En la ciencia y la ingeniería de materiales, los ensayos de dureza son cruciales para evaluar la resistencia de un material a la deformación, lo que repercute directamente en su durabilidad, resistencia al desgaste y rendimiento en diversas aplicaciones. Conocer la dureza de un material es esencial para determinar su idoneidad para tareas específicas.

Los ensayos de dureza más citados en las hojas de datos de materiales son Rockwell, Brinell y Vickers, siendo Rockwell el más frecuente debido a su proceso rápido y sencillo, especialmente en entornos industriales. Los ensayos de dureza Leeb y Knoop tienen usos especializados y se citan con menos frecuencia en las hojas de datos de materiales estándar debido a sus aplicaciones y entornos de ensayo específicos.

Comparación de los métodos de ensayo de dureza

A continuación se ofrece una tabla de referencia rápida en la que se comparan los distintos métodos de ensayo de dureza en cuanto a materiales adecuados, ventajas e inconvenientes, aplicaciones, rango de carga, tipo de indentación y normas aplicables.

Tabla de conversión de ensayos de dureza

Los valores que figuran a continuación son estimaciones basadas en referencias de conversión ampliamente aceptadas, como ASTM E140, que proporciona directrices para convertir los valores de dureza entre diversas escalas como Rockwell, Brinell y Vickers. Los valores exactos pueden variar ligeramente en función del material y de las condiciones específicas de ensayo. Si un número se encuentra entre dos valores de dureza, basta con interpolar los resultados para obtener una estimación.

Una tabla de conversión es especialmente útil para proporcionar una forma normalizada de comparar los resultados de diferentes ensayos, garantizando la coherencia entre los distintos métodos de prueba y sectores (los datos que figuran a continuación son aproximados).

Selección del mejor método de ensayo de dureza para su aplicación

La siguiente tabla ofrece una visión general de diversos materiales, incluidos los metales, junto con los correspondientes métodos de ensayo de dureza aplicables a cada uno de ellos. La tabla clasifica los materiales en función de su capacidad para someterse a ensayos de dureza específicos, como Rockwell, Brinell, Vickers y otros. 

Este desglose conciso ayuda a seleccionar el método de ensayo adecuado para los distintos materiales, garantizando mediciones precisas y fiables.

Aunque esta tabla sólo representa los ensayos de dureza de metales, los polímeros y elastómeros también pueden ensayarse utilizando métodos de ensayo ligeramente diferentes (por ejemplo, la dureza Shore).

Ensayo de dureza Rockwell

El ensayo de dureza Rockwell es un método muy utilizado para determinar la dureza de los materiales, especialmente en entornos de ensayo de gran volumen, debido a su rapidez, sencillez y eficacia. Proporciona lecturas directas de la dureza sin necesidad de cálculos adicionales, por lo que es ideal para el control de calidad rutinario. 

El ensayo Rockwell es especialmente adecuado para materiales más duros, como aceros y aleaciones, en los que las indentaciones más pequeñas y la precisión de la medición de la profundidad de indentación ofrecen resultados fiables. También requiere menos destreza del operario y reduce la probabilidad de error humano en comparación con otros métodos, como el Brinell, lo que lo convierte en la opción preferida en entornos de producción en los que la velocidad y la facilidad de uso son cruciales.

Escalas de dureza Rockwell

Metodología Rockwell

El ensayo de dureza Rockwell consiste en aplicar una secuencia de cargas al material y medir la profundidad de la hendidura resultante, que indica la dureza del material. Aquí tiene una descripción del proceso paso a paso :

1. Aplicar carga preliminar
   • Comience aplicando una carga menor de 10 kgf al material.
   • Esta carga inicial ayuda a establecer un punto de partida consistente y elimina las irregularidades de la superficie.
2. Estabilizar la carga
   • Deje que la carga menor se estabilice, asegurándose de que el penetrador está correctamente colocado en el material.
3. Aplicar carga mayor
   • Una vez que la carga menor sea estable, aplique la carga mayor.
   • La carga principal puede oscilar entre 60 y 150 kgf, dependiendo de la escala Rockwell específica que se utilice.
   • Esta carga crea una hendidura más profunda en el material.
4. Sujetar la carga
   • Manteng la carga principal durante un tiempo predeterminado.
   • Esto permite que el material responda plenamente a la fuerza aplicada.
5. Eliminar la carga principal
   • Una vez transcurrido el tiempo necesario, retire la carga mayor manteniendo en su sitio la carga menor.
6. Medir la hendidura
   • Mida la profundidad de la indentación final en relación con la posición inicial de carga menor.
   • La medición se registra en unidades de 0,002 mm.

El número de dureza Rockwell, calculado automáticamente por la máquina de ensayo, refleja esta profundidad: los valores más altos indican materiales más duros con indentaciones menos profundas, mientras que los valores más bajos corresponden a materiales más blandos con indentaciones más profundas.

Solución de problemas

• Preparación de la superficie: Asegúrese de que la superficie de prueba esté limpia, lisa y libre de revestimientos o contaminantes que puedan afectar a la indentación.
• Calibración: calibre periódicamente el comprobador y compruebe que no haya problemas mecánicos con el penetrador o el sistema de carga.
• Carga adecuada: Verifique que tanto las cargas preliminares como las principales se apliquen correctamente, evitando una fuerza excesiva que pueda causar daños en la superficie o una carga insuficiente que dé lugar a lecturas inexactas.

Ensayo de dureza Brinell

El ensayo de dureza Brinell es ideal para medir la dureza de metales con estructuras de grano grueso o no homogéneo, como el hierro fundido y metales más blandos como las aleaciones de aluminio. Mide el diámetro de una indentación más grande, que promedia las variaciones en la microestructura del material, proporcionando un valor de dureza más representativo para materiales con propiedades no uniformes.

Brinell es especialmente útil para ensayar materiales más blandos o cuando se necesita un área de indentación mayor para el análisis. Por el contrario, el ensayo Rockwell es más adecuado para materiales más duros y situaciones que requieren lecturas rápidas y directas, pero puede ser menos preciso para materiales con microestructuras variables.

Escalas de dureza Brinell

Metodología

El ensayo de dureza Brinell mide la dureza del material determinando el diámetro de una hendidura realizada por una bola de acero endurecido o carburo bajo una carga específica. Se aplica una carga, normalmente de 500 a 3.000 kgf, a la superficie del material durante 10-15 segundos, permitiendo que la bola penetre y cree una hendidura.

Una vez retirada la carga, se mide el diámetro de la muesca con un microscopio. El número de dureza Brinell se calcula en función de la carga aplicada y de la superficie de la indentación; los diámetros más grandes indican materiales más blandos y los diámetros más pequeños, materiales más duros.

Solución de problemas

• Aplicación correcta de la fuerza: Asegúrese de que se aplica la fuerza correcta para el material que se está probando, ya que una fuerza excesiva o insuficiente puede provocar formas de indentación incorrectas.
• Homogeneidad del material: Compruebe la uniformidad del material; los materiales no homogéneos pueden provocar hendiduras irregulares.
• Medición precisa: utilice el aumento y la iluminación adecuados para medir con precisión el diámetro de la muesca y evite los errores de paralaje asegurándose de que la medición se realiza directamente sobre la muesca.

Ensayo de dureza Vickers

El ensayo de dureza Vickers es un método versátil y preciso adecuado para una amplia gama de materiales, desde metales blandos hasta cerámicas duras, y es especialmente valioso para microensayos de dureza que requieren mediciones pequeñas y precisas. Utiliza un indentador piramidal de diamante, que crea una indentación consistente independientemente de la dureza del material, lo que garantiza resultados muy precisos.

A diferencia del ensayo Brinell, adecuado para materiales con estructuras de grano grueso, o del ensayo Rockwell, ideal para ensayos rápidos y de gran volumen, el método Vickers destaca en el ensayo de probetas muy pequeñas o finas y proporciona datos detallados de microdureza. Esto lo hace especialmente útil en la investigación, la ciencia de los materiales y las aplicaciones que requieren detalles finos y precisión.

Escalas de dureza Vickers

El ensayo HV (número de dureza Vickers) puede realizarse con cargas que oscilan entre 1 gf y 100 kgf. La versatilidad en el rango de carga permite utilizarlo para ensayos de dureza micro a macro.

Metodología

El ensayo de dureza Vickers mide la dureza de un material determinando el tamaño de una hendidura realizada por un penetrador piramidal de diamante bajo una carga específica. Se aplica a la superficie del material una carga que oscila entre 1 gf y 100 kgf, creando una hendidura de forma cuadrada. Una vez retirada la carga, se miden las diagonales de la muesca con un microscopio.

El HV se calcula en función de la carga aplicada y del área de la indentación. Las indentaciones más pequeñas indican materiales más duros, mientras que las indentaciones más grandes indican materiales más blandos, por lo que el ensayo resulta especialmente útil para medir con precisión la dureza en una amplia gama de materiales.

Ensayo de dureza Knoop

El ensayo de dureza Knoop es un ensayo de microdureza diseñado para materiales frágiles como la cerámica y el vidrio, así como para secciones metálicas pequeñas o finas. Utiliza un indentador alargado en forma de diamante para crear una hendidura poco profunda y estrecha, ideal para medir la dureza en capas finas o revestimientos a microescala sin causar daños excesivos.

El ensayo Knoop es especialmente adecuado para materiales muy quebradizos o aplicaciones que requieren mediciones precisas de la dureza en áreas pequeñas, como las secciones transversales de revestimientos, microestructuras o películas muy finas, donde las indentaciones más profundas del ensayo Vickers podrían provocar grietas o fracturas.

Escalas de dureza de Knoop

Los ensayos de número de dureza Knoop (HK) pueden realizarse con cargas que oscilan entre 10 gf y 1.000 gf, lo que permite un análisis detallado de la dureza de materiales frágiles y revestimientos finos.

Metodología

El ensayo Knoop mide la dureza del material determinando la longitud de una hendidura realizada por un penetrador alargado en forma de diamante bajo una carga ligera. La carga, que suele oscilar entre 10 gf y 1.000 gf, se aplica a la superficie del material, creando una pequeña hendidura alargada. Una vez retirada la carga, se mide con un microscopio la longitud de la diagonal larga de la hendidura.

El número de dureza Knoop (HK) se calcula en función de la carga y el área de la indentación; las indentaciones más largas indican materiales más blandos y las más cortas, materiales más duros. Este ensayo es especialmente adecuado para materiales frágiles y revestimientos finos.

Solución de problemas

• Alineación del penetrador: Compruebe que el penetrador está correctamente alineado con la superficie de prueba para evitar penetraciones torcidas o descentradas.
• Gran aumento: utilice un gran aumento para medir hendiduras pequeñas, especialmente en los ensayos Knoop, para garantizar una medición precisa.
• Carga consistente: Asegúrese de que el proceso de carga es gradual y consistente para evitar variaciones en el tamaño de la indentación y en las lecturas de dureza.

Ensayo de dureza Leeb

El ensayo de dureza Leeb, también conocido como ensayo de dureza de rebote, mide la dureza analizando el rebote de un indentador, en lugar del tamaño de una indentación. Es portátil e ideal para ensayos in situ de componentes grandes y pesados, ya que ofrece un método no destructivo que causa un daño mínimo a las piezas acabadas y los revestimientos.

El ensayo Leeb es versátil y se adapta a diversos materiales y niveles de dureza con diferentes sondas y energías de impacto. Proporciona lecturas de dureza rápidas y directas con un mínimo de configuración y habilidad del operador, por lo que es eficiente para aplicaciones que requieren velocidad, facilidad de uso y capacidades de ensayos de campo.

Tipos de sonda

Los ensayos de número de dureza Leeb (HL) pueden realizarse con distintas energías de impacto, que suelen oscilar entre 5,5 mJ (sonda de tipo D) y 74,5 mJ (sonda de tipo G) en función de la sonda utilizada.

Metodología

El ensayo de dureza Leeb mide la dureza del material determinando la velocidad de rebote de una bola de carburo de tungsteno tras impactar contra la superficie del material con una energía de impacto específica. El ensayo suele utilizar una sonda que suministra una energía de impacto que oscila entre 9,8 mJ y 74,5 mJ, en función del tipo de sonda.

Después de que la pelota golpee el material, se mide la velocidad de rebote y se calcula el HL en función de la relación entre la velocidad de rebote y la velocidad de impacto. Una mayor velocidad de rebote indica un material más duro, mientras que una menor velocidad de rebote indica un material más blando. Esta prueba es portátil e ideal para probar componentes grandes y pesados in situ.

Solución de problemas

• Selección de la sonda: elija el tipo de sonda y la energía de impacto adecuados para el material sometido a ensayo a fin de garantizar resultados precisos.
• Preparación de la superficie: La superficie debe ser lisa y estar libre de residuos; las superficies ásperas o sucias pueden causar pérdidas de energía durante el impacto, dando lugar a lecturas inexactas.
• Ángulo de impacto: Asegúrese de que el impacto es perpendicular a la superficie para evitar resultados sesgados.

Resultados precisos y fiables de los ensayos de dureza

Para garantizar unos valores de dureza precisos y fiables durante el ensayo, tenga en cuenta los siguientes consejos generales:

• Preparación de la muestra: Asegúrese de que la superficie de la muestra está correctamente preparada, libre de contaminantes y tiene una superficie lisa y plana. Las condiciones inconsistentes de la superficie pueden dar lugar a mediciones inexactas.
• Aplicación correcta de la carga: Compruebe que se ha seleccionado la carga adecuada para el material que se está probando. El uso de cargas incorrectas puede provocar indentaciones demasiado superficiales o demasiado profundas, lo que puede dar lugar a resultados erróneos.
• Calibración adecuada: calibre regularmente la máquina de ensayo de dureza con materiales de referencia certificados. La calibración ayuda a mantener la precisión de las mediciones a lo largo del tiempo.
• Estado del penetrador: Inspeccione regularmente el penetrador para comprobar si está desgastado o dañado. Un penetrador desgastado o dañado puede producir resultados inconsistentes y debe ser reemplazado inmediatamente.
• Alineación: Asegúrese de que el penetrador está correctamente alineado con la muestra. Una alineación incorrecta puede provocar una distribución desigual de la presión y, en consecuencia, resultados sesgados.
• Condiciones ambientales: Controle el entorno de ensayo, especialmente la temperatura y la humedad, ya que pueden influir en las propiedades del material y en los resultados del ensayo.
• Evite las vibraciones: Coloque el durómetro sobre una superficie estable para evitar las vibraciones, que pueden interferir en el proceso de indentación y afectar a la precisión de la medición.
• Tiempo de indentación coherente: Siga el tiempo de indentación recomendado para cada ensayo de dureza. Las variaciones en el tiempo pueden alterar el tamaño de la indentación y, por tanto, el valor de dureza.

Resultados de los ensayos de dureza para un rendimiento fiable de los materiales

El ensayo de dureza es una práctica fundamental en la ciencia y la ingeniería de materiales, ya que proporciona información crucial sobre la resistencia de un material a la deformación y su durabilidad general. Si conoce las diferencias entre los distintos métodos de ensayo de dureza, podrá seleccionar el método de ensayo de dureza adecuado para un metal concreto, lo que le permitirá elegir materiales con mayor conocimiento de causa y obtener mejores resultados en aplicaciones reales.

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