Comprender la dureza de los materiales: Guía para comparar materiales de ingeniería

El proceso de desarrollo de productos abarca varios procesos menores, y la selección de materiales es la más esencial entre ellos.

Cada material tiene diferentes propiedades y capacidades mecánicas. Y para hacer la elección correcta de material, necesitas determinar el tipo de condiciones de carga que experimentará tu pieza. Por ejemplo, si buscas diseñar una pieza (o ensamblaje) que hará contacto con otros componentes o experimentará cargas de impacto, entonces querrás elegir un material con suficiente dureza.

Pero, ¿qué es exactamente la dureza del material y cómo se mide? Este artículo responde a estas preguntas y más.

¿Qué es la dureza del material?

La dureza del material es la capacidad de un material para resistir la deformación plástica localizada debido a cargas aplicadas concentradas.

Míralo así. Cuando decimos que un material tiene un alto grado de dureza, simplemente significa que el material puede retener su forma en presencia de fuerzas externas como rayado, indentación y abrasión. Así, materiales como el titanio y el diamante tendrían un grado de dureza mayor que el plástico.

Al comparar diamante y plásticos, probablemente sepas intuitivamente qué material tiene mayor dureza. Pero cuando quieres elegir entre metales (o aleaciones) estrechamente relacionados, es casi imposible hacer una suposición correcta a menos que realices una prueba de dureza en ellos.

Existen varios métodos para probar la dureza de los materiales. Pero antes de discutir estos métodos, es esencial que primero entiendas los tipos de dureza del material.

Tipos de dureza del material

Aquí están los tres tipos de dureza del material:

1. Dureza por indentación
2. Dureza por rayado
3. Dureza por rebote

La dureza por indentación se refiere a la resistencia de un material a la deformación permanente cuando se somete a carga continua. En contraste, la dureza por rayado describe la capacidad de un material para resistir el rayado de su superficie debido al contacto con otro metal. Por último, la dureza por rebote está relacionada con la elasticidad del material; describe la capacidad de un material para absorber la energía de impacto.

Una vez que conoces el tipo de condiciones de carga (o ambientales) que experimentará tu pieza, puedes considerar cualquiera de los siguientes métodos de prueba de dureza para comparar tus opciones de materiales. Si tienes el equipo necesario, puedes completar estas pruebas. O puedes confiar en la información de tus proveedores y recursos en línea como Matweb que listan las propiedades de varios materiales.

Cómo probar la dureza de los materiales: 4 métodos de prueba

Método #1 La prueba de Brinell

Un probador de dureza Brinell de Wikimedia Commons.

La prueba de Brinell mide la dureza por indentación de un material. Este método de prueba utiliza un penetrador (generalmente una bola de acero endurecido) para crear una impresión en una pieza de prueba. En este método, mantienes el penetrador en su lugar antes de aplicar una fuerza predefinida en la bola (y la superficie del material) durante un período especificado.

Luego, asignas un número de dureza Brinell al material dependiendo del tamaño de la indentación formada. Puedes medir la indentación usando un microscopio y calcular el número de dureza Brinell usando:

Donde:
HB = Dureza Brinell (kg/mm²)
P = Fuerza (medida en Newton)
D = Diámetro del penetrador (medido en milímetros)
d = diámetro de la indentación (medido en milímetros)

Sin embargo, ten en cuenta que la fuerza predefinida que aplicarás en el penetrador depende del material que buscas probar. Por ejemplo, los expertos en control de calidad típicamente usan una carga estándar de 3000 kg (o 30,000 N) para metales duros como hierro y acero. En contraste, debes aplicar una carga de 500 kg (o 5000 N) para materiales más blandos como cobre y latón.

Método #2 Prueba de dureza Rockwell

Operador realizando una prueba de dureza Rockwell

Al igual que la prueba de dureza Brinell, la prueba de dureza Rockwell también se usa para la medición de dureza por indentación y típicamente implica el uso de un penetrador (generalmente bola de acero o un cono con punta de diamante esférica).

Sin embargo, en la prueba de dureza Brinell, mantienes el penetrador en su lugar aplicando una carga menor (típicamente 10 kg o 100 N) antes de aplicar la carga principal de prueba. Luego, al remover la carga principal, mides la profundidad de la indentación mientras la carga menor aún está aplicada.

El número de dureza puede leerse usando diferentes escalas de dureza Rockwell (A, B, C, etc.). La escala ideal depende del tipo de penetrador usado y la carga de prueba aplicada al material. Por ejemplo, digamos que quieres medir la dureza de aleaciones de acero; tendrías que usar un penetrador de cono de diamante con hasta 140 kg de carga principal. En tal escenario, leerías el número de dureza en la escala “C”.

Para metales más blandos como aleaciones de cobre, los expertos en control de calidad usan una bola de acero con diamante (con hasta 100 kg de carga principal) y leen el número de dureza en la escala “B”.

Método #3 Prueba de dureza Mohs

La prueba de dureza Mohs es ideal para medir la resistencia al rayado de un material. En este método de prueba, rayas la superficie del material a probar usando un material de referencia con dureza predefinida. El valor de dureza se expresa usando la escala de Mohs, que está compuesta por 10 minerales a los que se les han asignado valores de dureza arbitrarios.

Ver la tabla completa de dureza de Mohs en Alan’s Factory Outlet

Alan’s Factory Outlet tiene la tabla de dureza de Mohs (captura de pantalla arriba) donde puedes ver ejemplos de la resistencia al rayado de varios metales.

Método #4 Prueba de dureza Shore Scleroscope

El escleroscopio Shore es un dispositivo utilizado para medir la dureza por rebote de un material. El dispositivo presenta un tubo de vidrio graduado montado en un soporte. Para determinar la dureza por rebote de tu material, dejarás caer un martillo con punta de diamante a través del tubo de vidrio sobre el material.

Representación esquemática del escleroscopio Shore montado en un trípode. De Wikimedia Commons.

El valor de dureza es proporcional a la altura a la que rebota el martillo después de golpear la pieza de prueba. Por ejemplo, un material con mayor dureza causa una mayor altura de rebote que un material con menor grado de dureza.

Prueba de dureza de materiales y desarrollo de productos: Servicios de Gensun Precision Machining

Sin duda, es esencial conocer la dureza de diferentes materiales para determinar el material ideal para tu diseño de producto. Pero incluso después de elegir un material adecuado para tu producto, aún tienes que encontrar un taller y mecanizador capaces de crear tus piezas con precisión y exactitud.

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