History of Hardness Testing | Buehler

Prueba de dureza temprana

La dureza, aplicada 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. ¿Qué tan importante y útil es el material y la prueba 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. A lo largo de los años, se han desarrollado y empleado diversos métodos para determinar la dureza de los materiales con diferentes niveles de éxito. Desde las primeras formas de pruebas de rascado hasta la sofisticada imagen automatizada, las pruebas de dureza han evolucionado hasta convertirse en un método de prueba de materiales eficiente, preciso y valioso.

Mientras que las técnicas de prueba y el hardware han mejorado significativamente, particularmente en los últimos años y en el paso con la electrónica que avanza rápidamente, la computadora, el hardware, y las capacidades de programación, antes, las formas básicas de pruebas de dureza, como la prueba simple del rasguño bastaron para la necesidad del Era relevante. Algunas de las formas más tempranas de la prueba del rasguño de la barra datan alrededor de 1722. 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. Posteriormente, en 1822, se introdujeron formas de ensayo de dureza que incluían rascar superficies de material con un diamante y medir el ancho de la línea resultante, una prueba conocida como la escala de Mohs. En algunos procesos este método todavía se utiliza hoy en día. La escala de Mohs consta de diez minerales, ordenados desde los más duros a 10 (diamante) hasta los más suaves a 1 (talco). Cada mineral puede rayar los que caen debajo de él en la jerarquía de la escala. La escala de Mohs no es lineal; La diferencia de dureza entre 9 y 10 es significativamente mayor que entre 1 y 2. Para poner la escala de Mohs en perspectiva, un ejemplo tangible es el acero de herramienta endurecido que cae aproximadamente a 7 u 8 en la escala. Durante los siguientes 75 años, se introdujeron otras versiones más refinadas de la prueba de rayado incluyendo microscopios integrados, escenarios y aparatos de diamante que aplicaban cargas crecientes de hasta 3 gramos. El material a ensayar se rascó bajo variantes de carga y luego se comparó con un conjunto estándar de arañazos de valor conocido. Una versión más sofisticada de este sistema empleaba un diamante montado en el extremo de un resorte de acero cónico. El otro extremo del muelle estaba conectado a un brazo de equilibrio con un peso de 3 gramos. El material sometido a prueba fue movido por un sistema de rueda de engranaje de rueda y tornillo sin fin, en la parte superior de la cual se encontraba una platina y un dispositivo de retención para el material. Se aplicó una presión fija a medida que se atravesaba el material dando como resultado un "corte" en el material que luego se midió bajo el microscopio con la ayuda de un ojo micrométrico filar. Una fórmula matemática, inherente al proceso, se utilizó entonces para derivar la dureza.

Posteriormente, se introdujo la dureza del tipo de indentación, una forma temprana desarrollada alrededor de 1859, se basó en la carga requerida para producir un sangrado de 3,5 mm en el material. La profundidad se midió con un sistema de escala vernier y la carga total necesaria para alcanzar los 3,5 mm se llamó la dureza. El penetrador constaba de un cono truncado que se estrechaba desde 5 mm en la parte superior hasta 1,25 mm en el punto. Este método fue más eficaz en materiales blandos. Otra forma temprana de prueba de indentación implicaba presionar geometrías de ángulos rectos del mismo material de ensayo entre sí y medir la anchura de la impresión resultante. Varios formatos evolucionaron a partir de esta técnica durante los 1900's tempranos que utilizaron también indentación "mutua" del material de prueba cilíndrico con el eje longitudinal presionado en ángulos rectos el uno al otro.

El primer ensayo ampliamente aceptado y estandarizado de indentación-dureza fue propuesto por J. A. Brinell en 1900. El interés de Brinell por la ciencia de los materiales creció durante su participación en varias compañías de hierro suecas y su deseo de tener un medio consistente y rápido de determinar la dureza material. La prueba de dureza Brinell, todavía ampliamente utilizada hoy en día, consiste en introducir la superficie metálica con un acero de 1 a 10 mm de diámetro o, más recientemente, una bola de carburo de tungsteno con cargas pesadas de hasta 3.000 kg. La impresión resultante, el diámetro de la indentación, se mide con un microscopio de baja potencia después de retirar la carga. El promedio de dos lecturas del diámetro de la impresión en ángulos rectos se realizan y se calcula matemáticamente a un valor de dureza. La prueba de Brinell introdujo esencialmente la fase de producción de pruebas de dureza de indentación y abrió el camino para pruebas de indentación adicionales que eran más relevantes para los tipos de material.

Al mismo tiempo que el Brinell se estaba desarrollando como una prueba útil, el probador de dureza Scleroscope fue introducido como uno de los primeros instrumentos de prueba de dureza "no marcadores". Albert F. Shore, fundador de Shore Instrument Manufacturing Company en Nueva York, cuyo nombre ahora es sinónimo de pruebas de durómetro, diseñó el Escleroscopio como una prueba de dureza alternativa. El Escleroscopio utilizó un "martillo" con punta de diamante, sostenido dentro de un tubo de vidrio que cayó, desde una altura de 10 pulgadas, sobre un espécimen de prueba. El rebote del martillo se midió en una escala graduada de unidades "Shore", cada una dividida en 100 partes que proporcionan una comparación con el rebote que podría esperarse de acero endurecido de alto carbono. La lectura de la dureza es técnicamente una medida de la elasticidad del material. Una ventaja significativa del Escleroscopio fue su naturaleza "no destructiva" en que, a diferencia de los otros métodos disponibles de prueba de dureza en ese momento, un Escleroscopio dejó sólo una ligera marca en el material bajo prueba, presumiblemente dejándolo disponible para su uso Después de la evaluación.

A medida que el siglo XX progresó y soportó dos guerras mundiales, con el florecimiento simultáneo de la revolución industrial, el aumento de las necesidades de fabricación y la industrialización global trajo una demanda urgente de métodos de prueba más refinados y eficaces y nuevas técnicas comenzaron a desarrollarse. 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.

Como alternativa al Brinell, la prueba de dureza Vickers fue desarrollada en 1924 por dos caballeros, Smith y Sandland, en Vickers Ltd, un conglomerado británico de ingeniería. El ensayo se diseñó en reacción a la necesidad de tener un ensayo más refinado sobre las limitaciones de material en las que el Brinell fue eficaz. La prueba de Vickers utiliza el mismo principio que el Brinell, el de una impresión regulada sobre el material, pero en su lugar utiliza un diamante en forma de pirámide en lugar del penetrador de bolas Brinell. Esto resultó en una prueba de dureza más consistente y versátil. Más tarde, en 1939, Fredrick Knoop presentó una alternativa a la prueba Vickers en la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos. La prueba Knoop utilizó un formato alargado y poco profundo de la pirámide de diamantes y fue diseñada para ser usada bajo fuerzas de prueba inferiores a la prueba de dureza Vickers, lo que permite realizar pruebas más precisas de materiales frágiles o delgados. Tanto las pruebas Vickers como Knoop continúan como métodos populares de análisis de dureza hoy.

Aunque concebido como una idea en 1908 por un profesor vienés, Paul Ludwik, la prueba de sangría Rockwell no llegó a ser de importancia comercial hasta alrededor de 1914 cuando los hermanos Stanley y Hugh Rockwell, trabajando de una empresa manufacturera en Bristol Connecticut, amplió la idea de utilizar Una prueba cónica de la indentación del diamante basada en el desplazamiento y solicitada para una patente para un diseño del probador de Rockwell. El principal criterio para este probador fue proporcionar un método rápido para determinar los efectos del tratamiento térmico en carreras de acero. Uno de los principales puntos fuertes de la Rockwell fue la pequeña zona de sangría necesaria. También es mucho más fácil de usar ya que las lecturas son directas, sin necesidad de cálculos o mediciones secundarias. La solicitud de patente fue aprobada el 11 de febrero de 1919 y posteriormente, en 1924 se concedió una patente de diseño más mejorada. Simultáneamente, Stanley Rockwell estaba comenzando la producción comercial de probadores Rockwell en colaboración con el fabricante de instrumentos Charles H. Wilson en Hartford, Connecticut. La compañía se convirtió en la Compañía de Instrumentos Mecánicos Wilson y se convirtió en el productor premium de los probadores de Rockwell. Después de algunos cambios de propiedad a través de la última década de 1900, Wilson fue adquirida en 1993 por Instron, un líder mundial en la industria de pruebas de materiales y hoy se ha convertido en una parte integral de Instron / Illinois Tool Works. Ahora conocido como Wilson Hardness, la experiencia combinada de Instron / Wilson, junto con las subsiguientes adquisiciones de Wolpert Hardness y Reicherter Hardness, han llevado a la ingeniería y la producción de sistemas de dureza de vanguardia. La prueba Rockwell sigue siendo uno de los tipos de prueba de dureza más eficientes y ampliamente utilizados en uso.

La tecnología de pruebas de dureza se mantuvo bastante consistente a lo largo de mediados a finales de 1900, la mayoría de los sistemas que utilizan típicamente el método de peso muerto de aplicar las fuerzas de prueba. Si bien la técnica de peso muerto es bastante simple, fiable y ampliamente aceptada, el método no carece de ambigüedades. La producción intensiva en mano de obra, unida a las complejidades de un sistema altamente mecánico dependiente de palancas, pivotes y guías, llevó a la necesidad de un mayor desarrollo y se hizo evidente que otras formas de regulación de fuerza recientemente desarrolladas en instrumentación de medición podrían aplicarse a ensayos de dureza así como. Con las crecientes demandas de productividad, precisión, características del usuario y repetibilidad en bucle cerrado, la tecnología de células de carga se convirtió en un factor en las pruebas de dureza. Durante la década de 1950, Instron, en Massachusetts, fue pionera en el uso de sistemas de bucle cerrado en instrumentos de prueba de tracción. Los sistemas de bucle cerrado difieren de los sistemas de bucle abierto (peso muerto) en que tienen un medio para medir electrónicamente la fuerza que se aplica durante cada prueba y alimentar (o bucle) la información de nuevo al sistema de control. El sistema de control está diseñado para usar la retroalimentación para ajustar el mecanismo de aplicación de fuerza para aplicar, a una velocidad extremadamente precisa, la fuerza deseada. Estos sistemas funcionan tan bien que hoy en día todos los instrumentos electrónicos de tracción / compresión utilizan exclusivamente el control de bucle cerrado. Con la colaboración de Instron y Wilson, la capacidad de adaptar el control de lazo cerrado a los probadores de dureza llevó al desarrollo de sistemas con repetibilidad nunca antes realizado. Durante la década de 1990 esta tecnología fue introducida primero a los probadores Rockwell, y más tarde a Knoop / Vickers, así como a los sistemas Brinell. El bucle cerrado rápidamente ganó impulso como un medio para lograr resultados de prueba de dureza extremadamente precisos y repetibles. Hoy en día la tecnología es un formato popular y ampliamente utilizado.

Ahora, con mejoras significativas en los últimos años en instrumentos de prueba de dureza, hardware, electrónica, algoritmos de imagen y capacidades de software, la puerta se ha abierto a procesos de prueba extremadamente precisos y confiables que proporcionan resultados más rápidamente que nunca, a menudo de manera automatizada. Estos componentes y técnicas han demostrado ser beneficiosos para aumentar la eficiencia, velocidad y precisión a niveles sin precedentes. En los últimos años y sin duda cada vez más en el futuro, los procesos de prueba manuales más tradicionales han continuado y darán paso rápidamente a la automatización en todos los aspectos del proceso de pruebas. Se han introducido nuevas técnicas en la preparación y manipulación de materiales, montaje, movimiento de escenario, interpretación de resultados y análisis, e incluso informes, a la industria de pruebas de dureza. La tecnología de automatización se está integrando cada vez más en muchos sistemas de dureza utilizando el desplazamiento de etapas y el análisis de imagen de las indentaciones Knoop, Vickers y Brinell. Un sistema automático de dureza consta típicamente de un probador completamente controlable, que incluye una torreta auto-rotativa o giratoria, así como un accionamiento en el eje Z, ya sea desde la carcasa del cabezal / indentador o desde un sistema accionado por husillo utilizado para aplicar la indentación a una distancia predeterminada Así como para enfocar automáticamente la muestra. A esto se añade una computadora estándar con un software dedicado de dureza, un escenario motorizado automático XY y una cámara de video USB. El resultado es un potente sistema de prueba de dureza totalmente automático. Estos sistemas pueden dejarse solos para crear, medir e informar automáticamente sobre un número casi ilimitado de recorridos de indentación. Esta nueva tecnología elimina gran parte del hardware que en el pasado causó desafíos operacionales y un espacio de trabajo desordenado.

Las pruebas de dureza desempeñan 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. A través de los años, el establecimiento de medios de pruebas cada vez más productivas y eficaces a través de refinar el diseño tradicional de pruebas ha dado paso a nuevos métodos de vanguardia que realizan e interpretan las pruebas de dureza más eficazmente que nunca. El resultado es una mayor capacidad y dependencia de "dejar que el instrumento haga el trabajo", contribuyendo a aumentos sustanciales en el rendimiento y consistencia y continuando haciendo pruebas de dureza muy útiles en aplicaciones industriales y de I + D y asegurando que los materiales utilizados en las cosas que usamos Cada día contribuyen a un mundo bien diseñado, eficiente y seguro.

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