¿Alguna vez se ha preguntado por la dureza de los materiales que le rodean? Desde la suavidad del talco hasta la incomparable dureza de los diamantes, la escala de Mohs ofrece un fascinante viaje por el mundo de los minerales. En este artículo, nos sumergiremos en los entresijos de esta herramienta esencial, explorando su historia, su aplicación y las cautivadoras historias que se esconden tras los minerales que la definen. Prepárese para descubrir los secretos de la escala de Mohs y ganar un nuevo aprecio por los materiales que dan forma a nuestro mundo.
La dureza es una propiedad crítica de los materiales que mide su resistencia a la deformación, especialmente a la indentación permanente, el rayado, el corte o la abrasión. Es esencial en diversos campos, como la fabricación, la metalurgia y la ingeniería, para garantizar que los materiales cumplen criterios de rendimiento específicos. Los ensayos de dureza proporcionan datos valiosos para la selección de materiales, el control de calidad y la predicción de la resistencia al desgaste.
El ensayo de dureza Brinell consiste en forzar una esfera de acero duro o carburo en la superficie de un material bajo una carga determinada. La dureza se determina midiendo el diámetro de la hendidura resultante y calculando el número de dureza Brinell (BHN). Por ejemplo, una aplicación típica es el ensayo de hierro fundido, que puede arrojar un BHN de entre 150 y 200 aproximadamente. Este método es particularmente útil para materiales con estructuras de grano grueso o no uniforme, ya que promedia la dureza sobre un área mayor.
El ensayo de dureza Rockwell mide la dureza determinando el aumento neto de la profundidad de una impresión a medida que se aplica una carga. Utiliza una carga menor para asentar el indentador y luego una carga mayor para crear la indentación. La diferencia de profundidad entre las cargas menor y mayor proporciona el número de dureza Rockwell. Se utilizan diferentes escalas (A, B, C, etc.) en función del tipo de penetrador y de la carga de ensayo. Por ejemplo, la escala Rockwell C, que utiliza un cono de diamante de 120 grados con una carga de hasta 150 kg, se utiliza habitualmente para cuchillas de máquinas industriales, y suele oscilar entre RC 40 y RC 65.
El ensayo de dureza Vickers utiliza un penetrador piramidal de diamante para crear una hendidura cuadrada en la superficie del material. La diagonal de la indentación se mide ópticamente y se calcula el número de dureza Vickers (VHN). Este método puede aplicarse tanto a materiales blandos como duros y es adecuado para ensayos de microdureza. Por ejemplo, el ensayo de una pieza de acero templado puede arrojar un VHN de 600 aproximadamente.
La escala de dureza Rockwell es ampliamente utilizada y reconocida, especialmente en la industria siderúrgica. Incluye varias escalas, como A, B, C, etc., cada una de ellas adecuada para distintos materiales. La escala Rockwell C es especialmente común para cuchillas de máquinas industriales y va de RC 40 a RC 65. Por ejemplo, una hoja de cuchillo de acero con alto contenido en carbono puede tener una dureza de alrededor de RC 58.
El número de dureza Brinell (HB) se calcula en función de la carga y de la superficie de la indentación. Se expresa en un formato como "75 HB 10/500/30", indicando la dureza, el diámetro de la bola, la carga y la duración del ensayo. Esta escala se utiliza a menudo para probar metales no ferrosos y hierro fundido.
El número de dureza Vickers (VHN) se calcula a partir de la medida diagonal de la indentación cuadrada. Esta escala es continua y puede utilizarse en una amplia gama de materiales. Por ejemplo, una pieza de aleación de aluminio puede tener un VHN de 120.
Los últimos avances en ensayos de dureza incluyen máquinas de ensayo de dureza automatizadas y métodos de ensayo no destructivos. Estas tecnologías mejoran la precisión y eficacia de las mediciones de dureza, facilitando el ensayo de formas y materiales complejos en tiempo real. Por ejemplo, los durómetros portátiles permiten ahora realizar ensayos in situ, proporcionando resultados inmediatos sin necesidad de condiciones de laboratorio.
Existen dos métodos para medir la dureza de los materiales: la dureza al rayado y la dureza por indentación con carga estática. La dureza al rayado, también conocida como dureza Mohs, es una dureza relativa y bastante rugosa.
Utiliza diez minerales naturales como patrones. El orden de dureza no representa el tamaño absoluto de la dureza de un mineral concreto, sino que indica que un mineral de orden de dureza superior puede rayar un mineral de orden inferior. La dureza de otros minerales se determina por comparación con estos minerales patrón.
La unidad de dureza Mohs es el kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado (kgf/cm²), denotado como [Pa]. Es un estándar para expresar la dureza de un mineral, propuesto por primera vez en 1824 por el mineralogista alemán Frederich Mohs. La dureza está representada por la profundidad del rayado realizado en la superficie del mineral ensayado mediante el método del rayado con una aguja de diamante de forma piramidal.
La escala de dureza es la siguiente: talco 1 (el más blando), yeso 2, calcita 3, fluorita 4, apatita 5, ortoclasa (también conocida como feldespato o periclasa) 6, cuarzo 7, topacio 8, corindón 9, diamante 10 (el más duro). La dureza Mohs también se utiliza para expresar la dureza de otros materiales sólidos.
| Nivel | Minerales | Equivalente a |
| 1 | Talco | Ninguno |
| 2 | Yeso | Uñas |
| 3 | Calcita | Moneda de cobre |
| 4 | Fluorita | Clavo de hierro |
| 5 | Apatita | Vidrio |
| 6 | Ortoclasa | Navaja |
| 7 | Cuarzo | Archivo |
| 8 | Topacio | Papel de lija |
| 9 | Corindón | Ninguno |
| 10 | Diamante | Ninguno |
Para un método más específico: se rayaría el mineral a ensayar contra la dureza estándar en la escala de dureza de Mohs para determinar la dureza del mineral ensayado.
Por ejemplo, si un mineral puede rayar la calcita y ser rayado por la fluorita, entonces la dureza de ese mineral se sitúa entre 3 y 4. También se puede rayar el mineral con una uña (dureza 2-2,5), una moneda (dureza 3,5) o un cuchillo pequeño (dureza 5,5) para determinar su dureza a grandes rasgos.
| Nombres de minerales representativos | Usos comunes | Escala de dureza |
| Talco, grafito | El talco es el mineral más blando que se conoce y se utiliza habitualmente en forma de polvo de talco. | 1 |
| Piel, Arsénico natural | 1.5 | |
| Yeso | Materiales industriales | 2 |
| Cubo de hielo | 2~3 | |
| Uñas, Ámbar, Marfil | 2.5 | |
| Oro, plata, aluminio | 2.5~3 | |
| Calcita, Cobre, Perlas | La calcita puede utilizarse como material de talla y materia prima industrial. | 3 |
| Conchas, monedas | 3.5 | |
| Fluorita (también conocida como fluorita) | Talla, metalurgia, materiales de construcción | 4 |
| Platino | Metales raros | 4~4.5 |
| Hierro | 4~5 | |
| Fosforita | El fósforo es un componente importante de las células biológicas; se utiliza como materia prima en la producción de piensos, fertilizantes y productos químicos. | 5 |
| Vidrio, acero inoxidable | 5.5 | |
| Ortoclasa, Tanzanita, Pura Titanio | 6 | |
| Dientes (capa externa de la corona) | El componente principal es la hidroxiapatita. | 6~7 |
| Jade blando - Jade de Xinjiang Hetian | 6~6.5 | |
| Pirita | Se utiliza como materia prima para la producción de ácido sulfúrico; el refinado de oro; y también puede emplearse con fines medicinales. | 6.5 |
| Jade duro - Jadeíta birmana y jade | 6.5~7 | |
| Cuarzo Cristal, Amatista | 7 | |
| Piedra eléctrica, circón | 7.5 | |
| Cuarzo | Según la antigua escala de dureza, el cuarzo tiene una dureza de 7. | 8 |
| Peridoto | 8.5 | |
| Acero Topacio, Cromo, Tungsteno | En la antigua escala de dureza, el topacio tiene un valor de 8. | 9 |
| Moissanita | Las gemas sintéticas son 2,5 veces más brillantes que los diamantes y cuestan una décima parte. | 9.5 |
| Granate | 10 | |
| Circonia fundida | 11 | |
| Corindón | El corindón tiene una dureza de 9 en la antigua escala de dureza. Las gemas naturales, como los rubíes y los zafiros, se consideran ahora tipos de corindón, al igual que la dureza de los cristales de zafiro sintético. | 12 |
| Carburo de silicio | 13 | |
| Carburo de boro | 14 | |
| Diamante | Los diamantes tienen una dureza de 10 en la antigua escala de dureza, lo que los convierte en la gema natural más dura del planeta. | 15 |
La dureza Mohs es una norma que indica la dureza de los minerales, propuesta por primera vez en 1824 por el mineralogista alemán Friedrich Mohs. Esta norma se establece utilizando una broca de diamante en forma de pirámide para rayar la superficie de un mineral, y la profundidad del rayado indica la dureza.
La dureza de un mineral se refiere a su capacidad para resistir determinadas fuerzas mecánicas externas, como el rayado, la indentación o la trituración. En mineralogía, la dureza a la que se suele hacer referencia es la dureza Mohs, que es la dureza al rayado comparada con la escala de dureza Mohs.
La escala de dureza de Mohs se basa en diez minerales de diferente dureza, divididos en diez niveles de menor a mayor: 1. Talco; 2. Yeso; 3. Calcita; 4. Fluorita; 5. Apatita; 6. Ortoclasa; 7. Cuarzo; 8. Topacio; 9. Corindón; 10. Diamante.
En la práctica, los minerales estándar se rayan contra minerales de dureza desconocida. Si el mineral puede ser rayado por la apatita pero no por la fluorita, se determina que su dureza está entre 4 y 5.
Este método fue establecido y bautizado por el profesor alemán de mineralogía Friedrich Mohs (1773-1839). Sin embargo, para medir con precisión la dureza de los minerales sigue siendo necesario un microdurómetro o un durómetro. La dureza mineral es también una de las propiedades físicas de los minerales. Los minerales con alta dureza se han utilizado ampliamente en la tecnología industrial.
Los diamantes, el corindón y otros minerales no sólo se utilizan en la industria, sino que también se convierten en piedras preciosas. Como piedras preciosas, suelen tener una gran dureza.
Por ejemplo, la dureza del ópalo es de 5,5-6,5, la del cuarzo de 6,5-7, la de la esfalerita de 7,5-8, la de la tsavorita de 8,5 y la de los zafiros y rubíes de 9, sólo superada por la de los diamantes. La gente elige minerales de alta dureza como piedras preciosas, probablemente porque son resistentes al desgaste, lo que simboliza su valor atemporal.
Según las necesidades, también se ha desarrollado una escala de dureza de las gemas para identificar la dureza mineral de las piedras preciosas, desde los minerales más blandos a los más duros: talco, yeso, calcita, fluorita, apatita, circón, corindón, carburo de silicio, carburo de boro, diamante, etc.
Cuando no existe un mineral de dureza estándar, la forma más sencilla de medir la dureza es con una uña o un cuchillo pequeño. La dureza de una uña es de 2,5, la de una moneda de cobre es de 3, y la del vidrio y un cuchillo pequeño son ambas de 5. Las que superan 6 son casi todas minerales similares a las piedras preciosas.
Las propiedades intrínsecas del material ensayado pueden influir significativamente en la precisión de las conversiones de dureza. Por ejemplo, en las aleaciones de acero, las variaciones en la estructura del grano debidas al tratamiento térmico pueden dar lugar a diferentes mediciones de la dureza. Una estructura de grano fino puede arrojar valores de dureza más elevados que una estructura de grano grueso. Estas diferencias hacen necesario el uso de tablas de conversión específicas para cada material, como las proporcionadas en ASTM E140 o ISO 18265, para garantizar conversiones precisas.
La precisión de la conversión de la dureza depende en gran medida de la metodología de ensayo utilizada. Los distintos ensayos de dureza utilizan diferentes penetradores y cargas, lo que puede dar lugar a discrepancias. Por ejemplo, el ensayo de dureza Rockwell utiliza un cono de diamante o un penetrador de bola de acero para medir la profundidad de la penetración, mientras que el ensayo de dureza Leeb mide la velocidad de rebote utilizando una bola de carburo de tungsteno. Dado que estos ensayos se basan en principios diferentes, para obtener resultados precisos es necesario un examen cuidadoso y, a veces, conversiones intermedias (por ejemplo, de HLD a HV a HRC).
La calibración adecuada de los equipos de ensayo de dureza es esencial para obtener conversiones precisas. Los dispositivos mal calibrados pueden producir valores de dureza erróneos, dando lugar a conversiones inexactas. La calibración periódica con materiales de referencia estándar, tal y como se especifica en directrices como la ASTM E140, garantiza la fiabilidad de las mediciones. Por ejemplo, calibrar un durómetro Leeb con un bloque de referencia certificado con un valor de dureza conocido puede ayudar a mantener la precisión.
El estado de la superficie del material puede afectar a los resultados del ensayo de dureza y, en consecuencia, a la precisión de las conversiones. Una superficie rugosa o contaminada puede dar lugar a lecturas de dureza inexactas. La preparación adecuada de la superficie, como el pulido y la limpieza, es vital para obtener mediciones consistentes y fiables. Por ejemplo, una superficie pulida y limpia arrojará valores de dureza Rockwell más precisos que una superficie rugosa y sin preparar.
La habilidad y experiencia del operario que realiza el ensayo de dureza puede influir en la precisión de los resultados. La aplicación incoherente del procedimiento de ensayo, como la colocación inadecuada del penetrador o la aplicación incorrecta de la carga, puede dar lugar a lecturas de dureza variables. La formación y el cumplimiento de protocolos de ensayo estandarizados son esenciales para minimizar los errores inducidos por el operario.
Las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, pueden influir en las mediciones de dureza. Las temperaturas extremas pueden alterar las propiedades del material, afectando a las lecturas de dureza. Los ensayos deben realizarse en condiciones ambientales controladas para garantizar la precisión. Por ejemplo, el ensayo a temperatura ambiente (aproximadamente 20-25 °C) es ideal para la mayoría de los ensayos de dureza.
La calidad de los datos empíricos utilizados para desarrollar las tablas de conversión afecta directamente a la precisión de las conversiones de dureza. Las tablas de conversión basadas en datos empíricos amplios y bien documentados proporcionan resultados más fiables. Es esencial remitirse a normas reconocidas y tablas de conversión validadas por la industria, como las de ASTM E140 o ISO 18265, para garantizar la precisión.
El uso coherente de las unidades de medida en las diferentes escalas de dureza es crucial para realizar conversiones precisas. Las discrepancias en las unidades, como el uso de kilogramos de fuerza (kgf) frente a newtons (N) para las mediciones de carga, pueden dar lugar a errores. Asegúrese siempre de que las unidades son coherentes y se aplican correctamente durante todo el proceso de conversión.
Cuando se utilizan escalas intermedias para la conversión, debe tenerse en cuenta la precisión de cada paso. La conversión de HLD a HV y luego de HV a HRC implica múltiples pasos, cada uno con su propio potencial de error. Garantizar una alta precisión en cada paso intermedio mejora la precisión global de la conversión.
La verificación de los resultados de conversión de la dureza utilizando múltiples fuentes o métodos mejora la precisión. Cruzar los resultados con diferentes tablas de conversión o realizar ensayos de dureza adicionales utilizando métodos alternativos puede validar la conversión inicial. Por ejemplo, verificar una conversión de HLD a HRC realizando también un ensayo de dureza Vickers y comparando los resultados añade una capa adicional de confianza.
Si conoce y tiene en cuenta estos factores, podrá mejorar la precisión de las conversiones de dureza, garantizando evaluaciones fiables y coherentes de las propiedades de los materiales.
A continuación encontrará respuestas a algunas preguntas frecuentes:
Para convertir con precisión la dureza Leeb (HL) en dureza Rockwell C (HRC) es necesario comprender las diferencias entre estas escalas de dureza y utilizar los métodos de conversión adecuados.
La dureza Leeb (HL) se determina mediante un ensayo de rebote en el que un penetrador de bola de carburo de tungsteno impacta en la superficie, y la dureza se calcula a partir de la relación entre la velocidad de rebote y la velocidad de impacto. Por el contrario, la dureza Rockwell C (HRC) se mide utilizando un penetrador de diamante bajo una carga específica, y la dureza se calcula a partir de la profundidad de la penetración.
Para convertir HL a HRC con precisión, debe utilizar tablas de conversión preestablecidas específicas para el material que se está probando. Estas tablas se basan en numerosos datos empíricos y tienen en cuenta las diferencias en los métodos de ensayo.
Por ejemplo, si tiene un valor HL de 50 y necesita convertirlo a HRC, consultaría una tabla de conversión. Si la tabla muestra que 49 HL corresponde a 112 HRC y 51 HL corresponde a 113 HRC, interpolarías entre estos valores. Por lo general, para una estimación conservadora, se utilizaría el valor más bajo, por lo que 50 HL correspondería aproximadamente a 112 HRC.
Es importante tener en cuenta que la precisión de esta conversión depende de las propiedades del material. Los distintos materiales requieren tablas de conversión diferentes, ya que la dureza depende de una combinación de factores y no de una única propiedad fundamental. Además, la precisión de los valores de entrada es crucial para obtener resultados exactos, ya que el módulo de elasticidad y la profundidad de indentación desempeñan papeles significativos.
Para simplificar el proceso, se pueden utilizar calculadoras de conversión de dureza, pero estas herramientas también se basan en las mismas tablas de conversión subyacentes y pueden proporcionar valores aproximados. Por lo tanto, el uso de tablas de conversión específicas y precisas es el mejor método para obtener resultados exactos al convertir HL a HRC.
Las tablas de conversión de los valores de dureza son esenciales debido a las diferencias inherentes a los métodos de ensayo de dureza, las dificultades prácticas que plantea el ensayo de distintos materiales y la necesidad de una comunicación normalizada en todos los sectores. Los distintos ensayos de dureza, como Vickers, Knoop y Rockwell, utilizan penetradores y cargas diferentes, lo que da lugar a distintas mediciones de la dureza para el mismo material. Las tablas de conversión normalizan estos valores, garantizando la coherencia y la compatibilidad.
En la práctica, algunos materiales pueden no ser adecuados para determinados métodos de ensayo debido a su tamaño, grosor o fragilidad. Por ejemplo, las muestras pequeñas o delicadas pueden requerir ensayos Vickers o Knoop en lugar de Rockwell. Las tablas de conversión permiten trasladar los valores de dureza entre estas diferentes escalas, lo que hace posible evaluar materiales que no pueden ensayarse en las condiciones especificadas.
Sin embargo, es importante reconocer que las conversiones de dureza son aproximadas y se basan en datos empíricos. Factores como la composición de la aleación, la estructura del grano y el tratamiento térmico pueden influir en las mediciones de dureza, lo que dificulta las conversiones precisas. Normas como la ASTM E140 proporcionan directrices para estas conversiones, pero hacen hincapié en la precaución y la necesidad de interpretar los valores convertidos en el contexto de las propiedades del material y el historial de tratamiento.
En última instancia, las tablas de conversión desempeñan un papel crucial en el control de calidad y en los procesos de toma de decisiones. Proporcionan un marco para comparar los valores de dureza entre distintos métodos de ensayo, lo que puede influir en la aceptación o el rechazo de los materiales. Sin embargo, estas tablas deben utilizarse con criterio, reconociendo sus limitaciones y la naturaleza aproximada de las conversiones que ofrecen.
La conversión de los valores de dureza de la dureza Leeb (HLD) a la dureza Rockwell (HRC) está plagada de varios retos. Una de las principales dificultades es la ausencia de una fórmula matemática directa para la conversión. En su lugar, el proceso se basa en datos experimentales y en el uso de tablas o curvas de conversión derivadas de múltiples mediciones. Estas curvas de conversión son aproximaciones y conllevan inherentemente cierto nivel de incertidumbre.
La variabilidad de los materiales añade otra capa de complejidad. Incluso dentro de la misma clase de material, las diferencias en la microestructura, las condiciones de procesamiento y las pequeñas variaciones en la composición química pueden dar lugar a valores de dureza diferentes. En consecuencia, una curva de conversión válida para un material específico puede no ser exacta para otro, aunque ambos materiales pertenezcan a la misma categoría general.
Los factores dependientes del usuario también desempeñan un papel importante, especialmente con los métodos portátiles de ensayo de dureza como el ensayo de Leeb. Estos métodos, aunque cómodos, requieren un manejo y una calibración cuidadosos para minimizar los errores, lo que introduce una incertidumbre adicional.
Las tablas y curvas de conversión suelen ser específicas de cada material y pueden no ser de aplicación universal. Por ejemplo, una tabla de conversión diseñada para el acero puede no ser exacta para otros metales o aleaciones. Además, el mismo material puede mostrar diferentes valores de dureza en distintas condiciones de ensayo, lo que complica aún más el proceso de conversión.
Dadas estas dificultades, se recomienda generalmente utilizar la escala nativa del método de ensayo para evitar las incertidumbres asociadas a las conversiones. Si es factible, la adopción de una única escala de dureza en toda la cadena de producción puede simplificar los procesos de garantía de calidad y reducir los errores.
En términos prácticos, cuando se utilizan tablas o curvas de conversión, es crucial asegurarse de que el material que se está ensayando coincide estrechamente con el material para el que se estableció la conversión. Las simples correcciones de desplazamiento de un punto suelen ser insuficientes para materiales con una amplia gama de valores de dureza, por lo que es necesario utilizar curvas de conversión multipunto más precisas.
En resumen, la conversión de HLD a HRC plantea importantes retos debido a la naturaleza empírica de las conversiones, la variabilidad de los materiales y la posibilidad de que se produzcan errores dependientes del usuario. Es esencial ser consciente de estas limitaciones, y las tablas y curvas de conversión deben utilizarse con criterio.
Sí, el tipo de material puede afectar significativamente a los resultados de la conversión de la dureza. Los distintos materiales presentan microestructuras únicas influidas por factores como el tratamiento térmico, las condiciones de procesamiento y la composición química. Incluso dentro de la misma categoría general de materiales, estas variaciones pueden dar lugar a valores de dureza diferentes. Las curvas de conversión de la dureza, que se determinan empíricamente para grupos de materiales específicos, no son de aplicación universal y pueden introducir errores cuando se utilizan con materiales diferentes. Esto hace necesarias correcciones específicas de cada material para garantizar la precisión.
Además, el acabado superficial y la integridad estructural del material desempeñan un papel crucial en la medición de la dureza. Factores como la rugosidad de la superficie, los gradientes de endurecimiento por deformación y el metal deformado cerca de la superficie pueden influir en las lecturas de dureza. Los métodos de preparación de muestras estandarizados y adecuados para cada tipo de material son esenciales para mitigar estas influencias.
Para minimizar las incertidumbres, se recomienda utilizar la escala nativa del método de ensayo en lugar de convertir entre escalas. Por ejemplo, atenerse a la escala Rockwell cuando se utiliza un ensayo Rockwell evita los errores potenciales asociados a las curvas de conversión. En resumen, el tipo de material es un factor crítico en la conversión de la dureza debido a las variaciones en la microestructura, la naturaleza empírica de las curvas de conversión y la necesidad de correcciones específicas del material y métodos de ensayo estandarizados.
Para encontrar tablas de conversión fiables de HLD (dureza Leeb) a HRC (escala C de dureza Rockwell), puede consultar diversas fuentes fidedignas:
En Documento Screening Eagle Technologies proporciona una completa tabla de conversión de durezas que incluye las escalas de dureza Leeb (HLD) junto con otras escalas de dureza como Brinell, Vickers y Rockwell. Esta tabla es especialmente útil para convertir HLD a HRC entre otras escalas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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