medición se realiza con el microscopio de la máquina sin la necesidad de retirar la muestra. Eso va a depender del tipo de máquina que se esté utilizando.

Observaciones del Ensayo de Dureza Brinell

Muchas veces se requiere hacer algunas pruebas. Esto se debe al amplio rango de dureza que se utiliza en el método Brinell. Y también se debe a la variedad de tamaños de bolas y cargas que se encuentran disponibles.

Cuando se usa el ensayo de dureza Brinell las cargas son considerablemente altas en algunos casos. Por ello puede que este ensayo no entre en la categoría de los ensayos no-destructivos.

Además, el resultado del ensayo de dureza Brinell, puede llegar a variar y en algunos casos podrían ser erróneos, cuando la dureza del material metálico es muy alta. Esto se debe al tipo de bola que se usa para la indentación. Ya que hay bolas que resultan ser blandas para algunos materiales.

Calculo del Ensayo de Dureza Brinell

En de las máquinas más actuales, no se necesitan hacer cálculos, ya que las mismas máquinas se encargan de realizar los cálculos. En cuyo caso, solo sería necesario registrar los datos que se muestran en sus paneles de información.

Para el caso de máquinas que no son tan actualizados, se tiene que medir el diámetro de la indentación haciendo uso del microscopio Brinell. También se tienen que registrar los datos de carga y tiempo, que han sido aplicados en el ensayo de dureza Brinell.

Una vez que se tiene los datos, solo se tendrá que reemplazar los valores en la fórmula para calcular el valor de dureza del material.

Algunas Máquinas Para Realizar el Ensayo de Dureza Brinell

Máquinas Analógicas

Consiste en una distribución de energía hidráulica y un circuito de control lo cual facilitará el seguimiento de carga y descarga. El método de comprensión es aceptable, y son muy adaptables para el ensayo de dureza para piezas de fundición, forjadas, duras y otras que pueden ser blandas.

Máquinas Ópticas

Los ensayos ópticos de dureza Brinell tienen un diseño similar a las análogas y también al tipo de operación de la máquina análoga. La ventaja de esta máquina se encuentra en su dispositivo óptico, el cual le permite hacer una proyección del diámetro de la indentación en una pantalla de vidrio. Además, al contar con un sistema de medición micrométrico, se conseguirá ahorra tiempo en mediciones.

Estas máquinas, también son capaces de medir piezas blandas y duras.

Equipos Computarizados

Los resultados de ensayo de dureza Brinell en estas máquinas son excelentes. Ya que se puede obtener los valores de dureza de manera directa y precisa. Otra de las razone es que cuenta con una cámara con un procesamiento avanzado, el cual le permite mostrar una captura en el monitor, y el software calcula el diámetro para luego mostrar el valor de dureza del material metálico. Este último procedimiento se puede realizar de manera manual, semiautomático o automático.

Equipos Semiautomáticos

Es un equipo muy versátil en comparación con otros. Las medidas de indentación se consiguen obtener a través de un microscopio estándar, el cual cuenta con una medición automática.

Máquinas Automáticas

Son máquinas automáticas de carga precisa. Solo se tienen que colocar las piezas, luego presionar el botón de “Start o Empezar”, luego de eso todas las operaciones se realizarán en automático. La máquina también se encarga de medir el diámetro de indentación, y al final el resultado del valor de dureza del material metálico se mostrará en la pantalla de la máquina.

El ensayo de dureza Rockwell (inventada por Stanley P. Rockwell) aparece con el fin de medir la dureza de los materiales, pero con mayor rapidez y que no cause daño a la pieza a ensayar (es decir, que sea un ensayo no-destructivo). Ya que, para ese entonces, solo se podían aplicar los ensayos de dureza Brinell y Vickers.

Pero la desventaja del Brinell estaba en sus muescas grandes y en que en algunos casos podía resultar “no ser” un ensayo “no-destructivo”. Por otro lado, estaba el ensayo Vickers que resultaba ser muy lento. Y otros ensayos de dureza que no resultaban ser adecuados o simples al momento de usarse.

Es así que apareció en ensayo de dureza Rockwell cumpliendo con las expectativas para las mediciones de dureza en comparación con otros métodos. Resultando ser más preciso, práctico, rápido y para una variedad de tamaños de piezas. Aun así, como en el resto de los métodos para la medición de dureza, habrá factores que determinarán el resultado correcto del ensayo.

Ensayo de Dureza Rockwell

Este ensayo es una prueba estática que se basa en la profundidad que queda luego de aplicar dos fuerzas. Estas fuerzas son aplicadas una después de otra, donde la profundidad de importancia, es la que queda después de retirar la segunda carga que se ha aplicado. Vea la figura de la parte inferior, donde se describe el procedimiento para el ensayo de dureza Rockwell.

Especificaciones del Ensayo de Dureza Rockwell

Para el ensayo se usa un indentador de diamante con forma de cono o también se puede usar bolas de carburo de tungsteno o acero endurecido.

Se aplican dos cargas en el ensayo. Una que es la inicial que sirve para establecer una posición cero para medir la profundidad de sangría residual.

La siguiente carga que se aplica, es la carga adicional. Esta segunda carga aplicada, se aplica durante un tiempo determinado (tiempo de permanencia).

La carga que se aplica inicialmente, se denomina fuerza menor, carga menor, fuerza previa o carga previa. Dependiendo de la bibliografía que se revise, se encontrará uno u otro nombre.

La siguiente carga que se aplica, se denomina fuerza adicional o carga adicional.

Indentadores

Diamante con forma de cono

Bolas de carburo de tungsteno de 1/16, 1/8, 1/4 o 1/2 de pulgada.

Cargas principales

Las cargas principales varían dependiendo del material a ensayar, la penetración y el indentador.

Las cargas pueden ser 15, 30, 45, 60, 100, 150kgf.

Estándares Para el Ensayo

Los estándares que se usan son dos.

1. ISO 6508
2. ASTM E 18

Tipos de Ensayos de Dureza Rockwell

Todas las escalas que existen de este ensayo son en total 30. Cada uno de estos tiene diferente tipo de penetración, fuerza principal y son adecuados para un material particular. Pero todas estas se encuentran divididas en dos tipos de ensayos de dureza Rockwell.

Ensayo Rockwell

Este es el ensayo Rockwell regular.

La carga previa siempre va a ser 10 kgf (98.1 N). En tanto la carga principal podrá ser 60, 100 o 150 kgf. Siendo 588 N, 981 N, y 1471 N respectivamente, con respecto a las fuerzas principales.

Un ejemplo de lectura seria 45 RHC. Donde 45 sería el valor de dureza, RH indica que es según la dureza Rockwell y C indica que la fuerza principal ha sido de 150kgf y con un indentador de diamante 120°.

Método Rockwell Superficial o Súper Rockwell

La carga previa será 3kgf. Mientras que la carga principal puede ser 15, 30 o 45 kgf.

Un ejemplo de lectura seria 80 HR30TW. Donde 80 significa el valor de la dureza del material, RH indica que es según la dureza Rockwell, 30 indica que la carga principal ha sido 30 y TW indica que el indentador ha sido una bola de acero de tungsteno de 1/16 de pulgada.

Procedimiento del Ensayo de Dureza Rockwell de Acuerdo a la ISO 6508

De acuerdo a la ISO 6508, para llevar a cabo la operación primero que nada se debe tener el equipo y la muestra listas y dispuestas para realizar las pruebas de dureza, con las medidas de seguridad necesarias. Y luego empezar con el ensayo siguiendo la ISO 6508.

1. H0; profundidad después de aplicar la carga previa
2. H; profundidad de la sangría residual
3. H1; profundidad máxima de la sangría o indentación después de aplicar la fuera adicional.
4. La suma de las fuerza previa con la adicional indican la fuerza principal o fuerza total.

Primer Paso Del Ensayo De Dureza Rockwell

El penetrador debe presionar en la muestra con la fuerza previa (carga previa o carga menor), hasta conseguir alcanzar la profundidad inicial en la muestra (H0). La profundidad (H0) será el punto de referencia para la medida de profundidad posterior de la sangría residual (H).

Segundo Paso

Los siguiente es aplicar la fuerza adicional (o carga adicional), durante un tiempo específico (periodo de permanencia) de acuerdo al estándar. Es así como el penetrador logra penetrar hasta una profundidad H1, la cual es la profundidad máxima de la sangría. Luego también se va a tener la fuerza total o principal, al sumar la fuerza previa con la fuerza adicional.

Tercer Paso

Una vez que se cumple el periodo de permanencia, se tiene que retirar la carga adicional también. Pero la carga previa o fuerza menor aún seguirá activo. Entonces se tendrá una profundidad permanente que será la sangría II. Y será tendrá una altura de H que es también llamada sangría residual cuya constante será e y estará expresada en unidades de 0.002 y 0.001 mm.

Observaciones del Ensayo de Dureza Rockwell

Para realizar el ensayo, el operador debe mantenerse actualizado con respecto a las normas y estándares en los cuales se define el ensayo de dureza Rockwell. Ya que es normal que estas normas y estándares tengan actualizaciones de manera periódica.

Ventajas y Desventajas del Ensayo de Dureza Rockwell

Ventajas Rockwell

Para llevar a cabo este ensayo de dureza, no es necesario una preparación de la pieza a ensayar.

El valor de dureza del material ensayado se puede leer directamente. En contraste con otros métodos que requieren una evaluación óptica.

Resulta ser una operación rápida, ya que se realiza en cuestión de segundos.

Resulta ser económico debido a que no necesitan estar equipados de sistemas ópticos como en los otros ensayos de dureza. Además, Los probadores de dureza en Rockwell son más económicos.

Una vez finalizado el ensayo, la pieza de muestra se puede usar para otros fines o repetir el ensayo, si es que fuera necesario. Ya que la operación consiste en un ensayo no destructivo.

Es ideal para para ser usada en las líneas de producción que son automatizadas.

Desventajas Del Método Rockwell

A pesar de considerarse preciso, pequeños errores en la medición pueden resultar en valores o datos erróneos de dureza.

Se debe de tener un ambiente limpio de otros materiales que resulten contaminantes, como la presencia de otras partículas de piezas o presencia de aceites.

En los ensayos de dureza, existe la posibilidad de obtener valores erróneos, para evitar ello, los penetradores o indentadores deben estar certificados y calibrados. Estos errores generalmente pueden ser causa del desgaste de la punta del indentador.

No se recomienda aplicar el ensayo de dureza rockwell en materiales cuya dureza sea relativamente alta. Ya que los valores que se van a obtener pueden ser confusos.

Este ensayo de dureza tiene un rango de carga amplio. Lo que lo convierte en una opción ideal para medir la dureza de cualquier material, y los resultados serán en escala Vickers.

Hay que tener en cuenta que al ensayo de dureza Vickers también se le conoce como un ensayo de microdureza, ya que es adecuado y se aplica principalmente en muestras o piezas que sean pequeñas o delgadas y por las características de la operación.

Ensayo de Dureza Vickers

El ensayo de dureza Vickers (Hardness Vickers HV) consiste en la aplicación de cargas controladas sobre una superficie plana y pulida, haciendo uso de un indentador de diamante que tiene la forma de pirámide y una base cuadrada.

Este tipo de ensayo está basado en una medición óptica, por lo tanto, es por ello que la superficie de la pieza a ensayar debe estar bien pulida. De esa manera se podrá medir la sangría, para luego obtener el valor de dureza del material. Las cargas que son aplicadas en el ensayo se encuentran en el rango de 10gf – 100kgf.

Especificaciones del Ensayo de Dureza Vickers

Las cargas que son aplicadas en el ensayo van a depender, si se hace un ensayo de microdureza o macrodureza. Las cargas que son aplicadas en el ensayo de dureza Vickers generalmente son ligeras. Sin embargo, también se aplican cargas pesadas en macro Vickers.

Para ensayos de tipo “micro”, las cargas están entre 10 g – 1kg.

Mientras que para los ensayos de tipo “macro”, las cargas están entre 1 kg – 100kg. Aunque algunas veces se puede alcanzar los 120kg.

El penetrador que se usa en el ensayo de dureza Vickers es de diamante y es piramidal con un ángulo de 136°.

Cálculo y Formula Para el Ensayo de Dureza Vickers

Para calcular la dureza de un material usando este ensayo se tiene que hallar el cociente de la fuerza que ha sido aplicada en el ensayo (en Newtons) con el área de la superficie de la sangría.

Además, para poder obtener el área superficial de la sangría, se usa el promedio entre las dos diagonales de la sangría. Ya que la sangría que queda del ensayo, no es perfectamente cuadrada.

Entonces la formula del ensayo de dureza vickers seria.

• HV     : Representa la dureza del material en escala de dureza Vickers
• F       : La fuerza aplicada durante el ensayo
• D       : Es el diámetro de la sangría

Los valores de dureza en la escala Vickers se encuentran entre 1 y 3000 HV. Lo que va a depender de la carga que se aplica al material ensayado.

Para nombrar la dureza de un material ensayado en base a la escala Vickers, se necesitan tres partes. Numero de dureza, dureza Vickers y el indicador de la fuerza que se ha aplicado.

Por ejemplo, si se ha ensayado un material y se obtuvo 350HV/10. Indicará que el material tiene una dureza Vickers de 350 y que la fuerza aplicada ha sido de 10kgf.

Estándares Para el Ensayo de Dureza Vickers

Los estándares en los cuales se explica y se define el ensayo de dureza Vickers son las siguientes.

1. ASTM E 384. Para rangos de carga de microdureza entre 10gf hasta 1kgf
2. ASTM E 92. Para rangos de fuerza de macro entre 1kgf hasta 120kgf
3. ISO 6507- 1,2,3 para rangos de microdureza y macrodureza entre 10gf hasta 100kgf.

Procedimiento del Ensayo de Dureza Vickers

Para llevar a cabo el ensayo, se tiene que tener la pieza lista, que debe de estar pulida para que las mediciones ópticas sean correctas.

El indentador será presionado con una carga que será controlada y precisa sobre la muestra a ensayar.

Esta carga se mantendrá durante un tiempo que se encuentra en el rango de 10 a 15 segundos. A ese tiempo se le conoce como tiempo de permanencia.

Luego de concretar el tiempo de permanencia, la carga es retirada. Entonces se tendrá una sangría (agujero, huella o impresión) con forma cuadrada en la superficie de la muestra del cual se tomarán medidas que ayudarán a determinar la dureza del material.

El sistema de medición óptico se encargará de determinar el tamaño de la sangría. Eso lo conseguirá midiendo las diagonales de la sangría cuadrada que ha quedado.

Observaciones el Ensayo de Dureza Vickers

Puesto que la mayoría de los equipos para ensayo de dureza Vickers son digitales, la dureza del material ensayado se obtiene automáticamente. Ya que todo el cálculo lo realiza la máquina. Mientras que en otras es necesario hacer los cálculos o en todo caso se puede recurrir a tablas, lo que va a facilitar el trabajo y ahorrar tiempo.

Ventajas y Desventajas del Ensayo de dureza Vickers

Ventajas Vickers

Es un ensayo que se puede aplicar a cualquier material, ya que cubre todos los rangos de dureza. Lo único que podría limitar al ensayo seria el tamaño de la pieza a ensayar, debido a las dimensiones y capacidades del instrumento de ensayo.

La cantidad de fuerzas o cargas que se pueden aplicar es muy grande. Por lo tanto, se puede adaptar para los ensayos que se vayan a realizar.

Es un ensayo de dureza no destructivo lo que le da una ventaja frente al ensayo de dureza Brinell. Eso le permite reutilizar las piezas para otros fines o repetir los ensayos.

Desventajas Vickers

La mayor de las desventajas para el ensayo de dureza Vickers se encuentra en la medición óptica del tamaño de la sangría o impresión. Ya que de ello va a depender el resultado del valor de dureza correcto.

Es un proceso lento, ya que en algunas ocasiones puede tomar 30 segundos en realizar el ensayo. Por otro lado, también se tiene que preparar la muestra.

Otra desventaja se encuentra en las máquinas que se usan para este ensayo, ya que al momento de hacer conversiones es necesario multiplicar valores y pasar de unas unidades a otras. Lo que resulta confuso al momento de su realización especialmente en el área académica.

Gracias a sus características de operación y componentes del ensayo knoop, permite ejecutar el ensayo en dichos materiales con buena precisión.

Comparación de valores de Dureza Knoop y Escala de dureza Mohs

El ensayo Knoop junto al ensayo Vickers (micro Vickers) se aplican para pruebas de micro-dureza. Ambas siguen una operación similar y elementos similares, pero también tienen grandes diferencias y ventajas la una con la otra.

Ensayo de Dureza Knoop

Es un ensayo de dureza óptico y también es conocido como ensayo de micro-dureza al igual que el ensayo Vickers. El ensayo de dureza Knoop consiste en aplicar fuerzas o cargas sobre una superficie, haciendo uso de un indentador (penetrador).

Donde las cargas que se aplican se encuentran en el rango de 1gf a 1kgf, por ello también se le conoce como un ensayo de microdureza y es una opción al ensayo de dureza Vickers.

Con respecto al indentador, se trata de un diamante piramidal que es asimétrica. Es una pirámide de cuatro lados, donde dos de las caras opuestas presentan un ángulo de 170° 30’ y las otras dos de 130°. Lo cual es diferente con el indentador que se usa en el ensayo de dureza Vickers.

El ensayo de dureza Knoop generalmente se usa para ensayar piezas pequeñas y delgadas. Sobre todo, fue diseñada para medir materiales que son duros, frágiles y quebradizos tales como el vidrio, la cerámica, materiales metálicos e incluso se cree que es la más apropiada para medir la dureza de diamantes.

Formula Del Ensayo de Dureza Knoop

El valor de dureza Knoop viene determinada por el cociente de la fuerza que ha sido aplicada y la longitud mayor de la sangría.

HK es la dureza Knoop (Hardness Knoop)

F  es la fuerza que se ha aplicado durante la operación.

L es la longitud de la sangría.

Lectura de la Dureza Knoop

La nomenclatura del ensayo de dureza Knoop está compuesta por tres partes. El valor número de dureza, las letras HK que indican que se trata de dureza según Knoop, y finalmente la carga aplicada en la operación.

Un ejemplo de dureza Knoop seria 850HK0.5. Entonces se podría decir que el material ensayado tiene una dureza de 850 según ensayo de dureza Knoop, y que ha sido probada con una carga de 0.5 kgf.

Estándares y Cargas de Aplicación Para el Ensayo De Dureza Knoop

En el ensayo de micro-dureza Knoop se debe evitar el ensayo en piezas que tengan longitudes diagonales menores a 20um, porque eso causará errores en los resultados de medición.

Los estándares en los cuales se aplica y se define el ensayo de dureza Knoop son los siguientes.

1. ISO 4545: Las cargas oscilan entre 1gf hasta 1kgf.
2. ASTM E384: Las cargas se encuentran entre 1gf hasta 1kgf.

Especificaciones del Ensayo de Dureza Knoop

Indentador De La Prueba Knoop

El indentador (penetrador) cuenta con dos diagonales diferentes. Están diseñados para materiales frágiles y por eso la penetración debe ser menor, por lo tanto, la profundidad de la sangría en el ensayo Knoop es aproximadamente la mitad del ensayo Vickers.

Los ángulos de las caras opuestas son:

1. Angulo de 130 °
2. Angulo 170.5 °

El indentador del método Knoop produce una muesca en forma de rombo. Las diagonales de la forma de la muesca guardan una relación aproximada de 7 a 1.

Cargas Aplicadas En El Ensayo Knoop

Las cargas que se aplican, deben encontrarse en el rango de fuerzas que están especificadas en los estándares en los que se define el ensayo Knoop.

Ejemplos De Dureza Knoop De Algunos Materiales

1. Los plásticos llegan a tener una dureza knoop de 22 HK. En comparación con el talco que tendría aproximadamente 20 HK.
2. Una lámina de oro llega a tener 69 HK.
3. El aluminio tiene una dureza aproximada de 125 HK.
4. La dureza Knoop del hierro fundido se encuentra en 310 HK.
5. El esmalte dental tiene una dureza aproximada de 343 HK.
6. La dureza Knoop del cuarzo es de 820 HK.
7. La dureza Knoop del carburo de silicio es de 2480 HK.
8. Con respecto al diamante, su dureza en la escala Knoop es de 7000 HK.

Tabla De Valores De Dureza Knoop vs La Escala De Mohs

Procedimiento del Ensayo de Dureza Knoop

Lo primero es preparar la superficie de la muestra o la pieza que se va a ensayar. Al ser un ensayo de microdureza, la superficie debe estar pulida, por lo que en algunos casos debe electro pulirse.

Para la operación del ensayo, la pieza se dispone en el probador de dureza Knoop. Donde el indentador será presionado mediante cargas controladas sobre la superficie de la muestra.

La carga aplicada se mantendrá durante un tiempo específico que se encuentra en un rango de 10 a 15 segundos, algo que se ve muy poco en la práctica. Este tiempo se le conoce como tiempo de permanencia.

Una vez que se ha concluido el tiempo de permanencia. Se elimina la carga aplicada y se retira el indentador.

Al retirar el indentador, en la superficie de la muestra se tendrá una sangría (agujero, impresión o huella). Entonces el tamaño de la sangría será determinado con el sistema de medición óptico del equipo, que va medir la diagonal más larga de la sangría.

Ventajas y Desventajas del Ensayo de Dureza Knoop

Ventajas Del Método Knoop

Es una prueba que se puede aplicar a cualquier material, desde materiales blandos como el aluminio, hasta los materiales duros.

Genera un solo tipo de sangría, en comparación con otros ensayos de dureza, que usan diferentes indentadores, como el ensayo de dureza Rockwell.

Para los ensayos de microdureza, resulta ser más precisa que ensayo de dureza Vickers. Ya que la diagonal de la sangría de medición para el ensayo Knoop, es más larga, en cualquier profundidad.

Es un ensayo no destructivo y causa menores daños en la superficie de la muestra en comparación con el ensayo Vickers. El riesgo de formación de grietas también es menor.

Resulta ser un ensayo de dureza más adecuado para materiales que sean pequeños, delgados, frágiles, quebradizos como vidrio y cerámicos.

Desventajas del Ensayo de Dureza Knoop

Al ser un ensayo con un sistema de medición óptico, la superficie de la muestra debe de ser buena y debe estar bien preparada.

Además, el microscopio para la medición debe de ser de alta potencia para poder determinar y medir la diagonal y el tamaño de la sangría. Por lo que, equiparlos resulta ser más costoso en comparación con otros ensayos de dureza.

Es una operación lenta, ya que además del tiempo de permanencia, involucra tiempo para la preparación de la muestra. Lo que lo pone en desventaja frente a otros ensayos de dureza, como el ensayo Rockwell.

El objetivo de los ensayos de dureza es determinar como tal, la propiedad del material para poder tener mayor conocimiento del mismo.

El Ensayo De Dureza Martens

El ensayo de dureza Martens es un método que consiste en hacer rayar la superficie de un material del cual se quiere obtener su dureza.

Se usa un diamante con forma piramidal de tal forma que esta raya la superficie del material.

Para la aplicación del ensayo de dureza Martens, la probeta a ensayar se queda fija en un soporte, y este se desplaza por debajo del diamante de tal modo que se crea un surco con determinada anchura.

El valor del ancho del surco generado (medida en micras), es la que se usara para determinar la dureza del material.

Formula Del Ensayo De Dureza Martens

La dureza Martens viene dada por 10 elevada a la 4 por la inversa del cuadrado del ancho del surco generado.

• HM: Dureza Martens (Hardness Martens)
• a: Ancho del surco creado

Después de someter al ensayo de dureza Martens a la probeta, esta habrá quedado con un surco en la superficie. Y para hallar la dureza del material se mide en ancho del surco. Estas dimensiones están en micras.

El Diamante Del Ensayo De Dureza Martens

En este ensayo de dureza se usa un diamante con forma piramidal. Y el ángulo del vértice del diamante es de 90 grados.

Historia Sobre El Ensayo De Dureza Martens

Este método de medición de dureza es de las primeras aplicadas y registradas en un rango micro, donde se pudieron determinar la carga y la hendidura de manera precisa y continua. Todo esto se da a mediados de los 70.

El ensayo de dureza Martens fue un ensayo universal en la antigüedad en especial en Alemania. Bajo este método ya que se podía relacionar la profundidad de indentación, y con ella se podía deducir fácilmente la dureza del material y determinar algunas características de elasticidad y plasticidad de los materiales.

Sin embargo, los valores obtenidos con este método de dureza tienen una mala comparabilidad con los datos que se obtienen con los ensayos de dureza actuales, como el método de dureza knoop. Sobre todo con aquellos materiales cuya elasticidad es considerable.

Por supuesto, todos los materiales llegan a experimentar fatiga, pero es más común en los materiales metálicos. Entonces aparece la importancia de controlar este problema y para ello se suele aplicar el ensayo de fatiga, la cual ayuda a determinar cuál será el trabajo del material antes de sufrir falla por fatiga.

Ensayo De Fatiga

Los ensayos de fatiga se aplican a los materiales con el fin de medir la resistencia a la fatiga de estos. El objetivo de estos ensayos de fatiga es determinar el número de ciclos a determinados esfuerzos de tensión que puede soportar un material antes de sufrir falla por fatiga.

Otro objetivo de los ensayos de fatiga es conocer el nivel de tensión a la cual existe un 50 % de probabilidades de que la falla por fatiga no se dará jamás. A esto último se le conoce como el límite de resistencia.

Fatiga

La fatiga es un fenómeno que provoca la fractura de un material que es sometido a esfuerzos repetidos. Donde los esfuerzos aplicados son muy menores en comparación al esfuerzo máximo que puede soportar el material en un esfuerzo estático.

Falla Por Fatiga

Es la falla causada por las fracturas que ha sufrido el material debido a los ciclos de trabajo o ciclos de fatiga.

Ciclos de Resistencia A La Fatiga

Indica el número de esfuerzo o deformación que soporta un material o una pieza antes de experimentar una falla.

Cuando se busca conocer cuál es el número de ciclos de trabajo que es capaz de soportar el material antes de sufrir una falla por fatiga se acuden a ensayos mecánicos. Entre ellos se encuentra un método convencional y el más antiguo, este es el ensayo de fatiga de viga giratoria o voladiza.

Ensayo De Viga Voladiza de Fatiga

Es un ensayo de fatiga muy común que consiste en someter una probeta en forma de cilindro a fuerzas de tracción y compresión alternadas, mientras esta muestra se encuentra en rotación.

Inicialmente esta muestra está dispuesta sobre un tornillo en una de sus puntas y sobre una pesa o yugo en la otra punta. Donde después, un motor provoca la rotación de la muestra llegando a producir las fuerzas de tracción y compresión.

Datos Obtenidos Del Ensayo De Fatiga

Del ensayo de fatiga se obtiene como resultado el tiempo que puede trabajar una pieza, el número de ciclos que resiste la muestra antes de sufrir falla por fatiga y también indica la carga a la que debe trabajar una pieza o componente para prevenir la falla del mismo.

El Esfuerzo Limite Para Fatiga

Se entiende como aquel esfuerzo por debajo del cual existe un 50% de probabilidad de que la pieza sufra falla por fatiga. Es uno de los criterios más considerados a la hora del diseño de la pieza.

Vida A Fatiga

Indica la vida de una pieza frente a un esfuerzo cíclico en particular.

La Resistencia A La Fatiga

Se entiende como el esfuerzo máximo a la que el material o la pieza no sufre falla por fatiga en un numero de ciclos en particular. La resistencia a la fatiga es un criterio muy importante cuando se diseña componentes de aluminio o polímeros. Ya que estos materiales no tienen un esfuerzo límite para fatiga.

En muchos materiales, como los aceros, el esfuerzo limite es aproximadamente la mitad de la resistencia a la tensión del material. A ello se le conoce como relación de fatiga.

Etapas de la Falla Por Fatiga

Cuando se da la falla por fatiga es normal encontrar que la fractura tenga una apariencia frágil. Esto sucede ya que no hay deformación plástica asociada a la rotura. La falla por fatiga es un proceso de rotura que inicia con una grieta seguida por su propagación y termina en la rotura final.

Inicio

La aparición de grietas en la superficie del material que originan la fractura por fatiga son consecuencia de los puntos concentradores de tensiones. Las mismas que son consecuencia de factores de diseño, acabados superficiales, propiedades superficiales y estructurales del material, influencia del medio y otros.

Y por el otro lado están las cargas y esfuerzos cíclicos a los que se somete el material. Estas producen discontinuidades superficiales microscópicas a consecuencia del deslizamiento de dislocaciones. Estas discontinuidades actúan como concentradores de tensiones y terminan en grietas superficiales.

Propagación

Etapa 1 de propagación: Cuando la grieta ya se ha nucleado empieza una propagación lenta, mientras que en los metales policristalinos es alta. En esta primera etapa, la propagación de la grieta se da en pocos granos.

Etapa 2 de propagación: En esta segunda etapa, la propagación se da de un modo abrupto y deja de crecer como lo hacía inicialmente y la grieta empieza a tomar una dirección perpendicular al esfuerzo aplicado.

Rotura

Después de que ha avanzado una deformación por cizalladura la grieta alcanza una dimensión crítica y finalmente se produce la rotura.

Se puede observar que en la superficie de la región de fractura se encuentran dos tipos de marcas producidas, por las dos etapas de propagación. Estas son las marcas de playa y estrías.

Factores Que Afectan La Resistencia A La Fatiga

Diseño Del Material O Pieza

La influencia que tiene el diseño en la falla por fatiga es grande. Las discontinuidades geométricas en los materiales son indicadores de puntos de posibles fallas por fatiga. Estas discontinuidades geométricas son un punto de concentración de tensiones, y esta concentración de tensiones es más severa cuando la discontinuidad es muy aguda.

Estas discontinuidades geométricas son puntos donde se puede iniciar la nucleación de grietas, lo que conduce a la falla por fatiga. Al reducir estos diseños irregulares en las estructuras, la probabilidad de rotura por fatiga se ve muy reducida.

Tratamientos Superficiales

Cuando se aplican las operaciones de mecanizado y acabado se producen rayas y surcos en la superficie de la pieza o componente. Estas marcas ya son grietas, pero muy pequeñas, y que con el tiempo estas pueden empeorar.

Estas imperfecciones se pueden evitar mediante el pulido en el acabado final.

Endurecimiento Superficial

Algo peculiar de la falla por fatiga es que se inicia en la superficie, uno de los factores para evitar que se inicien las mismas es la dureza. Mientras mayor sea la dureza, se dificultará el inicio de las grietas en la superficie.

Por ello es conveniente el uso de tratamientos de endurecimiento superficial.

1. Cementación
2. Nitruración
3. Granallado

Influencia Del Medio Y La Resistencia A La Fatiga

Fatiga Térmica

El tipo de falla por fatiga térmica es consecuencia de las tensiones térmicas fluctuantes debido a las elevadas temperaturas del medio. En este caso, no es necesario la presencia de tensiones mecánicas.

Estas tensiones térmicas son generadas por la restricción a la dilatación y/o contracción que se dan en las piezas estructurales, las cuales están sometidas bajo variaciones de temperatura.

Para que ocurra la falla por fatiga con corrosión es necesario que haya tensión cíclica junto a un ataque químico a la vez.

De por si el medio tiene influencia negativa sobre los materiales, y mientras más corrosivo sea el medio, mayores serán las probabilidades de falla por fatiga. El medio corrosivo induce a la aparición de pequeñas fisuras o picaduras en la superficie, las cuales son concentradoras de tensiones, que posteriormente originan grietas.