Dureza

La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones físicas como la penetración, la abrasión y el rayado.

Escalas de uso industrial

En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración de un indentador. 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:^[1]

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 medidas 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

La nanoindentación es un ensayo de dureza llevado a cabo a la escala de longitudes nanométricas. Se utiliza una punta pequeña para indentar el material objeto de estudio. 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 simultáneamente durante el proceso de indentación y por ello también se la denomina «nanoindentación instrumentada». 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 para la localización del área a estudiar. Sin embargo, a diferencia de los métodos de indentacion a macro y microescala, en la técnica de nanoindentación instrumentada no esposible medir directamente el área de la indentación.

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.

Oliver y Pharr inventaron un método para calcular el área proyectada de la indentación $A_{c}$ durante la máxima carga.^[2] 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 A_c como una función de la profundidad de la indentación. Para una punta de Berkovich perfecta,

$A_{c}=24.5\cdot h_{c}^{2}\,$

Sin embargo, en general la punta no perfecta, se desgasta y cambia de forma con cada uso. Por tanto, debe llevarse a cabo regularmente una calibración de la punta que se utiliza. Para ello es necesario encontrar la función relaciona el área A_c de la sección transversal del penetrador a máxima carga con la distancia de la punta h_c que está en contacto con el material que se está indentando.

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

$h=h_{c}+h_{s}$

donde,

$h_{s}=$ Ɛ ${\frac {P_{max}}{S}}$

donde P_max es la carga máxima y Ɛ es una constante geométrica igual a 0.75 para un penetrador de Berkovich. S es la rigidez al descargar, que se calcula en la curva de nanoindentación: $S=dP/dh$

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

$H_{IT}={\frac {P_{max}}{A_{c}}}$

La dureza (determinada por la nanoindentación) se reporta con unidades de GPa y los resultados de indentaciones múltiples por lo general se promedian para incrementar la precisión.

Este análisis permite el cálculo del módulo elástico y la dureza durante la carga máxima y es conocido como nanoindentación instrumentada; 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

Artículos principales: Escala de Mohs y Escala de Rosiwal.

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	Material	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, (solo 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

Lista de equivalencias aproximadas para escalas de dureza de aceros no austeníticos (en el rango de la escala Rockwell C):^[3]

Equivalencia	Factor
$HB\Leftrightarrow HV$	$HB\approx 0{,}95HV$
$HRB\Leftrightarrow HB$	$HRB\approx 176-{\frac {1165}{\sqrt {HB}}}$
$HRC\Leftrightarrow HV$	$HRC\approx 116-{\frac {1500}{\sqrt {HV}}}$
$HV\Leftrightarrow HK$	$HV\approx HK$ (para pequeñas cargas)
$R_{m}\approx cHB$
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

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^[4] para el límite elástico, Brinell^[5]-, Rockwell-, dureza Vickers.
Límite elástico (aproximado)^{[nota 1]}	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

Notas

↑ Para acero no aleado o de baja aleación y fundición

Referencias

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

↑ Broitman, Esteban (2017). «Indentation Hardness Measurements at Macro-, Micro-, and Nanoscale: A Critical Overview». Tribology Letters 65: 23.
↑ W.C. Oliver and G.M. Pharr (2011). «Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology». Journal of Materials Research 19: 3. doi:10.1557/jmr.2004.19.1.3. Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2012. Consultado el 4 de mayo de 2018.
↑ Norma ASTM E140-02
↑ 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.
↑ Die Durchmesserangabe bei der Brinellhärte bezieht sich auf eine 10 mm Prüfkugel.

Enlaces externos

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Datos: Q3236003
Multimedia: Hardness / Q3236003
Citas célebres: Dureza

[6] Para acero no aleado o de baja aleación y fundición

[1] Broitman, Esteban (2017). «Indentation Hardness Measurements at Macro-, Micro-, and Nanoscale: A Critical Overview». Tribology Letters 65: 23.

[2] W.C. Oliver and G.M. Pharr (2011). «Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology». Journal of Materials Research 19: 3. doi:10.1557/jmr.2004.19.1.3. Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2012. Consultado el 4 de mayo de 2018.

[3] Norma ASTM E140-02

[4] 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.

[5] Die Durchmesserangabe bei der Brinellhärte bezieht sich auf eine 10 mm Prüfkugel.

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