presentación de dureza en diferentes tipos de materiales

1. DUREZA DE LOS MATERIALES
DOCENTE: GIOVANY OROZCO HERNÁNDEZ

2. La Dureza es la resistencia que presenta un material
a ser penetrado o rayado, por tal motivo existen
varios métodos para medir la dureza de los
materiales, esto depende de las características
físicas del material.
La dureza, que como término no puede definirse de
manera precisa pues depende del contexto,
representa la resistencia a los rayones o a la
indentación y una medida cualitativa de la
resistencia del material.

3. COMO SE
REALIZAN LOS
ENSAYOS DE
DUREZA
Por lo general, un ensayo de dureza consiste
en presionar un objeto (indentador) con
unas medidas y una carga concreta sobre la
superficie del material a evaluar. La dureza se
determina al medir la profundidad de
penetración del indentador o bien midiendo
el tamaño de la impresión (huella) dejada
por el penetrador.

4. COMO SELECCIONAR EL MÉTODO DE ENSAYO
Al seleccionar un método de ensayo de dureza, es
importante considerar lo siguiente:
• El tipo de material que se someterá al ensayo
• Si es necesario cumplir alguna normativa concreta
• La dureza aproximada del material
• La homogeneidad/heterogeneidad del material
• El tamaño de la pieza
• Si se necesita encapsular
• La cantidad de muestras que se someterá a un
ensayo
• La precisión necesaria del resultado

5. TIPOS DE
ENSAYO DE
DUREZA
AL RAYADO PENETRACIÓN
Resistencia que ponen los materiales
al ser rayados por otros materiales
más duros
Resistencia que ponen los materiales
a dejarse penetrar por otros
materiales más duros
Ensayo de Mohs
Scratch test
Método de Brinell
Método de Vickers
Método de Knoop
Método de Rockwell

6. ESCALA DE MOHS
El concepto de dureza
Mineralógica fue establecido por
primera vez por el geólogo alemán
Friedrich Mohs en 1820, siendo la
suya la primera de las escalas de
dureza que se crearon.
Este ensayo consiste en ir rayando
una probeta de ese material en
orden con cada uno de los
minerales hasta que la probeta se
deje rayar, de manera que ésta
tendrá el número de dureza
correspondiente al mineral que lo
ha rayado.

7. PRUEBA DE DUREZA
DE BRINELL
La norma ASTM E 10-78 define la dureza Brinell como un método de
ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina
calibrada, llamada durómetro, se fuerza una bola fabricada de un
acero templado extraduro de un diámetro determinado contra el
material a ensayar por medio de una carga y durante un tiempo
determinado que suele ser de 15s.
Como resultado aparecerá una huella que tendrá forma de casquete
esférico de diámetro (d) en la superficie de la probeta ensayada y se
calcula el número de dureza de Brinell (abreviado como DB) a partir
de la siguiente ecuación:
Donde F es la carga aplicada en kilogramos, D el diámetro del
penetrador en milímetros y Di el diámetro de la impresión en
milímetros. La dureza de Brinell tiene las unidades de kg/mm2.

8. DATOS IMPORTANTES
• El método Brinell se utiliza para materiales
con una estructura de grano grande o
irregular, por ejemplo, los materiales forjados
o de fundición
• Se utiliza para muestras de gran tamaño
• Normativas: ASTM E10, ISO 6506, JIS Z 2243
• Tamaños del penetrador: 1, 2,5, 5 y 10 mm
• Cargas: Desde 1 kgf a 3000 kgf
• Dureza máxima: 650 HBW

9. PRUEBA DE DUREZA DE VICKERS
El ensayo Vickers se recomienda especialmente
para determinar la dureza de materiales muy
duros, con valores de dureza superiores a 500 HB.
En el ensayo Vickers se emplea como elemento
indentador una pirámide regular de diamante, de
base cuadrada, cuyas caras laterales forman un
ángulo de 136º. En la penetración del indentador
contra la probeta, éste dejará una impresión
cuadrada sobre el material de la probeta, que
resulta más fácil de medir (más precisa) en este
tipo de ensayo.

10. La carga que se utiliza para presionar el indentador contra la probeta oscila
entre 1 y 120 Kp, empleándose principalmente valores de carga de 1, 2, 3,
5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 Kp. No obstante, la carga más empleada es de
30 Kp.
El tiempo de aplicación de la carga: oscilará entre 10 y 30 segundos, siendo
15 segundos el tiempo más empleado para la duración del ensayo.
Una vez realizado el ensayo, se miden las diagonales de la impresión
cuadrada que resulta sobre la superficie de la probeta ensayada y se
calcula el promedio (media aritmética) de las medidas obtenidas.

11. El valor numérico de la dureza Vickers (HV) se obtiene dividiendo la
carga P (kp) aplicada entre la superficie de la huella S (mm²) dejada
sobre la probeta:
HV = P / S = 1,854·P / d2
siendo,
• P la carga aplicada en el ensayo (Kp)
• S es la superficie de la huella (mm2)
• d es el valor promedio de la diagonal de la huella impresa en la
probeta (mm).

12. ENSAYO DE KNOOP
La dureza Knoop (HK) es una alternativa a
los ensayos Vickers dentro del rango de
evaluación de microdureza. Se utiliza
básicamente para superar las fracturas
en los materiales quebradizos, y para
facilitar los ensayos de dureza en las
capas finas. El penetrador es un
diamante piramidal asimétrico, y la
indentación se calcula midiendo
ópticamente la longitud de la diagonal
larga.

13. • Se usa para materiales duros y quebradizos, como la cerámica.
• Está especialmente indicado para áreas pequeñas y alargadas, como los
recubrimientos. Se requiere un microscopio para realizar la medición
• Normativas aplicables: ASTM E384, ISO 4545, JIS Z 2251.
• Se utiliza para microensayos (cargas inferiores o iguales a 1 kgf) por lo que la
estructura del material de la muestra debe haberse sometido a un elevado pulido o
electropulido antes de su introducción en el microdurómetro.
• Tiempo de indentación: 10-15 segundos.
• Grosor de la muestra según la norma ASTM: Como mínimo 10 veces la profundidad de
la penetración.
• Grosor de la muestra según la norma ISO: Al menos un tercio de la longitud de la
diagonal larga.

14. PRUEBA DE DUREZA DE ROCKWELL
Es quizás el método más utilizado, ya que la
dureza se obtiene por medición directa y es un
modelo de ensayo apto para ser empleado en
todo tipo de materiales.
En este ensayo lo que se mide es la profundidad
de la huella, no el área misma.
.Se suele considerar también un ensayo no
destructivo, por el pequeño tamaño de la huella
que deja sobre la superficie del material
ensayado.

15. La prueba consiste en hacer penetrar en dos tiempos, en la capa superficial de
la pieza un penetrador de forma prefijada y medir el aumento permanente de la
profundidad de la penetración.
Como herramienta indentadora se va a emplear un tipo u otro en función de la
dureza del material a ensayar, debiéndose consultar las correspondientes tablas
Rockwell para su elección:
Tablas Rockwell
• Para materiales duros (HB>200): Para materiales blandos (HB<200):
se empleará como indentador un
diamante en forma de cono de 120º de
punta redondeada y radio de 0,2 - 0,01
mm.
se empleará como indentador una bola de
acero templado de 1/8" y 1/16", y también
de 1/2" y ¼“.

18. • La temperatura de ensayo deberá ser de 23º C ± 5.
• La superficie de la probeta deberá estar plana, limpia y
perpendicular a la bola o cono indentador.
• El espesor de la probeta deberá ser al menos 10 veces la
profundidad de penetración del cono o de la bola
indentadora.
• Cada vez que se realice un cambio de indentador en la
máquina, la primera huella obtenida no se tendrá en cuenta,
para dar lugar a que el indentador se asiente.
• Se realizarán de 5 a 10 indentaciones por probeta, teniendo
en cuenta que la separación del borde de la probeta y de
una huella al borde de la otra deberá ser mayor a 2,5 veces
el diámetro de la huella.

19. COMPARACIÓN DE LAS PRUEBAS DE DUREZA COMUNES

21. NANOINDENTACIÓN
Algunas de las desventajas de las pruebas de dureza
ya vistas es que solo pueden utilizarse en muestras a
macroescala y que la dureza es la única propiedad de
los materiales que puede medirse de forma directa.
La nanoindentación es la prueba de dureza que se lleva a
cabo en la escala de longitud nanométrica. Se utiliza una
punta pequeña de diamante para indentar el material de
interés. La carga impuesta y el desplazamiento se miden de
manera continua con una resolución de micronewtons y
subnanómetros, respectivamente.

22. Las técnicas de nanoindentación son importantes para medir las
propiedades mecánicas de películas delgadas en sustratos (como en
aplicaciones microelectrónicas) y de materiales en nanofase y para
deformar estructuras a micro y nanoescala que se sitúan de manera libre.
Puede llevarse a cabo con una alta precisión en el posicionamiento, lo
cual permite indentaciones dentro de granos seleccionados de un
material.
Los nanoindentadores incorporan microscopios opticos y en algunas
ocasiones capacidad de microscopio de sondeo de barrido. La dureza y el
modulo de elasticidad se miden con base en la nanoindentación.

23. Las puntas de los nanopenetradores tienen diversas
formas. A una forma común se le conoce penetrador de
Berkovich, el cual es una piramide con tres lados. Cada
lado de la indentacion de la figura mide 12.5 µm y tiene
una profundidad de alrededor de 1.6 µm.
La primera etapa de una prueba de nanoindentación
involucra el desarrollo de indentaciones sobre un patron
de calibracion. La sílice fundida es un patrón de
calibración común, debido a que tiene propiedades
mecánicas homogéneas y bien caracterizadas (modulo
de elasticidad E = 72 GPa y razón de Poisson v = 0.17). El
propósito de efectuar indentaciones sobre el estandar
de calibración es determinar el área de contacto
proyectada de la punta del penetrador Ac como una
función de la profundidad de la indentación.

24. En el caso de una punta de Berkovich perfecta

25. Figura: Relación entre la profundidad total de la
indentación h, profundidad del contacto hc, y el
desplazamiento de la superficie en la periferia de la
indentación hs. En esta vista lateral se observa el área de
contacto Ac a una profundidad hc.

26. Durante la nanoindentación, la carga impuesta se mide como una función de la profundidad de
la indentación h, como se muestra en la figura.
En la carga, la deformación es elástica y plástica. A medida que se retira el penetrador del
material, la recuperación es elástica.
La rigidez al descargar se mide como la pendiente de una curva de la ley de potencias ajustada a
la curva de la descarga a la profundidad máxima de la indentación.
Figura: La carga como una función de la
profundidad de la indentación en una
nanoindentación del MgO. Se indica la
rigidez al descargar S a la carga máxima.

27. GRACIAS