Fundamentos y Métodos de Ensayos de Materiales: Dureza (Brinell, Rockwell, Vickers) y Propiedades Mecánicas

Propiedades Mecánicas Fundamentales de los Materiales

A continuación, se definen las propiedades esenciales que determinan el comportamiento de los materiales bajo esfuerzo:

• Cohesión: Resistencia que oponen los átomos a separarse unos de otros.
• Ductilidad: Propiedad de un material para transformarse en hilos.
• Elasticidad: Capacidad de un material para recuperar su posición inicial después de aplicar una fuerza.
• Fatiga: Rotura de una pieza cuando es sometida a fuerzas cíclicas o repetidas.
• Fragilidad: Facilidad para romper un material mediante un impacto brusco.
• Plasticidad: Capacidad de un material para obtener una deformación permanente.
• Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a ser roto mediante un impacto.

Definición y Clasificación de Ensayos de Materiales

Definición de Ensayo

Un ensayo es una serie de procedimientos normalizados que tienen por objeto conocer o comprobar las características y/o propiedades de un material, o descubrir defectos en piezas fabricadas.

Clasificación General de Ensayos

Los ensayos se clasifican en función de su objetivo y metodología:

• De características.
• Estáticos de propiedades mecánicas (destructivos).
• Dinámicos de propiedades mecánicas (destructivos).
• De conformación (tecnológicos).
• De defectos (no destructivos).

Ensayos de Características

Estos ensayos buscan determinar la composición y estructura interna del material:

Ensayos de Composición

Determinan la composición química del material.

Ensayos de Estructura

Determinan la estructura:

• Cristalina: Basada en la red cristalina.
• Micrográfica: Basada en el tamaño y forma de los granos.
• Macrográfica: Basada en la disposición de las fibras.

Análisis Térmico

Determina la temperatura de inicio y fin de solidificación, y también la temperatura donde ocurren cambios estructurales.

Constitución o Metalográficos

Son los más adecuados para conocer la constitución de los aceros, observando la superficie de una probeta preparada con microscopio.

Etapas del Ensayo Metalográfico

1. Toma de muestras.
2. Desbaste y pulido.
3. Ataque micrográfico.
4. Observación.

Ensayos Mecánicos de Propiedades (Destructivos)

Los ensayos destructivos se centran en medir las tres propiedades mecánicas principales:

• Cohesión (Ensayo de Dureza).
• Elasticidad/Resistencia (Ensayos de Tracción).
• Plasticidad (Ensayo de Tracción).

Ensayos de Dureza

Dureza por Rayado

Mide la resistencia del material a ser rayado o penetrado por otro.

• Ensayo Martens: Mide la anchura de la raya producida por una punta de diamante piramidal de vértice a 90º, con carga constante y determinada.

Dureza a la Lima

Aproxima la dureza del acero templado mediante el uso de una lima:

• Si la lima no "entra", la dureza es superior a 60 HRc.
• Si la lima "entra", la dureza es inferior a 58 HRc.

Dureza por Penetración

Consiste en producir una huella en el material mediante un penetrador. La dureza se determina en función de la presión ejercida y la profundidad o diámetro de la huella.

Método Brinell (HB)

Consiste en comprimir una bola de acero templado de diámetro determinado sobre el material base, aplicando una carga durante un tiempo establecido. Es adecuado para materiales de perfil grueso.

Consideraciones Previas al Ensayo Brinell

1. La superficie debe estar limpia, plana, normal al eje de carga y lo más homogénea posible.
2. El espesor de la pieza debe ser al menos el doble (X2) del diámetro de la huella (diversos criterios dependen de la normativa).
3. La distancia del centro de la huella al borde de la pieza debe ser, como mínimo, cuatro veces (X4) el diámetro de la huella.

Método Rockwell (HR)

El método Brinell no es adecuado para medir la dureza de aceros muy duros o templados. Rockwell determina la dureza en función de la profundidad de la huella dejada en el material.

Características del Ensayo Rockwell

• Precisión: 0,001 mm.
• Penetrador/Indexadores: Bola o cono con punta de diamante a 120º y redondeada entre 0,01 y 0,2 mm.

Escalas de Dureza Rockwell

Las escalas más comunes son:

• Escala A: Penetrador de diamante, 60 kp. Utilizada para aceros tratados y sin tratar, muy duros y piezas delgadas.
• Escala B: Esfera de 1/16", 100 kp. Utilizada para acero recocido y normalizado.
• Escala C: Penetrador de diamante, 150 kp. Utilizada para aceros tratados térmicamente.

Particularidades del Ensayo Rockwell

Este método destaca por su eficiencia y versatilidad:

• Es rápido y fácil de realizar.
• Se puede aplicar en perfiles planos, redondos, flejes y material muy delgado.
• Apto para casi todas las calidades de acero con diferentes tratamientos térmicos.
• La huella es casi inapreciable.
• No exige una preparación superficial rigurosa.
• Es importante no realizar el ensayo en un área cercana a los extremos.
• La velocidad y el tiempo de cada etapa del ensayo son cruciales.

Método Vickers (HV)

El método Vickers deriva del Brinell y es ideal para piezas delgadas y templadas, incluso hasta 0,2 mm de espesor. Utiliza un cuerpo penetrante con punta piramidal y un ángulo en el vértice entre caras de 136º. El valor Vickers es la relación entre la carga aplicada y la superficie de la huella.

Normas del Ensayo Vickers

• La superficie de ensayo debe estar pulida.
• El espesor de la probeta debe ser 1,5 veces superior a la diagonal de la huella.
• La longitud de la diagonal debe medirse con una precisión de 0,001 mm.

Particularidades del Método Vickers

Este método es altamente versátil:

• Apto para materiales con HB > 500 y materiales blandos.
• Permite ensayar espesores de hasta 0,2 mm.
• Se puede aplicar en superficies cilíndricas y esféricas.
• Es más laborioso que Rockwell y requiere cálculo (excepto en máquinas modernas).
• Requiere pulir la superficie, similar al método Brinell.
• La carga se aplica entre 10 y 30 segundos (dependiendo de la normativa reguladora).
• El espesor mínimo de la probeta debe ser 1,5 veces la longitud de la diagonal de la huella.

Método Knoop (HK)

Utiliza un penetrador piramidal con base de rombo. Está diseñado para medir dureza en espesores inferiores a 0,05 mm, con cargas muy bajas (entre 0,25 y 3600 gramos). Mide la diagonal mayor de la huella y aplica una fórmula específica.