La medición precisa de la dureza es importante en la caracterización de los aceros templados. La dureza del acero es la resistencia que ofrece el material a la deformación plástica permanente, ya sea por penetración, rayado o impacto. Es una propiedad mecánica fundamental que depende de la composición química del acero y de su microestructura, la cual se modifica mediante tratamientos térmicos como el temple y el revenido.

En este análisis revimos la medición de dureza con durometría y cómo la microestructura influye en los resultados obtenidos.

Principios de la Durometría

La durometría mide la dureza según la profundidad o el diámetro de la huella dejada por un indentador bajo una carga determinada. Existen varios métodos según el tipo de indentador y carga aplicada:

• Durómetro Rockwell (HRC): Usa una punta de diamante cónica de 120º. Es un método rápido y adecuado para materiales duros.´Es el método que utilizamos para medir la dureza de los aceros templados de nuestras herramientas.

• Durómetro Vickers (HV): Emplea una pirámide de diamante de base cuadrada. Permite evaluar microestructuras complejas o recubrimientos delgados.

• Durómetro Brinell (HB): Aplica una bola de acero o carburo de tungsteno y mide el diámetro de la huella. Es útil para materiales heterogéneos.

Influencia de la Microestructura en la Dureza

La microestructura del acero depende de su composición química y tratamiento térmico. La presencia de martensita, perlita, ferrita o bainita influye directamente en la dureza. La martensita, formada por temple, es la fase más dura, mientras que la perlita y la ferrita presentan menor resistencia a la penetración.

Además, la presencia de carburos puede aumentar la dureza superficial, pero también generar heterogeneidades que afectan la medición. Elementos como cromo (Cr) y níquel (Ni) refinan la microestructura y mejoran la resistencia al desgaste. Los tratamientos como el revenido modifican la distribución de las fases, alterando la dureza final. Pero tampoco podemos olvidar la presencia de carburos de hierro o CEMENTITA que podemos mantener, si lo deseamos después del temple.

Procedimiento de Medición con Durómetro

Para obtener mediciones precisas, es fundamental seguir ciertas pautas:

1.- Preparación de la superficie: Debe estar limpia y plana. Oxidos o rugosidad pueden distorsionar la medición.

2.- Selección del indentador y carga: Depende del tipo de acero y su dureza estimada. Para materiales duros se usan puntas de diamante y cargas elevadas. Para los aceros templados usamos punta de diamante a 120º y una carga de 150 kg.

Medición:

  – La superficie de medida debe ser perpendicular al indentador de diamante.

  – Aplicar la precarga (10 kg) de forma manual, despacio, evitando golpear la punta de diamante sobre la muestra al bajar el indentador.

  – Aplicar la carga. Acompañando con un movimiento suave la palanca hasta que empiece a introducir la carga.

  – Se puede regular el tiempo de aplicación de la  la carga, no apliques una carga demasiado rápida.

Retirar la carga y toma la lectura de HRC directamente en el reloj del durómetro Rockwell en la escala C.

Toma varias medidas en varios puntos y haz un promedio, descartando las posibles medidas erróneas.

Factores que Afectan la Medición de Dureza

Varios factores pueden influir en los resultados obtenidos:

Medir la dureza del acero con precisión no es tan simple como presionar un indentador y leer un número. Hay múltiples variables en juego que pueden alterar los resultados, y si no se controlan, pueden llevar a mediciones inconsistentes o erróneas. Veamos los principales factores a considerar:

1. Microestructura: La Base del Comportamiento Mecánico

El acero no es un material uniforme a nivel microscópico. Su estructura interna está compuesta por diferentes fases, como martensita, ferrita, perlita, cementita o austenita retenida. Cada una de ellas responde de manera distinta a la penetración del indentador.

• Carburos: Carburos dispersos en la matriz del acero pueden endurecer ciertas zonas, generando variaciones en la medición.
• Tamaño de grano: Un grano más fino tiende a aumentar la dureza y mejorar la resistencia mecánica, mientras que un grano grueso puede hacer que el material sea menos homogéneo y afectar la reproducibilidad de los valores medidos.
• Fases secundarias: Si el acero no está completamente transformado tras el temple, la coexistencia de martensita con austenita retenida o bainita puede generar valores de dureza inesperados.

2. Propiedades Mecánicas: No Todo es Solo Dureza

La dureza mide la resistencia a la penetración, pero el acero también tiene otras propiedades mecánicas que influyen en cómo responde a la prueba.

• Tenacidad y elasticidad: Un acero con alta tenacidad puede presentar una ligera recuperación elástica tras la indentación, afectando la medición. Esto es particularmente relevante en aceros con temperaturas altas de revenido, donde la estructura no es tan frágil como en una martensita no tratada.
• Dureza superficial vs. dureza interna: Dependiendo del espesor de la pieza tras el tratamiento térmico o si ha tenido un proceso de cementación, se puede generar una capa superficial muy dura con un núcleo más blando.

3. Condiciones del Durómetro: No Todo es el Material

El equipo de medición debe estar en condiciones óptimas para proporcionar datos confiables.

• Calibración: Un durometro desajustado puede dar valores fuera del rango real, generando errores sistemáticos. La calibración periódica con bloques patrón es importante.
• Desgaste del indentador: Los indentadores de diamante o carburo de tungsteno pueden desgastarse con el tiempo, lo que altera la forma de la impresión y afecta la medición. Un indentador desgastado puede generar valores de dureza más bajos de los reales.
• Carga aplicada: Si la carga no es la correcta o no se aplica de manera uniforme, la profundidad de la huella puede variar y alterar los resultados.

4. Ambiente: Factores Externos que No Se Pueden Ignorar

Aunque no siempre se les da importancia, las condiciones ambientales pueden influir en la medición de dureza.

• Temperatura: Tanto el acero como el equipo pueden expandirse o contraerse con la temperatura, afectando las mediciones. La norma ASTM recomienda realizar las pruebas en un rango de temperatura controlado.

Medición de Dureza en la Historia

Antes del desarrollo de los durómetros modernos, los herreros evaluaban la dureza de forma empírica. Métodos como la prueba de la lima, «Si como o no come», el rayado con una navaja o la respuesta del material al golpe con un martillo permitían estimar su dureza relativa. Aunque imprecisos, estos métodos empíricos reflejaban el conocimiento y experiencia del herrero en el manejo de los aceros templados.

El error más frecuente durante el forjado de una herramienta es utilizar una temperatura excesivamente alta o prolongar demasiado el calentamiento. Y esto se vuelve más común cuanto mayor es la proporción de carbono en nuestro acero. Cuanto más carbono, antes se quema el acero, y nuestra ventana de trabajo se reduce drásticamente. Tenemos menos tiempo para forjar la herramienta.

El problema con el acero sobrecalentado es que puede no mostrar signos visibles de daño en su superficie, pero aún así, puede haber experimentado cambios significativos en su estructura interna y propiedades mecánicas. Este es un problema que no se evidencia hasta que la herramienta se rompe, momento en el que se puede observar el tamaño de grano del acero. Y si se puede ver a simple vista, ya es una mala señal.

Es fundamental respetar la ventana de forja de cada tipo de acero. Si calentamos por encima de la temperatura de forja recomendada, corremos el riesgo de sobrecalentar o incluso quemar el acero, lo que resulta en la pérdida de propiedades mecánicas irrecuperables.

El acero dulce, con un bajo porcentaje de carbono, no es tan propenso a sufrir cambios en su estructura, pero el acero de herramientas es mucho más vulnerable a perder propiedades mecánicas e incluso a deteriorarse por completo. Es por eso que es crucial tener un control preciso sobre la temperatura durante el proceso de forjado y no exceder los límites recomendados para cada tipo de acero.

TEMPERATURA EXCESIVA:

Si excedemos significativamente la temperatura de forja del acero, el tamaño de grano aumenta y perdemos propiedades mecánicas esenciales, como la resistencia mecánica y la tenacidad. Este fenómeno se conoce como sobrecalentamiento del acero.

Por otro lado, cuando calentamos el acero hasta el amarillo pálido donde se producen chispas como las de una bengala, una parte del carbono y del hierro puede quemarse en presencia de oxígeno en la superficie, y en especial en las aristas. Los productos de esta combustión del hierro, que son sólidos, quedan atrapados en los límites de grano. Este estado se conoce como acero quemado. La cohesión de los granos en la estructura cristalina se debilita, y desafortunadamente, no hay forma de regenerar este acero.

CALENTAMIENTO PROLONGADO:

El calentamiento prolongado del acero puede tener consecuencias similares al sobrecalentamiento, ya que conduce a un crecimiento excesivo del tamaño de grano. Este fenómeno resulta en una estructura cristalina menos refinada, lo que afecta negativamente las propiedades mecánicas del material, como su resistencia y tenacidad.

Acero sobrecalentado a diferentes temperaturas.

Sin embargo, a diferencia del acero quemado, el acero sobrecalentado o con un calentamiento prolongado aún puede ser tratado para restaurar su microestructura y, en consecuencia, mejorar sus propiedades. Los procesos de normalizado y recocido son técnicas comunes utilizadas para este propósito, pero la elección entre uno u otro dependerá del porcentaje de carbono presente en el acero. En algunos casos, realizamos los dos, e incluso varias veces.

Para evitar los problemas de quemado o sobrecalentamiento, es fundamental controlar el tiempo y la temperatura durante el calentamiento del acero. Además, es esencial seguir las recomendaciones específicas para cada tipo de acero en cuanto a temperaturas de forja. El conocimiento y el manejo adecuado de estos aspectos garantizan la integridad y la calidad de tus herramientas.

La templabilidad y la penetración del temple no son exactamente lo mismo, aunque están muy relacionadas. La templabilidad se refiere a la capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el tratamiento térmico, especialmente durante el temple. La penetración del temple, por otro lado, es la profundidad a la cual el temple afecta la estructura del acero.

¿Cuánto penetra el temple en el acero?

Si templamos una barra de acero al carbono de 10 mm, el temple llegará al núcleo de la pieza. Podríamos medir la misma dureza de 60-65 HRC en la superficie y en el núcleo. Las características mecánicas (dureza, tenacidad y resistencia mecánica) son iguales en el interior y el exterior de nuestra pieza.

Si aumentamos el diámetro de la pieza a templar, el temple no penetra hasta el núcleo. Las propiedades mecánicas no serían las mismas, quedando el núcleo con durezas de 30-45 HRC. El núcleo no se enfría a la misma velocidad.

Esto lo podemos comprobar entallando con una piedra de esmeril o amoladora una probeta templada de bastante espesor y romperla por choque. La sujetamos en el tornillo de banco y le damos un golpe. En la fractura, observaríamos dos capas: una periférica, más dura, de grano más fino con más de 60 HRC, y otra central, más blanda, con aspecto más rugoso, de dureza inferior a 50 HRC.

Esto se debe a que los aceros tienen una velocidad crítica de temple. Esta es la velocidad mínima con la que tengo que enfriar para conseguir templar el acero. En el exterior es más fácil enfriar a la velocidad crítica; en el núcleo, depende del espesor de la pieza, ya que no se enfría a la misma velocidad el exterior que el núcleo, pudiendo quedar sin templar. O lo que es lo mismo, para poder templar hasta el núcleo, tengo que enfriar más rápido (a una velocidad mucho mayor), con un medio de enfriamiento más agresivo o incluso con una agitación más violenta.

Un acero con alta templabilidad puede endurecerse fácilmente con un enfriamiento moderado, mientras que un acero con baja templabilidad necesita un enfriamiento más rápido para lograr el mismo nivel de dureza.

¿Qué aumenta la templabilidad del acero?

La composición:

En la Revolución Industrial, el tamaño de las máquinas se iba escalando. La industria requería piezas más grandes, pero tras el tratamiento térmico, las propiedades mecánicas no eran homogéneas. Hasta la fecha, los muelles y resortes eran de aceros al carbono, que era el acero que existía. Para realizar un muelle de la suspensión de una locomotora, se dieron cuenta de que después de templar, el muelle no mantenía sus características mecánicas como la tenacidad y resistencia mecánica, al no estar templado el núcleo. Entonces fue cuando se empezó a añadir elementos de aleación que aumentaran la templabilidad del acero, consiguiendo templar hasta el núcleo las piezas que así lo requerían.

Elementos como el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel e incluso el carbono, aumentan la penetración del temple.

Enfriando en el mismo medio un acero al carbono y un acero aleado, el temple penetra más en el acero aleado. Esto me permite templar en un medio menos agresivo, ya sea aceite o incluso aire, y conseguir templar en la superficie. En aceros de alta aleación, incluso al aire, podríamos templar hasta el interior.

Realmente, el efecto de los elementos de aleación es desplazar la curva de la «S» hacia la izquierda o hacia la derecha, aumentando o disminuyendo la velocidad crítica de temple, respectivamente.

La falta de templabilidad del acero al carbono, que puede parecer tener inconvenientes, es en algunos casos ventajosa. Esa falta de dureza en el núcleo va unida a una tenacidad mayor. El uso de estos aceros es, en muchos casos, recomendable en herramientas, aprovechando su dureza en el exterior y su tenacidad en el interior.

 La templabilidad no solo depende de los elementos de aleación, también de su porcentaje. 

El carbono aumenta la templabilidad y cuanto más carbono, más despacio puedo enfriar.

El tamaño de grano:

El tamaño de grano fino va acompañado de menos penetración de temple y los aceros de grano grueso suelen ser de gran penetración, lo que podría resultar en grietas durante el proceso de templado.