La dureza, aplicada a la mayoría de los materiales y en metales específicos, es una prueba mecánica valiosa, reveladora y ampliamente utilizada que se ha utilizado en diferentes formas durante más de 250 años. De hecho, como propiedad del material, su importancia y valor no pueden subestimarse, y la información de una prueba de dureza puede complementar y utilizarse con frecuencia junto con otras técnicas de verificación de materiales, como la compresión o la tracción, para proporcionar información crítica sobre el rendimiento. ¿Qué importancia y utilidad tienen las pruebas de dureza y materiales?
Considere la información ofrecida y su importancia en la industria aeroespacial, automotriz, control de calidad, estructural, análisis de fallas y varias otras formas de fabricación e industria. La determinación de estas propiedades del material ofrece información valiosa sobre la resistencia, flexibilidad, durabilidad y capacidades de una amplia gama de tipos de componentes, desde materias primas hasta muestras preparadas y productos terminados. A lo largo de los años, se han creado y utilizado diferentes métodos para determinar la dureza de los materiales con distintos niveles de éxito. Desde las primeras formas de pruebas de rayado hasta sofisticadas imágenes automatizadas, las pruebas de dureza se han convertido en un método de prueba de materiales preciso, eficiente y valioso.
Si bien las técnicas de prueba y el hardware han mejorado considerablemente, particularmente en los últimos años y en sintonía con la electrónica, el hardware, la computadora y las capacidades de programación que avanzan rápidamente, las formas básicas y anteriores de prueba de dureza, como la prueba simple de rayado, eran suficientes para la necesidad del era relevante. Algunas de las formas más antiguas de pruebas de rayado de barras se remontan aproximadamente a 1722. Estas pruebas se llevaron a cabo en base a una barra que aumentó en dureza de un extremo a otro. El nivel en el que el material que se estaba probando podía desarrollar un rayado en la barra fue un factor determinante en la dureza de las probetas. Más tarde, en 1822, se lanzaron formularios de prueba de dureza que incluían rayar las superficies del material con un diamante y medir el ancho de la línea resultante, una prueba que finalmente se conoce como escala de Mohs.
Este método todavía se utiliza hoy en día en algunos procesos. La escala de Mohs se compone de 10 minerales, ordenados del más duro al 10 (diamante) al más suave al 1 (talco). Cada mineral es capaz de rayar a los que se encuentran por debajo de él en la jerarquía de escala. La escala de Mohs no es lineal; la diferencia de dureza entre 9 y 10 es principalmente mayor que entre 1 y 2. Para poner la escala de Mohs en perspectiva, un ejemplo tangible es el del acero para herramientas endurecido, que cae en aproximadamente 7 u 8 en la escala. Durante los siguientes 75 años, se lanzaron otras versiones más avanzadas de la prueba de rayado, que incluyen platina integrada, microscopio y aparatos de diamante que aplicaban cargas crecientes de hasta 3 gramos.
El material a ensayar se rayó bajo variantes de carga y luego se comparó con un conjunto estándar de rayas de valor conocido. Una versión más avanzada de este sistema utilizó un diamante montado al final de un resorte de acero cónico. El otro extremo del resorte estaba conectado a un brazo de equilibrio con un peso de 3 gramos. El material que se estaba probando se desplazó mediante una rueda accionada manualmente y un sistema de engranajes helicoidales, encima del cual se colocó un escenario y un dispositivo de sujeción para el material. Se aplicó una presión fija a medida que se atravesaba el material, lo que condujo a un «corte» en el material que luego se midió bajo el microscopio con la ayuda de un ocular micrométrico filar. Luego se utilizó una fórmula matemática, esencial para el proceso, para derivar la dureza.
Más tarde se introdujo la dureza del tipo de indentación, una forma temprana desarrollada alrededor de 1859, se basó en la carga necesaria para producir una indentación de 3,5 mm en el material. Luego se midió la profundidad con un sistema de escala de nonio y la carga total requerida para alcanzar los 3,5 mm se denominó dureza. El penetrador constaba de un cono truncado que se estrechaba desde 5 mm en la parte superior hasta 1,25 mm en la punta. Este método fue principalmente efectivo en materiales blandos. Otra forma temprana de prueba de indentación consistió en presionar geometrías en ángulo recto del mismo material de prueba entre sí y luego medir el ancho de la impresión resultante. A principios de la década de 1900, se desarrollaron diferentes formatos a partir de esta técnica que también utilizaban la indentación «mutua» de material de prueba cilíndrico con el eje longitudinal presionado en ángulos rectos entre sí.
Prueba de dureza Brinell
JA Brinell proyectó la primera prueba estandarizada y ampliamente aceptada de indentación-dureza en 1900. El interés de Brinell por la ciencia de los materiales se desarrolló durante su participación en varias empresas de hierro suecas y su deseo de tener un medio rápido y consistente para determinar la dureza del material. La prueba de dureza Brinell, que todavía se usa ampliamente en la actualidad, consiste en sangrar la superficie del metal con un acero de 1 a 10 mm de diámetro o, más recientemente, una bola de carburo de tungsteno con cargas pesadas de hasta 3.000 kg.
La impresión resultante, el diámetro de la muesca, se mide con la ayuda de un microscopio de baja potencia después de retirar la carga. Se toma el promedio de dos lecturas del diámetro de la impresión en ángulo recto y se calcula matemáticamente a un valor de dureza. La prueba Brinell básicamente introdujo la fase de producción de la prueba de dureza de indentación y abrió el camino para más pruebas de indentación que eran más relevantes para los tipos de materiales.
Probador de dureza con escleroscopio
Aproximadamente al mismo tiempo que el Brinell se estaba desarrollando como una prueba útil, se lanzó el probador de dureza Scleroscope como uno de los primeros instrumentos de prueba de dureza que no dejaban marcas. Albert F. Shore, quien descubrió la Shore Instrument Manufacturing Company en Nueva York, y cuyo nombre es actualmente sinónimo de prueba de durómetro, diseñó el escleroscopio como una prueba de dureza alternativa. El escleroscopio usó un «martillo» con punta de diamante, sostenido dentro de un tubo con frente de vidrio que cayó, desde una altura de 10 pulgadas, sobre una muestra de prueba.
El rebote del martillo se midió en una escala graduada de unidades «Shore», cada una separada en 100 partes que ofrecen una comparación con el rebote que podría esperarse del acero endurecido con alto contenido de carbono. La lectura de dureza es técnicamente una medida de la elasticidad del material. Una ventaja clave del escleroscopio fue su naturaleza «no destructiva» en el sentido de que, a diferencia de los otros métodos disponibles de prueba de dureza en ese momento, un escleroscopio dejaba solo una leve marca en el material bajo prueba, aparentemente dejándolo disponible para su uso después de la evaluación. .
A medida que avanzaba el siglo 20 y soportó dos guerras mundiales, con el crecimiento simultáneo de la industrialización global revolución industrial y el aumento de los requisitos de fabricación, trajeron una necesidad urgente de métodos de ensayo más eficientes y refinados, y como resultado, aparecierón nuevas técnicas de fabricación. Se requerían formas de prueba eficientes y precisas en respuesta a las grandes demandas de fabricación, fallas estructurales y la necesidad de diseñar la integridad adecuada del material en la creciente infraestructura global.
Prueba de dureza Vickers
La prueba de dureza de Vickersfue desarrollado en 1924 por dos caballeros, Smith y Sandland, en Vickers Ltd, un conglomerado británico de ingeniería.
La prueba, desarrollada como una alternativa al Brinell, se desarrolló en respuesta a la necesidad de tener una prueba más refinada sobre las limitaciones de material en las que el Brinell era efectivo. La prueba de Vickers utiliza el mismo principio que el de Brinell, el de una impresión regulada en el material, pero en su lugar utilizó un diamante en forma de pirámide en lugar del penetrador de bola de Brinell. Esto condujo a una prueba de dureza más versátil y consistente. Más tarde, en 1939, Fredrick Knoop, de la Oficina Nacional de Normas de EE. UU., Lanzó una alternativa a la prueba de Vickers. La prueba de Knoop hizo uso de un formato alargado y menos profundo de la pirámide de diamante y fue diseñada para usarse bajo fuerzas de prueba más bajas que la prueba de dureza de Vickers. permitiendo pruebas más precisas de materiales delgados o quebradizos. Tanto las pruebas de Knoop como las de Vickers continúan siendo métodos de análisis de dureza populares en la actualidad.
Prueba de dureza Rockwell
A pesar de haber sido concebida como una idea en 1908 por un profesor vienés, Paul Ludwik, la prueba de dureza de Rockwell no adquirió importancia comercial hasta alrededor de 1914 cuando los hermanos Stanley y Hugh Rockwell, que trabajaban en una empresa de fabricación en Bristol, Connecticut, lograron expandir la idea. de usar una prueba de dureza de diamante cónica basada en el desplazamiento y solicitar una patente para un diseño de probador de Rockwell. El criterio principal de este probador fue ofrecer un método rápido para determinar los efectos del tratamiento térmico en las pistas de los rodamientos de acero.
Una de las fortalezas clave de Rockwell fue la pequeña área de hendidura requerida. También es mucho más fácil de usar ya que las lecturas son directas, sin necesidad de cálculos o mediciones secundarias. La solicitud de patente fue aprobada el 11 de febrero ª de 1919 y más tarde, en 1924 se le concedió una patente de diseño más mejorada. Al mismo tiempo, Stanley Rockwell estaba comenzando la producción comercial de probadores Rockwell en asociación con el fabricante de instrumentos Charles H. Wilson en Hartford, Connecticut.
La compañía creció hasta convertirse en Wilson Mechanical Instrument Company y fue llamada el productor premium de probadores Rockwell. Después de algunos cambios de propiedad a finales de 1900, Wilson fue adquirido en 1993 por Instron, un líder mundial en la industria de pruebas de materiales y hoy se ha convertido en una parte vital de Instron / Illinois Tool Works. Actualmente conocido como Wilson Hardness, la experiencia combinada de Instron / Wilson, junto con las adquisiciones posteriores de Wolpert Hardness y Reicherter Hardness, han dado como resultado la ingeniería y producción de sistemas de dureza de vanguardia. La prueba de Rockwell sigue siendo una de las pruebas de dureza más eficientes y más utilizadas en la actualidad.
Ensayos de dureza: hoy y en el futuro
En la actualidad, con mejoras significativas en los últimos años en la instrumentación de prueba de dureza, hardware de computadora, algoritmos de imágenes, electrónica y capacidades de software, se ha abierto la puerta a procesos de prueba excepcionalmente precisos y confiables que brindan resultados más rápidamente que nunca, con frecuencia de manera automatizada. Estas técnicas y componentes han demostrado ser beneficiosos para aumentar la eficiencia, la precisión y la velocidad a niveles incomparables. Durante los últimos años y, sin duda, cada vez más en el futuro, los procesos de prueba manuales más estándar han abierto y seguirán dando paso rápidamente a la automatización en todos los aspectos del proceso de prueba.
Se han introducido en la industria de ensayos de dureza nuevas técnicas en preparación y manipulación de materiales, movimiento de escenarios, fijación de soportes, interpretación y análisis de resultados, e incluso informes. Se está incorporando cada vez más tecnología de automatización en una serie de sistemas de dureza que utilizan el análisis de imagen y desplazamiento de escenario de las indentaciones de Knoop, Vickers y Brinell. Un sistema automático de dureza generalmente consta de un probador totalmente controlable, que incluye una torreta giratoria o giratoria automática y también un accionamiento en el eje Z desde la carcasa del cabezal / penetrador o desde un sistema accionado por husillo utilizado para aplicar la penetración a una fuerza predeterminada y también para enfocar automáticamente la muestra.
Agregue a esto una computadora estándar con software de dureza dedicado, una cámara de video USB y una mesa motorizada de desplazamiento XY automático, y el resultado es un sistema de prueba de dureza potente y completamente automático. Estos sistemas se pueden dejar solos para producir, medir e informar automáticamente sobre un número casi ilimitado de travesías de penetración. Esta nueva tecnología evita gran parte del hardware que en el pasado causaba espacio de trabajo desordenado y desafíos operativos.
Las pruebas de dureza juegan un papel vital en el control de calidad, las pruebas de materiales y la aceptación de componentes. Los datos son necesarios para verificar la integridad estructural, el tratamiento térmico y la calidad de los componentes a fin de determinar si un material tiene las propiedades necesarias para su uso previsto. A lo largo de los años, el establecimiento de medios de pruebas cada vez más productivas y efectivas mediante el perfeccionamiento del diseño de pruebas estándar ha dado paso a nuevos métodos de vanguardia que ejecutan e interpretan las pruebas de dureza de una manera más eficaz que nunca.
El resultado es un mayor potencial y dependencia de «dejar que el instrumento haga el trabajo», lo que contribuye a aumentos considerables en el rendimiento y la consistencia y continúa haciendo que las pruebas de dureza sean extremadamente útiles en I + D y aplicaciones industriales y asegurando que los materiales empleados en las cosas que la gente usa todos los días contribuyen a un mundo eficiente, bien diseñado y seguro.
