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Pruebas predictivas de dureza para el control de producción y diseño de materiales

Manfred Tietze y Michael Kompatscher (PROCEQ, S.A.)01/09/2003
Las pruebas de dureza por rebote a alta temperatura in situ de acuerdo al principio EQUOTIP resultan, en esta aplicación concreta, adecuadas para el estudio del endurecimiento secundario, la fuerza y la estabilidad térmica de los aceros de útiles con un alto grado de aleación. Ahora, se puede determinar las características del material en línea y hacer pruebas durante la producción, ofreciendo nuevas posibilidades para el control productivo y el diseño de los materiales.
Las pruebas de dureza siempre han sido importantes para la industria de la metalurgia y en la investigación de materiales [1]. Las propiedades mecánicas específicas para su procesamiento posterior o de sus condiciones finales definitivas se obtienen a través de tratamientos específicos de calor en la producción industrial. Los aceros de útiles, por ejemplo, se optimizan para sus aplicaciones llevando a cabo tratamientos térmicos específicos durante los cuales se varía los elementos de la aleación. Se requieren datos cuantitativos del reblandecimiento durante el templado a alta temperatura. Estos datos pueden determinar la integridad del producto y su posible tiempo de vida.

Las pruebas de dureza se usan, entre otros métodos, para conseguir esta información y conocer las características de estos materiales. Normalmente, la dureza se testa a temperatura ambiente, después de que la pieza haya sido enfriada tras el templado o haya sido sometida a una temperatura moderada. Pero en ese momento, la pieza ya ha atravesado diferentes fases metalúrgicas. Así, la prueba de dureza resulta menos efectiva para estimar las propiedades mecánicas a altas temperaturas, incluso tras un enfriado rápido por apagado en el que pueden haber contribuido efectos adicionales como la dureza de tensión o la transformación de fase sin difusión.

La realización de la prueba de dureza in situ a una alta temperatura de hasta 700ª C —como recientemente ha conseguido el Centro de Materiales de Leoben, en Austria [2]— se utiliza para analizar la precipitación y el reblandecimiento con el tiempo. Para este propósito, se utiliza un durómetro de rebote automático acorde al principio EQUOTIP. Se puede reducir la disipación de la energía ya que no hay recalentamientos, lo que hace posible determinar las características del material en línea y durante el proceso de producción. De esta manera, se puede llevar a cabo la prueba y variar los componentes del material durante el tratamiento térmico. A continuación, detallamos los recientes resultados obtenidos con este método en aceros para útiles con una alta aleación.

La prueba de dureza por rebote

Desde su introducción en 1975, la prueba de dureza por rebote de acuerdo al principio EQUOTIP —conocida también como el método de dureza Leeb, ya que la desarrolló Dietmar Leeb junto con Proceq, S.A.—, se ha convertido en un renombrado sistema de control de producción en prácticamente todas las industrias de fabricación de componentes metálicos tratados térmicamente, mecanizados o mantenidos (véase la figura 1 para aplicaciones típicas). Los usuarios aprecian especialmente su portabilidad y facilidad de uso, así como su rápida y precisa medida durante un largo periodo de tiempo. Debido a su utilidad y sus atribuciones de medida, muy frecuentemente se controla la serie completa de producción a través del durómetro, especialmente desde que se ha perfeccionado el modelo de control automatizado (fig 1.d).

Muy en sus comienzos, el nuevo valor de medida de dureza Leeb (HL) no era conocido, y se tenía que facilitar la conversión a valores de dureza tradicionales como Brinell (HB), Rockwell (HR) o Vickers (HV) según las necesidades de los usuarios para asegurar su calidad de producción. Con el tiempo, el valor original de valor de dureza Leeb, acorde al principio EQUOTIP, ha ido imponiéndose cada vez más como un método decisivo para controlar la calidad de los procesos de producción. De ahí que numerosas industrias hayan aceptado ya con especificaciones escritas su significancia y credibilidad en sus tests normalizados.

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Figura 1. Algunas aplicaciones típicas del durómetro con el principio EQUOTIP: a) El cuerpo de impacto G en una medición sobre una pieza pesada y de grano grueso. b) El cuerpo de impacto D sobre piezas de maquinaria. c) El cuerpo de impacto DL midiendo en lugares de difícil accesibilidad. d) La prueba Leeb de medida de dureza automática sobre rodamientos perforados.
Se ha de considerar cuidadosamente la conversión a otras escalas y no se recomienda en el acero endurecido para evitar los problemas relativos a cambios de propiedades debidos a la manipulación (endurecimientos tensoinducidos, por ejemplo). El valor de dureza convertido puede divergir en las curvas convertidas para materiales estándar de grado similar, y este efecto es significativo para todas las conversiones entre escalas, incluso en las de HB; HR, HV; HR, HRx; HRy —siendo X e Y diferentes cuerpos de impacto o cargas respectivamente— , etc. Por ello, los valores de dureza convertidos deben ser considerados como estimación informativa y no como valores aceptados. La excepción importante surge, sin embargo, cuando se dispone de una comparación directa de resultados entre los distintos métodos de prueba de dureza en un mismo material.

En 1999, el Instituto Force de Dinamarca [5-7] llevó a cabo una investigación detallada sobre durómetros portátiles en aceros de vaso a presión. Concluyeron que los resultados obtenidos con la prueba de dureza por rebote acorde al principio EQUOTIP deberían ser aceptadas en general sin conversión por las razones explicadas más arriba. La aceptación generalizada de las industrias al principio EQUOTIP ha llevado a su normalización en 1996 (ASTM 956-96). Hoy, EQUOTIP se puede utilizar de acuerdo al NIST (National Institute for Standards and Technology), organismo oficial de normalización norteamericano.

La base de medida HL

Físicamente, y a simple vista, la prueba de dureza por rebote acorde al principio EQUOTIP es bastante simple. La pieza que denominamos cuerpo de impacto es propulsada por un muelle contra la superficie de la pieza medida (figura 2). Cuando el cuerpo de impacto golpea la superficie se produce una deformación que, de vuelta, se convierte en una pérdida de energía debida a la deformación plástica. Esta pérdida de energía se calcula a través de la medida de la velocidad justo antes del impacto e inmediatamente después. La relación entre la velocidad de rebote VR y la velocidad de impacto VA se toma para calcular el valor de dureza HL (HL=dureza en unidades Leeb):

HL= VR .1000

VA

Esto significa que con un valor totalmente elástico en que VR = VA, HL sería igual a 1.000 o, lo que es lo mismo, que HL desciende a medida que disminuye la dureza del material. Este procedimiento explica el nombre de EQUOTIP (Energy QUOtient y TIP; traducido: cociente de energías y tip: golpe, toquecito, el necesario para desencadenar la medida). El procedimiento de medida se muestra con más detalle en la figura 2.

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Figura 2. Principio de los durómetros Leeb estándar para pieza sencilla. a) Aparato de impacto estándar del tipo D. b) Parámetros de definición de las bases de medida. c) Curva característica de la señal de inducción generada sobre la pieza sencilla a través del imán permanente del cuerpo de impacto.
Para los durómetros que miden piezas sencillas estandarizadas, la curva de inducción de voltaje típica responde a la figura 2c, y la forma de esta curva es única para todos los cuerpos de impacto del mismo tipo. Como una buena aproximación, se entiende que las velocidades de impacto y rebote son proporcionales a los extremos A y B de la curva de señal, ya que el aparato se ha construido de forma que estos extremos se encuentren cercanos al salto de señal que causa el impacto. Sin embargo, si se encontraran demasiado cerca la reproductividad de la medida sufriría, ya que a menudo la muestra resulta levemente distorsionada tras el impacto. Por otro lado, cuando la distancia es demasiado larga, la fricción interna puede alterar la medida del valor de rebote VR. La anchura de la curva de señal tiene cierta influencia sobre el resultado porque determina cómo se ajusta la proporcionalidad entre el valor mínimo B y la velocidad de rebote VR.

Otro parámetro importante para determinar el valor HL de un material de dureza conocida es la energía de impacto, que se calcula a partir de la velocidad de impacto, la masa del cuerpo de impacto y su rigidez —que determina cuánta energía absorbe el cuerpo de impacto—. Para reproducir la dependencia de la dirección estándar es necesario especificar la velocidad y la masa por separado con el fin de obtener una longitud de movimiento específico. De esta manera, el método de prueba LEEB permite medir en cualquier dirección. Sin embargo, los resultados no son completamente independientes del ángulo de impacto. Cada una de las pruebas estándar tiene su propia dependencia de dirección característica, determinada por 1) la combinación de la velocidad de impacto y el movimiento libre del cuerpo de impacto y 2) la forma de la señal de inducción de voltaje, determinada por la curva velocidad/tiempo por una parte y, por otra, por las características de la bobina sensora y el imán permanente. Esto significa que la energía de impacto, en general, es el parámetro más importante en la significancia de los valores HL para todos los durómetros que trabajan con unidades de los siete cuerpos de impacto estandarizados: D, DC, E, D+15, DL, C y G. La bobina y el imán permanente no se especifican explícitamente, pero tienen que ser escogidos de tal manera que sus parámetros cumplan con la señal de inducción de voltaje.

Es bien sabido que las lecturas HL en una muestra dada varían significativamente dependiendo del cuerpo de impacto utilizado. Las principales razones son 1) las diferentes energías de impacto, 2) los diferentes materiales y tamaños del la punta del cuerpo de impacto y 3) la diferente rigidez de los cuerpos de impacto. Es por ello que el valor HL depende de la geometría y las propiedades del material de la punta, y predominantemente de su curvatura, dureza y elasticidad. Además, el efecto de la deceleración en las corrientes en remolino puede afectar el resultado. Por ello, se debe especificar también el material del tubo y hay que adoptar precauciones especiales para reducir estas corrientes en remolino.

Si no se adoptan las precauciones mencionadas, pueden ocurrir grandes desviaciones impredecibles en los valores HL. Mostramos una comparación de una serie de medidas tomadas con un durómetro clásico y un durómetro EQUOTIP en la figura 3. Se cubrió un amplio rango de dureza usando varios bloques de referencia estándar de diferentes durezas. Bastante a menudo las medidas son buenas para el rango de dureza de bloques de referencia estándar entre 700 y los 750 HLD (índices del instrumento de impacto D). Pero por debajo y por encima las desviaciones son considerablemente grandes y los resultados de tales medidas han de ser consideradas insignificantes y erróneas.

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Figura 3. Desviación típica de los valores HL en material de referencia de dureza estándar obtenidos por EQUOTIP y una variante.

Referencias

[1] Tabor, D. En The Hardness of Metals (La dureza de los metales). Clarendon Press, Oxford ,1951.
[2] Ebner,R; Leitner,H.; Caliskanoglu,D.; Marsoner, S.; Jeglistch, F.; Z.Metallkd.92 (2001) 7, 820
[3] ASTN A956-00: Método estándar de prueba para el testado de dureza Leeb en productos de acero
[4] Durómetro EQUOTIP. Instrucciones de uso. 7ª edición (98 06 291 E) PROCEQ SA, Zurich 1978.
[5] Borggreen, K.; Hansen, D.H.; Hansen, J.B., Auerkari, P. Nordtest Technical Report 424. Primera Parte. Instituto Force, Copenhague, 1999.
[6] Borggreen, K.; Tønder, P; Lorentzen, M.S Hansen, J.B.; Auerkari, P. Nordtest Technical Report 424. Segunda Parte. Instituto Force, Copenhague, 1999.
[7] Borggreen, K.; Tønder, P; Lorentzen, M.S Hansen, J.B.; Auerkari, P. Nordtest Technical Report 424. Tercera Parte. Instituto Force, Copenhague, 1999.

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