DUREZA Y ENSAYOS EN LA MANUFACTURA 

Se define la dureza de un material como su resistencia a la indentación permanente. Una buena dureza significa generalmente que el material es resistente al rayado y al desgaste. La resistencia a estos parámetros es una característica importante para muchas aplicaciones de ingeniería, incluyendo la mayoría de las herramientas que se emplean en manufactura. Como veremos más adelante en esta sección, hay una fuerte correlación entre dureza y resistencia. 

Ensayos de dureza 

Los ensayos de dureza se usan comúnmente para valorar las propiedades del material porque son rápidos y convenientes. Existe una gran variedad de métodos de ensayo debido a las diferencias de dureza entre los diferentes materiales. Los ensayos de dureza más conocidos son el Brinell y el Rockwell. 

Ensayo de dureza Brinell: El ensayo de dureza Brinell es ampliamente usado para probar metales y no metales de dureza baja a media. Deriva su nombre del ingeniero sueco que lo desarrolló alrededor de 1900. En este ensayo se presiona una bola de acero endurecido (o carburo cementado) de 10 mm de diámetro contra la superficie de un espécimen usando una carga de 500, 1500, o 3000 kg. Después se divide la carga entre el área de indentación para obtener el número de dureza Brinell (HB). Expresada en forma de ecuación:

donde F = carga de indentación (kg), Db = diámetro de la bola (mm) y Di = diámetro de indentación sobre la superficie (mm). Estas dimensiones se indican en la figura 3.14 (a). Las unidades del número Brinell resultante son kg/mm2 , pero usualmente se omiten cuando se expresa este número. Para los materiales más duros (arriba de 500 HB) se usan bolas de carburo cementado, ya que las de acero experimentan una deformación elástica que compromete la precisión de las lecturas. Para los materiales más duros se utilizan también las mayores cargas (1500 a 3000 kg). Debido a las diferencias en los resultados bajo diferentes cargas, se considera una buena práctica indicar la carga usada en el ensayo cuando se reportan las lecturas HB. 

Ensayo de dureza Rockwell: Éste es otro ensayo usado ampliamente, lleva el nombre del metalurgista que lo desarrolló en la década de los veinte. Su uso es muy conveniente y las diversas mejoras que ha tenido a través de los años lo han hecho adaptable a una variedad de materiales. 

En el ensayo dc dureza Rockwell se presiona contra el espécimen un indentador en forma de cono, o una pequeña esfera (l¡16 o l¡8 pulg de diámetro), usando una carga menor de 10 kg para asentar el indentador en el material, después se aplica una carga mayor de 150 kg (u otro valor) para que el indentador penetre en el espécimen una cierta distancia mas allá de su posición inicial. La máquina ensayadora convierte esta distancia de penetración adicional d en una lectura Rockwell de dureza. La secuencia se describe en la figura 3.14 (b). Las diferencias en cargas aplicadas y tipos de indentador proporcionan diversas escalas Rockwell para diferentes materiales.

Ensayo de dureza Vickers: Este ensayo, desarrollado también en los años veinte, usa un indentador en forma de pirámide hecho de diamante. El ensayo se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometrías similares, independientemente de la carga aplicada. En consecuencia, se aplican varias cargas dependiendo de la dureza del material a ensayar; la dureza Vickers se determina entonces con la fórmula:

donde E = fuerza aplicada, (kg) y D = diagonal de la impresión hecha por el indentador (mm), como se indica en la figura 3.14 (c). El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una de las escalas más amplias entre los ensayos de dureza. 

Ensayo de dureza Knoop: El ensayo Knoop, desarrollado en 1939, usa un indentador de diamante en forma de pirámide cuya relación largo-ancho es de 7 a 1, como se indica en la figura 3.14 (d), las cargas aplicadas son generalmente más ligeras que las del ensayo Vickers. Se trata de un ensayo de microdureza que es apropiado para medir especímenes pequeños y delgados, o materiales duros que podrían fracturarse si se aplican grandes cargas. La forma del indentador facilita la lectura de las impresiones bajo las cargas más ligeras usadas en este ensayo. El valor de dureza Knoop se determina a partir de la carga E (kg) y la diagonal mayor D (mm) de acuerdo a la fórmula:

Es necesario preparar muy cuidadosamente la superficie a medir, debido a que la impresión que se hace en este ensayo es muy pequeña.

Escleroscopio Los ensayos previos basan sus medidas de dureza ya sea en la relación de la fuerza aplicada dividida entre el área de la impresión resultante (Brinell, Vickers y Knoop) o en la profundidad de la impresión (Rockwell). El escleroscopio es un instrumento que mide la altura del rebote dc un martillo que se deja caer desde cierta distancia sobre la superficie del material a ensayar. El martillo consiste en una pesa con un indentador de diamante adherido a ella. El instrumento mide la energía mecánica absorbida por el material cuando el indentador golpea la superficie. La energía absorbida da una indicación de la resistencia a la penetración, que corresponde a nuestra definición de dureza. Si es absorbida mucha energía, el rebote será pequeño y el material se caracterizará como suave, pero si la energía absorbida es poca el rebote será grande, indicando así que el material es duro. El uso principal del escleroscopio parece ser la medición de la dureza de grandes piezas de acero y otros metales ferrosos. 

Durómetro Todos los ensayos descritos anteriormente se basan en la resistencia a la deformación permanente (indentación). El durómetro es un dispositivo que mide la deformación elástica del hule y materiales similares, al presionar un indentador sobre la superficie del objeto. La resistencia a la penetración es un indicador de dureza, tal como se aplica el término a este tipo de materiales.

Dureza de varios materiales 

En esta sección comparamos los valores de dureza de algunos materiales comúnmente usados para las tres categorías de materiales de ingeniería: metales, cerámicos y polímeros. 

Metales Los ensayos de dureza Brinell y Rockwell se desarrollaron en una época en que los metales eran el principal material de ingeniería. Se ha recopilado una cantidad significativa de datos mediante el uso de estos métodos. La tabla 3.6 presenta una lista de valores de dureza para metales seleccionados.

La dureza se relaciona con la resistencia en la mayoría de los metales. Como los métodos de ensayo de la dureza se basan usualmente en la resistencia a la indentación, que es una forma de compresión, podríamos esperar una buena correlación entre la dureza y las propiedades de resistencia determinadas en un ensayo de compresión. Pero las propiedades de resistencia en un ensayo de compresión son casi las mismas que aquellas determinadas en un ensayo de tensión, cuando se aplican las tolerancias por el cambio de áreas de la sección transversal de los respectivos especimenes; así que la correlación con las propiedades de tensión debe también ser buena. 

La dureza Brinell HB muestra una estrecha correlación con la resistencia última a la tensión TS de los aceros, ambos conducen a la relación [9, 14] 

TS =Kh (HB) 

donde Kb es una constante de proporcionalidad. Si TS se expresa en lb¡pulg2 , entonces Kh = 500; y si TS está en MPa, Kh = 3.45. 

TABLA 3.6 Dureza típica de metales seleccionados.

Cerámicos 

El ensayo de dureza Brinell no es apropiado para materiales cerámicos porque el material a ensayar es frecuentemente más duro que la bola de indentación. Se usan los ensayos de dureza Vickers y Knoop para ensayar estos materiales duros. La tabla 3.7 presenta valores para varios materiales duros, incluidos los cerámicos. Como punto de comparación, la dureza Rockwell C del acero de herramienta endurecido es 65 HRC. La escala HRC no se extiende lo suficientemente alto para usarse en materiales más duros. 

TABLA 3.7 Dureza de materiales cerámicos seleccionados y otros materiales duros, dispuesta en orden ascendente de dureza.

Polímeros Los polímeros tienen la dureza más baja entre los tres tipos de materiales de ingeniería. La tabla 3.8 muestra varios polímeros en la escala de dureza Brinell, aunque este método de ensayo no se usa normalmente para estos materiales, permite hacer una comparación con la dureza de los metales.