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Pruebas de dureza y dureza en comparación

En aplicaciones industriales se utiliza una amplia variedad de materias primas y materiales auxiliares. El conocimiento exhaustivo de sus propiedades de material es un requisito previo absoluto para utilizar estas materias primas para una aplicación definida en entornos técnicos. Las pruebas de dureza son una forma de determinar las propiedades básicas del material, como la dureza/ductilidad y la resistencia de un material, como el acero. La dureza desempeña un papel fundamental en la caracterización y el control de calidad de los materiales. La dureza de un acero proporciona información sobre sus propiedades mecánicas, resistencia al desgaste e idoneidad para aplicaciones específicas. En este contexto, se han desarrollado varios métodos y escalas de prueba de dureza para determinar y clasificar con precisión la dureza del acero. Este artículo proporciona una descripción general de los métodos comunes de prueba de dureza y describe un posible procedimiento de medición de dureza. Una tabla de comparación de dureza permite una comparación de los valores determinados por métodos individuales.

Varias pruebas de dureza en comparación

Las pruebas de dureza son fundamentales para la caracterización y el control de calidad de los productos de acero. Existen varias pruebas de dureza, por ejemplo, según Brinell, Rockwell, Shore y Vickers. El método más común es la prueba de dureza según Rockwell.

Equipo de prueba de dureza
Equipo de prueba de dureza

Dureza Brinell

La prueba de dureza de Brinell fue el primer método que pudo calcular directamente los valores. La superficie del material bajo prueba se comprime a una fuerza de prueba específica (F) usando un cuerpo de prueba de dureza esférica hecho de carburo de tungsteno. El diámetro (d) de la impresión se suele medir. La dureza se calcula de la siguiente manera:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = Diámetro de la bola
  • d = Diámetro de la impresión
  • F = Fuerza de prueba
  • Factor de conversión 0,102 = Anteriormente, se especificaba el kilopondio de la unidad de medición antigua (kp) para las durezas. Esto ya no se utiliza hoy y el factor de conversión se utiliza para determinar un valor en Newton (1 kp corresponde a 9,81 N)

Sin embargo, en la práctica, la dureza se especifica en el dispositivo de medición y no tiene que calcularse. Esto se aplica a todos los procedimientos.

El método de prueba de dureza según Brinell está estandarizado en DIN EN ISO 6506-1. La fuerza de prueba que se va a aplicar se puede leer en tablas. Como regla general, la impresión de la bola de prueba debe ser lo más grande posible para detectar tantos componentes constituyentes como sea posible.

La prueba de dureza Brinell es adecuada para materiales blandos a medios duros cuya dureza no es superior a 650 HBW. También es independiente de la carga.

Dureza Vickers

El método de prueba de dureza de Vickers es similar al método de Brinell. Se desarrolló a partir del hecho de que el método de prueba Brinell es adecuado para materiales blandos y medios duros, pero no para materiales muy duros. En lugar de una bola de carburo, en este caso se utiliza una pirámide de diamante con una superficie de base cuadrada y un ángulo de apertura de 136° entre las puntas. El ángulo se eligió para garantizar comparaciones con las durezas Brinell.

La forma del cuerpo penetrante permite aplicar fuerzas elevadas (aluminio a acero). Un grosor mínimo de la muestra de prueba Smin es un requisito previo para el procedimiento. La muestra debe ser al menos 1,5 x la longitud media de la impresión diagonal (1,5 x d) para que la sonda no penetre a través de la placa de muestras. En este caso también, normas como DIN EN ISO 6507-1 proporcionan las distancias mínimas entre los puntos de prueba o las impresiones y hasta el borde de la muestra para que los resultados no se resulten falseados por deformación. Por ejemplo, la dureza de Vickers se indica de la siguiente manera: 210 HV 40/30 (fuerza de prueba/duración de retención de la prueba). Se calcula mediante la siguiente fórmula:

HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

El valor d2 se calcula a partir de la longitud de la primera diagonal d1 y la segunda diagonal d2, también se refiere al área resaltada en la figura siguiente. El valor de d debe calcularse en un primer paso:

d=\frac{d_1+d_2}{2}

d2 se calcula de la siguiente manera:

d^{2}= d \times d
Prueba de dureza según Vickers
Prueba de dureza según Vickers

Dureza Rockwell

La dureza de Rockwell se determina, por ejemplo, de manera similar al método Brinell con una bola de acero o similar al método Vickers con un cono de diamante con ángulos de 120°. La profundidad de penetración y no el diámetro de la impresión se toma como parámetro. Dependiendo del método, la dureza de Rockwell se especifica en HRA, HRB, HRC o HRF, donde HR se refiere a la prueba de dureza de Rockwell y la letra representa el método. La muestra de prueba se coloca bajo carga con la siguiente fuerza:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Cono de diamante, profundidad de referencia 0,2 mm, para materiales muy duros y carburos)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Bola de metal duro, profundidad de referencia 0,2 mm, para materiales de dureza media, p. ej., acero y latón)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (Cono de diamante, profundidad de referencia 0,2 mm, para aceros endurecidos)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Bola de metal duro, profundidad de referencia 0,26 mm, para chapa fina, cobre suave o latón suave)

El procedimiento de prueba puede ser el siguiente:

Procedimiento de prueba según Rockwell
Procedimiento de prueba según Rockwell

En el primer paso (1), el indentador se carga con la fuerza de prueba previa (Fv) y penetra un poco en la muestra (plano de referencia - - - línea). En el segundo paso (2), se ejerce adicionalmente la fuerza de prueba adicional (FZ) y la fuerza de prueba total ahora actúa sobre la muestra. En el último paso (3), la fuerza de prueba complementaria se elimina de nuevo y ahora se puede medir la profundidad de penetración permanente (h).

La fórmula para el cálculo con cono de diamante es la siguiente:

HRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

S corresponde a la clasificación de la escala en el indicador de cuadrante (normalmente 100 segmentos de escala corresponden a 0,002 mm).

La fórmula para calcular con una bola de metal duro es la siguiente:

HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Qué escala de Rockwell se selecciona y en función de: Dureza del material, grosor de la pieza de trabajo, cualquier superficie endurecida (como el endurecimiento por nitruración). El cono de diamante se utiliza principalmente para acero templado o endurecido y la bola de acero se utiliza principalmente para materiales más blandos. Encontrará cuerpos penetrantes de diamante adecuados en la tienda de MISUMI.

Dureza Shore

Las pruebas de dureza Shore se utilizan principalmente para materiales elásticos como gomas, plásticos, geles o espumas. En este caso también se presiona una muestra de prueba especializada en el material con una fuerza definida. La profundidad de penetración representa la escala. Hay seis escalas diferentes:

  • Shore 00: para materiales muy suaves como silicona, geles.
  • Shore 0: para materiales suaves pero ligeramente más duraderos.
  • Shore A: para materiales elásticos de dureza media (p. ej., goma natural, elastómeros sintéticos, plásticos flexibles, gomas blandas)
  • Shore B: para materiales elásticos con mayor rigidez (p. ej., compuestos de caucho duro)
  • Shore C: para materiales más duros (p. ej., elastómeros termoplásticos, plásticos duros, gomas endurecidas)
  • Shore D: para elastómeros y termoplásticos resistentes, como PPOM (polioximetileno), PE (polietileno) y PA (poliamidas)

La dureza Shore A y la dureza Shore D son relevantes para la mayoría de los casos de uso industrial.

La dureza Shore se puede medir, por ejemplo, con un durómetro. Este último se presiona a mano contra el objeto que se prueba y luego muestra el valor correspondiente. Tenga en cuenta que los durómetros muestran valores de solo una escala Shore cada uno, es decir, hay durómetros Shore A, etc. Los durómetros también están disponibles en nuestra tienda de MISUMI.

Ejemplo de durómetro
Ejemplo de durómetro

Conversión de dureza

No es obligatorio utilizar una u otra prueba de dureza como norma. Por lo tanto, diferentes industrias y laboratorios utilizan diferentes métodos de medición. Con el fin de comparar los diferentes niveles de dureza, DIN EN ISO 18265, por ejemplo, proporciona una tabla de comparación de dureza para acero sin alear y de baja aleación y acero fundido:

Tabla de conversión de dureza (SAEJ417), revisada en 1983. Conversión aproximada de los valores de dureza C de Rockwell para acero (*1)
(HRC)
Escala de dureza C de Rockwell		 (HV)
Dureza Vickers		 Dureza Brinell (HB)
Bola de 10 mm, carga 3000 kgf		 Dureza Rockwell (*3) Penetrador de cono de diamante dureza Rockwell (Hs)
Dureza Shore		 Resistencia a la tensión (valor aproximado)
Mpa
(kgf/mm2)(*2)		 Dureza Rockwell
Escala C
(*3)
Esfera estándar bola de carburo de tungsteno (HRA)
Escala A,
Carga 60 kgf,
Cono de diamante
Penetrador		 (HRB)
Escala B,
Carga 100 kgf,
Diám. 1.6 mm
Esfera (1/16 in)		 (HRD)
Escala D,
Carga 100 kgf,
Penetrador de cono de diamante		 15 N
escala,
Carga 15 kgf		 30 N
escala,
Carga 30 kgf		 45 N
escala,
Carga 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69.9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Nota
(*1) Números resaltados: Basado en ASTM E 140, Tabla 1 (coordinado conjuntamente por SAE, ASM y ASTM).
(*2) Las unidades y los números mostrados entre paréntesis son resultados de la conversión de los números de psi usando las tablas de conversión de JIS Z 8413 y Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) Los números que se muestran entre paréntesis están en rangos que no se usan habitualmente. Son solo para fines informativos.

Procedimiento de medición de la dureza

El procedimiento de medición de la dureza podría ser el siguiente: Antes del análisis, debe prepararse la muestra. Los contaminantes de la superficie deben eliminarse esmerilando y la muestra debe limpiarse. A continuación, la muestra de prueba se coloca en la placa de muestras y se mueve hasta alcanzar la ubicación deseada. Es importante no probar demasiado cerca del borde, ya que la deformación puede dar lugar a resultados falseados. Se puede utilizar la óptica de inspección para detectar cuándo se ajusta correctamente la posición (la imagen se vuelve nítida). La muestra de prueba ahora está fijada paralela al plano y la prueba puede iniciarse. La fuerza de prueba determinada se aplica lenta pero constantemente accionando la palanca. Idealmente, el valor final se alcanza entre 2 y 8 segundos y luego se mantiene durante un máximo de 15 segundos. Ahora, la palanca se empuja suavemente hacia atrás para eliminar la presión.

Equipo de prueba clásico
Equipo de prueba clásico

Sin embargo, dichas mediciones son muy poco prácticas en la vida cotidiana, ya que a veces la dureza también se comprueba en la ubicación directamente en el material. Con este fin, también hay dispositivos de medición móviles para su uso directo en la ubicación:

Medición de dureza directamente en el componente
Medición de dureza directamente en el componente

Aplicabilidad de diversas pruebas de dureza

La siguiente tabla compara los procedimientos:

Procedimiento de prueba para pruebas de dureza
Procedimiento de prueba (estándar) Materiales aplicables Variables de determinación Propiedades Comentarios
Dureza Brinell
(DIN EN ISO 6506-1)		 Materiales duros de suaves a medios

p. ej., metales no ferrosos, materiales no homogéneos, metales blandos, aceros recocidos blandos		 Fuerza de prueba F en N
Diámetro de la esfera en mm
Diámetro de impresión en mm		 - Adecuado para materiales porosos y no homogéneos, como fundición gris o productos forjados, ya que la hendidura es grande.
- No apto para muestras pequeñas o finas
- No apto para materiales duros y muy duros		 JIS Z 2243
Dureza Rockwell
(DIN EN ISO 6508-1)		 con esfera de prueba: Plásticos, carbono y metales duros blandos a medios

con cono de diamante (HRC): materiales duros a muy duros		 Fuerza de prueba F en N
Profundidad de penetración de la muestra de prueba respectiva en mm según el método
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - El valor de dureza se puede determinar rápidamente.
- Adecuado para una inspección provisional de productos ya terminados
- Se deben considerar varios tipos de dureza de Rockwell		 JIS Z 2245
Dureza Shore
(DIN ISO 7619-1)		 Elastómeros o elastómeros termoplásticos

p. ej., espumas, goma, plásticos blandos, de medios a duros

Fuerza de prueba F en N
Profundidad de penetración de la muestra de prueba respectiva según la escala
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - Fácil de llevar a cabo
- Los datos se pueden determinar rápidamente
- El material que se va a probar debe tener una superficie lisa y nivelada
- El material que se va a probar debe almacenarse a temperatura estandarizada
- La temperatura y la humedad ambientales deben mantenerse constantes y deben considerarse los tiempos de espera
- La hendidura es pequeña y adecuada para probar productos ya terminados
- Compacto y ligero, portátil
- Las balanzas usan diferentes pasadores de presión y fuerzas		 JIS Z 2246
Dureza Vickers
(DIN EN ISO 6507-1)		 Materiales blandos, de dureza media a muy dura (metales y cerámica)

por ejemplo, materiales con una capa endurecida por endurecimiento por inducción, carbonización, nitración, recubrimiento galvánico o cerámico, etc.		 Fuerza de prueba F en N
Media aritmética de las 2 impresiones diagonales en mm
- El indentador está hecho de diamante y, por lo tanto, puede probar materiales de cualquier dureza
- No apto para material poroso
Se requiere una microestructura homogénea
 JIS Z 2244

Independientemente del procedimiento que elija: La tienda de MISUMI tiene una gama de medidores de dureza.

Dureza del acero

El grado de dureza del acero indica la resistencia del material a la deformación o penetración del plástico. Es una medida de la dureza (contra la penetración de un cuerpo) o la resistencia (contra el fallo o la deformación irreversible) del acero. Se pueden lograr diferentes niveles de dureza de acero a través de tratamientos térmicos intencionados. Se crea una nueva estructura con las propiedades deseadas reubicando, incorporando o eliminando partículas de material:

  • Reubicación: recocido, templado, endurecimiento, templado, curado
  • Incorporación: Carburización, nitruración
  • Eliminación: Descarburación (temperatura)

El impacto de diferentes durezas de acero

El tipo de aleación en su composición más fina influye directamente en las capacidades de endurecimiento y en los procesos de endurecimiento. Los usuarios siempre deben sopesar entre dureza y ductilidad. La capacidad respectiva para endurecer diferentes grados de acero tiene ventajas e inconvenientes. Por lo tanto, para encontrar el acero adecuado para el propósito previsto, estas capacidades deben sopesarse cuidadosamente. La dureza del acero puede tener las siguientes influencias:

Impacto del aumento de la dureza en la ductilidad y la capacidad de mecanizado

La dureza del acero afecta a la ductilidad y la capacidad de mecanizado. La ductilidad describe lo bien que un material puede soportar tensiones (p. ej., choque o impacto repentinos) sin fallos.

El acero más blando es más dúctil que el acero más duro. Por lo tanto, es más fácil de deformar y mecanizar. Por otro lado, el acero más duro es quebradizo y se rompe más rápido bajo cargas elevadas. Sin embargo, al mismo tiempo, es más resistente a la abrasión y la penetración.

La siguiente figura proporciona una descripción general de la dureza, la ductilidad y la interacción de ambas en diferentes grados de acero:

Acero estructural (acero para estructuras de acero) Dureza - + Resistencia Acero al carbono (acero de trabajo en frío no aleado), acero para construcción de máquinas, acero templado Acero (alta aleación), acero para herramientas para trabajo en frío, acero para herramientas para trabajo en caliente HSS (acero de alta velocidad) + -

Interacción de dureza y ductilidad

Aunque la dureza del lado izquierdo disminuye hacia el acero estructural, la ductilidad del lado derecho aumenta al mismo tiempo.

La dureza del acero también influye en la selección de herramientas. El acero más duro conduce a un desgaste más rápido de la herramienta. Los signos típicos de desgaste son opacos o daños en la hoja. Además, al mecanizar acero endurecido, es posible que deban ajustarse las condiciones de corte, por ejemplo, velocidades de corte reducidas. Además de ajustar la velocidad de corte y las condiciones de corte, es necesario utilizar herramientas de fresado y corte de uso especial en función de la dureza del acero. Con este fin, el taller MISUMI ofrece una amplia gama de herramientas para procesos de mecanizado.