Introducción al Durómetro

El durómetro es un dispositivo de medición para determinar la dureza de un material. Existen distintos tipos de durómetros de acuerdo a las diversas familias de materiales, habiendo posibilidad de medir dureza tanto a un caucho como a un acero. Si bien la palabra “durómetro” en el mundo anglosajón sólo se emplea para denominar al equipo para medir dureza Shore, en Latinoamérica es ampliamente utilizada para identificar a todos los bancos de ensayo de dureza que existen.

La dureza es una propiedad de los materiales. La mayoría de las enciclopedias la define como la resistencia a la penetración permanente bajo carga estática o dinámica que tiene un material, luego de realizarle varios ensayos. Por lo general, una dureza buena significa que el material es resistente a las rayaduras y al uso, característica muy importante en el caso del herramental usado en la manufactura. Existe estrecha correlación entre la dureza y la resistencia de un material.

Los primeros ensayos de dureza se basaron en el comportamiento de los minerales según su capacidad de rayar a otro más blando. Para ello se definió una escala llamada Mohs, cuyos valores van del 1 al 10, donde el 1 representaba al talco y el 10 al diamante.

Durometro – Escala Mohs

Con el paso de los años nuevas técnicas cuantitativas de dureza fueron desarrolladas, basadas en un pequeño penetrador que es forzado sobre una superficie de la probeta del material a ensayar bajo condiciones controladas de carga y velocidad. La profundidad o tamaño de la huella resultante se relaciona con un número de dureza. Cuanto más blando el material, mayor y más profunda la huella, y menor es el número de dureza. Las durezas obtenidas tienen un significado relativo y no absoluto, por lo que hay que tener cautela al comparar las medidas arrojadas por distintas técnicas sobre el mismo material.

Dado que existen distintos tipos de durómetros de acuerdo al material a indentar, a continuación se presenta una tabla con los métodos principales y su respectiva aplicación:

[table caption=»Aplicaciones de los Durómetros» width=»585″ colwidth=»100|100|100|100|100|100″ colalign=»center|center|center|center|center|center»]
Shore,Rockwell,Brinell,Vickers,Knoop,Leeb
Polímeros elastómeros y cauchos.,Aceros tratados térmicamente., Metales y aleaciones como latón aceros templados y recocidos. Fundiciones de hierro nitrurados.,Como alternativa al método Brinell mide dureza en todos los metales incluyendo aceros inoxidables; aceros al carbono; aceros martensíticos y otros.,Materiales frágiles; cerámicas y láminas delgadas.,Mismos materiales que Rockwell Vickers y Brinell pero el dispositivo Leeb es portátil y se usa para piezas que no pueden llevarse a una mesa de ensayo.
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Durómetro Shore

La escala de este durómetro fue definido por Albert Shore alrededor de 1920, aunque no fue el primer dispositivo inventado en la historia para medir dureza.

Durometro Shore

Existen varias escalas definidas acorde a las diferentes propiedades de los materiales, pero para este dispositivo las más comunes son las escalas A y D, la primera para plásticos blandos y la D para los más duros. En total, y según la norma ASTM D2240-00, existen 12 escalas (A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S, y R), cuyos valores van de 0 a 100 indicando la dureza del material.

El método de medición consiste en generar una indentación o impronta profunda en el material con una fuerza normalizada a través de un penetrador. La profundidad depende de la dureza del material, de sus propiedades viscoelásticas, la forma del penetrador de presión y la duración del ensayo. Cuando se está haciendo la impronta en el material, la medida de la profundidad se transmite a un resorte interno de un reloj comparador, que puede ser análogo o digital, dando un valor determinado de dureza.

Escala de durezas Shore A y D para distintas aplicaciones

Durómetro Rockwell

El durómetro de profundidad diferencial Rockwell fue inventado por los hermanos Hugh y Stanley Rockwell, en el año 1914, en EEUU. Ambos trabajaban en la fábrica de rodamientos New Departure Manufacturing Co, que se convertiría más tarde en una empresa del grupo General Motors. La razón por la cual se desarrolló este dispositivo fue para medir los efectos del tratamiento térmico en los caminos de rodadura de rodamientos rígidos de bolas.

Las escalas utilizadas con esta técnica son variadas acorde a las distintas combinaciones de penetradores y cargas que se usen, pudiendo ensayar cualquier metal o aleación, tanto duros como blandos. Hay dos clases de penetradores, los de bolas esféricas de acero endurecido con diámetros normalizados y los cónicos de diamante. El método de medición de dureza consiste en aplicar primero una carga inicial pequeña, lo que aumenta la exactitud de la medida, y después una carga mayor. Basándose en la magnitud de las cargas mayores y menores, existen dos tipos de ensayos: Rockwell y Rockwell superficial. En la siguiente tabla se especifican las cargas utilizadas para ambos ensayos:

Tipos de penetradores y cargas en ensayos Rockwell y Rockwell superficial

La escala de dureza Rockwell está representada por una letra del alfabeto (A, B, C, D, E, F, G, H y K). Para Rockwell superficial se designa por un número que representa la carga mayor aplicada y una letra que puede ser N, T o W. El número de dureza Rockwell se indica con el sufijo HR y la identificación de la escala. Por ejemplo, 80 HRB representa una dureza Rockwell de 80 en la escala B.

Los equipos modernos para la medida de dureza Rockwell están automatizados y hasta permiten la variación del tiempo de aplicación de la carga. Sin embargo, los equipos mecánicos siguen siendo utilizados ampliamente en la industria.

Durómetro Automático Starrett 3816 Rockwell

Durómetro Brinell

Este método de medición de dureza fue propuesto en 1900 por el ingeniero sueco Johan Brinell y fue uno de los primeros ensayos de dureza que existió en el mundo.

En los ensayos de dureza Brinell, al igual que en los Rockwell, se fuerza un penetrador duro esférico en la superficie del material a ensayar. El penetrador es una bola de acero endurecido o de carburo de tungsteno de 10 mm de diámetro. Las cargas normalizadas están definidas entre 500 y 3000 kg, incrementándose de a 500 kg. Durante el ensayo, la carga se mantiene constante durante un tiempo que va de entre 10 a 30 segundos. El número de dureza Brinell se denota HB (HBW si el penetrador es de carburo de tungsteno) y es función de la magnitud de la carga y del diámetro de la huella resultante. Este diámetro se mide con un microscopio y se convierte a un número HB específico usando la siguiente fórmula:

Dimensiones del penetrador Brinell y fórmula para calcular el número de dureza HB

Existen técnicas semiautomáticas para medir dureza Brinell que emplean un scanner óptico anexado a una cámara digital montada en una probeta flexible. Esto permite posicionar la cámara sobre la indentación. La información de la cámara es enviada a una computadora para analizar la impronta, definir su tamaño y calcular el número HB. Para usar esta tecnología, la superficie de acabado de la muestra debe ser más cuidada que la que se usa en mediciones manuales.

Cálculo del número de dureza HB a través del registro de una cámara digital

Durómetro Vickers

Este sistema fue desarrollado en 1921 por Robert Smith y George Sandland en la empresa Vickers Ltd. En el ensayo Vickers el penetrador está compuesto por un diamante piramidal muy pequeño. El principio fundamental es observar la habilidad que tiene el material indentado de resistir la deformación plástica. Las cargas aplicadas van de 1 a 1000 g, por lo cual este ensayo es considerado de microdureza. La marca resultante se observa al microscopio y se mide, esta medida es convertida a un número de dureza que se identifica con HV (Número Pirámide Vickers) o DPH (Número Pirámide de Diamante Vickers). Es necesario que la superficie de la muestra haya sido preparada con desbaste y pulido.

Dimensiones del penetrador Vickers y número de dureza HV

Los durómetros Vickers actuales constan, además del aparato penetrador automático, de analizadores de imagen con computadora y su respectivo programa. Este último controla funciones importantes del sistema que incluyen la localización de la indentación, el espacio, cálculo de los valores de dureza y gráficos de la información obtenida.

Durómetro automático para dureza Vickers Mitutoyo

Durómetro Knoop

Este sistema de medición de dureza fue desarrollado por Frederick Knoop en 1939, como respuesta al método de Vickers. Básicamente el penetrador también es una pirámide de diamante, pero de forma algo diferente. El método Knoop responde muy bien a materiales frágiles, como cerámicos.

Dimensiones del penetrador Knoop número de dureza HK

En el durómetro Knoop la indentación resultante es medida también por un microscopio. El número de dureza Knoop se nota con HK. La ventaja de este ensayo reside en que sólo una muestra muy pequeña del material es necesaria para poder realizarlo. Al ser la muestra tan pequeña, y cuando se ensayan principalmente láminas delgadas de metales, debe tenerse sumo control sobre la carga y temperatura ambiente ya que pueden afectar los resultados del procedimiento.

Forma de la indentacion del ensayo de dureza Knoop

En cuanto a los equipos utilizados, son similares a los mencionados para el sistema Vickers.

Durómetro Leeb

Luego de haber visto todos los bancos de ensayo de dureza anteriores, es válido no dejar de lado el método portable de Leeb. Desarrollado en 1975 por Leeb y Brandestini, se trata de un dispositivo alternativo que puede arrojar conclusiones estadísticas de lotes enteros ensayados sin destruir las muestras.

Durometro portatil Leeb

De acuerdo al principio dinámico de Leeb, el valor de la dureza puede derivarse de la pérdida de energía de un impacto definido luego de golpear una muestra de metal, similar al principio empleado por Shore.

Las indentaciones dejadas por este método son menores (alrededor de 0,5mm de diámetro en muestras de acero, en comparación con los 3mm que produciría un ensayo Brinell).

Dependiendo de la muestra y el penetrador, que varía en geometría, tamaño, peso, material y fuerza del resorte, existen varios dispositivos de impacto (llamados Equotip) y unidades de dureza: los dispositivos Equotip D con número de dureza HLD, y los G con número HLG. Los resultados de dureza obtenidos en dureza Leeb o HL pueden ser convertidos a las escalas tradicionales de dureza HRC, HB y HV, con el objeto de tener mayor apreciación sobre las muestras ensayadas.