La dureza es la resistencia mecánica de un material (una probeta) a la indentación mecánica de otro cuerpo más duro (indentador), comúnmente la definiríamos como la resistencia de un material a ser penetrado por otro.

La dureza no se puede medir directamente, sino que se deriva de unos parámetros de medición primarios (por ejemplo, la fuerza de ensayo, profundidad de penetración, área de indentación)

Según la finalidad del ensayo, se pueden considerar diferentes métodos, pudiendo de nano, a micro o macroescala.

Entre los métodos más importantes para probar esta propiedad están la dureza por bola, la dureza Rockwell y la dureza Shore.

La prueba de dureza Rockwell determina la dureza después de permitir la recuperación elástica en la muestra de prueba. Las pruebas de dureza por bola y Shore excluyen cualquier efecto de recuperación elástica.

Ensayo de dureza Shore (ISO 7619-1, ISO 868, ASTM D2240)

La dureza de los polímeros y elastómeros elásticos según Shore se determina mediante el método de ensayo normalizado según ISO 7619-1 o ASTM D2240. El ensayo de dureza Shore no suele utilizarse para los metales, es un ensayo de ejecución sencilla de tipo macroscópico.

En este ensayo se mide la profundidad en que penetra un indentador, éste se somete a una carga a través de un muelle con unas características predefinidas. Cuanto más grande la dureza del material a ensayar, menor la profundidad de penetración y mayor la carga aplicada.

La profundidad de indentación es una medida de la dureza Shore, esta comprende una escala de 0 Shore (2,5 milímetros de profundidad de indentación) a 100 Shore (0 milímetros de profundidad de indentación).

Penetradores, cargas y escalas

Según la variación de las diferentes formas del indentador y las características de los muelles, se establecen una serie de escalas Shore diferentes. Las diferencias entre las diferentes escalas estriban en la forma del penetrador y la fuerza del muelle calibrado.

Las cargas de ensayo alcanzan 10 N (Shore A) y 50 N (Shore D), siendo estas las más conocidas. Para aplicaciones específicas existen otras escalas, tales como Shore B, C, 0, 00, 000, y D0.

Existen diferentes tipos de penetradores según el durómetro:

1. Cono truncado o de punta con ángulo de 35º o 30ª .

2. Con bolas esféricas de  3/32  y ½ pulgadas.

Las cargas principales posibles son de:

- 0,1 kgf, 1 kgf o 5 kgf

El campo de aplicación comprende desde los elastómeros blandos (Shore A) hasta los termoplásticos (Shore D).

Escalas Shore y ejemplos de aplicación:

- Shore A: goma blanda, elastómeros y caucho natural

- Shore B: elastómeros más duros que Shore A

- Shore C: Elastómeros de dureza media

- Shore D: elastómeros más duros, plásticos y termoplásticos duros

- Shore 0: elastómeros blandos y tejidos textiles

- Shore 00: espuma de caucho, caucho esponjoso y caucho microcelular

Descripción del ensayo

Este método de ensayo mide la dureza elástica de los materiales. El método permite la medición de la penetración inicial, la penetración después de un periodo de tiempo determinado, o ambas. La dureza es inversamente proporcional a la profundidad de la penetración y depende del módulo de elasticidad y las propiedades viscoelásticas del material. La forma del penetrador, la fuerza aplicada, y la duración del ensayo influyen en los resultados obtenidos.

Las escalas de dureza van del 0 al 100. La carga es aplica rápidamente sin golpe, y la lectura del valor de dureza se realiza después de un tiempo específico según el plástico a ensayar

Aplicaciones del ensayo

Esta prueba se usa como método muy extendido en el área de control de calidad, pudiéndose  realizar tanto con equipos portátiles, como en ensayos de laboratorio, los cuales se recomienda utilizar equipos sobre soporte.

En los controles de calidad y ensayos de materiales se observa que los materiales con dureza Shore A poseen suficiente flexibilidad para absorber los impactos, pero también son lo suficientemente rígidos para mantener su perfil bajo presión.

Los de dureza Shore D son los plásticos semirrígidos y los cauchos y plásticos más duros, ofrecen una resistencia mucho mayor a la flexión, lo que los convierte en una opción ideal para aplicaciones como la protección contra impactos y la sustitución de metales.

Dureza de penetración de la bola ISO 2039-1

En la prueba de dureza por bola (ISO 2039-1), se presiona una bola hacia la superficie de la muestra de prueba bajo una determinada carga. La profundidad de penetración bajo carga es la magnitud con la que se determina la dureza. La norma establece una selección de cargas de ensayo, de manera que la profundidad de penetración está limitada en un rango entre 0,15 mm y 0,35 mm.

Penetradores, cargas y escalas

La dureza a la bola tiene diferentes escalas, 132 N, 358 N y 961 N. El método consiste en medir la dureza mediante la aplicación de una precarga constante (9,8 N) sobre una bola de acero, seguida de la aplicación de la carga de ensayo.

Descripción del ensayo

Se mide la profundidad total de penetración de bola, a la que se resta una recuperación  elástica, después de un tiempo determinado, una vez eliminada la carga cada división de escala representa un desplazamiento vertical de 0,002 mm del punzón.

Se realizan un mínimo de 10 repeticiones. La medida se toma a los 30 segundos de aplicación.

El método de dureza a la bola es muy habitual en materiales utilizados en el interior de automóviles (salpicaderos, puertas,…) según la normativa específica de cada marca de automóvil.

Ensayo de dureza Rockwell ISO 2039-2, ASTM D 785

A diferencia del ensayo de dureza mediante indentación por bola, a través del cual se mide la profundidad de penetración bajo carga, el método Rockwell mide la profundidad de penetración en una precarga determinada. Esta tipología de ensayo no es destructiva y es muy usada pues habitualmente se considera más fácil de realizar que otros métodos como Vickers o Brinell.

Penetradores, cargas y escalas

Se pueden utilizar diferentes escalas según la combinación de penetrador y carga usada, gracias a eso se puede ensayar casi cualquier tipo de aleación. Eso sí, como las cargas utilizadas suelen ser altas, la aplicación del ensayo de dureza Rockwell suele estar limitado a geometrías de  tamaño grande.

Existen dos tipos de penetradores:

1. Con bolas esféricas de carburo de tungsteno de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulgadas.

2. Cono de diamante con vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm (penetrador Brale).

Este último se utiliza para probar materiales más duros.

Las cargas principales posibles son de:

- 15 kgf, 30 kgf, 45 kgf, 60 kgf, 100 kgf o 150 kgf

El tipo de penetrador y la carga de ensayo determinan la escala de dureza, que se expresa en letras como A, B, C, etc. En total hay 30 escalas diferentes, cada una ella de ellas adecuada para una aplicación o un material específico, como acero, aluminio o plástico (p. ej.: HRA, HRB, HR30N).

Descripción del ensayo

El procedimiento para realizar la prueba de dureza Rockwell consiste en preparar la muestra, colocarla sobre una superficie plana y aplicar la carga al penetrador.

Cada vez que se realiza un ensayo, se aplican dos cargas a la muestra. En primer lugar, el penetrador se introduce en el material de ensayo bajo una carga menor preliminar y se registra esta profundidad. Con la carga menor aún aplicada se introduce una carga adicional, conocida como carga mayor, que aumenta la profundidad de penetración en la muestra. A continuación, se retira la carga mayor y la fuerza sobre la muestra vuelve a ser la carga menor.

Se mide la diferencia en la posición del penetrador antes y después de la aplicación de la carga mayor. Lo que se utiliza para calcular el valor de la dureza Rockwell es esta deformación permanente, causada por la carga mayor y el aumento de la profundidad de penetración que resulta de aplicar y retirar la carga mayor.

El acabado de la superficie, el tamaño y la geometría de la muestra pueden afectar la precisión de la prueba de dureza Rockwell.

Aplicaciones del ensayo

Esta prueba se usa habitualmente como ensayo para el control  de calidad del producto.

Se usa para:

- Garantizar que los materiales cumplen con las especificaciones de dureza requeridas para una aplicación específica.

- Determinar la idoneidad del material para una aplicación específica.

- Para estudiar los efectos de diferentes técnicas de procesamiento en las propiedades del material.

Es un ensayo fácil de realizar y proporciona resultados rápidos y precisos. Además, al no ser destructiva no daña el material que se está probando.