Conceptos sobre pruebas de dureza

La dureza, tal como se aplica a la mayoría de los materiales y, en particular, a los metales, es una prueba mecánica valiosa, reveladora y comúnmente empleada que ha estado en uso en diversas formas durante más de 250 años. Ciertamente, como una propiedad material, su valor e importancia no pueden subestimarse, la información de una prueba de dureza puede complementar y usarse a menudo junto con otras técnicas de verificación de materiales tales como tracción o compresión para proporcionar información crítica de rendimiento.

¿Cuán importante y útil es el material y las pruebas de dureza?

Considere la información proporcionada y su importancia en la estructura, aeroespacial, automotriz, control de calidad, análisis de fallas y muchas otras formas de fabricación e industria. La determinación de estas propiedades del material proporciona una visión valiosa de la durabilidad, resistencia, flexibilidad y capacidades de una variedad de tipos de componentes, desde materias primas hasta especímenes preparados y productos terminados.

La prueba de dureza es una forma ampliamente utilizada de prueba de materiales. Es relativamente fácil de realizar, por lo general es mínimo o completamente no destructivo, y la mayor parte de la instrumentación es barata en comparación con otros tipos de equipos de verificación de materiales. Además, normalmente se puede realizar directamente sobre el componente sin alteración significativa. Mientras que las técnicas y el hardware de la prueba han mejorado perceptiblemente mientras que la electrónica y la edad de la computadora han avanzado, las técnicas anteriores incluyeron pruebas rasguños simples. Estas pruebas se basaron en una barra que aumentó en dureza de extremo a extremo. El nivel al que el material que se ensaya puede formar un rasguño en la barra es un factor determinante en la dureza de las muestras. Las formas de ensayo de dureza posteriores incluyeron rascar las superficies del material con un diamante y medir la anchura de la línea resultante y, posteriormente, la indentación del material usando una bola de acero bajo fuerza. Con las crecientes necesidades de fabricación que la industrialización global trajo, y luego una demanda mucho más urgente durante las dos guerras mundiales, se desarrollaron máquinas y técnicas más refinadas. Se necesitaban pruebas precisas y eficientes en respuesta a las exigencias de la industria pesada, fallas estructurales y la necesidad de diseñar suficiente integridad material en la creciente infraestructura global. Recientemente, avances significativos en hardware, electrónica y software han conducido a equipos de pruebas de dureza mucho más sofisticados que pueden proporcionar información útil y crítica de la propiedad de forma rápida, fiable y con extrema precisión.

¿Qué es exactamente la prueba de dureza de indentación?

La definición más básica y comúnmente usada es la resistencia de un material a la deformación plástica permanente. Mientras que otras formas de pruebas de dureza, tales como el rebote, electromagnético y ultrasónico, se utilizan en una variedad de aplicaciones y miden la dureza del material a través de otras técnicas, la prueba de dureza de indentación proporciona un tipo de prueba confiable, directo y comúnmente entendido. Se mide cargando un indentador de geometría y propiedades especificadas sobre el material durante un período de tiempo especificado y midiendo la profundidad de penetración o las dimensiones de la indentación o impresión resultante. A medida que el material que se ensaya es más blando, la profundidad de penetración o las dimensiones de sangría se hacen más grandes. Los tipos comunes de pruebas de dureza incluyen Rockwell (profundidad de indentación o indentación no recuperada), Knoop / Vickers y Brinell (área de sangría). La prueba de Rockwell es el método más comúnmente usado en virtud de los resultados rápidos generados y se usa típicamente en metales y aleaciones. Las pruebas Knoop y Vickers son más adecuadas para materiales finos, recubrimientos y componentes metalográficos montados. Las aplicaciones de prueba de Brinell generalmente incluyen hierro fundido, estructura de acero grande y aluminio. Algunas pruebas de dureza se pueden hacer en cuestión de segundos con un dispositivo de mano. La hendidura hecha por la prueba de dureza puede ser triturada o puede ser tan pequeña que no afecte el rendimiento o la apariencia del componente. Debido a que las pruebas se realizan en el propio componente, cada producto o un chequeo de productos se puede probar antes de enviarlo al cliente.

¿Cómo se realizan estos tipos comunes de ensayos de dureza?

El ensayo de dureza Rockwell se basa en una relación inversa a la medición de la profundidad adicional a la que un indentador es forzado por una carga total (mayor) pesada más allá de la profundidad resultante de Una carga preliminar (menor) previamente aplicada. Inicialmente se aplica una carga menor y se establece una posición cero de referencia. La carga principal se aplica durante un período determinado y se elimina, dejando la carga menor aplicada. El número de Rockwell resultante representa la diferencia de profundidad desde la posición cero de referencia como resultado de la aplicación de la carga principal. Todo el procedimiento requiere tan sólo unos pocos segundos hasta 15 para los plásticos. En la prueba de Rockwell los resultados se obtienen rápida y directamente sin necesidad de un requisito de medición dimensional secundario. El tipo de indentador más común es un cono de diamante molido a 120 grados para probar aceros endurecidos y carburos. Los materiales más blandos se prueban típicamente usando las bolas del carburo de tungsteno que se extienden en los diámetros de 1/16 "hasta 1/2". La combinación de la fuerza del indentador y de la prueba compone la escala de Rockwell. Estas combinaciones forman 30 escalas diferentes y se expresan como el número de dureza real seguido por las letras HR y luego la escala respectiva. Un número de dureza registrado de HRC 63 significa una dureza de 63 en la escala Rockwell C. Los valores más altos indican materiales más duros tales como acero templado o carburo de tungsteno. Éstos pueden tener valores de HRC superiores a 70 HRC. Las fuerzas de prueba de Rockwell pueden aplicarse tanto con células de carga de bucle cerrado como con sistemas tradicionales de peso muerto.

Las pruebas de dureza micro o macro, también comúnmente denominadas pruebas Knoop o Vickers, también se realizan presionando un indentador de geometría especificada en la superficie de prueba. A diferencia de las pruebas de Rockwell, la prueba Knoop o Vickers aplica sólo una fuerza de prueba única. La impresión resultante o el área no recuperada se mide a continuación usando un microscopio de alta potencia en combinación con oculares de medición filar o, más recientemente, automáticamente con el software de análisis de imágenes. El diamante Knoop produce un alargamiento de forma romboidal con forma de rombo con una ración entre las diagonales largas y cortas de aproximadamente 7 a 1. Las pruebas Knoop se realizan principalmente en fuerzas de prueba de 10g a 1000g, las pruebas Knoop son conocidas principalmente como microdureza o pruebas de Microindentación y son Mejor utilizado en pequeñas áreas de ensayo o en materiales frágiles, ya que se produce una deformación mínima del material en el área diagonal corta. El diamante de Vickers produce una forma piramidal cuadrada con una profundidad de indentación de aproximadamente el 1% de la longitud diagonal. La prueba de Vickers tiene dos rangos de fuerza distintos, micro (10g a 1000g) y macro (1kg a 100kg), para cubrir todas las pruebas requeridas. El indentador es el mismo para ambos rangos, por lo tanto, los valores de dureza Vickers son continuos sobre el rango total de dureza para metales (típicamente HV100 a HV1000). Las pruebas de Vickers se conocen principalmente como ensayos de macro-indentación y se utilizan en una variedad más amplia de materiales, incluyendo los componentes de acero endurecido y de acero. Las sangrías de Vickers también son menos sensibles a las condiciones superficiales que la prueba de Knoop. En ambos tipos de prueba el área medida se usa en una fórmula que incluye fuerza aplicada para determinar un valor de dureza. Las tablas o las mediciones automáticas electrónicas o de imágenes son una forma más común y conveniente de generar números de dureza Knoop y Vickers.

Otro tipo común de ensayo de dureza, el ensayo Brinell, consiste en aplicar una carga o fuerza constante, normalmente entre 500 y 3000 Kgf, durante un tiempo especificado (de 10 a 30 segundos) utilizando una bola de carburo de tungsteno de 5 o 10 mm de diámetro. El período de tiempo de carga es necesario para asegurar que el flujo de plástico del metal ha cesado. A veces se utilizan fuerzas inferiores y bolas de menor diámetro en aplicaciones específicas. Similar a las pruebas de Knoop y Vickers, la prueba de Brinell aplica sólo una fuerza de prueba única. Después de retirar la carga, la impresión redondeada recuperada resultante se mide en milímetros utilizando un microscopio de baja potencia o un dispositivo de medición automático. Las pruebas de Brinell se usan típicamente en pruebas de aluminio y aleaciones de cobre (en fuerzas inferiores) y aceros y hierros fundidos en los rangos de fuerza más altos. El acero altamente endurecido u otros materiales usualmente no son probados por el método Brinell, pero el ensayo Brinell es particularmente útil en ciertos acabados de materiales, ya que es más tolerante a las condiciones superficiales debido al tamaño del indentador ya la fuerte fuerza aplicada. Los probadores de Brinell se fabrican a menudo para acomodar piezas grandes tales como piezas de fundición del motor y tuberías de gran diámetro.

Las pruebas de dureza juegan un papel importante en la prueba de materiales, control de calidad y aceptación de componentes. Dependemos de los datos para verificar el tratamiento térmico, la integridad estructural y la calidad de los componentes para determinar si un material tiene las propiedades necesarias para su uso previsto. Establecer una correlación entre el resultado de dureza y la propiedad de material deseada permite esto, haciendo que las pruebas de dureza sean muy útiles en aplicaciones industriales y de I + D y asegurando que los materiales utilizados en las cosas que usamos cotidianamente contribuyen a un mundo bien diseñado, eficiente y seguro.

Vea nuestro artículo publicado en Quality Magazine