La dureza es una propiedad esencial de los materiales, especialmente en aplicaciones relacionadas con la resistencia al desgaste. Por ejemplo, en los tornos, las herramientas de corte se fabrican con materiales que presentan la dureza suficiente para cortar materiales más resistentes, como los aceros rápidos. Las válvulas de motor, los cojinetes y los engranajes de las industrias automovilística y aeroespacial están fabricados con materiales endurecidos debido a la intensa fricción y a las elevadas cargas a las que se ven sometidos. Gracias a su dureza, los muelas abrasivas y los discos de lijado ofrecen un rendimiento eficaz en la eliminación de material, además de una gran durabilidad a largo plazo. Pero, ¿qué es la dureza?
La dureza es la medida de la resistencia de un material a la deformación permanente localizada. Mientras que algunos materiales son duros por naturaleza, como el tungsteno, otros adquieren dureza mediante métodos de tratamiento, como el tratamiento térmico. Estos materiales no pueden aplicarse directamente en un entorno de ingeniería sin someterlos a pruebas eficaces. Existen diferentes métodos que los ingenieros pueden utilizar para comprobar esta dureza. En esta guía, analizamos los tres métodos más comunes de ensayo de dureza: las escalas de dureza Shore, Rockwell y Brinell. La guía también ayuda a comprender los criterios de selección de las tres escalas de dureza. Antes de profundizar en los tres tipos de escalas de dureza, es esencial que analicemos brevemente el concepto de dureza.
¿Cuáles son los diferentes tipos de dureza de los materiales?
Los distintos materiales presentan un comportamiento diferente bajo cargas diferentes, aunque todos puedan clasificarse como materiales duros. Por ejemplo, un metal puede soportar un impacto único de gran intensidad sin fallar. Sin embargo, ese mismo material puede no soportar una carga continua y, por lo tanto, fallar. Esto debería servir de guía a los ingenieros a la hora de realizar ensayos de dureza para tomar una decisión razonable en la selección de materiales. Los tres ensayos de dureza más habituales en aplicaciones de ingeniería son el de indentación, el de rayado y el de rebote.
Dureza por indentación
Cuando los ingenieros y los metalúrgicos hablan de dureza, en realidad se refieren a la dureza por indentación. Esto se debe a que la mayoría de las aplicaciones de carga en ingeniería son continuas. La dureza por indentación es la resistencia de un material a la deformación permanente cuando se somete a una carga continua. A los técnicos les interesa más medir este tipo de dureza, ya que se aplica ampliamente en el diseño de ingeniería.
Dureza al arañazo
Algunos materiales de ingeniería, como la cerámica, no sufren deformación plástica y se consideran frágiles. Cuando se someten a determinadas fuerzas, se producen arañazos en su superficie. Técnicamente, los arañazos son hendiduras estrechas y continuas en la capa superior que se producen cuando un material entra en contacto con otros materiales más afilados y duros. La capacidad de un material para resistir los arañazos en su superficie se denomina dureza al arañazo. Los ensayos de resistencia al rayado son fundamentales, especialmente a la hora de seleccionar materiales para aplicaciones en las que hay fricción, como las camisas de los cilindros de los motores. Una camisa debe tener una dureza superior a la del material con el que entra en contacto.
Dureza de rebote o dinámica
La dureza de rebote es un tipo de dureza elástica. En la dureza por indentación o por rayado, un material responde oponiéndose a la deformación plástica. En la dureza de rebote o dinámica, un material absorbe la energía del impacto y la devuelve al indentador. El indentador es la fuente del impacto.
Todos estos tipos de dureza requieren herramientas diferentes para su medición. Veamos ahora las distintas escalas de dureza que se utilizan para medir estos tipos de dureza.
¿Qué es la escala de dureza Shore?
La escala de dureza Shore es un tipo especial de procedimiento de medición de la dureza destinado a determinar la resistencia de los materiales elastoméricos, los plásticos y otros polímeros. [1]. Esta medición permite determinar el grado de flexibilidad, rigidez y resistencia de un material antes de seleccionarlo para aplicaciones concretas. Este método de medición se lleva a cabo utilizando un durómetro.
¿Cómo funciona un durómetro?
Un durómetro Shore utiliza una aguja o un cono de acero accionado por resorte para presionar sobre los materiales. El instrumento ofrece lecturas de 0 a 100, que pueden interpretarse como la dureza del material. En el caso de los materiales más duros, la lectura es más alta, lo que significa que el pasador no puede penetrar en ellos. Si la escala indica valores relativamente más bajos, significa que el pasador se hunde más profundamente en el material. En ese caso, se considera que el material es blando. Las mediciones obtenidas de la escala del durómetro son relativas, y las unidades físicas no son absolutas.
Tipos de básculas de costa
Disponemos de diferentes tipos de básculas, con distintos rangos de medición para numerosos materiales. La siguiente tabla resume estos tipos de básculas.
| Tipo de costa | Aplicación |
|---|---|
| A | Se utiliza para materiales blandos como elastómeros, silicona, TPU y algunos tipos de plástico. |
| D | Se utiliza para materiales más rígidos, como los plásticos duros, el nailon, el polipropileno y algunos tipos de caucho. |
| B | Se utiliza para materiales intermedios entre las escalas A y D, como el caucho natural, el neopreno y el EPDM. |
| 00 | Se utiliza para materiales muy blandos, como los geles. |
| E | Se utiliza para espuma de baja densidad y materiales blandos. |
Las escalas Shore A y Shore D son las dos más utilizadas. El rango típico de la escala Shore A es de 20 a 95A, mientras que el de la escala Shore B es de 30 a 90B.
La dureza de un material depende de varios factores. Uno de ellos es la composición química y la estructura molecular. Los componentes con enlaces covalentes fuertes suelen ser duros. La dureza Shore también varía con la temperatura: cuanto más alta es la temperatura, menor es el grado de dureza.
Ventajas e inconvenientes de los ensayos con la escala de dureza Shore
La siguiente tabla resume las ventajas y limitaciones de los ensayos con la escala de dureza Shore.
Ventajas
- Pruebas muy rápidas (normalmente menos de 2 segundos)
- Equipos portátiles
- Preparación mínima de la muestra
- Ideal para materiales flexibles
- Bajo coste de las pruebas
Limitaciones
- No apto para metales
- Depende del grosor de la muestra
- La técnica del operador influye en la repetibilidad
- La temperatura influye en los resultados
¿Qué es la dureza Rockwell?
La dureza Rockwell consiste en presionar un penetrador endurecido contra una probeta del material sometido a ensayo. Este ensayo aplica pruebas de carga en dos etapas: carga principal y cargas secundarias. El ensayo y la curva representada dependen del tipo de escala utilizada.
¿Cómo se lleva a cabo el ensayo de dureza Rockwell?
En este ensayo se utiliza un cono de diamante o una bola de acero endurecido para realizar una hendidura en el material sometido a ensayo. [2]. Cada vez que se realiza un ensayo, se aplican dos cargas a la muestra. En primer lugar, se introduce el penetrador en el material bajo una carga menor. A continuación, se registra la profundidad inicial bajo esta carga menor. Sin retirar la carga menor, se añade una carga adicional denominada «carga mayor». Esta carga mayor aumenta la profundidad de penetración en el material. A continuación, se retira la carga principal, con lo que la fuerza aplicada vuelve a ser la carga menor.
El valor de dureza Rockwell se calcula a partir del aumento de la profundidad de penetración que se produce como consecuencia de la aplicación y la retirada de la carga principal.
Tipos de escalas Rockwell
La tabla siguiente muestra las cinco escalas de Rockwell principales y sus aplicaciones. El número total de escalas es de 17, y cada una de ellas tiene una aplicación específica.
| Escala | Abreviatura | Carga máxima (kgf) | Punzón | Utilice |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | Diamante cónico esférico† | Carburos cementados, acero fino, acero con cementación superficial |
| B | HRB | 100 | Bola de 1/16 pulgadas (1,59 mm) | Aleaciones de cobre, aceros blandos, aleaciones de aluminio, hierro maleable |
| C | HRC | 150 | Diamante cónico esférico† | Acero, aceros inoxidables, fundiciones de hierro duro, hierro maleable perlítico, titanio, aleaciones de titanio, acero con cementación profunda, otros materiales con una dureza superior a 100 HRB |
| D | Desarrollo de Recursos Humanos | 100 | Diamante cónico esférico† | Acero fino, acero con cementación media y hierro maleable perlítico |
| E | HRE | 100 | Bola de 1/8 pulgadas (3,18 mm) | Fundición de hierro, aleaciones de aluminio y magnesio, metales para cojinetes, plásticos termoendurecibles |
Ventajas y limitaciones de la escala de dureza Rockwell
La siguiente tabla resume las ventajas y las limitaciones de la escala de Rockwell.
Ventajas
- Alta repetibilidad
- Fácil de producir
- Influencia mínima del operador
- Excelente para metales tratados térmicamente
- Tiempos de ciclo rápidos
Limitaciones
- El acabado de la superficie influye en los resultados
- Los materiales finos requieren balanzas especiales
- No apto para goma muy blanda
¿Qué es la dureza Brinell?
La dureza Brinell es una medida de la resistencia de un material a la indentación, que se determina mediante el ensayo de dureza Brinell. En este ensayo, se presiona una bola de acero duro o de carburo contra la superficie del material bajo una carga específica y se mide el diámetro de la indentación resultante. [3]. El índice de dureza Brinell (BHN) se calcula dividiendo la fuerza aplicada por el área de la huella. Este método se utiliza habitualmente para ensayar metales y proporciona información valiosa sobre la resistencia de un material y su idoneidad para diversas aplicaciones.
Tipos de escalas para la escala de dureza Brinell
El ensayo de dureza Brinell utiliza una única escala continua, denotada como HB o HBW en el caso de las bolas de carburo de tungsteno. Se utilizan unas 25 combinaciones estándar de diámetros de bola, entre las que se incluyen 1, 2,5, 5 o 10 mm. El ensayo utiliza una fuerza de ensayo de entre 1 kgf y 3.000 kgf, agrupadas según las relaciones fuerza/diámetro F/D².
F/D² se conoce simplemente como «relación». Por ejemplo, una relación de 30 significa que F/D² = 30 mm, mientras que una relación de 2,5 significa que F/D² = 2,5 mm. En la siguiente tabla se recogen las relaciones más habituales utilizadas en la dureza Brinell y sus aplicaciones.
| Razón (F/D²) | Usos |
|---|---|
| 30 | Se utiliza para metales duros, como el acero y el hierro fundido. La fuerza de ensayo estándar suele ser de 3000 kgf con una bola de 10 mm (HBW 10/3000). |
| 10 | Se utiliza para aleaciones de cobre (como el latón y el bronce), aceros de dureza media y hierros. La carga habitual es de 1000 kgf con una bola de 10 mm (HBW 10/1000). |
| 5 | Se utiliza para aleaciones de cobre más blandas y aleaciones de aluminio más duras |
| 2.5 | Se utiliza para aleaciones blandas de aluminio y magnesio. |
| 1 | Se utiliza para metales extremadamente blandos, como el plomo, el estaño y los metales blancos blandos. |
Ventajas y limitaciones de la dureza Brinell
Ventajas
- Ideal para materiales heterogéneos
- Buen efecto de promediado gracias a la gran indentación
- Ideal para piezas fundidas
- Ampliamente aceptado en la industria pesada
Limitaciones
- Las abolladuras grandes dañan las superficies acabadas
- Proceso de pruebas lento
- Requiere una medición óptica
- No apto para secciones finas
¿Cómo se comparan y se elige la escala de dureza adecuada?
Los tres métodos son válidos y ninguno es mejor que otro. No obstante, si todos los métodos son aplicables en función del material disponible que se vaya a someter a ensayo, puedes elegir uno que sea rápido y rentable. La dureza Shore es la que ofrece un tiempo de ensayo más rápido, de entre 1 y 2 segundos, seguida de la dureza Rockwell, que tarda entre 5 y 15 segundos. El ensayo de dureza Brinell dura entre 30 y 60 segundos. En cuanto a su uso en producción, tanto la dureza Shore como la Rockwell ofrecen excelentes resultados, mientras que la dureza Brinell proporciona una protección moderada. La dureza Shore es adecuada para cauchos, elastómeros y materiales relacionados con el plástico. La dureza Rockwell se elige cuando se trabaja con plásticos técnicos. Por otro lado, puede optar por la dureza Brinell si se trata de piezas de fundición, forjadas y metales de grano grueso.
Referencias
[1] TWI Global. (s. f.). ¿Qué son los ensayos mecánicos? (Una guía completa). Preguntas frecuentes sobre conocimientos técnicos globales de TWI. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22: Métodos de ensayo estándar para la dureza Rockwell de materiales metálicos. Normas ASTM. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (s. f.). Ensayo de dureza. Parte 1. Conocimientos profesionales de TWI Global. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
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