Ensayos Dureza

INTRODUCCIÓN

La dureza es una condición de la superficie del material, no representa ninguna propiedad

de la materia y está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del material. Si

bien, es un término que nos da idea de solidez o firmeza, no existe una definición única

acerca la dureza y se la suele definir arbitrariamente en relación al método particular que se

utiliza para la determinación de su valor. De esta manera algunas definiciones son [2]

1) Resistencia a la identación permanente bajo cargas estáticas o dinámicas (dureza por

penetración)

2) Absorción de energía bajo cargas de impacto o dinámicas (dureza por rebote)

3) Resistencia a la abrasión (dureza por desgaste)

4) Resistencia al rayado (dureza por rayado).

Independientemente de las definiciones enumeradas, en general, se entiende por dureza la

propiedad que tienen los materiales de resistir la penetración de un identador bajo carga. En

este sentido definiremos dureza como la resistencia de un material a la deformación

plástica localizada.

Los diferentes métodos desarrollados para medir la dureza en general consisten en producir

una deformación local, en el material que se ensaya, a través de un identador. Los valores

obtenidos son siempre dependientes del método y las condiciones en las que se ensaya por

lo que para que un valor de dureza sea útil y permita su comparación debe estar

acompañado de la indicación del método utilizado y las condiciones del ensayo.

Los diferentes métodos utilizados para obtener los valores de dureza se pueden clasificar en

dos grandes grupos según la forma de aplicación de la carga:

Ensayos estáticos en lo que la carga se aplica en forma estática o cuasi-estática. En este

caso un identador se presiona contara la superficie de ensayo con una carga que se

aplica en forma relativamente lenta. En general la medida de dureza en este tipo de

ensayo resulta del cociente de la carga aplicada y el área de la huella que deja el

identador en la superficie, como es el caso de los método Brinell, Vickers y Knoop, o

bien es una medida de la profundidad de la identación como en el ensayo Rockwell.

Ensayos dinámicos en los que la carga se aplica en forma de impacto. En general el

identador es lanzado sobre la superficie a ensayar con energía conocida y el valor de

dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador luego de impactar en la

muestra, como sucede en el método de Shore y en el de Leeb, ambos conocidos como

métodos de dureza por rebote.

Si bien se pueden clasificar en este grupo métodos como el de Poldi, o uno mucho más

moderno como el UCI Ultrasonic Contact Impedance, los de rebote son los más

representativos de los ensayos dinámicos de dureza.

En los ensayos dinámicos los resultados obtenidos son dependientes de las propiedades

elásticas del material que se ensaya y en general los valores son comparables entre

materiales en los que dichas propiedades son iguales, o bien se requiere la calibración

del instrumento antes de ensayar un material cuyo módulo elástico es desconocido.

En general se mide dureza cuando se ha establecido una correlación entre la dureza y

alguna otra propiedad del material, como por ejemplo la resistencia a la abrasión o al

desgaste, la resistencia a la tracción, etc. Sin embargo debe advertirse que dichas

correlaciones son aplicables en forma muy cuidadosa sobre un rango acotado de materiales

sobre los cuales se conoce, empíricamente, las condiciones en que se cumple la relación

entre la propiedad buscada y el valor de la dureza.

En general se puede utilizar la medición de dureza para:

evaluar la efectividad de un tratamiento térmico.

evaluar la resistencia al desgaste de un material

evaluar la maquinabilidad del material.

obtener una idea de la resistencia a la tracción de un material.

Los ensayos de dureza son junto con el tracción son los más utilizados en la selección y

control de calidad de los materiales [3]. El empleo de los ensayos de dureza como

instrumento de clasificación y control de calidad en las líneas de producción ha sido

favorecido gracias a la automatización de los ciclos de medición de los métodos

tradicionales tales como el Rockwell o el Brinell. En este sentido existen aparatos que

permiten ciclos automáticos de medición muy rápidos en los que prácticamente no se

requiere la intervención del operador. Además el avance de la microelectrónica y el

software embebido han permitido el desarrollo de instrumentos medidores de dureza

portátiles muy fáciles y rápidos de utilizar, que permiten la medición de piezas y lugares en

los que los métodos tradicionales no son aplicables.

DUREZA BRINELL

El ensayo de dureza brinell consiste en presionar la superficie del material a ensayar con

una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, produciéndose la impresión de un

casquete esférico correspondiente a la porción de la esfera que penetra Fig. 1.

El valor de dureza, número de Brinell HB, resulta de dividir la carga aplicada P por la

superficie del casquete, por lo que

H

=

B 2

π D h mm

⎡ ⎤

P kg

⎢ ⎥

⎣ ⎦

La profundidad h del casquete impreso se mide directamente en la maquina, mientras la

carga se mantiene aplicada de modo de asegurar un buen contacto entre la bolilla y el

material.

Otra manera de determinar el número HB es partiendo del diámetro d de la impresión lo

cual tiene la ventaja de que se pueden efectuar tantas mediciones como se estimen

necesarias y en microscopios o aparatos especialmente diseñados para tal fin. En este caso

el valor del diámetro de la impresión resultará del promedio de dos lectura realizadas a 90º

entre si. Considerando que

D D D d

h α

= − = − −

2 2 2 2

2 2

⎛ ⎞ ⎛ ⎞

⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

reemplazando la Eq. 2 en la Eq. 1 se obtiene una expresión para el número de Brinell en

función del diámetro de la huella

HB

=

π D D D d

2P

( )

2 2

− −

En la práctica el número de Brinell se puede tomar directamente de una tabla ingresando

con el valor del diámetro de la impronta.

En algunos materiales la penetración de la bolilla origina una craterización Fig. 2.a y en

tros una depresión Fig 2.b. En estos casos los valores obtenidos a partir de la medición de h

no coinciden con los obtenidos en función de d, ya que la profundidad h medida no

corresponde al casquete cuyo diámetro es d, sino al de diámetro d1, cuya determinación

exacta en forma práctica es dificultosa.

Por todo esto se ha generalizado la determinación de HB a partir de d, ya que ofrece mayor

seguridad de una determinación correcta. Ya sea en la, determinación de h o en la de d, se

requiere una precisión mínima de 0,01mm.

Figura 1. Esquema básico de un

ensayo de dureza Brinell

Figura 2.a. Craterización en la

identación

Figura 2.b Depresión en la

identación

Puede resultar conveniente obtener el valor de dureza a partir de la penetración h mediada

durante el ensayo y luego comparar este valor con el que resulta de las mediciones de d.

En caso que los resultados sean muy disímiles, el operador deberá decidir acerca de cual

método es el que el arroja el resultado más exacto, en base a su experiencia y al

conocimiento del equipamiento utilizado.

Algunos durómetros modernos están dotados de sistemas electrónicos encargados de

producir la identación y determinar el valor de dureza automáticamente. Estos sistemas

proveen el valor de dureza en forma directa, sin necesidad de realizar mediciones ni utilizar

tablas. La determinación automática de la dureza se puede hacer de dos maneras: a través

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