OTROS MÉTODOS DE DUREZAS

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ENSAYOS DINÁMICOS DE DUREZA

En los ensayos dinámicos la carga se aplica en forma de impacto a diferencia de los métodos estáticos en los que se aplica en forma relativamente lenta y progresiva.

Como sucede en la mayoría de los métodos dinámicos de ensayo, la determinación de la dureza por métodos de este tipo depende la energía absorbida por la probeta y por lo tanto los resultados deben ser tomados cuidadosamente.

Como se verá, en general, los resultados que arrojan los métodos dinámicos son dependientes de la elasticidad del material y por lo tanto los resultados son comprables en materiales con las mismas propiedades elásticas.

En el grupo de los ensayos dinámicos se puede incluir sin discusión alguna los ensayos de dureza por rebote.   En los métodos por rebote el indentador forma parte de un percutor que es lanzado sobre la superficie a ensayar con energía conocida; el valor de dureza se obtiene a partir de la energía de rebote del percutor luego de impactar en la muestra.  En la Fig. 1 se muestra en forma esquemática las bases de este método.

Otro método en el que la carga se aplica en forma de impacto es el método de Poldi, también conocido como Brinell de taller o método del martillo, ya que la carga es aplicada con un golpe de martillo. Sin embargo en este método el valor de dureza no se obtiene de la diferencia de energía en el penetrador, sino de la comparación de la huellas que se obtienen al mismo tiempo sobre la superficie a ensayar y sobre un cubo patrón de dureza conocida como se indica en forma esquemática en la Fig. 2.

Por ultimo también se puede incluir dentro en el grupo de ensayos dinámicos al método de UCI Ultra Sonic Contac Impedance.   En este caso el indentador es presionado contra la superficie al mismo tiempo que es excitado con una frecuencia ultrasónica.   El valor de dureza resulta del corrimiento en la frecuencia de oscilación del indentador el cual depende del tamaño de la indentación.

Si bien este método suele ser considerado un ensayo estático ya que el indentador es presionado sobre la superficie con una fuerza que podría ser considerada prácticamente constante, el valor de dureza obtenido es claramente dependiente de la evaluación de fenómenos dinámicos.

Figura 1. Representación esquemática del

método de dureza por rebote

Figura 2. Representación esquemática del
método de Poldi

MÉTODO DE SHORE

El método Shore consiste en determinar el rebote que sufre un percutor al chocar contra la superficie que se ensaya, cuando se lo deja caer desde una altura determinada.   El percutor utilizado es de acero duro de forma cilíndrica y punta redondeada de muy buena terminación, la que también puede ser de diamante.

El percutor cuyo peso es de 3 a 7 gr se deja caer desde una altura de 250 mm y la lectura del rebote se hace directamente en una escala de 140 divisiones en la que un rebote que alcanza 100 divisiones corresponde a un acero templado (martensítico) para herramientas. 

En la Fig. 1 se muestra en forma esquemática el principio de este método.  Cuando el percutor cae sobre una superficie una parte de la energía potencial inicial es absorbida por la deformación plástica que sufre la superficie en la penetración.  De esta manera si el percutor se deja caer en un material blando y en uno comparativamente más duro, el rebote del percutor alcanzará menor altura luego de impactar en la superficie del material más blando ya que habrá una mayor penetración y por lo tanto una mayor absorción de energía.

En las Fig. 3.a y 3.b se muestran dos escleroscopios Shore, uno en el que la lectura se realiza sobre la escala graduada como se explico y otro que dispone un registro caratular.

Figura 3.a. Escleroscopio de lectura directa

 

Figura 3.b. Esclerocopio de registro caratular

DUREZA LEEB

Una evolución del método Shore es el método de Leeb. En este caso un cuerpo con un percutor que puede ser una bolilla de carburo de tungsteno de 3 o 5 mm de diámetro, es lanzado a velocidad conocida, por acción de un resorte.  Cuanto más blando el material a ensayar menor velocidad alcanzará el cuerpo percutor luego del impacto.

La medición de velocidad antes y después del impacto se hace mediante la diferencia de potencial eléctrico que se genera en una bobina, al ser atravesada por el cuerpo percutor que contiene un imán permanente.  Como es sabe la diferencia de potencial en bornes de una bobina depende de la variación del flujo magnético, la que a su vez dependerá de la velocidad con la que el percutor atraviesa la bobina.

En la Fig 4 se muestra este sistema de manera esquemática, así como también una representación temporal del voltaje inducido en la bobina antes y después del rebote.

La dureza Leeb HL se define a partir del cociente de la velocidad de impacto VI y la velocidad de rebote VR de la siguiente manera:

A diferencia del método de Shore, el de Leeb permite medir dureza en cualquier dirección.

Esto se debe a que el percutor es lanzado por acción de un resorte, y a que se mide la velocidad antes y después del rebote, lo que permite la corrección por software del valor del cociente de velocidades VR/VI en función del ángulo de medición.  De esta manera se facilita la medición de dureza de piezas no transportables y en lugares en las que resulta imposible la utilización de otros métodos, como se puede ver en la Fig. 5.

Figura 4.a. Esquema del sistema de
medición de velocidad

Figura 4.b. Representación temporal del voltaje que

se genera en la bobina antes y después

del rebote

Los resultados que arrojan tanto el método de Shore como el Leeb dependen de la resiliencia de la probeta, la del matillo y la deformación permanente sobre el material ensayado.  La influencia de las propiedades elásticas del material puede resultar en que si se ensayan dos materiales cuya “dureza real” es la misma, se obtengan valores diferentes, debido a las diferencias en la resiliencia de ambos materiales.

Por este motivo para que los resultados sean comparables es necesario agrupar los materiales según sus propiedades elásticas y no existe una relación directa que permita convertir los valores determinados por estos métodos a las escalas de dureza convencional (HB, HRC, HV, etc).  No obstante, empíricamente a partir de numerosos ensayos se ha establecido la relación de conversión a las escalas convencionales para cada grupo de materiales.

Los instrumentos modernos, como el de la Fig. 5 disponen de nueve grupos de materiales como los indicados en la tabla 1; el usuario debe seleccionar el grupo que corresponda, en el menú del instrumento, antes de realizar el ensayo.

Además el software de estos aparatos, incluye las tablas de conversión según DIN50150 y ASTM E140 permitiendo la obtención directa de lo valores no solo en la escala HL sino también en las escalas HB, HRC, HRB, HS y HV.

Figura 5. Aparatos modernos de medición de dureza por rebote

MÉTODO ULTRASÓNICO DE MEDICIÓN DE DUREZA (UCI).

Los métodos convencionales Vickers, Knoop o Brinell requieren la evaluación óptica de la huella que produce el indentador bajo una carga determinada.

En el método UCI “Ultra Sonic Contac Impedance” la huella no es evaluada ópticamente sino a través de la medición electrónica del corrimiento de la frecuencia ultrasónica con la que se excita el indentador.

El método UCI utiliza un indentador Vickers sujeto a una varilla que es excitada armónicamente, a una frecuencia aproximada de 70 kH, por un sistema de transductores piezoeléctricos, como se muestra en la Fig. 6.a.

De esta manera la varilla que soporta al indentador oscilará a la frecuencia de resonancia correspondiente como si fuera un sistema masa resorte Fig. 6.b.

Si se piensa a la superficie a identar formada por numerosos resortes atómicos y sus correspondientes masas, cuando el indentador es presionado contra la superficie se modificará la frecuencia natural del sistema. Esto se debe a que ahora el sistema incluye al conjunto masas-restes atómicos, Fig. 6.c.

Figura 6.a. Esquema del sistema
de medición de dureza UCI.

Figura 6.b. Modelo de masa-resorte
de la varilla oscilante.

El spring representa la varilla oscilando.  El contact plate representa la zona de contacto en la indentación y los material srpings representan la elasticidad del
material

Figura 6.c. Modelo de la zona de contacto en la indentación.

De esta manera es claro que una indentación profunda, propia de un material blando producirá un mayor corrimiento en la frecuencia de oscilación del sistema, mientras que un material duro producirá un menor corrimiento.

La frecuencia de oscilación del indentador es captada por piezoreceptores, a partir de la cual se calcula el valor de dureza Vickers en función del corrimiento en la frecuencia de oscilación.   En la Fig. 7 se muestra un gráfico en el que se expresa el valor de dureza HV en función del corrimiento de frecuencia.

Sin embargo como el corrimiento en frecuencia no solo depende del área de la impronta sino también del módulo de elasticidad del material se requiere la calibración previa del aparato antes de ser utilizado y una vez una vez calibrado debe ser empedo en metales con el mismo módulo de elasticidad.

Los aparatos que utilizan este principio disponen de varias sondas de medición a las que les corresponden cargas de 0.1, 0.3, 0.9, 1, 5 y 10 kg. En las sondas que utilizan cargas de 0.1, 0.3 y 0.9 kg la carga se aplica en forma automática a través de un motor, en las otras se aplica en forma manual.

Tabla 1. Grupos de materiales

Figura 7. Valores de dureza Vickers vs corrimiento

de la frecuencia de oscilación de la varilla.

DUREZA BRINELL DE TALLER O MÉTODO DE POLDI

El aparato Brinell portátil se basa en el mismo criterio que el Brinell ya visto, con la diferencia que la carga en este caso se aplica en forma dinámica a través de un golpe con martillo como se indica en la Fig. 8.

El aparato se compone de un cilindro hueco en cuya parte inferior se encuentra la bolilla y en su parte superior se encuentra el percutor, que al ser golpeado le transmite la carga al cubo patrón de dureza conocida y este a la bolilla que provoca la impresión sobre el material.

Por efecto del golpe el penetrador produce dos impresiones, una en el material a ensayar y otra en el cubo patrón. A partir de los diámetros de ambas improntas y mediante tablas que acompañan al aparato se puede determinar la dureza.

Utilizando la fórmula de Brinell:

y dado que la carga que actúa sobre el elemento patrón es la misma que actúa sobre la superficie a ensayar, la dureza de la pieza a ensayar resulta:

donde HBv es la dureza del cubo patrón, dv es el diámetro de la impronta en el cubo patrón y dp el diámetro de la impronta en la pieza.

De esta manera queda probado que aunque la carga puede variar de un ensayo a otro, debido al modo de aplicación, el valor de dureza es independiente de la misma.

La gran diferencia que existe entre la dureza Brinell convencional y la Brinell de taller es el modo de aplicación de la carga. En la dureza Brinell convencional la carga se aplica en forma estática, es decir en forma comparativamente lenta respecto del método Brinell de taller, lo que da lugar a un mayor flujo plástico en el material.

Figura 8. Dispositivo para ensayo de dureza Poldi

MÉTODO ÓPTICO DE MEDICIÓN DE DUREZA

Un novedoso instrumento portátil de medición de dureza es el denominado TIV “Through-Identer-Viewing”, el cual utiliza un penetrador Vickers, véase la Fig. 9.a.

Este instrumento cuenta con un sistema óptico que incluye una cámara digital CCD y un sistema especial de lentes que permite ver a través del diamante, de allí el nombre del instrumento.

Una vez que la carga alcanza el valor máximo se obtiene una digitalización de la imagen de la impresión para luego ser evaluada en forma manual o automática.

En la Fig. 9.b se muestra una imagen del display del instrumento en el que se puede ver la huella evaluada y el valor de dureza HV que le corresponde de acuerdo a la carga aplicada.

Este instrumento permite realizar mediciones en cualquier dirección, no requiere calibración adicional cuando se ensayan diferentes materiales y se pueden ensayar piezas delgadas o con recubrimientos.  Además este instrumento puede utilizarse en mediciones de dureza de materiales muy elásticos. Esto último se debe gracias a que el sistema óptico permite observar el crecimiento de la indentación a medida que la carga se aplica y por lo tanto se obtener una imagen de la huella mientras la carga está aplicada.

En general los sistemas de procesamiento de información de que disponen estos sistemas tienen almacenadas tablas de conversión de dureza de acuerdo a la norma ASTM E140 y pueden proveer el valor de dureza en cualquiera de las escalas.

Figura 9.a. Instrumento de medición de dureza
óptico (TIV)

 

Figura 9.b. Imagen digital de la huella obtenida
con el método TIV

Existen dos sondas disponibles y el rango de medición de cada una de las sondas está limitado por el sistema óptico utilizado. El tamaño del sensor CCD permite hasta un tamaño máximo de indentación, por lo que se ha predefinido un rango mínimo de dureza.

Por otro lado en el caso de valores altos de dureza, indentaciones pequeñas, la resolución del CCD limita el valor máximo de dureza.

Tabla 2. Rango de dureza y aplicaciones típicas las sondas del método TIV

En la tabla 2 se indica la carga, rango de dureza y aplicaciones típicas de cada sonda.

Aunque se han practicado con éxito mediciones en materiales cerámicos con valores de dureza de hasta HV = 1500, se ha establecido como límite superior una dureza HV = 1000 ya que, en general debido a la calidad de la superficie que se ensaya, solo se obtienen resultados correctos hasta este valor.

FACTORES A CONSIDERAR ANTES Y DURANTE LA MEDICIÓN

Tamaño de la indentación

En general un mayor tamaño de indentación provee resultados más consistentes. Esto se debe a que en materiales no homogéneos o materiales de grano grueso una impronta grande permite un mejor promedio de las características del material en la zona y de esta manera la heterogeneidad del material afecta en menor medida al valor de dureza obtenido.

Además una mayor indentación requiere una terminación superficial de menor calidad por lo que demanda una menor preparación de la superficie a ensayar.

En este sentido la impronta producida por el método por rebote es mayor a las correspondientes a los métodos TIV o UCI y por lo tanto se recomienda por sobre estos últimos para ensayar fundiciones y piezas forjadas.

Calidad de la superficie que se va ensayar

Todos los métodos requieren superficies limpias, libres de oxido, lubricantes, grasas, suciedad y películas o pinturas.

El tamaño de la indentación debe ser grande comparado con la rugosidad de la superficie.

En la Fig. 10 se muestra una gráfica comparativa de los valores de dureza Vickers obtenidos por el método de rebote en superficies de un mismo material pero con distinta terminación.

Figura 10. Valores de dureza medidos vs terminación superficial

Profundidad de penetración vs espesor mínimo

Cuando los espesores a ensayar son muy delgados o cuando se pretende ensayar piezas con tratamientos o recubrimientos superficiales, cuyo espesor puede ser del orden de micrones se requieren los ensayos de micro dureza Vickers o Knoop.   Como se menciono como regla practica, el espesor del recubrimiento o de la pared que se mide debe ser, al menos, diez veces mayor a la profundidad de la indentación.

En el caso que se requiera la utilización de instrumentos portátiles son recomendables los que utilizan el penetrador Vickers como el TIV y el UCI; en especial el UCI que dispone de sondas para microdureza.

Requerimientos de mínimos de masa y espesor de pared

Dado que tanto los métodos de dureza por rebote (Shore y Leeb) como el método UCI son de tipo dinámicos la masa de la pieza que se ensaya así como también el espesor de pared de la misma pueden tener influencia sobre los resultados obtenidos.

Cuando se ensayan piezas muy livianas (menos de 5 kg en los métodos de Leeb con penetrador de 3 mm y menos de 0,3 kg en el método UCI) ambos métodos pueden producir valores incorrectos a causa de efectos dinámicos.  No obstante si se pretende ensayar una pieza con muy poca masa se puede la puede fijar en soportes accesorios que refuerzan la parte y le dan rigidez.

En general el fabricante suele dar, para cada tipo y condiciones de ensayo, la masa mínima a partir de la cual se puede ensayar sin problema, o es necesario utilizar un soporte para la pieza.

Por otro lado cundo se utilizan los métodos dinámicos para ensayar caños o tubos el espesor de pared puede ser critico. Una pared de espesor fino oscilará al ser golpeado por el percutor. En general cuando el espesor de pared es menor de 20 μ los resultados obtenidos con lo métodos por rebote son incorrectos. En este caso se prefiere el método UCI en cuyo caso el espesor mínimo puede ser de 2 a 3 μ. Para espesores de pared mayor de 20 μ ambos métodos dan los mismos resultados [6].

Medición de dureza en soldaduras

Las partes soldadas suelen requerir la medición de dureza en la zona afecta por el calor (HAZ heat afeccted zone) para decidir si es necesario un tratamiento térmico posterior o no.

Por ejemplo, si la dureza de la zona afectada térmicamente (HAZ) es muy alta, esto se debe a que se ha formado una cantidad excesiva de martensita y pueden aparecer grietas.

La zona HAZ puede ser muy delgada (menos de 3mm de ancho [7]) y por lo tanto para obtener una idea confiable del estado de dicha zona la medición de dureza requiere indentaciones pequeñas.  Solo con cargas de 5 a 10 kg se pueden obtener valores de dureza Vickers cuya indentación no escapa de la zona afectada. Con métodos como el Brinell, los métodos por rebote, o el método de Poldi, la indentación suele abarcar más allá de la zona afectada [6].

Para terminar en la tabla 3, se indica la aplicabilidad de los métodos: por rebote, UCI y TIV, en diferentes casos considerando los criterios y consideraciones enunciadas.

Tabla 3. Aplicabilidad de los métodos por rebote UCI y TIV en diferentes casos

REFERENCIAS
[1] Gonzales Arias, Ay Palazon, A. C. A., 1973, Ensayos Industriales. Ediciones Litenia
[2] Davis, H. E, Troxell, G. E y Wiskocil, C. W.,1964 Ensaye e Inspección de los Materiales en Ingeniería. McGRAW-HILL.
[3] Santos E, Yenque D., J. Rojas O., Rosales U., V., 2001, Acerca del ensayo de dureza. Notas Científicas. INDUSTRIAL DATA (4) 2, pp 73-80.
[4] Pelorosso, P. O. Metalografía y ensayo de Metales. Cesarini Hnos.
[5] Low S.R., 2001, Rockwell Hardness Measurement of Metallic Materials. National Institute of Standards and Technology. U.S.
[6] Franck S., 2005, Mobile Hardness Testing: Applications Guide for Hardness Testers. GE Inspections Technology.
[7] FAQ’s – Hardness Testing. www.geinspectiontechnologies.com/download/products/ht/hardness-testing-faq.pdf.