ENSAYOS DE DUREZA INTRODUCCIÓN

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1 ENSAYOS DE DUREZA INTRODUCCIÓN La dureza es una condición de la superficie del material, no representa ninguna propiedad de la materia y está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del material. Si bien, es un término que nos da idea de solidez o firmeza, no existe una definición única acerca la dureza y se la suele definir arbitrariamente en relación al método particular que se utiliza para la determinación de su valor. De esta manera algunas definiciones son [2] 1) Resistencia a la identación permanente bajo cargas estáticas o dinámicas (dureza por penetración) 2) Absorción de energía bajo cargas de impacto o dinámicas (dureza por rebote) 3) Resistencia a la abrasión (dureza por desgaste) 4) Resistencia al rayado (dureza por rayado). Independientemente de las definiciones enumeradas, en general, se entiende por dureza la propiedad que tienen los materiales de resistir la penetración de un identador bajo carga. En este sentido definiremos dureza como la resistencia de un material a la deformación plástica localizada. Los diferentes métodos desarrollados para medir la dureza en general consisten en producir una deformación local, en el material que se ensaya, a través de un identador. Los valores obtenidos son siempre dependientes del método y las condiciones en las que se ensaya por lo que para que un valor de dureza sea útil y permita su comparación debe estar acompañado de la indicación del método utilizado y las condiciones del ensayo. Los diferentes métodos utilizados para obtener los valores de dureza se pueden clasificar en dos grandes grupos según la forma de aplicación de la carga: Ensayos estáticos en lo que la carga se aplica en forma estática o cuasi-estática. En este caso un identador se presiona contara la superficie de ensayo con una carga que se aplica en forma relativamente lenta. En general la medida de dureza en este tipo de ensayo resulta del cociente de la carga aplicada y el área de la huella que deja el identador en la superficie, como es el caso de los método Brinell, Vickers y Knoop, o bien es una medida de la profundidad de la identación como en el ensayo Rockwell. Ensayos dinámicos en los que la carga se aplica en forma de impacto. En general el identador es lanzado sobre la superficie a ensayar con energía conocida y el valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del penetrador luego de impactar en la muestra, como sucede en el método de Shore y en el de Leeb, ambos conocidos como métodos de dureza por rebote. Si bien se pueden clasificar en este grupo métodos como el de Poldi, o uno mucho más moderno como el UCI Ultrasonic Contact Impedance, los de rebote son los más representativos de los ensayos dinámicos de dureza. En los ensayos dinámicos los resultados obtenidos son dependientes de las propiedades elásticas del material que se ensaya y en general los valores son comparables entre materiales en los que dichas propiedades son iguales, o bien se requiere la calibración del instrumento antes de ensayar un material cuyo módulo elástico es desconocido. En general se mide dureza cuando se ha establecido una correlación entre la dureza y alguna otra propiedad del material, como por ejemplo la resistencia a la abrasión o al desgaste, la resistencia a la tracción, etc. Sin embargo debe advertirse que dichas

2 correlaciones son aplicables en forma muy cuidadosa sobre un rango acotado de materiales sobre los cuales se conoce, empíricamente, las condiciones en que se cumple la relación entre la propiedad buscada y el valor de la dureza. En general se puede utilizar la medición de dureza para: evaluar la efectividad de un tratamiento térmico. evaluar la resistencia al desgaste de un material evaluar la maquinabilidad del material. obtener una idea de la resistencia a la tracción de un material. Los ensayos de dureza son junto con el tracción son los más utilizados en la selección y control de calidad de los materiales [3]. El empleo de los ensayos de dureza como instrumento de clasificación y control de calidad en las líneas de producción ha sido favorecido gracias a la automatización de los ciclos de medición de los métodos tradicionales tales como el Rockwell o el Brinell. En este sentido existen aparatos que permiten ciclos automáticos de medición muy rápidos en los que prácticamente no se requiere la intervención del operador. Además el avance de la microelectrónica y el software embebido han permitido el desarrollo de instrumentos medidores de dureza portátiles muy fáciles y rápidos de utilizar, que permiten la medición de piezas y lugares en los que los métodos tradicionales no son aplicables.

3 DUREZA BRINELL El ensayo de dureza brinell consiste en presionar la superficie del material a ensayar con una bolilla de acero muy duro o carburo de tungsteno, produciéndose la impresión de un casquete esférico correspondiente a la porción de la esfera que penetra Fig. 1. El valor de dureza, número de Brinell HB, resulta de dividir la carga aplicada P por la superficie del casquete, por lo que P kg H B = 2 π Dh mm (1) La profundidad h del casquete impreso se mide directamente en la maquina, mientras la carga se mantiene aplicada de modo de asegurar un buen contacto entre la bolilla y el material. Otra manera de determinar el número HB es partiendo del diámetro d de la impresión lo cual tiene la ventaja de que se pueden efectuar tantas mediciones como se estimen necesarias y en microscopios o aparatos especialmente diseñados para tal fin. En este caso el valor del diámetro de la impresión resultará del promedio de dos lectura realizadas a 90º entre si. Considerando que D D 2 2 D d h = α = (2) reemplazando la Eq. 2 en la Eq. 1 se obtiene una expresión para el número de Brinell en función del diámetro de la huella 2P HB = (3) 2 2 π D( D D d ) En la práctica el número de Brinell se puede tomar directamente de una tabla ingresando con el valor del diámetro de la impronta. En algunos materiales la penetración de la bolilla origina una craterización Fig. 2.a y en tros una depresión Fig 2.b. En estos casos los valores obtenidos a partir de la medición de h no coinciden con los obtenidos en función de d, ya que la profundidad h medida no corresponde al casquete cuyo diámetro es d, sino al de diámetro d 1, cuya determinación exacta en forma práctica es dificultosa. Por todo esto se ha generalizado la determinación de HB a partir de d, ya que ofrece mayor seguridad de una determinación correcta. Ya sea en la, determinación de h o en la de d, se requiere una precisión mínima de 0,01mm. Figura 1. Esquema básico de un ensayo de dureza Brinell Figura 2.a. Craterización en la identación Figura 2.b Depresión en la identación

4 Puede resultar conveniente obtener el valor de dureza a partir de la penetración h mediada durante el ensayo y luego comparar este valor con el que resulta de las mediciones de d. En caso que los resultados sean muy disímiles, el operador deberá decidir acerca de cual método es el que el arroja el resultado más exacto, en base a su experiencia y al conocimiento del equipamiento utilizado. Algunos durómetros modernos están dotados de sistemas electrónicos encargados de producir la identación y determinar el valor de dureza automáticamente. Estos sistemas proveen el valor de dureza en forma directa, sin necesidad de realizar mediciones ni utilizar tablas. La determinación automática de la dureza se puede hacer de dos maneras: a través de sensores electrónicos que miden directamente la profundidad de penetración h, o bien mediante la determinación de las dimensiones de la huella a través de un microscopio de 20X o 40X incorporado en el aparato. Estos sistemas automáticos permiten ciclos de medición muy rápidos, lo que los hace aptos para formar parte de una línea de producción en la que se requiere medir dureza en un alto número de piezas. Figura 3. Durómetro Brinell portatil Figura 4. Durómetro Brinell automático Ensayos comparables Teniendo en cuenta que los penetradores pueden sufrir de formaciones cuando se ensayan piezas de dureza considerable, los valores de dureza obtenidos en ensayos distintos solo son comparables cuando las geometrías de las impresiones son geométricamente semejantes. Esto se cumple cundo el ángulo alfa del casquete es el mismo en todos los casos, véase la Fig. 1. Geométricamente la condición de comparación resulta α d sen = = Cons tan te (4) 2 D De esta condición se desprende que para una misma bolilla, empleada en distintos metales, es necesario variar la carga hasta encontrar el diámetro d que satisfaga la relación d/d. Si se realizan dos o más experiencias sobre un mismo material, pero con cargas y bolillas distintas, imponiendo la condición de semejanza y considerando que los valores de dureza

5 deben ser iguales, es posible encontrar una relación entre las cargas y los penetradores que reemplace a la constante d/d. Si sobre un mismo material se realizan dos ensayos en distintas condiciones (cargas y penetradores diferentes) se obtendrán improntas diferentes, pero ambos valores de dureza deben ser iguales, por lo que 2P1 2P2 HB1 = = HB2 = (5) π D D D d π D D D d ( ) ( ) α d1 d2 si se cumple la semejanza geométrica, entonces sen = = 2 D D d1 = D1 sen α 2 d2 = D2 sen α de donde (6) (7) Reemplazando las ecuaciones 6 y 7 en 5 y operando queda P1 P2 P1 P2 = = = (9) D D2 D1 1 sen α α D2 1 sen 2 2 En forma general P Cons tan te C 2 D = = (10) La constante de ensayo C debe ser utilizada teniendo presente los límites en los cuales la deformación en la bolilla, por acción de la carga, no influye en los resultados. En este sentido se ha determinado, por ejemplo, que para diámetros de impresiones d inferiores a 0,25 mm con bollillas de 10 mm y una carga de 3000 kg, los valores de dureza obtenidos no son exactos por la deformación en la misma. En forma práctica se ha determinado que una impronta nítida es aquella que guarda la siguiente relación d 025, d < < 05, D en promedio d = 0,375D (11) D De acuerdo a esto las normas fijan el valor de la constante de ensayo C. En la tabla 1 se muestra el valor de C para diferentes materiales de acuerdo a la norma IRAM 104, mientras que en la tabla 2 se muestra el valor de C para diferentes durezas según la norma ASTM E10 [1]. Tabla 1 : Valores de C según los criterios de la norma IRAM 104 Aceros y Fundiciones C = 30 Aleaciones de Cobre y Aluminio C = 10 Cobre y Aluminio C = 5 Plomo, Estaño y aleaciones C = 2.5, 1.25 y 1

6 Tabla 2 : Valores de C según los criterios de la norma ASTM E10 Dureza Brinell mayor de 160 C = 30 Dureza Brinell entre 81 y 160 C = 10 Dureza Brinell entre 26 y 80 C = 5 Para metales muy blandos C = 2.5, 1.25 y 1 Penetradores Como penetrador normal del método Brinell puede considerarse la bolilla de 10 mm de acero muy duro HB = 630 pudiendo emplearse, en probetas de menor espesor, penetradores de 5 y 2,5 mm, aceptándose en cualquier caso una tolerancia de ±0,005D. También se emplean penetradores de 1,25 y 0,625 mm de carburo de tungsteno que permiten ensayar materiales más duros, aunque los ensayos no son comparables con los realizados con los otros tipos de bolillas. Existen diversos criterios para determinar la bolilla a utilizar en un ensayo. Las normas IRAM especifican que en ningún caso se ensayarán probetas cuyo espesor e sea menor que el diámetro del penetrador D, mientras que las ASTM indican que e no debe ser menor de 10 veces la profundidad de penetración. La norma ASTM especifica la dureza mínima requerida para satisfacer la condición e<10h para un espesor de probeta determinado y distintas condiciones de carga, como se muestra en la tabla 3. Tabla 3. Relaciones entre dureza, espesor de la probeta y carga a aplicar Espesor de la probeta e [pulgadas] Dureza Brinell mínima para la cual un ensayo Brinell puede ofrecer seguridad Carga de 500 kg Carga de 1500 kg Carga de 3000 kg 1/ / / ¼ / Según ASTM E10 [2] 3/ En la tabla 4 se expresa un criterio algo más práctico [1], que permite seleccionar el diámetro de la bolilla en función del espesor de la probeta. Tabla 4: Criterio para seleccionar el diámetro del penetrador Espesor de la probeta e [mm] e > 6 3 < e < 6 e < 3 Diámetro de la bolilla D [mm] ,5

7 Cargas empleadas De acuerdo a las normas ASTM las cargas estándar son las de 3000, 1500 y 500 kg, por lo que considerando que el penetrador normal es el de 10 mm, la relación 0,25D < d < 0,5D se cumple para metales cuya dureza Brinell se encuentra comprendida entre los valores indicados en la tabla 5 Tabla 5. Valores de C según los criterios de la norma ASTM E10 Carga 3000 kg para durezas de 160 a 600 Bolilla 10 mm Carga 1500 kg para durezas de 80 a 300 Carga 500 kg para durezas de 26 a 100 Por otra parte, de acuerdo con los distintos diámetros de los penetradores y constantes de ensayo, tomadas en base a la naturaleza del material, se han confeccionado tablas como la tabla 6 que permite conocer directamente la carga a emplear para cada material y espesor de probeta. Tabla 6. Carga en función del penetrador y la naturaleza del material a ensayar Materiales, Constantes de Ensayo y Cargas [kg] Diámetro de la bolilla [mm] Aceros y fundición C = 30 Aleaciones de Cu y Al C = 10 Cobre y aluminio C = 5 Plomo, estaño y aleaciones C = 2, ,5 2,5 187,5 62,5 31,2 15,6 1,25 46,9 15,6 7,81 3,91 0,625 11,7 3,91 1,953 0,977 Notar que para cada una de las combinaciones posibles se cumple C = P/D 2 Tiempo de aplicación de la carga En ensayos normales la carga máxima se alcanza en un lapso de 15 s y se mantiene, al menos, durante otros 15 s para aceros y 30 s para metales más dúctiles [1][3]. Sin embargo a menudo la carga máxima se retiene durante un intervalo de 30 s para los metales ferrosos y un intervalo de 60 s para los otros metales. Los aparatos de ciclo automático permiten realizar ensayos a alta velocidad, por lo que el tiempo de transición de la carga y el tiempo en que se retiene la misma pueden ser mucho menores a los mencionados. Sin embargo, estos tiempos tienen influencia en el valor de dureza obtenido. Si la velocidad de aplicación de la carga es muy alta, es decir el tiempo de crecimiento de la carga es muy corto, se puede producir una sobrecarga (la carga sobrepasa el valor de ensayo antes de estabilizarse) que producirá una huella de mayor diámetro. Por otro lado si el tiempo que se retiene la carga es insuficiente para que el material complete el flujo plástico, el tamaño de la huella será menor. En este sentido se ha

8 observado que para la mayoría de los materiales el flujo plástico es rápido en los primeros 30 s, siendo bastante más lento en el intervalo de 30 a 120 s [2]. Indicación del valor de dureza La indicación del valor de dureza Brinell debe ir acompañado de la indicación de las condiciones de ensayo tales como diámetro del penetrador, carga aplicada y tiempo de aplicación, de la siguiente manera HB = dureza Brinell parametro1 = diametro de la bolilla D [ mm] HBparam 1/ param 2/ param3 = parametro2 = c arg a aplicada P [ kg] parametro3 = tiempo de aplicacion de la c arg a [] s Para distinguir los ensayos que utilizan penetrador de acero de los que utilizan penetrador de carburo de tungsteno se suele indicar con HBS a los primeros y con HBW a los segundos. Correlación del valor de dureza con la resistencia la tracción En algunos casos es posible correlacionar el valor de dureza del material con el valor de resistencia estática del material. Así por ejemplo para aceros ordinarios recocidos y con menos de 0,8% de carbono se tiene kg σ ET = 0, 346HB mm 2 (12) Para aceros al cromo-níquel y algunas aleaciones de aluminio se adoptan valores entre 0,34 y 0,35; para fundición gris 0,1HB. Es importante notar que la estimación del valor de resistencia a la tracción a través de la Eq. 12 debe ser considerada como una primera aproximación y no debe ser tomado como un valor confiable si no se conoce de antemano y empíricamente que dicha relación se cumple para el material y las partes ensayadas. Cualquier irregularidad superficial, tal como endurecimiento localizado por deformación, tratamiento superficial, etc, puede causar una estimación errónea de la resistencia a la tracción. Consideraciones Para tener una buena medición es conveniente contemplar las siguientes recomendaciones: Las caras de la probeta deben ser lo más planas y paralelas posible; deben estar pulidas y durante su preparación se debe evitar cualquier tipo de calentamiento que pueda introducir tensiones.[1] La carga debe actuar en forma normal a la cara de la probeta, la cual no deberá moverse durante el ensayo.[1] El centro de la impresión debe distar al menos 2d del borde la probeta y 3d de otra impresión, para evitar así los efectos del endurecimiento localizado producido en las adyacencias de la penetración.[1] Luego del ensayo no deben quedar marcas en la cara opuesta de la probeta.

9 Si la pieza a ensayar presenta una superficie curva la impresión no será circular, por esta razón el radio de curvatura no debe ser inferior a los 25 mm y el diámetro d puede tomarse como el promedio de mediciones en varias direcciones.[1][2] Si las propiedades de una probeta plana no son uniformes debido a la dirección de rolado o la a los esfuerzos inducidos por el enfriamiento, resultará una huella no circular, en este caso el valor de dureza Brinell puede obtenerse a partir del diámetro d que resulta del promedio de 4 mediciones a 45º [2] Alcance y aplicabilidad del método Brinell Para materiales cuya dureza Brinell es superior a los 400 se recomienda utilizar penetradores duros (de carburos metálicos). A partir de estos valores de dureza la deformación en el penetrador comienza a ser importante, y esta debe ser menor de ±0,005D. Por esta razón el empleo de este método está limitado a una dureza máxima de HB = 600. De esta manera se puede decir que a partir de los 400 Brinell es recomendable determinar la dureza a través de métodos como el Rockwell o Vickers. Por último es claro que el método no es aplicable a piezas de espesor delgado ya que la penetración usual puede ser mayor que dicho espesor. Tampoco es aplicable a superficies cementadas, nitruradas, o recubiertas ya que la profundidad de penetración puede ser mayor al espesor que alcanza el tratamiento en la superficie. Es un método conveniente en materiales poco homogéneos tales como las fundiciones materiales de grano grueso y piezas forjadas, debido a que el tamaño de la impronta permite obtener un mejor promedio de la dureza en la zona. Además si se utiliza la profundidad h de la impronta para la determinación de la dureza, la superficie a ensayar no requiere demasiada preparación. Como regla general: cuanto mayor es la huella menor es el requerimiento de preparación superficial.

10 DUREZA ROCKWELL Al igual que en el ensayo Brinell la dureza se determina en función del grado de penetración de la pieza a ensayar a causa de la acción del penetrador bajo una carga estática dada. Difiere del ensayo Brinell en que las cargas son menores y los penetradores más pequeños por lo que la impronta será menor y menos profunda. Además el ensayo Rockwell no requiere la utilización de formula alguna para la determinación de la dureza. Esta se obtiene directamente del dial indicador de la máquina ya que la misma está dada por el incremento de profundidad de penetración debido a la acción del penetrador, el cual puede ser una bolilla de acero o un cono de diamante. En la operación, la cual se muestra esquemáticamente en la Fig. 5, se aplica inicialmente una carga de 10 kg la cual causa una penetración inicial A que pone el penetrador sobre el material y lo mantiene en posición. El indicador de la máquina se pone en cero, es decir se toma la línea de referencia a partir de la cual se medirá la identación y se aplica la carga adicional, la que generalmente es de 50 o 90 kg cuando se utiliza como penetrador una bolilla de acero y es de 140 kg cuando se utiliza el cono de diamante. 1º) Se coloca la pieza sobre la máquina 2º) Se eleva la pieza hasta aplicar la carga de 10 kg (dial en cero) 3º) Se aplica la carga adicional, en este caso 140 kg Figura 5. Secuencia de en ensayo de dureza Rockwell 4º) se vuelve atrás la palanca para retirar la carga adicional y se lee el valor de dureza Al aplicar la carga adicional el material fluye plásticamente, resultando una penetración total B. Posteriormente, se retira la carga adicional, permitiendo la recuperación elástica del material resultando una penetración final C. Una vez que la carga principal se retira, el valor de dureza se lee directamente del indicador de la máquina y dependerá de la penetración h dada por la diferencia entre la línea de referencia A y la línea final C. En las máquinas con sistema de indicación analógico la carátula lleva dos grupos, que difieren por 30 números de dureza, en los que se agrupan las diferentes escalas correspondientes al método, véase la Fig. 6.

11 Escalas A, C y D Figura 6. Grupos de escalas Escalas B, E, F, G, H, K, L, M, P, R, S y V Uno de los grupos corresponde a las escalas que utilizan el penetrador esférico, mientras que el otro corresponde a las que utilizan el cono de diamante. Las escalas Rockwell tienen divisiones de 0,002 mm, es decir la diferencia de penetración entre lecturas HRB = 53 y HRB = 56 es de 0,006 mm. Como las escalas están invertidas un número más alto implica mayor número Rockwell el cual esta dado por HR = E h (13) Donde E es el número total de divisiones de la escala y h es el incremento de penetración Cargas, Penetradores y Escalas Como se explicó la carga aplicada resulta de una inicial cuyo valor es de 10 kg en todos los casos y otra adicional de 50, 60, 90 o 140 kg, de acuerdo al material a ensayar. Por otro lado, también se mencionó que los penetradores pueden ser bolillas de acero o bien un cono de diamante cuya punta tiene radio de 0,2 mm y un ángulo de 120º. De esta manera es posible obtener distintas combinaciones de cargas y penetradores; en la actualidad existen 15 combinaciones o escalas distintas que se identifican con las letras A, B, C, D, etc. En la tabla 7 se muestran las 15 escalas con sus combinaciones de carga penetrador y los materiales en las que se utiliza cada una. Por este motivo en el número de dureza debe indicarse la escala utilizada, de esta forma HRC significa dureza Rockwell escala C (cono de diamante y una carga total de150 kg). Como se puede ver en la tabla 7, para metales y aleaciones duras se utiliza el cono de diamante con una carga total de 150 kg. Cuando se ensayan materiales muy blandos se utilizan bolillas de 1/8 y ½ con cargas de 60, 100 y 150 kg.

12 Empleo útil de los penetradores La gama útil del penetrador esférico de 1/16 en la escala B va desde un valor de 10 hasta 100 ya que para valores mayores, se puede deformar la bolilla. Para estos casos se recomienda el empleo del cono de diamante con una carga de 150 kg (escala C). Tabla 7. Escalas de dureza Rockwell con sus correspondientes cargas, tipo de identador y aplicaciones típicas Para valores inferiores a HRB = 10 se deberá utilizar bolillas de mayor diámetro o bien la de 1/16 con una carga total de 60 kg. La escala E se utiliza para piezas fundidas y materiales muy blandos. Esta escala trabaja con un penetrador esférico de 1/8 y con una carga de 100 kg. Cuando el material a ensayar admite más de una escala se recomienda emplear aquella que utilice la bolilla de menor diámetro para tener así una mayor sensibilidad. El criterio

13 opuesto debe seguirse si se ensayan materiales poco homogéneos ya que la esfera de mayor diámetro permite obtener una dureza promedio por afectar una mayor superficie. En la tabla 8 se detalla el empleo útiles de cada una de las escalas. Tabla 8. Rango útil de las escalas Rockwell según estándares ISO Condiciones de ensayo. Muchas de las consideraciones y precauciones a tener durante el ensayo son las mismas que se mencionaron para un ensayo Brinell. Así por ejemplo la cara a ensayar debe ser lisa y plana, la carga debe actuar en forma perpendicular a la probeta, la cual no debe moverse durante el ensayo. El espesor de la probeta no debe ser menor de 10 veces el incremento de penetración (10h) cuando el penetrador es el cono de diamante y 15 veces (15h) cuando el penetrador es una bolilla [5]. El ensayo debe ser descartado si la cara opuesta a la ensayada presenta una marca por pequeña que sea, ya que esto implica que el apoyo soportó parte de la carga. Cuando se ensayan piezas cilíndricas su radio de curvatura no debe ser menor de 5 mm. En general en estos cazos el valor de dureza obtenido disminuye en función del diámetro del material y la norma ASTM E18 da los valores a adicionar a los resultados obtenidos en el ensayo [1]. El valor de dureza debe resultar del promedio de por lo menos tres mediciones las que deberán efectuarse a una distancia de no menos de 3 mm. Dureza Rockwell Superficial La dureza Rockwell superficial es una extensión del método, en el que las escalas surgen de las combinaciones de los mismos penetradores, el cono de diamante y las mismas bolillas, con cargas menores. En este caso se utiliza una carga inicial de 3 kg y cargas adicionales de 12, 27 y 42 kg.

14 La dureza superficial con el cono de diamante puede emplearse en piezas extremadamente delgadas tales como hojas de afeitar, o bien en aquellas que han sido endurecidas superficialmente en una capa de muy delgado espesor, como es el caso de los aceros nitrurados o cementados. Con los penetradores esféricos se pueden ensayar los aceros blandos, bronces, etc. La máquina de ensayo tiene una escala única dividida en 100 partes iguales, correspondiendo cada división a 0,001mm, lo que hace a un rango total de penetración de 0,1 mm. En este caso las combinaciones entre penetradores y cargas se distinguen con subíndices, constituidos por el valor de la carga total en kg y las letras N, T, W, X e Y. De esta manera para indicar las condiciones de ensayo es necesario indicar la carga empleada y la escala, de manera que HR 30N significa dureza Rockwell superficial carga: 30 kg penetrador: cono de diamante HR 45T significa dureza Rockwell superficial carga: 45 kg penetrador: bolilla 1/16. La escala N se emplea, en general en los material indicados para las escalas A, C y D del método estándar; la T reemplaza a las B, F y G y las W, X e Y se usan en metales muy blandos. En las tabla 7 se muestran cada una de las escalas con las posibles combinaciones carga-penetrador y la aplicabilidad de cada una de ellas. En la Fig. 7 se muestra en forma esquemática y a modo de comparación las improntas que resultan de los ensayos de dureza Brinell, Rockwell estándar y Rockwell superficial. Figura 7. Comparación de las improntas que resultan de los ensayos Brinell, Rockwell estándar y Rockwell superficial El ciclo de medición El ciclo de medición en un ensayo de dureza Rockwell, se puede dividir en 8 pasos, como se muestra en la Fig. 8. La velocidad de ejecución de cada uno de ellos tiene influencia sobre el valor de dureza que se obtiene. A continuación se indica para cada paso el factor que afecta la medición: 1. velocidad del identador en el punto de contacto con el material que se ensaya. 2. velocidad de aplicación de la fuerza inicial. 3. tiempo de permanencia de la fuerza inicial. Es el tiempo que la fuerza inicial permanece a valor constante antes de que la línea base de referencia de la identación sea tomada. 4. velocidad de aplicación de la carga adicional. 5. tiempo de permanencia de la carga total. Es el tiempo que permanece toda la carga aplicada sobre el material que se ensaya. 6. velocidad con que se retira la carga adicional. 7. tiempo de recuperación elástica del material. Es el tiempo que existe entre que se retira la carga adicional y se mide la profundidad de identanción.

15 8. velocidad con que se retira la carga inicial. Los efectos de cada uno de los pasos sobre el valor de dureza que se obtiene pueden ser incluidos en dos grandes grupos: 1) Efectos de la velocidad del identador o velocidad de crecimiento de las fuerzas. En este grupo se encuentran los pasos 1, 2, 4, 6 y 8. 2) Efectos del tiempo de permanencia. Que agrupa los efectos de la duración de los pasos 3, 5 y 7. Salvo el paso ocho que no tiene influencia alguna, las variaciones en los tiempos de los pasos del primer grupo influyen sobre el valor de dureza que se obtiene, en particular el cuarto paso [5]. Los efectos en este caso se deben a la sensibilidad del material a la velocidad del identador o a efectos dinámicos en el identador tales como sobrecargas o vibraciones producto de los cambios extremadamente rápidos en la fuerza. Los efectos de los pasos agrupaos en el segundo grupo se deben al efecto creep y la recuperación elástica del material que se ensaya, que ocurren en los periodos en los que la fuerza es constante. Los efectos de los tiempos de permanencia de lo pasos 3, 5 y 7 son más influyentes en valor de dureza obtenido que lo efectos asociados a la velocidad de crecimiento de las fuerzas, siempre y cuando esta última no sea exageradamente alta. En [5] se hace un análisis de los efectos de los tiempos de permanencia de la carga inicial, el de la carga total y el tiempo de recuperación obteniéndose las siguientes conclusiones: Para cada uno de los tiempos mencionados, la razón de cambio del valor de dureza obtenido (dureza aparente) es mayor para tiempos de permanencia cortos, disminuyendo a medida que los tiempos aumentan. En general el valor de dureza obtenido está principalmente afectado por el tiempo de permanencia de la fuerza total, seguido del tiempo de permanencia de la carga inicial y por ultimo el tiempo de recuperación. Además esto varía con la dureza del material que se ensaya. Figura 8. Ciclo de medición de dureza Rockwell en ocho pasos

16 DUREZA VICKERS La determinación de la dureza Vickers es similar a la Brinell ya que se obtiene del cociente de la carga aplicada por la superficie de la impronta. Sin embargo en este caso se utiliza una carga pequeña y el penetrador es un diamante en forma de pirámide, como se muestra en la Fig 9. De esta manera el valor de dureza Vickers resulta: P 136 HV = 2 sen 2 8l 2 (14) Dado que l 2 = d 2 /2 se puede obtener una expresión en función de la diagonal d, la cual resulta 1, 854 P HV = (15) 2 d También es posible expresar el número Vickers en función de la profundidad de penetración h de la siguiente manera P HV = (16) h tan 1+ tan 2 2 Ya sea en la determinación de d o h se requiere una exactitud de 0,001 mm y el valor de d resultará del promedio de ambas diagonales. Las cargas pueden variar de 1 a 100 kg según el espesor y tipo de material. En general las máquinas estándar proveen cargas de 1, 2.5, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 kg de las cuales las de 30 y 50 kg son las más usadas. De esta manera para indicar las condiciones de ensayo solo es necesario indicar la carga, así HV 30 significa dureza Vickers con una carga de 30 kg. Coincidencia Vickers - Brinell El ángulo del penetrador Vickers se adopto de tal manera que los números Vickers coincidan con los Brinell. Para relacionar el método Vickers con el Brinell es necesario considerar la condición de semejanza y los límites a partir de los cuales la bolilla no experimenta deformaciones y se obtienen impresiones nítidas Eq. 11. De esta manera resulta una impronta en el que las tangentes a la bola forman un ángulo de 136º, que resulta el ángulo adoptado para la construcción del penetrador piramidal, véase Fig. 10. Sin embargo la coincidencia entre los valores de dureza que arrojan ambos métodos solo se cumple hasta aproximadamente 350 unidades como se ve en tabla 9. Esto se debe a que para valores mayores la deformación que sufre la bolilla utilizada en el ensayo Brinell modifica en parte el valor de dureza obtenido. De aquí se desprende que el ensayo Vickers es más exacto, debido a la menor deformación del penetrador, para durezas que sobrepasan los 500 Brinell.

17 Tabla 9. Tabla comparativa de durezas Consideraciones En general es necesario seguir las mismas consideraciones mencionadas para los ensayos Brinell y Rockwell, debiendo tenerse especialmente presente que la superficie a ensayar debe estar casi pulida. La carga debe actuar durante 10 s aunque en algunos casos puede llegar hasta 30 s. En aceros dulces los valores HV pueden variar de 120 a 170, mientras que en aceros tratados térmicamente puede variar entre 800 y 1000.

18 En general el espesor mínimo de la probeta debe ser de 1,5 veces la longitud de la diagonal de la impresión o lo que es lo mismo 7 veces la profundidad h de penetración [1]. Un criterio similar indicado en [6], expresa que como regla general el espesor debe ser al menos de 10h. Figura 9. Penetrador Vickers Figura 10. Angulo de las tangentes a la bola para la relación d = 0,375D En algunos casos el espesor de penetración puede ser tan solo de 0,065 mm por lo que el método es aplicable a piezas de poco espesor. ENSAYOS DE MICRODUREZA En este tipo de ensayos la penetración es del orden algunos micrones, por lo que pueden ensayarse chapas y láminas extremadamente delgadas, o superficies tratadas en las que el espesor del tratamiento es muy delgado como es el caso de las superficies carburadas o nitruradas, así como también los recubrimientos por electrodeposición En los ensayos de microdureza se utilizan aparatos que aplican cargas que pueden variar de 0,01 kg a 2 kg. En la Fig.11 se puede ver un aparato de microdureza dureza Vickers que aplica cargas que pueden variar de 0,01 a 1 kg y posee un microscopio analógico (existe otra versión con microscopio digital) que permite medir la diagonal de la impronta en el mismo aparato. También existen aparatos con los que se puede hacer micro y macro Vickers, con cargas que pueden variar desde 0,3 a 30 kg. En la Fig. 12 se muestra otro aparato utilizado en microdureza, el aparato Tukon. Este aparato es completamente automático al hacer la penetración. El aparato de la figura admite tanto la microdureza Vickers como la Knoop. Microdureza Vickers Se emplea el penetrador piramidal Vickers de la Fig. 9 y la dureza se determina por la Eq. 15, solo que en este caso, por la gran sensibilidad del método, la constante se toma con mayor exactitud (2 sen(68º) = 1,85436).

19 Aplicando cargas de 0,3 kg la profundidad de penetración puede ser de 3 o 4μ en los materiales más duros, por lo que se puede ensayar piezas con espesores de 30 a 40μ. Con menores cargas los espesores ensayar pueden ser de 10 o 20μ. Dureza Vickers/Knoop desde HV0,005 a HV50 Sistema electrónico de control a lazo cerrado Identador montado sobre celdas de carga Posicionador X Y Panel de control con jog de alta velocidad, foco ultra fino y control de luz Figura 11. Aparato para microdureza Vickers modelo 402-MVD de Foundrax- Wolpert Figura 12. Aparato Tukon Modelo 2100 de Foundrax-Wolpert Microdueza Knoop En la microdureza Knoop se utiliza un penetrador de diamante como el de la Fig. 13. La dureza se determina mediante el cociente de la carga aplicada y el área de la impronta proyectada sobre la superficie que se ensayada y en la que no debe tenerse en cuenta la recuperación elástica del material. Sin embargo, la medición de la superficie requiere que se retire el penetrador y por lo tanto el material produce la recuperación elástica y la consecuente deformación de la impronta. Figura 13. Penetrador Knoop y dimensiones principales de la impronta Por esto, considerando que la diagonal mayor l prácticamente no es afectada por la recuperación, el cálculo de la superficie se realiza en función de esta. De esta manera el área S de la base de la impresión no recuperada será wl S = 2 (17) donde w y l son las diagonales del romboide

20 El valor de dureza Knoop en función de l resulta: P gr HK = (18) l μ La longitud de la diagonal l puede variar de 5 a 1000μ según la carga y la dureza del material. En la tabla 10 se muestran los valores de dureza Knoop de algunos los recubrimientos por electrodeposición de con distintos metales. Tabla 10: Dureza Knoop de recubrimientos por electrodeposición con diferentes metales Metales Dureza Knoop (carga 100 gr) Cadmio 37 Plata 60 Cinc 120 Cobre 165 Níquel 550 Cromo 935