Prueba de dureza Brinell

El ensayo de dureza Brinell (pronunciado /brəˈnɛl/) mide la dureza de los materiales mediante indentación. Determina la dureza a través de la escala de penetración de un indentador, aplicado sobre una muestra del material. Es una de las definiciones de dureza en la ciencia de los materiales. La escala de dureza se expresa en términos de un valor de dureza Brinell, a veces denominado número de dureza Brinell, pero formalmente expresado como HBW (Hardness Brinell Wolfram, donde Wolfram es un nombre alternativo para el indentador de bola de carburo de tungsteno utilizado durante el ensayo).

La prueba recibió su nombre en honor a Johan August Brinell (1849-1925), quien desarrolló el método a finales del siglo XIX.

Presentada por primera vez por el ingeniero sueco Johan August Brinell en la Exposición Universal de París de 1900, fue la primera prueba de dureza ampliamente utilizada y estandarizada en ingeniería y metalurgia . El gran tamaño de la indentación y, por consiguiente, el posible daño a las probetas, limitan su utilidad. Sin embargo, también presentaba la ventaja de que el valor de dureza dividido por dos proporcionaba la resistencia a la tracción aproximada en ksi para los aceros. Esta característica contribuyó a su pronta adopción frente a otras pruebas de dureza.

La prueba utiliza un indentador de bola de carburo de tungsteno y una fuerza controlada con precisión; la relación entre el tamaño de la bola y la fuerza de prueba depende del material que se esté probando. Generalmente, la prueba se emplea para metales ferrosos y utiliza una bola de 10 mm y una fuerza de prueba de 3000 kgf / 29 820 N, aunque puede llegar a ser de tan solo 1 mm y 1 kgf (HBW 1/1).

Aunque la fuerza máxima de prueba es de 29 420 Newtons, existen durómetros Brinell portátiles, hidráulicos y de bombeo manual, de menos de 58  cm (23 pulgadas) de altura, capaces de generar esta fuerza y ​​mantenerla el tiempo suficiente para realizar una prueba Brinell. En la imagen se muestra uno de ellos.

Dado que existen numerosas situaciones en las que la falla de un componente metálico debido a una dureza incorrecta podría tener consecuencias catastróficas, el ensayo Brinell se rige por las normas de la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM). Las máquinas de ensayo Brinell deben calibrarse periódicamente y, en muchas industrias, se realizan comprobaciones diarias utilizando bloques de calibración de dureza precisa y conocida, con los que se comparan las mediciones de la máquina. En la imagen se muestra un bloque de este tipo, donde se aprecian claramente las cinco marcas realizadas durante su calibración.

La ventaja del ensayo Brinell sobre otros sistemas de medición radica en que los diámetros de indentación suelen oscilar entre 2,4 mm y 6 mm. Esto significa que la indentación no se ve afectada por la estructura granular del metal sometido a prueba, por lo que el ensayo Brinell resulta especialmente útil para ensayar materiales como piezas fundidas en bruto con granos gruesos. Sin embargo, la medición de la indentación la realiza normalmente un técnico con un microscopio de baja potencia, un método susceptible de errores, ya que puede ser difícil determinar con exactitud dónde comienza y termina la indentación y alinear con precisión los puntos del borde aparente bajo la retícula del microscopio. La dificultad para determinar el borde surge porque el indentador empuja el material lateralmente, creando un reborde o acumulación de material en el límite de la indentación (en metales recocidos ocurre el fenómeno opuesto: el material se hunde, quedando el borde de la indentación a un nivel inferior que el material situado a mayor distancia). Tres técnicos experimentados podrían obtener tres lecturas ligeramente diferentes con el mismo microscopio, y un error de 0,2 mm puede equivaler a 20 puntos de dureza. En la imagen se muestra un ejemplo de esta acumulación de errores. La imagen también muestra las líneas superficiales causadas por la deformación plástica discontinua.

La automatización de la medición de la dureza Brinell surgió a finales del siglo XX como parte de un esfuerzo más amplio dentro de la metrología industrial para mejorar la repetibilidad de las mediciones y reducir la variación dependiente del operador en las pruebas de dureza. Herrmann, K. (2011). Pruebas de dureza: principios y aplicaciones . ASM International. ISBN 978-1-61503-832-9.A principios de la década de 1980, la colaboración entre la empresa británica de investigación y fabricación metrológica Foundrax Engineering Products y la Universidad de Birmingham dio como resultado el desarrollo de un sistema compuesto por un microscopio óptico conectado a un ordenador específico, capaz de medir indentaciones en múltiples ejes y calcular un valor medio en menos de un segundo. La intervención del operario se limitaba a posicionar el microscopio sobre la indentación. Actualmente, los sistemas de medición automáticos se utilizan en numerosos entornos de producción donde la precisión es fundamental.

La dureza Brinell a veces se expresa en megapascales; el valor de dureza Brinell (expresado como HBW (ver más arriba)) se multiplica por la aceleración debida a la gravedad, 9,80665  m/s² ^, para convertirlo a megapascales.

El valor de dureza Brinell se puede correlacionar con la resistencia a la tracción máxima (UTS), aunque la relación depende del material y, por lo tanto, se determina empíricamente. La relación se basa en el índice de Meyer (n) de la ley de Meyer . Si el índice de Meyer es menor que 2,2, la relación entre UTS y HBW es 0,36. Si el índice de Meyer es mayor que 2,2, la relación aumenta. ^{[ 1 ]}

La dureza Brinell se designa en las normas de ensayo más utilizadas (ASTM E10-14 ^{[ 2 ]} e ISO 6506–1:2005) como HBW ( H de dureza, B de Brinell y W del material del indentador, carburo de tungsteno (wolframio)). En normas anteriores, se utilizaban las siglas HB o HBS para referirse a las mediciones realizadas con indentadores de acero.

El HBW se calcula en ambos estándares utilizando las unidades del SI como

${\displaystyle \operatorname {HBW} =0.102{\frac {2F}{\pi D\left(D-{\sqrt {D^{2}-d^{2}}}\right)}}}$

dónde:

F = carga aplicada (newtons)

D = diámetro del indentador (mm)

d = diámetro de la indentación (mm)

Al indicar un valor de dureza Brinell (HBW), deben especificarse las condiciones del ensayo utilizado para obtenerlo. El formato estándar para especificar los ensayos se muestra en el ejemplo "HBW 10/3000". El "10" representa el diámetro de la bola en milímetros. El "3000" es la carga expresada en kilogramos fuerza (29 820 Newtons).

La dureza también puede expresarse como XXX  HB  YY D ^2. XXX representa la fuerza aplicada (en kgf) sobre un material de tipo YY (5 para aleaciones de aluminio, 10 para aleaciones de cobre y 30 para aceros). Por lo tanto, una dureza típica del acero podría escribirse como: 250  HB  30 D ^2. Este valor puede ser máximo o mínimo.

• Norma internacional ( ISO ) y europea ( CEN )
  • "EN ISO 6506-1:2014: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Brinell – Parte 1: Método de ensayo" .
  • "EN ISO 6506-2:2017: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Brinell – Parte 2: Verificación y calibración de la máquina de ensayo" .
  • "EN ISO 6506-3:2014: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Brinell – Parte 3: Calibración de bloques de referencia" .
  • "EN ISO 6506-4:2014: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Brinell – Parte 4: Tabla de valores de dureza" .
• Norma estadounidense ( ASTM International )
  • "ASTM E10-23: Método de ensayo estándar para la dureza Brinell de materiales metálicos" .

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• Ensayo de dureza Brinell: métodos, ventajas, desventajas y aplicaciones.
• Vídeo sobre la prueba de dureza Brinell en YouTube
• Tabla de conversión de Rockwell a Brinell (Brinell, Rockwell A, B, C)
• Tabla de conversión de dureza de Struers (Vickers, Brinell, Rockwell B, C, D)
• Tabla de conversión de dureza Brinell HB (MPa, Brinell, Vickers, Rockwell C)