Aspecto teórico de los métodos de medición de dureza en los metales

1. UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIRÍA METALÚRGICA
ENSAYO DE MATERIALES
CAPÍTULO II
ENSAYO DE DUREZA Y MICRODUREZA
Profesor: Ing. Julián Nieto Quispe
E-mail: nietoq@hotmail.com
Celular: #952800514
Domicilio: Distrito G. Albarracín, Villa La Agronómica M-7
Tacna-Perú
2014

2. CAPÍTULO II
ENSAYO DE DUREZA Y MICRODUREZA
CONTENIDO
 Introducción
 Ensayo de dureza método Brinell
 Ensayo de dureza método Vickers
 Ensayo de dureza Knoop
 Ensayo de dureza método Rockwell

3. INTRODUCCIÓN
La dureza de un material es un
concepto relativo, ya que es posible
afirmar que un material es más duro
que otro pero no existe una medida o
patrón único para definir la dureza
cuantitativamente, si no es mediante
una convención preestablecida.

4. INTRODUCCIÓN
En un comienzo se ha definido
la dureza de un material como
la propiedad que éste posee
para rayar otro material, sin
ser rayado por aquél. De este
modo se puede establecer una
escala de dureza, y es Mohs
quien ha dado una nómina de
10 materiales, numerados del
1 al 10, en que la dureza de
los mismos aumenta a medida
que se progresa con la
numeración.
Nº
Escala
Mohs
Material
1 Talco
2 Sal gema,
Yeso
3 Calcita
4 Fluorita
5 Apatita
6 Feldespato
7 Cuarzo
8 Topacio
9 Corindón
10 Diamante

5. INTRODUCCIÓN
La escala de Mohs ha sido modificada
sobre la base del desarrollo que se
produjo en la fabricación de sustancias
abrasivas sintéticas muy duras. Se han
intercalado así, entre el cuarzo y el
diamante, nuevos materiales, con lo
cual se obtiene la extensión de la
escala de Mohs de acuerdo con
Ridgway, Ballard y Bailey.
Esta escala implica que el método para
determinar la dureza consiste en el
rayado del material en estudio por
alguno de los materiales de la escala.
Dentro de los procedimeintos
actualmente en uso se emplea el
diamente, al que se da una forma
cónica o piramidal en el extremo.
Nº de
la
escala
Material
1 Talco
2 Yeso
3 Calcita
4 Fluorita
5 Apatita
6 Feldespato
7 Sílice puro vidrio
8 Cuarzo
9 Topacio
10 Granate
11 Carburo de tántalo
12 Carburo de
tungsteno
13 Carburo de silicio
14 Carburo de boro
15 Diamante

7. INTRODUCCIÓN
El procedimiento para medir dureza por rayado se
utiliza en casos aislados, habiéndose desarrollado
otros métodos que se aplican con gran éxito.
La mayor parte de esos métodos se basan en la
resistencia que oponen un cuerpo para dejase
deformar por otro más duro, que ejerce una presión
de tal magnitud que produce una deformación de
características netamente plásticas en el primero.
La magnitud de esa deformación, realizada en
condiciones perfectamente normalizadas, da un
índice de la dureza del cuerpo ensayado.

8. • Optimización
• Análisis de fallas
• Especificaciones
• Selección
• Inspección
• Mantenimiento
USOS DE LA DUREZA

9. DEFINICIÓN DE DUREZA
Es la propiedad de la capa superficial de un
material de resistir la deformación elástica,
plástica ocasionada por otro material más duro
de determinadas forma y dimensión
(indentador o penetrador).
Una definición ingenieril de la dureza, comúnmente
aceptada, es la resistencia a la penetración. Esta
resistencia es función de las propiedades
mecánicas del material, sobre todo de su límite
elástico y en menor grado, de su tendencia al
endurecimiento por trabajado en frío y del módulo
de elasticidad.

10. FACTORES DE MEDICIÓN DE DUREZA
Los métodos existentes de medición de la dureza se
distinguen notoriamente unos de otros:
 Por la forma del identador usado,
 Por las condiciones de aplicación de la carga y
 Por el método de calcular la dureza
La elección del procedimiento de determinación de la dureza
depende de diferentes factores:
• Dureza del material
• Su tamaño del material
• Condiciones de la superficie del material donde se ha de
medir la dureza.

11. CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE MEDICIÓN
DE DUREZA
En función de la velocidad con que se aplica
la carga los procedimientos de determinación
de dureza se dividen en:
 Estáticos
 Dinámicos
Según el método de aplicación de la carga
éstos son:
 De penetración
 De rayado

12. CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE MEDICIÓN DE
DUREZA
 ESTÁTICOS
 Dureza Brinell (HB)
 Dureza Vickers (HV)
 Dureza Knoop
 Dureza Rockwell (HR)
 Dureza Martens
 Dureza ABI
 Dureza UCI
 Dureza ESTATEST
o DINÁMICOS
 Dureza TELEBRINELLER
 Dureza SHORE
 Dureza EQUOTIP
Determinación óptica del área de indentación
después de remover la fuerza de ensayo
Determinación de profundidad de
penetración con fuerza preliminar de ensayo
Determinación de profundidad de
penetración bajo carga
Por comparación de frecuencia o resistencia
eléctrica
Determinación del área de indentación
después de remover el instrumento de
ensayo
Medición de energía durante el
impacto.

13. CONDICIONES DE MEDICIÓN DE DUREZA
En todos los procedimientos de ensayo de
dureza es muy importante preparar la capa
superficial de la muestra. Esta capa debe
poseer, en la medida de lo posible, las
características más completas del material
cuya dureza ha de medirse. Todos los
defectos superficiales (cascarilla,
abolladuras, rasguños considerables, etc.)
tienen que ser eliminadas.

14. CONDICIONES DE MEDICIÓN DE DUREZA
Los resultados de los ensayos de dureza dependen
de la duración de la aplicación de la carga al
indentador de penetración y de la duración del
mantenimiento de éste bajo la carga. Con una
carga constante P, la dimensión lineal de la huella
es:
n
btd =
Donde:
t: Tiempo de mantenimiento del indentador bajo la carga. Por
lo común t = 10 a 30 segundos.
b, n: Son coeficientes que dependen de las propiedades del
material y de la magnitud de la carga P.

15. DUREZA BRINELL
NORMAS A APLICAR
 ASTM E10
 ISO 6506

16. DUREZA BRINELL
El método de Brinell para determinar la
dureza consiste en apretar gradualmente
sobre los materiales metálicos una bolita
dura, de diámetro D, con la fuerza F, y
medir, después de suprimida ésta, el
diámetro d de la huella. Se mide con una lupa o
con microscopio de retícula graduada.
)/(
)(
2 2
22
mmKg
dDDD
F
HB
−−
=
π
F = Carga aplicada, en Kgf.
D = Diámetro de la bola, en mm
d = Diámetro de huella, en mm
S = Superficie del casquete esférico, en mm2
hD
F
esféricocasquetedelSuperficie
aC
S
F
HB
π
===
arg

17. Relación de semilitud geométrica en dureza Brinell:
( )22
2
1
dDDh −−=

18.  Como norma general, no se debe usar los ensayos Brinell
para durezas superiores a 500 HB, de lo contrario se
deformaría la bola.
 El centro de la impronta (huella) debe estar a una distancia
no menor del diámetro del diámetro de la bola respecto al
borde de la probeta, y la distancia del centro de la impronta
vecina debe ser no menor de 2D, o cualquiera de las
especificaciones indicadas en la Fig.2.
DUREZA BRINELL

19. DIAMETRO DE LA
BOLITA (D)
(mm)
CARGA F (Kgf)
30 D2
10 D2
5 D2
2.5 D2
1.25 D2
0.5 D2
10 3 000 1 00 500 250 125 50
5 750 250 125 62.5 31.2 12.5
2.5 187.5 62.5 31.2 15.6 7.8 3.1
La carga que debe aplicarse a las bolitas de distinto diámetro
se dan en la siguiente tabla
La carga se elegirá de modo que el diámetro de la huella tenga un valor
comprendido entre 0,2 y 0,5D. Para los materiales detallados a
continuación, se utilizarán de preferencia, las siguientes cargas
MATERIALES METALICOS CARGA P (Kg)
Aceros y fundiciones 30 D2
Aleaciones de cobre o de aluminio 10 D2
Cobre y aluminio 5 D2
Plomo, estaño y aleaciones 2.5, 1.25, 0.5 D2
DUREZA BRINELL

20. MATERIAL INTERVALO
DE VALORES
HB
(Kgf / mm2
)
ESPESOR DE LA
PROBETA
(mm)
RELACION
P / D2
(Kgf / mm2
)
DIAMETRO
DE BOLA
(mm)
CARGA
P
Kgf
EXPOSICION
BAJO CARGA
METALES
FERROSOS
140 – 450 De 6 a 4 30 10 1 000 10
De 4 a 2 5 750
Menos de 2 2.5 187.5
Hasta
140
Más de 6 10 10 1 000 30
De 6 a 3 5 250
Menos de 3 2.5 62.5
METALES
NO
FERROSOS
35 – 130 Más de 6 10 10 1 000 30
De 6 a 3 5 250
Menos de 3 2.5 62.5
8 – 35 Más de 6 2.5 10 250 60
De 6 a 3 5 62.5
Menos de 3 2.5 15.6
DUREZA BRINELL

21. La nomenclatura para el reporte de la dureza Brinell
debe ser de esta manera:
HB(D/F/t) valor de la dureza brinell
Donde:
D = Diámetro de la bola del identador.
F = Carga aplicada.
t = Tiempo que duró la aplicación de la carga.
DUREZA BRINELL
EJEMPLO
270 HBW(10/3000/30)
Indentador: Bola de acero al tungteno (W)
Diámetro de bolita: 10 mm
Carga aplicada: 3 000 Kgf
Tiempo de aplicación de carga: 30 segundos

22. DUREZA VICKERS
NORMA A APLICAR
 ASTME E92
 ISO 6507

23. DUREZA VICKERS
La determinación de la dureza por el
método Vickers se efectua con un
penetrador cuya forma es la de una
pirámide cuadrangular, con un
ángulo en el vértice 136º+/- 30’
Los valores de la dureza Vickers coinciden prácticamente con
los de la dureza Brinell hasta la cifra de 350, lo cual es efecto
de 136º de la pirámide del penetrador Vicker, cuyas aristas
son tangentes al penetrador esférico Brinell considerando un
diámetro de la penetración d = 0.375D, que es el valor medio
de d = 0.25D y d = 0.50D

24. Al igual que en el método Brinell, la cifra de
dureza Vickers, HV, se obtiene como
cociente entre la carga aplicada F y la
superficie S de la impresión que deja el
penetrador.
DUREZA VICKERS
)
2
136
(2.
8 2
Sen
l
F
S
F
HV ==
2
8544,1
d
F
HV =
F= Carga aplicada, en Kgf
d = Promedio de las diagonales, mm
L2
= d2
/2

26. 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.
Al indicar la dureza Vickers de un material debe especificarse
el valor de la carga y el tiempo de aplicación, si este fuera
distinto de 15 segundos.
DUREZA VICKERS
Ejemplo de notación de dureza Vickers
La dureza Vickers de una probeta a la que se aplicó una carga de 30
Kgf durante 15 segundos se indica así.
HV(30)
Si el tiempo de aplicación fuera de 20 segundos la indicación es:
HV(30/20)

27. CONSIDERACIONES PARA EL ENSAYO DE DUREZA
VICKERS
En general es necesario seguir las mismas consideraciones
mencionadas para los ensayos Brinell, 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.
En general el espesor mínimo de la probeta debe ser de 1,5
veces la longitud de la diagonal de la impresión.

28. DUREZA KNOOP
La determinación de la dureza Vickers en metales muy duros
queda afectada de un error cada vez mayor a medida que la
carga empleada es menor que 5 Kgf. Ello se debe a que la
dimensión de la diagonal se hace tan pequeña que el error con
que resulta afectad su determinación tiene cada ve mayor
preponderancia.
Ese efecto se ha eliminado en gran parte mediante el
penetrador Knoop formado por un diamante piramidal tallado
con los ángulos indicados en la figura.
Una impresión realizada con ese penetrador produce una
forma romboédrica, en que las l y w guardan entre si una
relación:
l/a = 7,1.

29. El número de dureza Knoop se obtiene
dividiendo la carga aplicada F sobre la
superficie del romboide de la impresión, sin
que se haya producido todavía la
recuperación elástica del material. Ello se
consigue expresando dicha superficie en
función de la diagonal mayor de la impresión,
la que resulta muy poco afectado por dicha
recuperación.
2
07028.0
2
l
lw
F ==
2
23014
l
F
HK =
Siendo:
Se obtiene finalmente:
DUREZA KNOOP
F = Carga aplicada, en Kgf.
l = Diagonal mayor del roboide, en μm
La longitud de la diagonal l puede variar
de 5 a 1000 μ según la carga y la dureza
del material

30. DUREZA KNOOP

31. DUREZA ROCKWELL
NORMAS A APLICAR
 ASTM E18
 ISO 6508

32. El ensayo de dureza Rockwell se basa en la
determinación de la profundidad de la
penetración de un cuerpo de dureza prefijada
dentro del material. Aquí se trata de 2 tipos de
penetración:
•Esfera de acero para metales blandos
•Un cono de diamante para metales duros
En ambos casos la penetración se realiza bajo
cargas determinadas y únicas para cada tipo de
penetrador.

34. ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL B (HRB)

35. ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL C (HRC)

37. En la operación, la cual se muestra
esquemáticamente en la Figura, 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
indentación 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.

38. 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.

39. Carga inicial. Es la carga que tiene por objeto asegurar una perfecta
sujeción de la pieza que se ensaya y un buen contacto del
penetrador.
Carga adicional o principal. Es la carga que permite obtener el
incremento de penetración y, por lo tanto, la dureza de la pieza que
se ensaya una vez que se la suprime.
Carga total. Es la suma de la carga inicial y adicional.
Número de dureza Rockwell. Es el número que expresa la dureza
Rockwell y cuyo valor es:
HR = C – h
Donde:
C: número 100 ó 130, según que tipo de penetrador usado sea
diamante cónico o bola de acero de 1/16”.
h: El incremento de la penetración inicial medido en una escala
fijada arbitrariamente e 0.002 mm para la dureza Rockwell normal y
0.001 mm para la dureza Rockwell superficial.

40. GRUPOS DE ESCALAS

41. Ensayo de dureza Rockwell
normal. es, a los fines de
esta norma, el ensayo
realizado con alguna de las
siguientes escalas: A, B, C,
D, E, F, G, H; se emplea para
materiales de diversa dureza
y el incremento de
penetración h se mide en
una escala cuya unidad
fijada arbitrariamente es
0.002 mm.
Ensayo de dureza Rockwell superficial. Es, a los fines de esta norma, el
ensayo con alguna de las siguientes escalas: N, T, W, X, e Y; se emplea para
acero carburizado, alambres y chapas de pequeño espesor, calibres de
precisión, aceros cianurados, etc., y el incremento de penetración h se mide
en una escala cuya unidad fijada arbitrariamente es 0.001 mm.
DUREZA ROCKWELL