Dureza

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La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.

Otras propiedades relacionadas con la resistencia son la resiliencia, la tenacidad o la ductilidad.

Escalas de uso industrial[editar]

En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.

El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.

Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.

Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:

Durómetro.
  • Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6 mm de espesor. Estima resistencia a tracción.
  • Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.
  • Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
  • Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.
  • Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.
  • Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.
  • Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2 mm de espesor.
  • Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.

Nanoindentación[editar]

La nanoindentación es la prueba de dureza llevada a cabo en la escala de longitudes nanométricas. Se utiliza una punta pequeña para indentar el material de interés. La carga impuesta y el desplazamiento se miden de manera continua con una resolución de micronewtons y subnanómetros, respectivamente. La carga y el desplazamiento se miden a través del proceso de indentación. Las técnicas de nanoindentación son importantes para la medición de las propiedades mecánicas en aplicaciones microelectrónicas y para la deformación de estructuras a micro y nanoescala. Los nanoindentadores incorporan microscopios ópticos. La dureza y el módulo de elasticidad se miden utilizando la nanoindentación.

Las puntas de los nanopenetradores vienen en una variedad de formas. A una forma común se le conoce como penetrador de Berkovich, el cual es una pirámide con 3 lados.

La primera etapa de una prueba de nanoindentación involucra el desarrollo de indentaciones sobre un patrón de calibración. La sílice fundida es un patrón de calibración común, debido a que tiene propiedades mecánicas homogéneas y bien caracterizadas. El propósito de efectuar indentaciones sobre el estándar de calibración es determinar el área de contacto proyectada de la punta del penetrador Ac como una función de la profundidad de la indentación. Para una punta de Berkovich perfecta,


Ac = 24.5(hc^2)


Esta función relaciona el área de la sección transversal del penetrador con la distancia de la punta hc que está en contacto con el material que se está indentando. La punta no está perfectamente afilada y se desgasta y cambia de forma con cada uso. Por tanto, debe llevarse a cabo una calibración cada vez que la punta se utiliza.

La profundidad total de la indentación h es la suma de la profundidad de contacto hc y la profundidad hs en la periferia de la indentación donde el indentador no hace contacto con la superficie del material, es decir,


h = hc + hs


donde,


hs = Ɛ(Pmáx/S)


donde Pmáx es la carga máxima y Ɛ es una constante geométrica igual a .75 para un penetrador de Berkovich. S es la rigidez al descargar.


La dureza de un material determinada por la nanoindentación se calcula como


H = Pmáx/Ac


La dureza (determinada por la nanoindentación) por lo regular se reporta con unidades de GPa y los resultados de indentaciones múltiples por lo general se promedian para incrementar la precisión. Este análisis calcula el módulo elástico y la dureza a la carga máxima; sin embargo, actualmente se emplea de modo normal una técnica experimental conocida como nanoindentación dinámica. Durante ésta, se superpone una carga oscilante pequeña sobre la carga total en la muestra. De esta manera, la muestra se descarga de manera elástica continuamente a medida que se incrementa la carga total. Esto permite mediciones continuas del módulo elástico y de la rigidez como una función de la profundidad de la indentación.

Escala usadas en mineralogía[editar]

En mineralogía se utiliza la escala de Mohs, creada por el alemán Friedrich Mohs en 1820, que mide la resistencia al rayado de los materiales.

Dureza Mineral Composición química
1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña) Mg3Si4O10(OH)2
2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad) CaSO4·2H2O
3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO3
4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF2
5 Apatita, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo) Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)
6 Feldespato, (se puede rayar con una cuchilla de acero) KAlSi3O8
7 Cuarzo, (raya el acero) SiO2
8 Topacio, Al2SiO4(OH-,F-)2
9 Corindón, (sólo se raya mediante diamante) Al2O3
10 Diamante, (el mineral natural más duro) C

A un nivel profesional, se utilizan en mineralogía, las escala de Rosiwal y de Knoop, ya que estas permiten realizar la valoración de medias con una cuantificación absoluta.

Equivalencia entre escalas de dureza[editar]

Lista de equivalencias aproximadas para escalas de dureza de aceros no austeníticos (en el rango de la escala Rockwell C):[1]

Equivalencia Factor
HB \Leftrightarrow HV HB \approx 0{,}95 HV
HRB \Leftrightarrow HB HRB \approx 176 - \frac{1165}{\sqrt{HB}}
HRC \Leftrightarrow HV HRC \approx 116 - \frac{1500}{\sqrt{HV}}
HV \Leftrightarrow HK HV \approx HK (para pequeñas cargas)
R_m \approx c HB
Acero (Matriz-Fe Cúbica centrada en el cuerpo) 3,5
Cu y sus aleaciones, templado 5,5
Cu y sus aleaciones, deformado en frío 4,0
Al y sus aleaciones 3,7
Dureza Rockwell C 150 kgf (HRC) Dureza Vickers (HV) Dureza Brinell, bola estándar de 10 mm, 3000 kgf (HBS) Dureza Brinell, bola de carburo de 10 mm, 3000 kgf (HBW) Dureza Knoop, 500 gf y mayor (HK) Dureza Rockwell, escala A, 60 kgf (HRA) Dureza Rockwell, escala D, 100 kgf (HRD) Dureza superficial Rockwell, escala 15N, 15 kgf (HR 15-N) Dureza superficial Rockwell, escala 30N, 30 kgf (HR 30-N) Dureza superficial Rockwell, escala 45N, 45 kgf (HR 45-N) Dureza escleroscopio Dureza Rockwell C 150 kgf (HRC)
68 940 ... ... 920 85,6 76,9 93,2 84,4 75,4 97,3 68
67 900 ... ... 895 85,0 76,1 92,9 83,6 74,2 95,0 67
66 865 ... ... 870 84,5 75,4 92,5 82,8 73,3 92,7 66
65 832 ... -739 846 83,9 74,5 92,2 81,9 72,0 90,6 65
64 800 ... -722 822 83,4 73,8 91,8 81,1 71,0 88,5 64
63 772 ... -705 799 82,8 73,0 91,4 80,1 69,9 86,5 63
62 746 ... -688 776 82,3 72,2 91,1 79,3 68,8 84,5 62
61 720 ... -670 754 81,8 71,5 90,7 78,4 67,7 82,6 61
60 697 ... -654 732 81,2 70,7 90,2 77,5 66,6 80,8 60
59 674 ... 634 710 80,7 69,9 89,8 76,6 65,5 79,0 59
58 653 ... 615 690 80,1 69,2 89,3 75,7 64,3 77,3 58
57 633 ... 595 670 79,6 68,5 88,9 74,8 63,2 75,6 57
56 613 ... 577 650 79,0 67,7 88,3 73,9 62,0 74,0 56
55 595 ... 560 630 78,5 66,9 87,9 73,0 60,9 72,4 55
54 577 ... 543 612 78,0 66,1 87,4 72,0 59,8 70,9 54
53 560 ... 525 594 77,4 65,4 86,9 71,2 58,6 69,4 53
52 544 -500 512 576 76,8 64,6 86,4 70,2 57,4 67,9 52
51 528 -487 496 558 76,3 63,8 85,9 69,4 56,1 66,5 51
50 513 -475 481 542 75,9 63,1 85,5 68,5 55,0 65,1 50
49 498 -464 469 526 75,2 62,1 85,0 67,6 53,8 63,7 49
48 484 451 455 510 74,7 61,4 84,5 66,7 52,5 62,4 48
47 471 442 443 495 74,1 60,8 83,9 65,8 51,4 61,1 47
46 458 432 432 480 73,6 60,0 83,5 64,8 50,3 59,8 46
45 446 421 421 466 73,1 59,2 83,0 64,0 49,0 58,5 45
44 434 409 409 452 72,5 58,5 82,5 63,1 47,8 57,3 44
43 423 400 400 438 72,0 57,7 82,0 62,2 46,7 56,1 43
42 412 390 390 426 71,5 56,9 81,5 61,3 45,5 54,9 42
41 402 381 381 414 70,9 56,2 80,9 60,4 44,3 53,7 41
40 392 371 371 402 70,4 55,4 80,4 59,5 43,1 52,6 40
39 382 362 362 391 69,9 54,6 79,9 58,6 41,9 51,5 39
38 372 353 353 380 69,4 53,8 79,4 57,7 40,8 50,4 38
37 363 344 344 370 68,9 53,1 78,8 56,8 39,6 49,3 37
36 354 336 336 360 68,4 52,3 78,3 55,9 38,4 48,2 36
35 345 327 327 351 67,9 51,5 77,7 55,0 37,2 47,1 35
34 336 319 319 342 67,4 50,8 77,2 54,2 36,1 46,1 34
33 327 311 311 334 66,8 50,0 76,6 53,3 34,9 45,1 33
32 318 301 301 326 66,3 49,2 76,1 52,1 33,7 44,1 32
31 310 294 294 318 65,8 48,4 75,6 51,3 32,5 43,1 31
30 302 286 286 311 65,3 47,7 75,0 50,4 31,3 42,2 30
29 294 279 279 304 64,8 47,0 74,5 49,5 30,1 41,3 29
28 286 271 271 297 64,3 46,1 73,9 48,6 28,9 40,4 28
27 279 264 264 290 63,8 45,2 73,3 47,7 27,8 39,5 27
26 272 258 258 284 63,3 44,6 72,8 46,8 26,7 38,7 26
25 266 253 253 278 62,8 43,8 72,2 45,9 25,5 37,8 25
24 260 247 247 272 62,4 43,1 71,6 45,0 24,3 37,0 24
23 254 243 243 266 62,0 42,1 71,0 44,0 23,1 36,3 23
22 248 237 237 261 61,5 41,6 70,5 43,2 22,0 35,5 22
21 243 231 231 256 61,0 40,9 69,9 42,3 20,7 34,8 21
20 238 226 226 251 60,5 40,1 69,4 41,5 19,6 34,2 20

Equivalencias de dureza y resistencia[editar]

Para aceros no aleados y fundiciones, existe una relación aproximada y directa entre la dureza Vickers y el límite elástico, siendo el límite elástico aproximadamente 3,3 veces la dureza Vickers.

Rp0,2==3,3*HV

Tabla de equivalencias[2] para el límite elástico, Brinell[3] -, Rockwell-, dureza Vickers.
Límite elástico (aproximado) ( para acero no aleado o de baja aleación y fundición) Dureza Brinell Dureza Rockwell Dureza Vickers
MPa HB HRC HRA HRB HV
68 86 940
67 85 920
66 85 880
65 84 840
64 83 800
63 83 760
62 83 740
61 82 720
60 81 690
59 81 670
2180 618 58 80 650
2105 599 57 80 630
2030 580 56 79 610
1955 561 55 78 590
1880 542 54 78 570
1850 517 53 77 560
1810 523 52 77 550
1740 504 51 76 530
1665 485 50 76 510
1635 473 49 76 500
1595 466 48 75 490
1540 451 47 75 485
1485 437 46 74 460
1420 418 45 73 440
1350 399 43 72 420
1290 380 41 71 400
1250 370 40 71 390
1220 376 39 70 380
1155 342 37 69 360
1095 323 34 68 340
1030 304 32 66 320
965 276 30 65 300
930 276 29 65 105 290
900 266 27 64 104 280
865 257 26 63 102 270
835 247 24 62 101 260
800 238 22 62 100 250
770 228 20 61 98 240
740 219 97 230
705 209 95 220
675 199 94 210
640 190 92 200
610 181 90 190
575 171 87 180
545 162 85 170
510 152 82 160
480 143 79 150
450 133 75 140
415 124 71 130
385 114 67 120
350 105 62 110
320 95 56 100
285 86 48 90
255 76 80

Véase también[editar]

Referencias[editar]

Askeland, Ronald R. (2011). «6». Ciencia e ingeniería de materiales (6° edición). México, D.F: Cengage Learning. pp. 223–226. 

  1. Norma ASTM E140-02
  2. Gültig für unlegierte und niedriglegierte Stähle. Für Vergütungs-, Kaltarbeits-, Schnellarbeitsstähle sowie für verschiedenen Hartmetallsorten die anderen Tabellen der Norm EN ISO 18265 verwenden. Gerade bei hochlegierten oder kaltverfestigten Stählen sind hohe Abweichungen zu erwarten.
  3. Die Durchmesserangabe bei der Brinellhärte bezieht sich auf eine 10 mm Prüfkugel.

Enlaces externos[editar]