La dureza del material es una propiedad esencial que indica qué tan bien un material puede soportar fuerzas mecánicas sin sufrir deformaciones significativas. Es un atributo crítico en la fabricación y la ingeniería, que afecta no solo el rendimiento y la vida útil de los productos, sino que también influye directamente en la eficiencia del proceso de producción y la calidad de los productos finales. En este artículo, veremos más de cerca qué es la dureza del material y cómo se mide.
¿Qué es la dureza del material?
La dureza del material se refiere a la capacidad de un material para resistir la deformación plástica localizada (deformación permanente). En otras palabras, mide qué tan resistente es un material a los cambios de forma en presencia de fuerzas externas como rayones, indentaciones y abrasión.
Como se muestra en el diagrama siguiente, la mayoría de los materiales plásticos tienen menor dureza, mientras que es extremadamente difícil abollar o rayar un diamante. La mayoría de los demás materiales se encuentran en algún punto intermedio.
La dureza se puede confundir fácilmente con otras propiedades del material, como la tenacidad y la resistencia, pero pertenecen a tres propiedades diferentes de un material. Específicamente, la dureza significa la resistencia de la superficie a la deformación y el desgaste, mientras que la tenacidad se refiere a la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse, y la resistencia se refiere a la capacidad general del material para soportar fuerzas de tracción, compresión y flexión. Una forma sencilla de distinguir estas propiedades es recordar que la dureza tiene que ver con la resistencia de la superficie, la tenacidad tiene que ver con la absorción de energía y la deformación, y la resistencia tiene que ver con la capacidad de carga general.
Al mismo tiempo, estas propiedades están interconectadas. Por ejemplo, los materiales con alta dureza suelen tener una mejor resistencia al desgaste, lo que significa que el uso de materiales más duros puede reducir el desgaste de las piezas y prolongar significativamente la vida útil de los componentes. La dureza también está estrechamente relacionada con la capacidad de un material para resistir la deformación y la fractura. Generalmente, los materiales con alta dureza también tienen mayores resistencias a la tracción y a la compresión, que a menudo se utilizan en muchas aplicaciones de ingeniería para garantizar la estabilidad y seguridad estructural. Sin embargo, es importante tener en cuenta que los materiales con alta dureza pueden ser más frágiles y tener menor tenacidad, mientras que los materiales con alta tenacidad pueden tener menor dureza.
Tipos de dureza
Después de comprender la definición de dureza, estamos ansiosos por aclarar cómo entra en juego. Ahora, exploremos los tres tipos principales: dureza de indentación, dureza de rayado y dureza de rebote.
Dureza de indentación
La dureza de indentación se refiere a la resistencia de un material a la deformación permanente cuando se somete a una carga continua, que es la forma de carga más común aplicada a los metales. Por lo tanto, cuando se habla de dureza, generalmente se indica dureza de indentación.
Comúnmente se evalúa mediante pruebas que miden la profundidad o el tamaño de una hendidura dejada por un objeto duro bajo una fuerza específica. Los métodos más utilizados para medir la dureza de indentación incluyen las pruebas de dureza de Rockwell, Brinell y Vickers.
Dureza al rayado
La dureza al rayado describe la capacidad de un material para resistir el rayado de su superficie debido al contacto con otro metal. Por lo general, se mide mediante la prueba de dureza de Mohs, que se utiliza principalmente para probar la dureza de materiales frágiles como minerales y cerámicas.
Dureza de rebote
La dureza de rebote, también conocida como dureza dinámica, se relaciona con la elasticidad de un material y describe su capacidad para absorber energía en el momento del impacto y devolverla al penetrador.
La dureza del rebote se evalúa midiendo la altura a la que un martillo estándar rebota desde la superficie del material. El durómetro Leeb (dureza Leeb) es un instrumento basado en el principio de dureza de rebote.
¿Cómo se puede medir la dureza del material?
Cada tipo de dureza proporciona una perspectiva diferente sobre la resistencia de un material a la deformación y al desgaste, y puede medirse utilizando varios métodos y escalas. Antes de entrar en los métodos de medición, primero tengamos una comprensión general de las unidades de dureza.
Diferentes unidades de dureza
Como se muestra en la tabla anterior, vemos varias designaciones de dureza como "HV", "HB" y "HRB". ¿Qué quieren decir? Los valores de dureza en sí no tienen unidades físicas tradicionales como newtons o pascales. En cambio, se les asignan designaciones de métodos de prueba (como HV o HB), que efectivamente sirven como sus "unidades" en el uso práctico. A continuación se muestran las unidades más utilizadas para medir la dureza:
HB: número de dureza Brinell
HRA, HRB, HRC, etc.: número de dureza Rockwell
HV: número de dureza Vickers
HLD, HLS, HLE, etc.: valor de dureza Leeb
Métodos comunes para probar la dureza del material
Como se mencionó anteriormente, la dureza refleja la capacidad de un material para resistir rayones, cortes o desgaste en su superficie. Normalmente se mide aplicando una carga específica a la superficie del material. A continuación se detallan los métodos comunes para probar la dureza. Describimos los principios y las características principales de cada método, destacando las ventajas y limitaciones de cada método para medir la dureza.
Método n.º 1: prueba de dureza Brinell
La prueba de dureza Brinell implica presionar una bola de acero duro o carburo, generalmente de 10 mm de diámetro, en la superficie del material bajo una carga específica, que varía según el material que se va a probar. La carga estándar es de 3000 kg (o 29420 N), normalmente aplicada a metales duros como el hierro y el acero. Pero para materiales más blandos como el cobre y el latón, la carga aplicada es de 500 kg (o 4905 N). Esta carga se aplica durante un período de tiempo predeterminado y luego se retira. El diámetro de la hendidura dejada en la superficie del material se mide utilizando un microscopio. Luego, el número de dureza Brinell (HB) se calcula utilizando la siguiente fórmula:
Donde,F: la carga aplicada en kilogramos-fuerza (kgf). En el sistema SI, los Newtons (N) se utilizan comúnmente como unidad de carga. En este caso, HB también se puede indicar como HBND – el diámetro de la bola, mmd – el diámetro de la muesca, mm
La prueba de dureza Brinell se usa comúnmente para probar materiales grandes o gruesos con dureza baja a media, como hierro fundido, acero, metales no ferrosos y sus aleaciones. Es particularmente adecuado para probar materiales con estructuras de grano grueso o desigual, ya que la gran muesca compensa las inconsistencias locales. La prueba es relativamente sencilla de realizar y requiere una preparación mínima de la muestra. Sin embargo, el equipo de prueba suele ser voluminoso y menos portátil en comparación con otros métodos de prueba de dureza como las pruebas de dureza Rockwell o Vickers.
Método n.º 2: prueba de dureza Rockwell
Este método de prueba implica primero presionar un penetrador en la superficie del material bajo una precarga (carga menor), generalmente de 10 kgf, lo que ayuda a asentar el penetrador y eliminar cualquier irregularidad de la superficie. Luego, se aplica una carga mayor adicional, con una carga total (menor más mayor) que oscila entre 60 y 150 kgf, dependiendo de la báscula que se utilice. Después de un tiempo de permanencia específico, se retira la carga principal y se mide la profundidad de la indentación mientras aún se encuentra bajo la carga menor.
El número de dureza Rockwell se puede leer utilizando diferentes escalas de dureza Rockwell, siendo las escalas A, B y C (HRA, HRB, HRC) las más utilizadas. Las diferentes escalas son adecuadas para distintos tipos de materiales y rangos de dureza, y cada una utiliza diferentes cargas y tipos de penetradores. Por ejemplo, para medir la dureza de aceros y aleaciones duras, se utiliza un penetrador cónico de diamante con una carga mayor de hasta 150 kgf y el número de dureza se lee en la escala "C". Para materiales más blandos como aleaciones de cobre, aluminio y aceros más blandos, normalmente se utiliza una bola de acero de 1/16 de pulgada de diámetro con una carga principal de hasta 100 kgf, y el valor de dureza se lee en la escala "B".
La fórmula para la dureza Rockwell es:
Donde,N – factor de escala dependiendo de la escala utilizadas – factor de escala dependiendo de la escala utilizadad – Profundidad de la indentación permanente en comparación con una carga menor, mm.
Este método es rápido y fácil de realizar, y los resultados de dureza se pueden leer directamente en las escalas de dureza Rockwell. Hay un total de 30 básculas disponibles para probar diferentes materiales y rangos de dureza. Por lo tanto, este método se utiliza comúnmente en control de calidad y pruebas de materiales en diversas industrias. Sin embargo, la prueba de Rockwell puede no ser ideal para materiales extremadamente duros (p. ej., cerámica) o materiales muy blandos (p. ej., cauchos).
Método n.º 3: prueba de dureza Vickers
Esta prueba utiliza un penetrador de diamante en forma de pirámide con una base cuadrada y un ángulo de 136 grados entre caras opuestas. El penetrador se presiona contra el material con una carga específica y se mantiene durante un período determinado. Después de la descarga, se deja una hendidura cuadrada. Las longitudes de las dos diagonales de la muesca se miden usando un microscopio u otro equipo de medición de precisión. Luego, estas mediciones se utilizan para calcular el número de dureza Vickers (HV) utilizando la siguiente fórmula:
Donde,F – la carga aplicada, kgfd – la longitud promedio de las diagonales, mm
La prueba de dureza Vickers es versátil y se puede utilizar para probar prácticamente todos los materiales, desde metales muy blandos hasta cerámicas extremadamente duras. Proporciona valores de dureza precisos y se puede realizar en áreas muy pequeñas o capas finas. Además, calcular el valor de dureza es sencillo ya que se utiliza el mismo penetrador de diamante para todos los materiales. Sin embargo, este método de prueba requiere equipos especializados, como un probador de microdureza y un microscopio de alta calidad, que son costosos. Además, medir las diagonales de las indentaciones requiere mucho tiempo, especialmente para pruebas múltiples.
Método n.º 4: prueba de dureza de Mohs
La prueba de dureza de Mohs es una prueba de rayado. Es un método cualitativo que compara la resistencia de un material al rayado por minerales de dureza conocida en una escala de 1 (más suave) a 10 (más duro). El talco es el más blando (1) y el diamante es el más duro (10).
Este método es sencillo y rápido de realizar sin necesidad de equipos sofisticados. Es muy útil para trabajos de campo y rápida identificación de minerales y otros materiales. Sin embargo, sólo proporciona valores de dureza relativos y depende de la habilidad y experiencia del operador.
Las pruebas de rayado modernas han evolucionado desde la simple prueba de dureza de Mohs hasta métodos más sofisticados que a menudo utilizan equipos precisos, como penetradores de diamante y mecanismos de carga controlados, para proporcionar mediciones más precisas y reproducibles de la dureza del material y la resistencia al desgaste. Estas pruebas pueden cuantificar la resistencia al rayado de los materiales y se utilizan ampliamente en diversas industrias, incluidas las de revestimientos, metales, cerámicas y compuestos.
Método n.° 5: prueba del escleroscopio
La prueba del Escleroscopio mide la dureza de rebote de un material. Implica dejar caer un martillo con punta de diamante desde una altura fija sobre el material y medir la altura de rebote. Cuanto mayor sea el rebote, más duro será el material.
Esta prueba es una medición tradicional pero directa y no destructiva, que ahora se encuentra a menudo en contextos más especializados o históricos. Por el contrario, la prueba de dureza Leeb, que también es una prueba no destructiva basada en la velocidad de rebote de una masa de prueba, ha reemplazado en gran medida a la prueba del Escleroscopio en las aplicaciones modernas. La prueba de dureza Leeb se usa más ampliamente, especialmente para pruebas de campo y uso industrial a gran escala, debido a su portabilidad, versatilidad y, a menudo, incluye lecturas digitales.
Tabla de dureza del material
Una vez que sepa el tipo de condiciones de carga que sufrirá la pieza, puede considerar cualquiera de los métodos de prueba de dureza anteriores para comparar sus opciones de materiales. Alternativamente, puede confiar en la información proporcionada por proveedores y recursos en línea como Matweb. Además, la tabla de dureza del material también es una herramienta de referencia vital para comprender y comparar la dureza de diversos materiales. La siguiente tabla proporciona los valores de dureza de estos diferentes materiales utilizando varios métodos de medición.
Trabaje con Chiggo para pruebas de dureza y selección de materiales
Si desea elegir el material adecuado para su proyecto, debe comprender la dureza del material. Como fabricante de mecanizado CNC con más de 10 años de experiencia y la capacidad de procesar una amplia gama de materiales, podemos obtener los datos de dureza más precisos de nuestros proveedores confiables de materias primas. También contamos con una fábrica interna y realizamos pruebas de dureza periódicas como parte esencial de nuestros procedimientos de control de calidad.
Por supuesto, si tiene requisitos específicos, podemos proporcionarle informes de prueba profesionales y detallados. No solo contamos con un equipo de expertos en control de calidad que pueden probar la dureza de los materiales, sino que también contamos con un equipo profesional de ingenieros y maquinistas para garantizar que cada proyecto cumpla con los estándares de calidad más altos en todo momento.
Preguntas frecuentes
¿Cómo podemos seleccionar el método de prueba de dureza apropiado?
Al seleccionar un método de prueba de dureza apropiado, debemos considerar factores como el tipo de material, su espesor, la condición de la superficie y la precisión de la prueba requerida. Los siguientes puntos pueden ser una referencia importante:
Para materiales gruesos o materiales grandes con microestructuras gruesas, la prueba de dureza Brinell es adecuada.
Si necesita una medición rápida, directa y no destructiva para una variedad de materiales en un entorno de fabricación, la prueba de dureza Rockwell es adecuada.
Cuando necesite mediciones precisas para materiales delgados o piezas pequeñas, la prueba de dureza Vickers es adecuada.
Cuando sea necesario realizar pruebas in situ o no destructivas, la prueba de dureza Leeb proporciona portabilidad y comodidad.
¿Cuál es la relación entre el número de dureza y la curva tensión-deformación?
El número de dureza proporciona un indicador cuantitativo de la resistencia de un material a las indentaciones o rayaduras, mientras que la curva tensión-deformación ofrece una demostración completa del comportamiento de deformación de un material bajo diferentes niveles de tensión.
Aunque no existe una correlación matemática directa entre la dureza y los parámetros tensión-deformación, el número de dureza a menudo puede servir como una indicación indirecta del módulo elástico y el límite elástico de un material. Un material con un número de dureza alto generalmente exhibe una región elástica más pronunciada y un límite elástico más alto en la curva tensión-deformación, lo que indica su mayor límite elástico y mayor resistencia a la deformación. Por el contrario, un material con un número de dureza bajo puede exhibir un comportamiento más dúctil con una región plástica más larga en la curva. Para evaluar de manera integral las propiedades mecánicas de los materiales, es necesario comprender la relación entre estos dos factores.
