Dureza

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. En la actualidad la definición más extendida aparte de los minerales y cerámicas sería la resistencia a la deformación plástica localizada.

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:

Durómetro.

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 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

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):[1]

Equivalencia Factor
(para pequeñas cargas)
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[2] para el límite elástico, Brinell[3]-, Rockwell-, dureza Vickers.
Límite elástico (aproximado) [nota 1] Dureza Brinell Dureza Rockwell Dureza Vickers
MPa HB HRC HRA HRB HV
6886940
6785920
6685880
6584840
6483800
6383760
6283740
6182720
6081690
5981670
21806185880650
21055995780630
20305805679610
19555615578590
18805425478570
18505175377560
18105235277550
17405045176530
16654855076510
16354734976500
15954664875490
15404514775485
14854374674460
14204184573440
13503994372420
12903804171400
12503704071390
12203763970380
11553423769360
10953233468340
10303043266320
9652763065300
9302762965105290
9002662764104280
8652572663102270
8352472462101260
8002382262100250
770228206198240
74021997230
70520995220
67519994210
64019092200
61018190190
57517187180
54516285170
51015282160
48014379150
45013375140
41512471130
38511467120
35010562110
3209556100
285864890
2557680

Véase también

Notas

  1. 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. 

  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.

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