Controlar la dureza para predecir el desempeño

La prueba de dureza, como se aplica a la mayoría de los materiales, ha sido una prueba mecánica valiosa y comúnmente empleada durante más de 250 años. 

Se utilizan varias pruebas mecánicas y ópticas para determinar las características de un material y su idoneidad para una aplicación determinada, pero la prueba de dureza es sin duda una de las más críticas. 

Muchos productos nuevos que ingresan al mercado actual se basan generalmente en nuevos materiales y procesos. Estos nuevos materiales apoyan la innovación, así como aumentan la competitividad dentro de las industrias impulsadas por la tecnología y, como resultado, desempeñan papeles cada vez más importantes.

 La dureza es propiedad de un material que le permite resistir la deformación plástica, generalmente por penetración. Sin embargo, el término dureza también puede referirse a la resistencia a la flexión, arañazos, abrasión o corte.

 "La prueba de dureza es un proceso para analizar las propiedades de los componentes y se puede lograr a través de una variedad de métodos y técnicas", dice Sean Malloy, especialista en pruebas de dureza y técnico de Tinius Olsen.

 “Determinar la dureza del material puede proporcionar una visión valiosa de su rendimiento, incluida la durabilidad, resistencia y flexibilidad. También puede determinar las capacidades de una variedad de tipos de componentes, desde materias primas hasta muestras cuidadosamente preparadas y productos terminados ".

La dureza como control de calidad

Las industrias actuales tienen grandes expectativas en cuanto a precisión y calidad, y los errores en la producción tienen consecuencias potencialmente graves. Más que nunca, la investigación, la fabricación y el control de calidad dependen en gran medida de técnicas de prueba nuevas y en evolución para mantenerse a la vanguardia del juego.

Las cargas externas, como las presiones y las temperaturas extremas en la fabricación, pueden afectar el rendimiento de un material, especialmente metales y aleaciones de metales.

La compleja geometría del espécimen y la correlación lineal entre la dureza y la resistencia a la tracción significa que las pruebas de dureza son a menudo la mejor manera de garantizar que los componentes sobrevivan y funcionen según lo previsto. Por lo tanto, las pruebas de dureza se han convertido en una parte vital del proceso de control de calidad.

 “Determinar con precisión la dureza de un material para cualquier aplicación implica varios factores. Estos incluyen el tipo de material, las condiciones de la superficie, la geometría de la muestra, la exposición a los procesos de tratamiento térmico y los requisitos de producción”, continuó Sean.

 “Se puede aplicar un rango de diferentes pruebas de dureza para determinar diferentes valores de dureza para la misma muestra de prueba. El tipo de prueba de dureza a menudo se guía por los requisitos del cliente, ya que las mediciones de dureza son valores comúnmente reportados en las hojas de especificaciones de los productos manufacturados”.

Tipos de pruebas de dureza 

Las pruebas más comunes utilizadas para determinar la dureza del material son las pruebas de dureza Rockwell, Brinell, Vickers y Knoop.

Las cuatro pruebas miden la dureza determinando la resistencia a la penetración de una bola indeformable, cono o penetrador de diamante piramidal de cuatro lados. Cada prueba determina la profundidad a la que el penetrador se hundirá en el material, a una carga definida, dentro de un período de tiempo específico.

Si bien las pruebas Rockwell y Brinell se aplican principalmente a metales y cerámicos, existe un estándar ISO para las pruebas de dureza Rockwell de plásticos (ISO 2039-2). La prueba de Vickers puede usarse para medir la dureza de metales, algunos cerámicos, polímeros e incluso algunos biomateriales. La prueba Knoop está diseñada para medir la dureza del material más delgado y los materiales más blandos como la pintura y las joyas chapadas.

“La prueba de dureza Rockwell es el método de prueba de dureza más utilizado. Es una medida basada en el aumento neto de la profundidad de la huella de indentación a medida que se aplica una carga. En pocas palabras, cuando se usa una fuerza fija (carga) y un penetrador conocido, cuanto menor es la huella, más duro es el material".

Este método de prueba se usa en todos los metales, excepto en condiciones donde la estructura del metal de prueba o las condiciones de la superficie introducirían demasiadas variaciones; donde las hendiduras serían demasiado grandes para la aplicación; o donde el tamaño o la forma de la muestra impide su uso.

Rockwell mide la profundidad permanente de la sangría producida por una fuerza/carga en un penetrador. Como ejemplo, un penetrador puede ser una bola de carburo de tungsteno de algún diámetro específico o un cono esférico con punta de diamante de 120° de ángulo y un radio de punta de 0.2 mm, comúnmente conocido como "Brale Indenter". La combinación de sangría y la carga de prueba determinan la escala de dureza que se expresa en letras como A, B y C, etc. "

Al seleccionar una escala Rockwell, una guía general es seleccionar la escala que especifica la mayor combinación de carga e indentación posible. Esto sería sin exceder las condiciones de operación definidas y sin tener en cuenta las condiciones que pueden influir en el resultado de la prueba. Estas condiciones incluyen, entre otras, permanecer dentro del rango de dureza de la escala Rockwell utilizada, muestras de prueba que están por debajo del grosor mínimo para la profundidad de la huella o una impresión de prueba que cae demasiado cerca del borde de la muestra u otra impresión. Esto también incluye pruebas en muestras cilíndricas.

"La dureza Brinell, por otro lado, se determina aplicando una esfera de carburo de tungsteno de un diámetro específico a una carga especificada en la superficie de un material y midiendo ópticamente el diámetro de la sangría huella después de la prueba".

La prueba de dureza Brinell se usa con mayor frecuencia para probar materiales que tienen una estructura demasiado profunda o que tienen que desbastar una superficie para ser probados utilizando otro método de prueba, como piezas fundidas y forjadas. Las pruebas de Brinell a menudo usan una carga de prueba muy alta (3000 kgf) y un penetrador de 10 mm de diámetro para que la huella resultante promedie la mayoría de las inconsistencias de la superficie y la superficie. Se pueden utilizar combinaciones de carga más ligera / diámetro de bola cuando el espesor de la muestra no admite las cargas más pesadas de Brinell.

"El número de dureza Brinell se obtiene dividiendo la carga utilizada, en kilogramos, por el área de superficie real de la sangría en milímetros cuadrados".

Pruebas en escala micro

Los métodos de prueba de dureza Vickers y Knoop, también conocidos como método de prueba de microdureza debido a las cargas ligeras que se aplican, se utilizan principalmente para piezas pequeñas, secciones delgadas, microestructuras, áreas afectadas por el calor de soldadura, pruebas de fractura o trabajo de profundidad de caja. Aunque Vickers y Knoop son pruebas muy diferentes basadas en el diseño de penetración y la forma en que miden la huella resultante, ambas comparten la misma metodología para aplicar la prueba y se realizan comúnmente en el mismo probador de dureza.

Es muy útil para realizar pruebas en un amplio tipo de materiales, pero las muestras de prueba deben estar altamente pulidas para permitir medir el tamaño de las impresiones en micras. Por lo general, las cargas para las pruebas de Knoop o Vickers son muy ligeras, con un rango de 1 gm a 1 kgf, aunque las cargas "Macro" de Vickers pueden variar hasta 120 kg o más.

El método de prueba Vickers somete la superficie de la muestra a una carga predefinida, ejercida por un penetrador de diamante piramidal de cuatro lados. Esto proporciona un período de tiempo estandarizado denominado tiempo de permanencia. La diagonal de la huella resultante se mide con un microscopio y luego se calcula el valor de dureza Vickers.

Knoop difiere de las pruebas de Vickers al alargar dos de los penetradores de diamante de cuatro lados y solo utiliza las dimensiones de la impresión alargada para determinar el valor de dureza de Knoop. Este diseño es para poder probar la dureza de los materiales más blandos con la menor cantidad de penetración en todos los tipos de pruebas de dureza.

“Esta prueba se utiliza en las aplicaciones de control de calidad más exigentes. Esto incluye la inspección de soldaduras sometidas a presiones extremas y maquinaria pesada utilizada en las operaciones de fabricación".

Básicamente, el tipo de material y la dureza esperada determinarán el método de prueba. Los materiales como los aceros para rodamientos endurecidos tienen un tamaño de grano pequeño y se pueden medir utilizando la escala Rockwell debido al uso de penetradores de diamante y una alta carga de PSI. Los materiales como los hierros fundidos y los metales en polvo necesitarán una sangría mucho mayor, como la utilizada con las escamas Brinell. Es posible que sea necesario medir piezas muy pequeñas o secciones pequeñas en un probador de microdureza utilizando la escala Vickers o Knoop.

De la mano de expertos

Tinius Olsen Testing Machine Company fue fundada en 1880 por el ingeniero noruego Tinius Olsen y sigue siendo uno de los líderes mundiales en el fabricante especializado y el suministro de máquinas de prueba de tensión estática y / o materiales de compresión.

Sean ha estado con la compañía por más de 8 años, estableciéndose como el experto residente de la compañía en pruebas de dureza de materiales. Ha sido responsable de la producción de una serie de máquinas de prueba de dureza Tinius Olsen y asesora activamente a las empresas sobre este aspecto vital de la producción de materiales.

“Nos damos cuenta de que las necesidades del fabricante varían según el presupuesto, la frecuencia de las pruebas y las cargas específicas de Vickers / Knoop o las pruebas de Brinell de baja fuerza, por ejemplo. Para atender esto, producimos una amplia gama de probadores de dureza para satisfacer mejor las necesidades de cada cliente".

Las empresas van desde el pequeño fabricante familiar, que necesita probar un par de veces a la semana, a laboratorios que realizan cientos de pruebas de dureza por día. Las organizaciones más grandes requieren un nivel mucho más alto de automatización, especialmente con la tecnología de punta disponible.

“A pesar de la fortaleza de esta tecnología, las nuevas máquinas de prueba, como las series Tinius Olsen FH-14 y FH-3, siguen siendo fáciles de navegar a través de todas las funcionalidades, lo que facilita al operador aprender la rutina de operación de la máquina. Por lo tanto, la capacitación se simplifica. También existe la capacidad de almacenar resultados con imágenes, lo que permite recordar esas imágenes para reevaluar el proceso de medición”.

 “Un gran ejemplo de cómo se está utilizando esta tecnología es dentro de la educación. La serie FH tiene una ruta óptica que permite utilizar un microscopio en asociación con una cámara digital que, cuando se usa en combinación con una ruta óptica dual, permite al operador ver a través del microscopio y también digitalmente. Esta tecnología es ideal para capacitar a estudiantes y departamentos de investigación de la Universidad".

Las máquinas como la FH también están diseñadas para incorporarse a un sistema automatizado, que recopila datos de varias máquinas que realizan pruebas simultáneamente. Esto puede ser una combinación de pruebas de tracción, dimensiones, dureza y flexión, con todas las muestras alimentadas por robot.

Además de liberar a los técnicos para otras tareas, el sistema automatizado garantiza un posicionamiento e imagen de muestra precisos, una precisión mejorada, un nivel extremadamente alto de repetibilidad y una mayor productividad general. También elimina los errores relacionados con el operador causados ​​por fatiga visual, fatiga e inconsistencias inevitables, que pueden ser un problema común en las pruebas de microdureza.

En resumen, con respecto a las pruebas de alto volumen, tener la capacidad de automatizar el proceso de prueba reducirá la cantidad de tiempo inactivo invertido por los técnicos de laboratorio en el proceso de prueba, esto produce un control de calidad rentable”, dijo Sean.