¿Cómo se mide la dureza de un material?

El término dureza no es una palabra científica recién acuñada, sino que tiene su origen en el lenguaje cotidiano. Los dedos humanos tienen terminales nerviosas que le permiten evaluar la dureza de los objetos. La dureza tiene varios significados. Para la industria metalúrgica, puede considerarse como la resistencia a la deformación permanente. Para el metalúrgico, significa resistencia a la penetración. Para el ingeniero de lubricación, significa resistencia al desgaste. Para el ingeniero de diseño, es una medida de la tensión de flujo. Para el mineralogista, significa la resistencia al rayado, y para el maquinista, la resistencia al mecanizado. Los primeros métodos para determinar la dureza de un material consistían generalmente en el rayado. El ensayo de dureza por rayado consiste en la penetración de la superficie del material por una punta (ver Figura 1).

Figura 1: Rayado sobre la superficie de un acero hierro puro producido por La Compañía Americana de Laminación (ARMCO, por sus siglas en inglés), topografía 3D.

El ensayo de dureza es una herramienta esencial para distinguir entre materiales y para el análisis, desarrollo y mejora de materiales y tecnologías en el contexto de la investigación básica (ciencia de materiales, ingeniería de materiales, diagnóstico de materiales). Por ello, hoy en día, las investigadoras e investigadores disponen de varios métodos y técnicas de ensayo de dureza. En este artículo se abordan cuatro métodos de ensayos de dureza por indentación más usados por la industria metal-mecánica (Brinell, Rockwell, Vickers y Knoop).

Antes de medir la dureza de un material, es clave e importante hacer una preparación metalográfica del mismo, la cual estudia la estructura y constitución de los materiales. Para estudiar la microestructura de los materiales se debe preparar cuidadosamente su superficie siguiendo los siguientes pasos: 1. Corte de la muestra, 2. Montaje en bakelita (resina sintética) de la muestra, 3. Desbaste, lijado y pulido con lijas de carburo de silicio (SiC) con diferente granulometría, 4. Ataque químico y análisis de imagen con un microscopio metalográfico.

En la Figura 2a se presenta una metalografía de un hierro puro fabricado por La Compañía Americana de Laminación (ARMCO, por sus siglas en inglés). En la Figura 2b, corresponde a un acero A1011 certificado por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés). La Figura 2c, representa a un hierro nodular y la Figura 2d, se refiere a una fundición de aluminio-silicio.

Figura 2: (a) Corresponde a una metalografía de un hierro puro fabricado por La Compañía Americana de Laminación (ARMCO, por sus siglas en inglés). (b) Corresponde a un acero A1011 certificado por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés). (c) Representa a un hierro nodular. (d) se refiere a una fundición de aluminio-silicio.

Historia de los ensayos de dureza

Dos filósofos griegos Demócrito y Aristóteles consideraron que la dureza era un atributo que distinguía a los materiales. En la antigüedad y la Edad Media, la única forma de probar la dureza de un material era a través del comportamiento de las armas y herramientas de acero. Al golpear las espadas contra la madera o la piedra se determinaba si el acero era lo suficientemente duro, basándose en las marcas que se producían.

Una de las primeras formas de ensayo de rayado se remonta a René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). Su escala de pruebas consistía en comprimir un prisma de un material contra otro de dureza conocida (patrón) para determinar la dureza del primero. De acuerdo a la profundidad de la marca producida, se determina de modo relativo la dureza de ese material. De tal manera, que la penetración de la arista era la parte crucial de la medida de la dureza de ese material, concepto que todavía continua vigente, para determinar la dureza de un material.

En 1822, el mineralogista y geólogo alemán Carl Friedrich Christian Mohs (1773-1839) propuso una escala de dureza al rayado de diez minerales conocidos (Talco, Yeso, Calcita, Fluorita, Apatita, Ortosa, Cuarzo, Topacio, Corindón y Diamante). Se consideró que un mineral era más duro si era capaz de rayar a los demás. Los valores de dureza de Mohs todavía se usan en mineralogía hoy en día, pero no son adecuados para medir dureza de los materiales técnicos (metales).

Método de dureza Brinell

A finales del siglo XIX comenzó la fabricación de esferas de acero duro (acero al cromo) para los rodamientos de bolas y a principios de 1900 un ingeniero sueco metalurgista llamado Johan August Brinell (1849-1925) las consideró como indentador (penetradores). Desarrolló un método de ensayo de dureza muy sencillo que se adoptó como un procedimiento para analizar las propiedades técnicas de los materiales.

El método Brinell consistía en aplicar una carga sobre el indentador que a su vez penetraba al material de desconocida dureza. Una vez que retiraba la carga aplicada quedaba una huella esférica (ver Figura 3) con una profundidad y diámetro de la impresión se podía medir con un microscopio de pocos aumentos y de esta manera sustituía los datos de la impresión e indentador en una expresión matemática propuesta por él mismo para determinar la dureza del material. Las bolas seleccionadas por Brinell fueron de 10 mm de diámetro del indentador y la fuerza de carga está en el rango de 300 Newtons a 30000 Newtons (300 Newtons para probar aleaciones de plomo, 5000 Newtons para probar aleaciones de aluminio, 10000 Newtons para aleaciones de cobre, 30000 Newtons para probar aceros).

Figura 3: Esquema del ensayo de dureza Brinell.

Método de dureza Rockwell

La escala de dureza Rockwell recibe su nombre de sus inventores, Hugh Rockwell y Stanley Rockwell. Los hermanos Rockwell eran metalúrgicos que trabajaban en una fábrica de rodamientos de bolas ubicada en la ciudad de Bristol en el estado de Connecticut a principios del siglo XX. Reconocieron la necesidad de comprobar con precisión y rapidez la resistencia del metal en las pistas de los rodamientos.

También necesitaban un método claro para informar de los resultados de las pruebas de resistencia, el método propuesto estaba basado en un indentador (penetrador) cónico de acero con un vértice esférico. Su principal objetivo era evitar utilización de sistemas ópticos (microscopios) y cálculos posteriores como sucede con el método Brinell. Stanley Rockwell patentó el método de ensayo Rockwell en 1914.

En 1919, modificó la patente para incluir el gráfico de la escala de dureza Rockwell. El ensayo depende de la profundidad de la huella generada por un indentador después de aplicar una carga preestablecida de tal modo que entre más profunda sea la huella generada menor será la dureza del material.

La ventaja del ensayo Rockwell reside en lo automático del proceso de medida de la profundidad que, en la práctica, se lleva a cabo en la misma máquina de ensayo por medio de un comparador micrométrico graduado en unidades de dureza Rockwell. El indentador puede ser una bola de acero endurecido de 1/16 de pulgada, 1/8 de pulgada de diámetro o un cono de diamante esférico de 120 grados de ángulo (ver Figura 4).

El procedimiento inicia con la aplicación de una carga menor a 10 kilogramos-fuerza (3kgf en el ensayo superficial Rockwell) y luego el indicador, que mide la profundidad de penetración, se pone a cero. Después se aplica una carga mayor (60, 100 o 150 kgf). La profundidad de penetración se mide después de retirar la carga mayor. La dureza se mide en diferentes escalas (A, B, C, D, E, F, G, H, K) y en números, sin unidades (a diferencia del método Brinell).

Figura 4: Esquemas del ensayo de dureza Rockwell C y B (1 kgf = 1 kg × 9.80665 m/s^2 = 9.80665 Newtons).

Método de dureza Vickers

Este método de dureza fue desarrollado en 1921 por Robert Smith y George Sandland en la empresa británica Vickers como una alternativa al ensayo de dureza Brinell. El ensayo Vickers utiliza el mismo principio que el Brinell, el de una impresión (huella) regulada sobre el material que se desea conocer su dureza, pero en su lugar se utiliza un diamante en forma de pirámide con una base cuadrada, con un ángulo de 136 grados entre las caras.

La impresión producida por el indentador Vickers es más clara que la del indentador Brinell, por lo que este método es más preciso. La carga aplicada para estimar la dureza, varía de 1 kgf a 120 kgf, se aplica normalmente durante 30 segundos (ver Figura 5). El número Vickers de dureza (HV) se calcula mediante una expresión matemática que depende de la carga aplicada y la longitud de la diagonal de la huella. Es importante mencionar que la longitud de la diagonal de la huella se mide mediante un microscopio, que suele ser parte integrante del microdurometro Vickers.

Figura 5: Esquemas del ensayo de dureza Vickers.

Método de dureza Knoop

En 1939, Fredrick Knoop introdujo una alternativa al ensayo Vickers en la Oficina Nacional de Normalización de Estados Unidos. El ensayo de Knoop utilizaba un formato más superficial y alargado de la pirámide de diamante y está diseñado para utilizarse con fuerzas de ensayo más bajas que el ensayo Vickers, lo que permitía realizar ensayos más precisos en materiales frágiles o delgados.

Tanto el ensayo Vickers como el Knoop siguen siendo métodos populares de análisis de la dureza en la actualidad. En este método se utiliza un indentador piramidal de diamante con ángulos de 130 grados y 172.5 grados (ver Figura 6). El ensayo de dureza Knoop se aplica para probar materiales blandos y revestimientos finos, ya que la profundidad de penetración es muy pequeña (aproximadamente 1/30 de la longitud de la impresión (huella)). La fuerza de carga en el método Knoop suele estar en el rango de 10 gf a 1000 gf (rango de microdureza). El número Knoop de dureza (HK) se calcula mediante una expresión matemática que depende de la carga aplicada y la longitud de la diagonal de la huella.

Figura 6: Esquemas del ensayo de dureza Knoop.

Como conclusión, es preciso subrayar que existen otros métodos para medir la dureza de un material que en los últimos años han tomado mayor importancia, nos referimos a la nanodureza, que permite no sólo determinar la dureza de un material sino que también su módulo de elasticidad en cuestión de segundos empleando un indentador tipo Berkovich con control de fuerza. El presente documento no pretende ser una exposición exhaustiva de tales formulaciones, ya que esto está fuera del alcance de este trabajo. Se espera, sin embargo, que este texto despierte cierta curiosidad sobre el tema.

En el Grupo de Investigación (GI) de Ingeniería de Superficies de la Escuela Superior de Ciudad Sahagún de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (UAEH) contamos con un microdurometro DuraScan 20 G5 (ver Figura 7), con el que se pueden procesar todas las tareas de prueba Vickers y Knoop en el rango de carga entre 0.25 g y 62.5 kg.

Este equipo nos permite capacitar estudiantes de las licenciaturas mecánica e industrial. Asimismo, hemos dado servicio a diversas empresas establecidas en la zona industrial de Ciudad Sahagún Hidalgo como son: ASF-K (AmstedRail), Global Transporte Industria Servicio S.A. De C.V., Gerdau Corsa, Dina Camiones, S.A. De C.V., MILAND Steel Solutions S.A. de C.V., DSF INDUSTRIAS, Giant Motors Latinoamérica, Gunderson Concarril y Greenbrier Sahagún.

Figura 7: Microdurometro DuraScan 20 G5.