2.6 ENSAYOS DE DUREZA

Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.

2.6.1 Ensayo Brinell
En el ensayo de dureza Brinell el penetrador es una bola de acero extraduro de diámetro D, que se apoya sobre la probeta a estudiar; ejerciendo sobre la misma una fuerza P durante un tiempo t dado, aparece una huella de diámetro d sobre el metal, figura 2.14. La dureza Brinell viene definida por:

 

Figura 2.14. Esquema del ensayo de dureza Brinell.

HB = P/S (2.5)

siendo S la superficie de la huella, casquete esférico. P se expresa en kg fuerza y S en mm2. También puede expresarse de la siguiente manera:

(2.6)

La selección de las cargas, P, y diámetros, D, es una función del espesor de la pieza a ensayar, pues los resultados de dureza quedan falseados cuando pequeños espesores son ensayados con grandes cargas. La normas DIN 50351, indica la forma de selección de las cargas, materiales y diámetro de bolas, estableciendo para cada material una relación entre la carga y el cuadrado del diámetro, la cual constituye la constante del ensayo, Ce:

Ce = P/D2 (2.7)

Se consigue obtener unidades Brinell de dureza equiparables para una misma aleación, si se mantiene constante, para distintas cargas de ensayo, el parámetro Ce.

En consecuencia, el tipo de ensayo Brinell queda definido por: el diámetro de la bola, D, la carga, P, y el tiempo de permanencia de la carga, t. Cada tipo de ensayo Brinell, se expresa en la forma,[n HBD/P/t]

2.6.2 Ensayo Vickers
El ensayo de dureza Vickers es, como el Brinell, un ensayo cuyo objetivo es la determinación de la superficie lateral, S, de la huella. El penetrador es una pirámide de diamante de base cuadrada, cuyo ángulo en el vértice es de 136°, figura 2.15.

Figura 2.15. Penetrador Vickers

S = d2/2 sen68° (2.8)

con lo que:

HV = 2P sen68°/d2 = 1.8544 P/d2 (2.9)

La selección de la carga se realiza en función inversa a su dureza. La norma UNE 7?054?73 establece los distintos aspectos de este ensayo. Como en el ensayo Brinell, la aplicación de la carga se realiza con una velocidad mínima, vm, y se requiere un tiempo mínimo de permanencia, t, entre 15 y 20 segundos generalmente. La denominación de la dureza obtenida se realiza citando las siglas HV seguido de la carga utilizada, P, y del tiempo de permanencia, t, separado por barras, por ejemplo, [nHV/P/t]

2.6.3 Ensayos Rockwell.
En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la medida de la profundidad, e, de la huella de acuerdo con el modelo:

HR = A - e (mm)/0.002 (2.10)

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:

a)	Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell, con diámetros de bola y cargas normalizados para cada tipo de ensayos.
b)	Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos.
c)	Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.

La denominación de la dureza Rockwell ensayada es por escalas, de A a L, que identifica la precarga, carga y tipo de penetrador, según se especifica en la tabla siguiente.

ESCALA	CARGA (kg)	PENETRADOR	MATERIALES TIPICOS PROBADOS
A	60	Cono de diamante	Materiales duros en extremo, carburos de wolframio, etc.
B	100	Bola de 1/16"	Materiales de dureza media, aceros al carbono bajos y medios, latón, bronce, etc
C	150	Cono de diamante	Aceros endurecidos, aleaciones endurecidas y revenidas.
D	100	Cono de diamante	Acero superficialmente cementado.
E	100	Bola de 1/8"	Hierro fundido, aleaciones de aluminio y magnesio.
F	60	Bola de 1/16"	Bronce y cobre recocidos.
G	150	Bola de 1/16"	Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.
H	60	Bola de 1/8"	Placa de aluminio.
K	150	Bola de 1/8"	Hierro fundido, aleaciones de aluminio.
L	60	Bola de 1/4"	Plásticos y metales suaves, como el plomo.

Figura 2.16. Secuencia de cargas, F, y profundidades en el ensayo Rockwell.

 

Con el objeto de obtener ensayos reproducibles, la máquina obtiene el valor "e", por incrementos de las cargas aplicadas de acuerdo con la secuencia siguiente, figura 2.16:

1 -	Aplicación de una carga previa, F0 = 10 kg. Esta sirve para tomar una referencia h0, independiente del estado superficial.
2 -	Aplicación de la sobrecarga de ensayo, F1, con lo que se alcanza h1.
3 -	Eliminación de la sobrecarga F1, con lo que se recupera la deformación elástica y se conserva la remanente. La profundidad alcanzada es h.
4 -	La profundidad de la huella viene definida por: e = h - h0 (2.11)

Durómetro Rockwell y Brinell.	Durómetro Rockwell y Vickers.	Durómetro Rockwell C y B.

Figura 2.17. Diferentes durómetros Rockwell y Vickers.

Figura 2.18. Equipo portátil para medición de la dureza, con microporcesador para realizar estadística y conversión de escalas.

2.6.4 Ensayos Shore
La dureza puede evaluarse a través de la cualidad que muestran los materiales de devolver la energía potencial recibida, dE0, por impacto de una masa que contacta con una determinada velocidad. El grado de endurecimiento, dH, es función inversa de la energía absorbida dEa. Es decir:

dH = f (1/dEa) (2.12)

cumpliéndose que:

dEa = dE0 - dEc (2.13)

El equipo para medir la dureza elástica se denomina escleroscopio, que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo, con punta de saúco o diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba.

 

Figura 2.18. Durómetro Shore de rebote.

La dureza elástica se aplica de forma auxiliar para determinar el grado de endurecimiento de los materiales que muestran una correlación clara con el ciclo de histéresis s-e, como son los materiales metálicos, y fundamentalmente, en aquellos, como los cauchos, en que la característica de amortiguamiento es muy importante y no puede utilizarse ningún otro método de dureza.

2.6.5 Objetivo de la experiencia
Conocer los métodos más usuales de determinación de durezas en materiales, sus aplicaciones y limitaciones.

2.6.6 Materiales empleados

 

 

 

 

2.6.7 Descripción del proceso y equipos

Figura 2.19. Aplicación del penetrador en el durómetro.

 

 

 

2.6.7 Resultados obtenidos

 

Ensayo de dureza en durómetro portátil Ernst	Ensayo de dureza en durómetro Centaur