Cuando trabajamos con metales, es fundamental considerar todas sus propiedades, especialmente la dureza. Esta característica es una de las más valoradas y apreciadas en los metales. Según el uso que se les quiera dar, conocer la dureza de un metal nos ayudará a elegir el más adecuado para cada propósito.
La importancia de su correcta medida para que los proyectos de los que forma parte funcionen sin problemas requiere que se les pase por ciertas pruebas. Todas ellas nos darán información sobre, entre otras cosas, su dureza, que será la protagonista del artículo de hoy, así que veremos qué tipos de ensayos suelen realizarse y cómo podemos calcularla.
¿Qué es la dureza?
La dureza es la propiedad física de los materiales que hace referencia a su resistencia a ser deformados, rayados o penetrados. Se puede medir de varias maneras, aunque todo dependerá del tipo de material y del contexto en el que se esté utilizando. Si hablamos de metales, que es el material en el que nos hemos especializado en Initube, la dureza puede evaluarse mediante pruebas como la escala de Mohs, de Rockwell o de Brinell (que explicaremos más adelante). La dureza es importante en muchas áreas de su producción, desde la fabricación de herramientas hasta la selección de materiales para aplicaciones específicas, como la construcción de estructuras o la fabricación de dispositivos médicos.
Antes de continuar es necesario hacer una breve aclaración para explicar el término ‘dureza técnica’, ya que suele confundirse o, todo lo contrario, creer que es lo mismo. En realidad se refiere a la capacidad de un material para resistir deformaciones permanentes o penetraciones cuando se somete a esfuerzos mecánicos (compresión, flexión, tracción o abrasión) en un entorno técnico o de ingeniería.
La dureza técnica mide la capacidad de un material para soportar cargas y resistir el desgaste bajo condiciones específicas de uso. Esto la diferencia de la dureza como resistencia a deformaciones. No obstante, se pueden utilizar las mismas escalas para medir ambas, proporcionando valores numéricos que indican la resistencia relativa del material a la deformación o penetración. La elección de la escala y el enfoque dependerá del tipo de material, su aplicación y los requisitos específicos de diseño y fabricación.
Esta cualidad de los metales también es muy importante y apreciada en ingeniería porque afecta directamente a la capacidad de un material para soportar cargas, resistir el desgaste y mantener su integridad estructural en diversas condiciones de servicio. Los ingenieros utilizan esta información para seleccionar aquellos adecuados en aplicaciones específicas, diseñar componentes que cumplan con los requisitos de resistencia y durabilidad y prevenir fallos prematuros por deformación o fatiga.
¿Por qué hacer tests de dureza?
Este tipo de pruebas son indispensables en el ámbitos de la investigación de materiales además de en ingeniería o desde un punto de vista más técnico porque ofrece muchas respuestas y cumplen ciertos objetivos:
Diferenciación entre materiales
Los ensayos nos ayudan a distinguir entre diferentes tipos de materiales y así seleccionar el más adecuado para una aplicación específica.
Análisis y desarrollo de materiales
Son también herramientas fundamentales en el análisis, desarrollo y mejora de materiales y tecnologías. Proporcionan información crucial sobre sus propiedades y comportamiento en las distintas condiciones a las que haya sido sometido.
Control de calidad
Los valores de dureza determinados durante los ensayos son importantes para el control de calidad en la industria. Ayudan a garantizar que todos cumplen los estándares requeridos y las especificaciones del producto, tanto en la entrada como en la salida de los procesos de fabricación.
Diferenciación de materiales
En casos donde se manejen mezclas de materiales, tanto con composiciones similares o sin ellas, los ensayos ayudan a diferenciarlos entre ellos para mantener la calidad y la integridad de los productos finales.
Análisis de daños
Por último, también se utilizan en el análisis de daños para comprender las causas de fallos o deterioros en los materiales. Proporcionan información sobre la resistencia y la durabilidad de los materiales en diversas condiciones de servicio para entender en qué momento son más débiles o se pueden mejorar.
¿Cómo se mide?
Como hemos comentado brevemente arriba, existen distintos tests o pruebas que se pueden realizar y escoger para conseguir las mediciones de dureza:
Rockwell
Se escoge cuando los materiales a analizar han sido maquinados o laminados y presentan una superficie lisa. Se pueden aplicar diversas escalas, las cuales se determinan mediante la combinación de diferentes penetradores y cargas.
Brinell
La prueba de Brinell es adecuada para cualquier pieza y producto de fundición, sin importar si la superficie es rugosa. En este método se utilizan cargas de prueba estándar de 3000 kg para aceros y cargas de 500 kg para aluminio, cobre y bronce.
Vickers y Knoop
También conocidos como tests de micro dureza, los de Vickers y Knoop tienen una aplicación especial, y es que se utilizan cuando no es posible emplear los métodos Rockwell o Brinell porque los materiales son muy delgados o pequeños. En estos métodos, la carga de prueba es de un máximo de 1000 g, siendo las más comunes 100 g, 200 g y 500 g.
Leeb
El test de dureza Leeb es un método muy práctico para realizar pruebas en campo, ya sea en piezas muy grandes, estructuras, maquinaria, etc. Las escalas más comunes son D y G.
Shore
Esta última prueba se usa para evaluar la dureza en plásticos, normalmente llevada a cabo con equipos portátiles. Las escalas más comunes son A, B, C y D, pero todo depende siempre del tipo de material que sometamos a la prueba.
Ensayos de dureza según cargas
Los ensayos de dureza se pueden clasificar dependiendo de los rangos de carga que se empleen durante la prueba. Eso sí, siempre se basa en la magnitud de la carga principal aplicada a la muestra y se divide en 3 categorías principales, gracias a las que somos capaces de seleccionar el método de ensayo de dureza más adecuado según el tamaño de la muestra, la dureza del material y la aplicación específica requerida:
- Macrodureza. Se utilizan cargas principales bastante elevadas, las cuales suelen rondar los 5 kgf o más. Así obtenemos indentaciones proporcionalmente grandes en la muestra. Los métodos de ensayo de dureza a macroescala incluyen los de Brinell, Vickers y Rockwell. Se utilizan para materiales con mayores durezas y para piezas de mayor tamaño.
- Carga baja. Las cargas principales están dentro del rango de 0,2 kgf a 5 kgf. Estos métodos son utilizados normalmente en piezas pequeñas, capas gruesas y materiales de baja dureza, siendo el más común en esta categoría el ensayo de Vickers.
- Microdureza. Requieren del uso de cargas principales muy pequeñas, generalmente inferiores a 0,2 kgf, lo que nos da indentaciones muy pequeñas en la muestra. El método más común para ensayos de microdureza es el método Vickers y se utiliza principalmente para determinar la dureza de capas delgadas, pequeños cristales individuales o inclusiones.
Factores que pueden afectar a la medición
Para obtener resultados precisos en los ensayos de dureza necesitamos tener en cuenta todos los factores que pueden variar los resultados. Debemos tener en cuenta que, si usamos cargas pequeñas, habrá que prestar atención extra a todos los elementos que vamos a comentar a continuación para garantizar la fiabilidad de los resultados:
Factores externos
Es imprescindible controlar las condiciones externas (luz, suciedad, vibraciones, temperatura, humedad, etc.) para evitar que afecten al proceso de medición.
Estabilidad del equipo
El durómetro siempre deberá estar colocado sobre una mesa horizontal sólida. La muestra, por su parte, deberá estar adecuadamente sujeta mediante un portamuestras o un yunque para garantizar la estabilidad durante el ensayo.
Posicionamiento del penetrador
El penetrador tendrá que alinearse y colocarse en posición perpendicular con respecto a la superficie de la muestra que se está probando.
Iluminación consistente
En los ensayos de dureza de Vickers, Knoop o Brinell la configuración de la iluminación tiene que ser constante para garantizar mediciones.
Recalibración del equipo
Habrá que recalibrar o verificar el durómetro cada vez que se cambie el penetrador o la lente del objetivo para mantener la precisión de las mediciones a lo largo del tiempo.
Qué tener en cuenta
Ahora que hemos explicado las formas de medir la dureza de un material la siguiente pregunta a responder es ¿cómo seleccionar el método más adecuado? Antes hemos comentado que todo dependerá de las necesidades que tengamos del material. Sin embargo, también deberemos tener en cuenta otros elementos relacionados con la microestructura y el objetivo del proyecto. Por ello, hemos hecho un pequeño resumen de todo a lo que hay que prestar un poco más de atención:
Microestructura del material
Se debe considerar la homogeneidad o heterogeneidad de esta particularidad en el material. Si es muy heterogéneo necesitará seguramente de una impresión mayor.
Tipo de material
El que escojamos influirá, por supuesto, en la elección del método de ensayo de dureza, ya que algunos son más adecuados para ciertos tipos de materiales que otros.
Tamaño y estado de la pieza
Ambas cualidades afectarán en la elección del método porque algunos de ellos serán más adecuados para piezas más grandes o pequeñas, así como para materiales en diferentes estados (fundidos, forjados, etc.).
Normativas y estándares
Es necesario verificar si existen normativas específicas que requieran un método de ensayo de dureza en particular.
Embutición
Deberemos analizar si el método que elijamos requiere que se prepare la muestra mediante embutición.
Cantidad de muestras y precisión requerida
Tendremos que tener en cuenta y saber el número de muestras que se someterán al ensayo y la precisión que se necesita de todas ellas.
Teniendo en cuenta estos factores será más fácil seleccionar el método de ensayo de dureza más apropiado según su aplicación específica y obtener resultados confiables y significativos. Sin embargo, si necesitas ayuda con pruebas o materiales, lo mejor es recurrir a un profesional del sector que pueda asesorarte sobre la medición más correcta.
En Initube creemos que la especialización ayuda a rozar la perfección, y eso es lo que hemos hecho con el corte y mecanizado de tubos y perfiles de todo tipo de material férrico. Llevamos acumulados ya más de 40 años de experiencia en el sector metalúrgico. Por eso, si necesitas un partner que sepa de metales, solamente tienes que ponerte en contacto con nuestro equipo para que podamos asesorarte de la mejor manera posible, usando nuestra experiencia.
