Conversión de la dureza y relaciones entre las propiedades del acero

Qué significa realmente la conversión de dureza

La conversión de dureza es una correspondencia empírica entre escalas de ensayo. No cambia el material, no reproduce la indentación original ni revela un valor de dureza “verdadero” oculto. Cuando un acero se ensaya mediante el método Brinell y se informa como 210 HBW, ese número procede de un penetrador, una fuerza, un tiempo de permanencia y una medición de la indentación definidos. Si el mismo resultado se informa como aproximadamente 21 HRC mediante una tabla de conversión, no se ha realizado el ensayo Rockwell. El valor HRC se infiere de una relación establecida utilizando materiales y condiciones de ensayo comparables.

Esta distinción es importante porque las escalas de dureza miden respuestas relacionadas, pero diferentes. La dureza Brinell utiliza el diámetro de una indentación relativamente grande realizada con una bola de carburo. La dureza Vickers utiliza una pirámide de diamante y calcula la dureza a partir de la fuerza aplicada y de las dos diagonales de la huella. La dureza Rockwell determina la profundidad bajo fuerzas preliminar y total especificadas; HRC utiliza un cono de diamante y una fuerza total de 150 kgf. Sus números no son unidades diferentes de una única magnitud física universal.

Dureza medida frente a dureza convertida

Un valor medido está vinculado al ensayo que se ha realizado realmente. Un informe de laboratorio que indique 210 HBW 10/3000 identifica la escala Brinell, una bola de carburo de 10 mm y una fuerza nominal de 3000 kgf. “500 HV10” identifica un ensayo Vickers realizado con una fuerza de 10 kgf. “32 HRC” identifica un resultado Rockwell C obtenido bajo las condiciones prescritas para esa escala. Los sufijos y los detalles del ensayo forman parte del resultado; no son elementos decorativos opcionales.

La dureza convertida debe informarse por separado de la escala medida directamente. Strong evidence

Un valor convertido debe marcarse como tal. Por ejemplo, “210 HBW, aproximadamente 21 HRC según ASTM E140-12” comunica dos hechos distintos: el primer valor se midió, mientras que el segundo se obtuvo mediante consulta o cálculo a partir de una correlación aceptada. Informar únicamente “21 HRC” puede hacer que un valor inferido parezca medido directamente, lo cual resulta engañoso cuando el estado de la superficie, el espesor de la sección o la selección de la escala podrían afectar al resultado.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, escleroscopio y Leeb para metales especificados. Sus tablas incluyen aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos, pero la presencia de una categoría de acero no hace intercambiable cualquier calidad. ASTM señala que “las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico” (ASTM International, 2012). Un acero 4140 templado y revenido, un acero AISI 1020 normalizado y un acero inoxidable 301 trabajado en frío pueden mostrar relaciones diferentes incluso cuando sus lecturas en una escala son similares.

La geometría también afecta a la validez de una medición antes de intentar cualquier conversión. Una chapa delgada puede mostrar una influencia excesiva de la superficie opuesta en un ensayo Brinell o Vickers. Una pieza curvada puede producir una indentación alterada o una profundidad Rockwell interpretada incorrectamente. Una indentación pequeña situada cerca de un borde, de otra indentación, de una soldadura o de una superficie descarburada puede no representar el material en su conjunto. La conversión no puede corregir un lugar de ensayo mal seleccionado o no válido.

Tablas de conversión, correlaciones y estimaciones

Una tabla de conversión es un resumen ajustado de resultados de ensayos, normalmente dividido por grupo de material y rango de dureza. No constituye una identidad matemática entre escalas. Dentro del rango utilizado para elaborar la tabla, la diferencia media entre las escalas medidas puede ser pequeña; fuera de ese rango, el error puede aumentar considerablemente. La interpolación dentro de un rango establecido suele ser más defendible que la extrapolación más allá de él.

Las ecuaciones proporcionan el mismo tipo de relación en otra forma. Una correlación puede ser lineal en un rango limitado, polinómica o basarse en una regresión ajustada a una población de aceros específica. Los coeficientes describen esa población. No establecen una ley física aplicable a todos los aceros. La dispersión puede deberse a la geometría del penetrador, la recuperación elástica, el flujo plástico, la anisotropía, la preparación de la superficie y las variaciones de la microestructura.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

ISO 18265 limita la aplicabilidad directa de los valores convertidos al material exacto ensayado y clasifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las menos fiables. Strong evidence

ISO 18265:2013, Materiales metálicos—Conversión de valores de dureza, especifica principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción. Advierte que “los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado” e identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables (International Organization for Standardization, 2013). Esta advertencia establece el orden adecuado de confianza: un resultado de dureza directa es el más sólido, una conversión a otra escala de dureza es menos cierta y una estimación de la resistencia a la tracción lo es aún menos.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

El antiguo estudio de NIST sobre las relaciones empíricas Rockwell–Brinell, publicado en 1929, concluyó que la resistencia a la tracción del acero podía estimarse a menudo a partir de la dureza Brinell con fines comerciales. “Fines comerciales” es una precisión importante. Esto respalda la selección inicial, las comprobaciones de proceso y la comparación aproximada de materiales; no sustituye un ensayo de tracción cuando una especificación, un cálculo de diseño, una investigación de fallo o una decisión de aceptación depende del límite elástico, la resistencia última a la tracción, el alargamiento o la reducción de área.

La relación aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS solo se aplica a algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia. Limited evidence

Una relación repetida con frecuencia es Hᵥ ≈ 3σUTS para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, con la dureza expresada en una unidad de tensión compatible. Una investigación publicada en Materials Science and Engineering: A en 2012 asoció esta aproximación con determinadas clases de materiales y también mostró que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la microestructura y de la morfología de la indentación. Por tanto, la expresión debe tratarse como una estimación específica de una clase de materiales, no como una regla de conversión aplicable a cualquier acero al carbono o aleado.

Por qué un solo número no puede representar todos los aceros

La calidad del acero describe su composición química y su especificación, no un único estado mecánico. El AISI 1045 puede suministrarse laminado en caliente, normalizado, recocido, templado y revenido, o endurecido superficialmente. Cada estado modifica la distribución de fases, el tamaño de grano, las tensiones residuales y el comportamiento frente a la deformación. Por ello, una misma calidad nominal puede presentar relaciones diferentes entre dureza y resistencia. Una lectura superficial en un 8620 cementado puede describir una capa martensítica, mientras que una lectura más profunda describe un núcleo con menor contenido de carbono; un único número convertido no puede representar ambas regiones.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

El informe técnico de SAE Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza (1967) establece que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición, el tratamiento térmico y la pieza de acero particulares, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento influyen en la relación. Esto es especialmente relevante para conjuntos soldados, piezas forjadas, zonas afectadas por el calor y componentes con fuertes gradientes térmicos.

Una investigación publicada en Materials Today: Proceedings en 2023 encontró una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción para aceros estructurales históricos y contemporáneos no aleados en estado bruto o normalizado. Este resultado es útil precisamente porque establece sus límites. No debe transferirse sin validación a un acero para herramientas templado y revenido, un acero inoxidable endurecido por precipitación, una chapa bainítica o un producto sometido a un intenso trabajo en frío.

La regla práctica es sencilla: una conversión solo es significativa dentro de la familia de materiales, el estado, el rango de ensayo y la geometría para los que se desarrolló la relación. Si una decisión depende de las propiedades de tracción, debe realizarse un ensayo de tracción. Si es necesario informar un valor de dureza convertido, debe conservarse la escala medida directamente, identificarse la norma de conversión o la ecuación, indicarse el estado y el rango del material, y etiquetarse el resultado como aproximado.

Las escalas de dureza utilizadas para el acero

Dureza dinámica de reboteDureza dinámica de rebote Dureza inferida a partir de la relación entre las velocidades de impacto y de rebote, en lugar de a partir de una indentación estática.

La dureza del acero se expresa en varias escalas porque ninguna prueba es adecuada para todas las secciones, superficies o microestructuras. El resultado puede proceder de una indentación estática grande, de una pequeña impresión de diamante o de un evento dinámico de rebote. Por definición, esas mediciones no son intercambiables. Un valor medido como HRC no representa la misma magnitud física que un valor expresado como HBW, incluso cuando una tabla de conversión les asigna números aproximadamente equivalentes.

La selección de la escala depende de la dureza prevista, el espesor de la sección, el acabado superficial, el soporte situado debajo del punto de ensayo y la presencia de gradientes locales producidos por cementación, nitruración, soldadura o revenido. Una pieza delgada puede flexionarse o ceder bajo un penetrador grande. Una superficie rugosa puede introducir errores en una medición de poca profundidad. Si la impresión es demasiado grande, una capa superficial microscópica puede promediarse con su núcleo más blando.

Dureza Brinell: HBW e impresiones grandes

El método Brinell presiona una bola dura contra el acero con una fuerza especificada y, a continuación, mide el diámetro de la impresión permanente, aproximadamente circular. Las designaciones modernas utilizan HBW, donde la W identifica una bola de carburo de tungsteno. Un resultado completo puede escribirse, por ejemplo, como 220 HBW 10/3000, lo que significa una dureza Brinell de 220 obtenida con una bola de 10 mm y una fuerza nominal de 3000 kgf. La norma de ensayo es ASTM E10; ISO 6506 utiliza el mismo método básico.

Las bolas Brinell habituales tienen diámetros de 1, 2,5, 5 o 10 mm. La fuerza aplicada se selecciona teniendo en cuenta el diámetro de la bola y el material; en los ensayos de acero son habituales fuerzas como 500, 1500 y 3000 kgf. La máquina de ensayo mantiene la fuerza durante un tiempo de permanencia especificado, tras el cual el operador o el sistema óptico mide el diámetro de la impresión. El valor HBW se calcula a partir de la fuerza, el diámetro de la bola y el diámetro de la impresión, no únicamente a partir de la profundidad de indentación.

La impresión es grande en comparación con las producidas por los ensayos Rockwell o de microdureza. Esto resulta útil cuando el acero contiene ferrita, perlita, bainita o martensita revenida distribuidas en un volumen representativo, ya que el resultado promedia varios granos y pequeñas variaciones locales. También constituye una limitación. Una bola de 10 mm puede no ser adecuada cerca de un borde, en una placa delgada, junto a una soldadura o sobre una capa endurecida poco profunda. El punto de ensayo debe tener un espesor suficiente y un respaldo rígido para que la probeta no se flexione ni se deforme durante la aplicación de la carga. La superficie debe ser razonablemente plana y estar libre de cascarilla, descarburación y marcas profundas de mecanizado.

El ensayo Brinell se utiliza ampliamente en piezas fundidas, piezas forjadas, aceros normalizados y otras piezas en las que es importante evaluar un volumen representativo grande. Es menos adecuado para aceros muy duros si la bola puede deformarse, para componentes pequeños acabados y para zonas afectadas por el calor estrechas. Una bola más pequeña y una fuerza menor pueden reducir el tamaño de la impresión, pero en ese caso se requiere un control más estricto de la separación, el espesor y la preparación superficial.

Dureza Rockwell: HRC, HRB y escalas superficiales

La dureza Rockwell mide el aumento permanente de la profundidad de indentación bajo una carga menor seguida de una carga mayor. No mide el diámetro de la impresión. Primero, la máquina aplica una carga menor de 10 kgf para establecer una posición de referencia; después aplica la carga mayor, la retira mientras mantiene la carga menor y convierte la profundidad residual en un número de dureza. En las escalas Rockwell ordinarias, un punto de dureza corresponde a 0,002 mm de variación de profundidad.

HRC utiliza un cono de diamante de 120 grados, denominado habitualmente penetrador Brale, con una carga mayor de 150 kgf. Está destinada a aceros más duros, incluidos los aceros para herramientas templados y revenidos y muchos aceros aleados endurecidos. HRB utiliza una bola de carburo de tungsteno o de acero endurecido de 1/16 de pulgada y una carga mayor de 100 kgf, por lo que es adecuada para aceros más blandos, calidades recocidas de bajo contenido de carbono, aleaciones de cobre y materiales similares. Otras escalas Rockwell ordinarias utilizan bolas o cargas diferentes, por lo que la letra es esencial; «Rockwell 60» sin indicar la escala es una designación incompleta.

El resultado Rockwell se obtiene rápidamente porque la máquina lee directamente la profundidad, y la pequeña impresión suele dejar una marca visible menor que la de Brinell. Esa pequeña zona de contacto también hace que el ensayo sea sensible a la rugosidad superficial, la curvatura, las capas descarburadas y los constituyentes duros o blandos individuales. La probeta debe tener un espesor y una rigidez suficientes para resistir el movimiento. Una lectura tomada demasiado cerca de un borde, de otra indentación o de una discontinuidad del soporte puede resultar falsamente alta o baja.

Las escalas Rockwell superficial utilizan el mismo principio de medición de profundidad, pero con fuerzas menores para secciones delgadas, piezas pequeñas y capas superficiales. Una carga menor de 3 kgf va seguida de una carga mayor de 15, 30 o 45 kgf, según la escala y el penetrador seleccionados. Designaciones como 30N, 45N, 30T y 15T identifican la fuerza y la familia del penetrador; la designación de la escala debe consignarse exactamente, en lugar de sustituirse por HRC o HRB ordinarias. Los ensayos superficiales reducen el riesgo de atravesar una capa endurecida delgada o deformar una sección ligera, pero no proporcionan automáticamente un resultado más preciso. La superficie sigue necesitando una preparación adecuada y la profundidad afectada debe ser suficientemente grande en relación con la indentación.

Microdureza Vickers y Knoop

El método Vickers presiona contra la probeta una pirámide de diamante de base cuadrada, con un ángulo de 136 grados entre caras opuestas. Después de retirar la carga, el operador mide ópticamente las dos diagonales de la impresión residual y calcula HV, la dureza Vickers. Las fuerzas de ensayo van desde cargas de microdureza de unos pocos gramos-fuerza hasta cargas convencionales cercanas a 100 kgf. Una designación como 600 HV 0.5 identifica la dureza y la fuerza de ensayo de 0,5 kgf.

Puesto que el diamante no cambia de forma dentro del intervalo normal de durezas del acero, Vickers puede abarcar aceros blandos y muy duros con una sola geometría de penetrador. Es valioso para secciones transversales de soldaduras, comprobaciones de descarburación, capas nitruradas, capas cementadas y perfiles de dureza a través de gradientes locales. La impresión es mucho más pequeña que una impresión Brinell, por lo que se requiere una preparación pulida y un control cuidadoso de la separación entre impresiones. Con cargas muy bajas, la rugosidad superficial, la recuperación elástica, la resolución de la medición y las fases individuales pueden afectar de forma significativa al valor. El acero debe estar firmemente apoyado; una lámina delgada o un borde sin soporte puede flexionarse en lugar de recibir una indentación válida.

La microdureza Knoop también utiliza un diamante, pero su forma es alargada y asimétrica. Se mide la diagonal larga de la impresión, obteniéndose un valor de dureza Knoop que se designa habitualmente como HK. Knoop resulta especialmente útil para recubrimientos muy delgados, profundidades de capa estrechas y regiones frágiles o pequeñas, porque la impresión es poco profunda y alargada. Su geometría hace que el resultado sea sensible a la orientación, la preparación superficial, la fisuración y la dirección de las características microestructurales. Los valores Knoop y Vickers no deben considerarse idénticos simplemente porque ambos utilizan penetradores de diamante.

Métodos Leeb y Scleroscope

La dureza Leeb es un método dinámico de rebote, no un ensayo de indentación estática. Un cuerpo de impacto accionado por un resorte, normalmente equipado con una bola de carburo de tungsteno u otra punta especificada, golpea la superficie. El instrumento mide la velocidad de impacto y la velocidad de rebote, y comunica un valor Leeb, normalmente HL, basado en su relación. La marca de contacto resultante es pequeña, pero la lectura depende en gran medida del acabado superficial, la curvatura, la masa, el espesor, el soporte y la dirección del impacto. ASTM A956 contempla los ensayos Leeb.

Leeb es útil para piezas forjadas grandes, maquinaria instalada y lugares en los que no puede colocarse un durómetro convencional de banco. La pieza debe ser pesada o estar firmemente acoplada a un soporte rígido; de lo contrario, la vibración absorbe energía y reduce el valor de rebote. La conversión de HL a HRC, HBW u otra escala requiere el dispositivo de impacto, la dirección y la familia de materiales correctos. No constituye un sustituto directo de un ensayo de indentación estática.

El método Scleroscope también se basa en el rebote. Un martillo con punta de diamante se libera desde una altura fija dentro de un tubo vertical, y se observa o mide electrónicamente la altura hasta la que rebota desde la superficie del acero. El resultado se expresa en unidades de dureza Scleroscope, normalmente escritas como HS. A diferencia de Brinell o Vickers, no calcula la dureza a partir de una impresión permanente medida. Por ello, la limpieza superficial, la alineación vertical, la masa, el soporte y la rugosidad tienen efectos importantes.

ASTM E140-12 proporciona relaciones aproximadas entre los valores HBW, HV, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. ASTM señala que la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico afectan a las conversiones. ISO 18265:2013 también establece principios para la conversión y advierte que los valores convertidos se aplican directamente únicamente al material exacto ensayado; las estimaciones de resistencia a la tracción son las conversiones menos fiables. Por tanto, la selección de la escala debe permitir obtener primero un valor medido válido. Un número convertido constituye una evidencia secundaria, no un sustituto del ensayo directo cuando la resistencia del acero o su aceptación dependen de ella.

ASTM E140 e ISO 18265: Qué permiten las Normas

Las normas de conversión de dureza no convierten el resultado de un ensayo en una medición equivalente realizada mediante otro método. Proporcionan relaciones empíricas entre escalas de dureza, normalmente expresadas en forma de tablas. La distinción es importante: un valor medido se obtiene directamente al aplicar a la pieza un penetrador, una fuerza, un tiempo de permanencia y un procedimiento especificados; un valor convertido se calcula a partir de esa medición; y una resistencia a la tracción estimada constituye una inferencia adicional a partir de la dureza. Cada paso puede añadir incertidumbre.

El alcance de ASTM E140-12

ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, presenta relaciones aproximadas entre escalas de dureza especificadas para metales determinados. Sus tablas incluyen valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb. El documento no es una ecuación general que haga intercambiable cualquier escala de dureza. Es una referencia para los casos en que el material y las condiciones del ensayo se encuentran dentro de la experiencia representada por la tabla aplicable.

Para el acero, la norma incluye tablas para aceros al carbono homogéneos, aceros aleados y aceros para herramientas. El término «homogéneo» es importante. No puede suponerse que una tabla desarrollada para un acero razonablemente uniforme describa una capa cementada, una superficie descarburada, una zona afectada por el calor de una soldadura, un producto laminado bandeado o una pieza que contenga un gradiente pronunciado de dureza. El penetrador puede muestrear únicamente una región poco profunda, mientras que la conversión solicitada presupone implícitamente un material uniforme por debajo de ella.

ASTM International declara directamente que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura de grano y el tratamiento térmico» (2012). Estas variables modifican la respuesta a la deformación debajo del penetrador. Dos aceros pueden tener la misma dureza Brinell, pero distintas proporciones de ferrita, perlita, bainita, martensita o austenita retenida. Por lo tanto, pueden producir distintas resistencias a la tracción, comportamientos de fluencia y resultados en otra escala de dureza. Incluso dentro de un mismo grado, las condiciones normalizada, templada y revenida, recocida y trabajada en frío no tienen por qué seguir la misma curva de conversión.

Las tablas también dependen del intervalo de dureza que abarcan. Una conversión cercana al centro de una tabla no es automáticamente fiable en su límite superior o inferior. La extrapolación no es un sustituto permitido de una entrada de tabla. Tampoco debe convertirse un resultado Rockwell C a Brinell cuando la indentación está demasiado cerca de un borde, de otra huella, de una superficie de apoyo o del límite de una soldadura. Un resultado numérico limpio no corrige un ensayo deficiente.

La selección de la escala precede a la conversión. Brinell suele ser útil para aceros relativamente bastos, heterogéneos o de gran sección, porque su gran huella promedia un volumen más amplio. Vickers puede abarcar un intervalo de dureza amplio y aplicarse con cargas bajas, pero las huellas pequeñas son más sensibles a la preparación de la superficie, a las fases locales y a la resolución de la medición. Los métodos Rockwell son rápidos y prácticos para muchos controles de producción, mientras que las escalas Rockwell superficiales reducen la fuerza y la penetración para secciones más delgadas o capas tratadas superficialmente. Los métodos Leeb y Scleroscope son ensayos dinámicos cuyas lecturas dependen considerablemente de la masa, el apoyo, la orientación, el estado de la superficie y la calibración del instrumento.

ASTM E140-12 no elimina esas diferencias entre métodos. Una tabla puede indicar, por ejemplo, una relación aproximada entre HRC y HB, pero no puede establecer que una pieza determinada se haya ensayado correctamente ni que su microestructura pertenezca a la población a partir de la cual se derivó la relación. Por lo tanto, el resultado comunicado debería conservar la escala y el método originales. «62 HRC, convertido aproximadamente a 700 HV» transmite más información que comunicar únicamente «700 HV», porque el primer valor es medido y el segundo es inferido.

La misma cautela se aplica cuando se utiliza la dureza para inferir la resistencia a la tracción. El estudio de NIST sobre las relaciones empíricas entre Rockwell y Brinell, publicado en 1929, informó de que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales. Ese hallazgo respalda una estimación práctica dentro de una población de aceros adecuada; no establece que la resistencia a la tracción sea una función universal de HB. El ensayo de tracción mide el comportamiento relacionado con la fractura en una probeta conformada, mientras que la indentación mide la resistencia localizada a la deformación plástica bajo un estado de tensiones diferente.

Los principios de ISO 18265:2013

ISO 18265:2013, Materiales metálicos—Conversión de valores de dureza, establece principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción. La norma considera que la conversión está condicionada por el material, el método de dureza, el intervalo aplicable y las pruebas que respaldan la relación. Por ello, se aproxima más a un marco para un uso responsable que a la afirmación de que todas las escalas poseen una única equivalencia matemática fija.

Una limitación central se expresa explícitamente: «Los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado» (International Organization for Standardization, 2013). En la práctica, «material exacto» abarca más que una designación nominal de grado como ASTM A36, AISI 4140 o UNS S30400. Incluye la composición dentro de los límites pertinentes, la forma del producto, la estructura de grano, el estado de la superficie, el tratamiento térmico, la deformación previa y, en muchos casos, la ruta específica de fabricación. Una barra de 4140 templada y revenida a 600 °C no es intercambiable con un diente de engranaje de 4140 cementado ni con un eje endurecido por inducción simplemente porque todos llevan la misma designación de grado base.

ISO 18265:2013 también identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables. Esta clasificación es metalúrgicamente razonable. La conversión entre dos escalas de indentación ya depende de cómo interactúan distintos penetradores y cargas con el mismo material. Pasar de la dureza a la resistencia última a la tracción introduce dependencias adicionales respecto al endurecimiento por deformación, los defectos, la anisotropía, la geometría de la probeta y el comportamiento de fractura. Un número de dureza puede servir para detectar un tratamiento térmico incorrecto, pero por sí solo no puede demostrar el cumplimiento de un intervalo especificado de resistencia a la tracción cuando dicha propiedad constituye un requisito de diseño o de aceptación.

Una relación que se repite con frecuencia ilustra el peligro de eliminar las salvedades de la evidencia. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A identificó la relación aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia. Aquí, $H_V$ es la dureza expresada en una unidad de tensión compatible y ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ es la resistencia última a la tracción. La relación es específica de una clase de materiales, no una ley aplicable a todos los aceros. El mismo estudio informó de que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación. Aplicar el factor tres a una fundición, un acero al carbono de baja resistencia recocido y blando, un acero inoxidable endurecido por precipitación y un acero para herramientas de martensita revenida no sería defendible sin las debidas salvedades.

Existen casos más específicos en los que una relación empírica resulta útil. Un estudio de 2023 sobre aceros estructurales históricos y contemporáneos no aleados encontró una relación generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción para aceros en estado bruto o normalizado. Ese resultado puede respaldar una estimación específica de una planta o de una familia de productos cuando el material ensayado permanece dentro de la población estudiada. No justifica transferir la recta a un acero aleado templado y revenido, un alambre trefilado en frío o una unión soldada.

Tablas aproximadas frente a calibración específica del material

Una tabla de referencia normalizada y una correlación de cualificación responden a preguntas diferentes. ASTM E140-12 pregunta, en esencia, qué valor aproximado de dureza puede corresponder a un valor medido para una clase especificada de metales dentro del alcance declarado por la norma. Una correlación de cualificación pregunta qué relación se ha demostrado para un acero, una ruta de proceso, una condición y una pieza definidos.

Por ejemplo, un fabricante o laboratorio podría ensayar acero 1045 normalizado procedente de una ruta de fabricación determinada de un fabricante identificado, medir la dureza Brinell y la resistencia a la tracción en probetas emparejadas y ajustar una regresión en el intervalo real de producción. La ecuación resultante puede ser adecuada para esa condición del 1045 si se verifica con nuevos lotes y se respalda mediante un análisis de incertidumbre. No debería aplicarse automáticamente a 1045 endurecido por inducción, ni debería sustituir a los ensayos de tracción cuando un contrato especifica directamente el límite elástico o la resistencia última.

El informe técnico de SAE de 1967, Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza, expone este punto en términos prácticos: las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición, el tratamiento térmico y la pieza de acero específicos, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento influyen en la relación. El tamaño y la masa de la pieza son especialmente relevantes para los métodos dinámicos y para las secciones delgadas que no pueden proporcionar un apoyo adecuado. La preparación de la superficie, la curvatura, la separación entre indentaciones y la dureza del respaldo también pueden desplazar el valor medido antes de que se intente cualquier conversión.

Un informe defendible registra la dureza medida, la norma y la escala, la fuerza o carga de ensayo, el penetrador, la ubicación, el estado de la superficie, el grado del material y la condición del tratamiento térmico. Si se requiere un valor convertido, debe etiquetarse como convertido y vincularse a ASTM E140-12 o ISO 18265:2013, incluida, cuando sea práctico, la tabla o el intervalo correspondiente. Si se estima la resistencia a la tracción, el informe debería identificar el modelo empírico, la población de calibración, la dispersión y los límites de uso.

Cuando el resultado afecta a un diseño crítico para la fractura, a la liberación de un tratamiento térmico o a una aceptación formal basada en propiedades de tracción, el ensayo de tracción directo constituye la evidencia adecuada, a menos que un procedimiento cualificado por separado haya establecido la correlación. La conversión de dureza es valiosa para la comparación y el control de procesos. No autoriza a tratar un número conveniente como sustituto universal.

Por qué el grado y la composición química del acero cambian la conversión

Un número de dureza describe la resistencia a un penetrador determinado bajo un ciclo de carga determinado. No identifica la resistencia completa, la ductilidad, el comportamiento a la fractura ni la microestructura del acero. Dos probetas pueden medir ambas 200 HBW y, sin embargo, alcanzar ese valor mediante mezclas muy diferentes de ferrita, perlita, bainita, martensita, carburos y austenita retenida. Sus resistencias a la tracción pueden diferir, y sus valores en otra escala de dureza pueden no coincidir con el número sugerido por una tabla general de conversión.

Esta distinción separa la dureza medida de la dureza convertida y de la resistencia a la tracción estimada. Una dureza medida de 200 HBW es el resultado de un ensayo Brinell definido. Un valor como 92 HRB obtenido de una tabla es un resultado convertido. La resistencia a la tracción inferida a partir de cualquiera de esos valores constituye una estimación adicional, con incertidumbre suplementaria. ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, proporciona relaciones aproximadas para metales y escalas de dureza especificados, pero ASTM declara claramente que “las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico” (ASTM International, 2012).

Carbono, elementos de aleación y templabilidad

El carbono modifica la dureza del acero mediante varios mecanismos relacionados. En un acero ferrítico de bajo contenido de carbono, gran parte del carbono permanece en la ferrita o forma cantidades relativamente pequeñas de perlita. El aumento del contenido de carbono generalmente incrementa la fracción de perlita en una estructura enfriada lentamente y eleva el contenido de carbono disponible para formar martensita durante el temple. La martensita es mucho más dura que la ferrita, pero su dureza también depende en gran medida de su contenido de carbono y de su estado de revenido. Por tanto, a un acero con 0,40 % de C templado y a un acero con 0,20 % de C templado no se les puede asignar la misma relación con la resistencia a la tracción simplemente porque una medición superficial resulte ser similar.

TemplabilidadTemplabilidad Capacidad de un acero para desarrollar martensita hasta una profundidad determinada bajo una condición de enfriamiento especificada; no es lo mismo que la dureza máxima.

Los elementos de aleación modifican tanto las fases presentes como la trayectoria mediante la cual se forman. El manganeso, el cromo, el molibdeno y el níquel pueden retrasar las transformaciones de perlita y bainita, aumentando la templabilidad, es decir, la profundidad hasta la que un acero puede desarrollar martensita bajo una velocidad de enfriamiento especificada. AISI 1045 puede producir una superficie martensítica dura y un núcleo ferrítico-perlítico más blando en una sección que se enfría rápidamente en la superficie. AISI 4140, con adiciones de cromo y molibdeno, puede endurecerse a mayor profundidad con un tratamiento comparable. Si ambas piezas reciben el mismo temple nominal, sus gradientes de dureza y sus propiedades de tracción pueden ser diferentes, incluso cuando una indentación local arroja el mismo valor de HRC.

La distinción entre dureza y templabilidad es importante en las secciones gruesas. La templabilidad no significa que todos los puntos alcancen la misma dureza; significa que el acero resiste la transformación por difusión durante el enfriamiento. El tamaño de la sección, el medio de temple, la agitación y la geometría de la pieza determinan el historial de enfriamiento. Por ello, el informe técnico de SAE de 1967, Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza, establece que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición del acero, el tratamiento térmico y la pieza concretos, ya que el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento afectan a la relación (SAE International, 1967).

Los carburos añaden otra fuente de divergencia. Los carburos ricos en cromo de un acero para herramientas o inoxidable, los carburos de vanadio de algunos aceros rápidos o grados de pulvimetalurgia y los carburos de hierro de la perlita no interactúan con una indentación del mismo modo que una matriz martensítica uniforme. Una elevada población de carburos puede aumentar la resistencia a la indentación y, al mismo tiempo, reducir la relación entre la dureza y la deformación por tracción de la matriz. La austenita retenida puede producir la complicación opuesta: una probeta puede mostrar una dureza elevada después del temple, pero una transformación posterior durante el servicio o el rectificado puede modificar sus dimensiones y su dureza medida.

El tratamiento de revenido también es importante. La martensita revenida, la bainita y la perlita fina pueden ocupar intervalos de dureza superpuestos, aunque presenten diferentes relaciones entre el límite elástico y la resistencia a la tracción, así como diferentes respuestas a la fractura. El tamaño de la indentación, las tensiones residuales, el endurecimiento por deformación y la anisotropía influyen entonces en la lectura. La misma dureza nominal no constituye un análisis de fases.

Aceros estructurales no aleados y correlaciones comerciales

Una tendencia general entre dureza y resistencia aún puede ser útil dentro de una familia de aceros restringida. Los aceros estructurales no aleados en estado bruto o normalizado suelen contener ferrita y perlita, cuyas proporciones cambian con el contenido de carbono y el historial de enfriamiento. Los aceros estructurales no aleados históricos y contemporáneos estudiados en 2023 mostraron una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción en esas condiciones (Materials Today: Proceedings, 2023). Este resultado explica por qué las estimaciones de resistencia basadas en Brinell pueden funcionar razonablemente bien para un grupo controlado de aceros estructurales ordinarios.

La relación es empírica, no una ley física. Para grados como EN 10025-2 S275JR y EN 10025-2 S355JR, una medición de dureza puede respaldar una comprobación del proceso o una estimación aproximada de cribado cuando se sabe que el material es un acero estructural no aleado o de baja aleación en el estado de suministro previsto. No puede demostrar el cumplimiento de los intervalos especificados de límite elástico y resistencia a la tracción sin el ensayo de tracción requerido. La normalización refina la estructura granular y modifica el equilibrio ferrita-perlita; el historial de laminación y la segregación pueden volver a cambiar el resultado.

Un estudio de NIST de 1929 sobre las relaciones empíricas Rockwell-Brinell informó de que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales (NIST, 1929). “A menudo” es el límite operativo. Esta estimación resulta útil para una correlación aproximada dentro de la población a partir de la cual se obtuvo, pero no autoriza a sustituir un ensayo de tracción para todos los grados de acero.

ISO 18265:2013 establece principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción, pero advierte que los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado e identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables (ISO, 2013). Por tanto, una entrada de tabla para convertir HBW a HRC no debe considerarse una prueba de que el valor HRC convertido prediga la resistencia a la tracción con el mismo grado de confianza.

Aceros para herramientas, aceros inoxidables y supuestos excluidos

Los aceros para herramientas y los aceros inoxidables ponen de manifiesto los límites de las correlaciones generales para aceros al carbono. AISI D2 puede contener una población considerable de carburos ricos en cromo en una matriz endurecida y revenida. AISI H13 puede contener martensita aleada revenida después del tratamiento propio de los aceros para herramientas de trabajo en caliente. El acero inoxidable AISI 420 puede variar desde un material recocido relativamente blando hasta un material martensítico duro después del temple y revenido. Cada condición modifica la respuesta a la indentación, y a ninguna debe asignársele una conversión para acero al carbono simplemente porque su valor de HRC o HV se encuentre en el mismo intervalo numérico.

Los aceros inoxidables austeníticos, como AISI 304 y AISI 316, presentan un problema diferente. Su matriz cúbica centrada en las caras puede endurecerse considerablemente por deformación durante la indentación, y la reducción en frío puede producir martensita inducida por deformación en algunas composiciones. Por tanto, la dureza medida después del trabajo en frío refleja tanto la composición inicial como el historial de procesamiento. Los grados inoxidables ferríticos, dúplex, de endurecimiento por precipitación y martensíticos requieren supuestos separados, porque su equilibrio de fases y sus mecanismos de endurecimiento son diferentes.

La aproximación citada con frecuencia Hᵥ ≈ 3σUTS se ha identificado para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, pero un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A subraya que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación (Materials Science and Engineering: A, 2012). No constituye una conversión universal para el acero.

Los ensayos directos de tracción siguen siendo necesarios cuando las propiedades de tracción controlan la aceptación, el diseño o la evaluación de fallos, salvo que se apruebe una correlación cualificada. Strong evidence

Por tanto, los informes deben indicar la escala medida, la norma de ensayo, la fuerza o la designación de la bola cuando corresponda, la ubicación y el estado del material. Si se informa de un valor convertido, debe etiquetarse como convertido y debe identificarse la tabla o norma aplicable. Si se estima la resistencia a la tracción, debe etiquetarse como estimación y debe indicarse el intervalo de materiales que la respalda. Cuando la aceptación, los valores admisibles de diseño o la evaluación de fallos dependan de las propiedades de tracción, sigue siendo necesario realizar un ensayo de tracción directo.

Tratamiento térmico y microestructura: las principales fuentes de error

El tratamiento térmico es una variable de primer orden en cualquier relación de dureza. No puede tratarse como una nota al pie bajo la designación del acero. Dos probetas con la misma composición química nominal pueden presentar diferencias sustanciales en dureza, resistencia a la tracción, ductilidad y respuesta a la indentación después del recocido, normalizado, temple, revenido, cementación, nitruración o endurecimiento por inducción. Una conversión de dureza que ignore el estado del material puede producir una cifra de apariencia precisa, pero con poca validez física.

Esta distinción es importante porque a menudo se confunden tres magnitudes diferentes. La dureza medida es el resultado obtenido mediante un ensayo especificado, como 220 HBW o 62 HRC. La dureza convertida es una estimación aproximada en otra escala, como un valor Rockwell C inferido a partir de la dureza Vickers. La resistencia a la tracción estimada es una inferencia adicional a partir de la dureza y es menos fiable que una conversión entre escalas. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. También establece que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura de grano y el tratamiento térmico».

ISO 18265:2013 hace explícita la misma limitación. Especifica principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción, pero establece que los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado. Sus estimaciones de resistencia a la tracción se identifican como las conversiones menos fiables. Estas restricciones son especialmente importantes cuando la superficie medida no representa toda la sección.

Estados recocido, normalizado, templado y revenido

En un acero recocido, el enfriamiento lento produce generalmente una estructura relativamente gruesa de ferrita–perlita, u otra estructura ablandada seleccionada para facilitar el mecanizado y la conformación. Una indentación Brinell en este estado muestrea un volumen comparativamente grande que contiene colonias de ferrita y perlita. La dureza resultante suele correlacionarse razonablemente bien con la resistencia a la tracción dentro de una familia estrecha de aceros de bajo contenido de carbono, pero la relación también cambia con el contenido de carbono, la fracción de perlita, el espaciamiento entre colonias y el tamaño de grano. Un acero recocido de bajo contenido de carbono y otro de mayor contenido de carbono pueden presentar superficies de ensayo de aspecto similar y, sin embargo, diferentes relaciones entre resistencia y dureza.

El normalizado modifica la comparación. El calentamiento por encima del intervalo crítico, seguido de enfriamiento al aire, suele producir una ferrita y una perlita más finas que el enfriamiento lento en horno. El afino de grano puede aumentar el límite elástico y la resistencia a la tracción sin producir el mismo incremento proporcional de la dureza por indentación. El estudio de 2023 publicado en Materials Today: Proceedings sobre aceros estructurales sin alear históricos y contemporáneos encontró una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción para aceros en estado bruto o normalizado. Este resultado respalda la estimación práctica dentro de la población estudiada; no hace que la recta sea transferible a un acero aleado templado y revenido ni a un componente endurecido superficialmente.

El temple crea martensita, a menudo con austenita retenida y tensiones de transformación. La dureza puede aumentar bruscamente porque el indentador encuentra una fase de alta resistencia y resistente al cizallamiento, pero la respuesta a la tracción también depende del contenido de carbono, el tamaño de grano de la austenita previa, la disolución de carburos, la austenita retenida y la susceptibilidad al agrietamiento. Una probeta de SAE 1045 templada y una probeta de AISI 4140 templada pueden registrar ambas un valor Rockwell C elevado, pero diferir en resistencia a la tracción y tenacidad. Sus elementos de aleación modifican la templabilidad y la respuesta al revenido; por tanto, el mismo valor nominal de HRC no garantiza las mismas propiedades de tracción.

El revenido descompone o modifica la martensita, reduce las tensiones residuales y cambia la distribución de los carburos. El revenido a baja temperatura puede conservar una dureza elevada y, al mismo tiempo, aliviar parte de las tensiones de temple. El revenido a mayor temperatura reduce la dureza, pero puede mejorar la tenacidad y producir una relación entre resistencia y dureza distinta de la del estado templado. Por ejemplo, un eje de AISI 4140 templado y revenido debe compararse con datos de conversión correspondientes a una aleación y un estado similares, no con una tabla genérica para aceros al carbono. Incluso dentro de un mismo grado, la temperatura y el tiempo de revenido pueden llevar al material a distintas combinaciones de dureza, límite elástico, resistencia a la tracción y alargamiento.

El estudio del NIST sobre las relaciones empíricas Rockwell–Brinell, publicado en 1929, informó que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales. «A menudo» es la palabra clave. El resultado describe una población empírica, no una ley física que siga siendo válida ante cualquier cambio en el tratamiento térmico. El informe técnico de SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, destacó asimismo que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición del acero, el tratamiento térmico y la pieza concretos, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento afectan a la relación.

Endurecimiento superficial y gradientes a través del espesor

La cementación, la nitruración y el endurecimiento por inducción hacen que un único valor de dureza sea aún menos representativo. La cementación enriquece con carbono la superficie de un acero de bajo contenido de carbono, seguida de un temple para formar una capa martensítica dura sobre un núcleo más tenaz y de menor contenido de carbono. Una medición superficial puede ser de 60 HRC o superior, mientras que el núcleo es mucho más blando. Convertir ese valor superficial en resistencia a la tracción para todo el componente es un error de categoría: el ensayo mide la capa, no la sección transversal portante como si fuera un material uniforme.

La nitruración produce una zona de difusión enriquecida con nitrógeno y, cerca de la superficie, una capa de compuestos que contiene nitruros de hierro como ε-Fe₂–₃N y γ′-Fe₄N. La capa puede ser muy dura y delgada. Los ensayos Rockwell o Brinell convencionales pueden no ser adecuados porque su penetración y su zona plástica se extienden por debajo de la región tratada; a menudo se necesita un barrido de micro-Vickers o Knoop para resolver el perfil de dureza. Incluso un valor de microindentación puede verse distorsionado por el sustrato si la indentación es demasiado profunda en relación con el espesor de la capa.

Nivel de dureza

El endurecimiento por inducción crea una zona martensítica endurecida cuya profundidad depende de la frecuencia, la potencia, la velocidad de exploración, la geometría y las condiciones de temple. La dureza cambia continuamente desde la superficie, a través de la región de transición, hasta el núcleo más blando. Un valor comunicado de «62 HRC» está incompleto si no se indica la ubicación y la profundidad de medición. El mismo componente puede producir diferentes conversiones en la superficie, a la profundidad efectiva de la capa endurecida y en el núcleo.

Estos gradientes también afectan a la geometría de la indentación. Una indentación poco profunda situada sobre una capa dura puede estar limitada por el material más blando que se encuentra debajo; una indentación más profunda promedia varias regiones. La curvatura superficial, el espesor de la sección, la distancia al borde y la masa de la pieza pueden alterar el campo de tensiones. Las tablas de ASTM E140-12 están destinadas a los intervalos de materiales y las condiciones de ensayo representados en dichas tablas, no a perfiles arbitrarios endurecidos superficialmente. El requisito de ISO 18265:2013 de que una conversión sea directamente aplicable únicamente al material exacto ensayado es especialmente pertinente en este caso.

Estructura de grano, fases y morfología de la indentación

La dureza es una resistencia local a la indentación, no una medición directa de la resistencia a la tracción. El indentador produce deformación elástica y plástica en un volumen finito. El tamaño de grano, la textura cristalográfica, las fronteras de fase, las inclusiones, los carburos y las tensiones residuales influyen en dicho volumen. Una estructura fina de ferrita–perlita puede distribuir la deformación de forma distinta a una perlita gruesa. La bainita, la martensita, la ferrita, la austenita retenida y las regiones ricas en carburos pueden producir valores medios de dureza similares mediante mecanismos de deformación diferentes.

Una tensión residual de compresión puede aumentar la resistencia aparente a la indentación, mientras que una tensión residual de tracción puede reducirla o favorecer el agrietamiento. Por tanto, las quemaduras de rectificado, la descarburación, el granallado y los daños de mecanizado pueden modificar una lectura superficial sin cambiar en la misma proporción las propiedades de tracción del material a granel. La ubicación de la indentación también es importante: una indentación sobre un carburo grande, cerca de una frontera de fase o próxima a una indentación anterior puede no representar la matriz.

La morfología de la indentación proporciona otra advertencia. Los métodos Brinell y Vickers se basan en el tamaño y la forma de una huella permanente; los métodos Rockwell se basan en la profundidad de penetración. La acumulación de material alrededor de una indentación puede hacer que el área de contacto sea menor de lo que supone un análisis idealizado, mientras que el hundimiento puede hacerla mayor. En aceros anisótropos, multifásicos o con un elevado endurecimiento por deformación, estos efectos modifican la relación entre la dureza y la tensión de fluencia. Un estudio sometido a revisión por pares publicado en 2012 en Materials Science and Engineering: A informó que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación. El estudio identificó la relación aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, pero dicha expresión es específica de una clase de materiales y no constituye una ecuación universal para los aceros.

En consecuencia, un informe debe indicar el grado del acero, el estado de tratamiento térmico, el método de ensayo, la escala, la ubicación y cualquier información sobre la profundidad de la capa endurecida. Un valor medido como 245 HBW no es intercambiable con un valor convertido como 23 HRC, y ninguno de los dos es automáticamente una resistencia a la tracción estimada. Cuando la aceptación, el riesgo de fractura o el diseño estructural dependen de las propiedades de tracción, la respuesta adecuada es realizar un ensayo directo de tracción o utilizar una correlación validada y específica para el grado y el estado del material, no una conversión no respaldada a partir de un valor de dureza conveniente.

Relaciones de conversión entre Brinell, Rockwell y Vickers

Las tablas de conversión de dureza no hacen que las mediciones HBW, HRC y HV sean intercambiables. Indican un valor estimado en una escala a partir de un valor medido en otra. Esta distinción es importante porque cada método emplea un penetrador, una fuerza, una geometría de contacto y un procedimiento de cálculo diferentes. Un resultado Brinell como 220 HBW se mide a partir del diámetro de una huella relativamente grande; 220 HBW convertido en 21 HRC es una estimación de tabla, no un segundo ensayo Rockwell.

ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales específicos. Sus tablas para aceros incluyen aceros al carbono homogéneos, aceros aleados y aceros para herramientas. Esta salvedad es importante: ASTM indica que «las conversiones están afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico». ISO 18265:2013 establece asimismo principios para la conversión entre escalas de dureza y para la estimación de la resistencia a la tracción, pero señala que los valores convertidos se aplican directamente únicamente al material exacto sometido a ensayo. Por tanto, una tabla permite comparar dentro del material y del intervalo indicados; no establece una identidad física entre los números de dureza.

Lectura de las tablas HBW a HRC y HRC a HBW

Primero hay que identificar el ensayo real y su designación completa. HBW significa dureza Brinell medida con una bola de carburo de tungsteno; también pueden indicarse el diámetro de la bola y la fuerza aplicada, como en 220 HBW 10/3000. HRC significa dureza Rockwell C, obtenida normalmente con un cono de diamante y una fuerza total de 150 kgf conforme al procedimiento Rockwell. Un «HB» o «HR» sin más información es incompleto para la elaboración de informes técnicos, porque el material y el diámetro de la bola, la escala Rockwell y la fuerza de ensayo pueden afectar al resultado.

Para convertir 220 HBW a HRC, hay que localizar 220 en la columna HBW de la tabla aplicable de ASTM E140-12 o ISO 18265:2013 y leer el valor correspondiente en la columna HRC. Si la fila indica 21 HRC, el informe correcto es aproximadamente 21 HRC convertido a partir de 220 HBW, no simplemente «21 HRC», como si se hubiera realizado un ensayo Rockwell C. La conversión inversa requiere el mismo rigor: se comienza con el valor HRC medido, se selecciona la tabla correcta para el acero y se lee la estimación HBW correspondiente. La búsqueda inversa no necesariamente reproducirá el número original, porque la relación tabulada está redondeada y puede haberse construido a partir de una relación ajustada o empírica, en lugar de una ecuación reversible.

Las entradas adyacentes no son equivalentes exactas. Supongamos que una tabla indica 210 HBW como 19 HRC y 230 HBW como 22 HRC. Un valor medido de 220 HBW se encuentra entre esas filas, pero no posee simultáneamente un valor preciso de 20,5 HRC y un valor Rockwell verificado físicamente. La interpolación lineal podría producir aproximadamente 20,5 HRC como ayuda para la elaboración del informe si la norma aplicable permite interpolar en ese intervalo; sin embargo, el resultado sigue siendo una estimación cuya incertidumbre incluye la dispersión de la relación de conversión y la incertidumbre de la medición original.

La clase de material debe corresponderse con la pieza. Un acero 4140 templado y revenido hasta obtener una estructura martensítica no necesariamente sigue la misma relación HBW–HRC que un AISI 1020 normalizado, un AISI 1045 recocido o un acero para herramientas con alto contenido de carbono. La razón es mecánica, no meramente tabular: la respuesta a la indentación depende del límite elástico, el endurecimiento por deformación, la distribución de carburos, la austenita retenida, el tamaño de grano, la tensión residual y la deformación alrededor de la huella. El informe de SAE International de 1967, Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza, indica que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición del acero, el tratamiento térmico y la pieza específicos, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento influyen en la relación.

El ensayo Rockwell es rápido y práctico para inspecciones repetitivas, pero puede ser sensible a condiciones que una huella Brinell grande promedia. Las secciones delgadas pueden flexionarse o permitir que el campo de tensiones de la indentación interactúe con la superficie opuesta. Una probeta mal apoyada puede producir un resultado falso. La selección de la escala también es importante: utilizar HRC cuando corresponde HRB, o aplicar una escala Rockwell superficial sin identificar su fuerza y su penetrador, invalida la comparación. La cascarilla superficial, la descarburación, la rugosidad, la curvatura y un espaciamiento insuficiente entre huellas pueden modificar la lectura. Un valor HRC convertido no puede corregir una medición HBW deficiente ni compensar una configuración Rockwell inadecuada.

Cuándo Vickers proporciona un puente útil

La dureza Vickers, indicada como HV e identificando la fuerza de ensayo cuando sea necesario, utiliza una pirámide de diamante y calcula la dureza a partir de las dos diagonales de la huella. Su geometría la hace útil en un intervalo de durezas más amplio que el de una sola escala Rockwell y en condiciones en las que una bola Brinell es demasiado grande. Una huella Vickers puede utilizarse para examinar una capa endurecida pequeña, una soldadura o una zona afectada por el calor, una región de fase individual o una sección delgada, siempre que la fuerza, la preparación superficial, el espaciamiento entre huellas y la medición óptica cumplan el método aplicable.

Vickers puede actuar como puente cuando HBW y HRC están separadas por las limitaciones de sus escalas. Por ejemplo, una capa cementada puede ser demasiado delgada para una huella Brinell convencional y producir resultados inestables en un ensayo Rockwell estándar si la huella penetra más allá de la capa. Un recorrido Vickers con baja fuerza puede mostrar el gradiente de dureza desde la superficie hasta el núcleo. Esta información es más útil que asignar un único número HRC convertido a una estructura estratificada. Lo mismo se aplica al metal de soldadura y a las zonas afectadas por el calor, donde pueden existir varias microestructuras en unos pocos milímetros.

Vickers no es automáticamente más preciso. La medición de las diagonales se ve afectada por el acabado superficial, la resolución óptica, el criterio del operador, el apilamiento o hundimiento del material y la fuerza seleccionada. Las huellas muy pequeñas amplifican el error de medición. Un valor HV medido localmente también puede corresponder a un carburo, una isla de martensita o una zona descarburada, en lugar de al acero en conjunto representado por una huella Brinell. Por tanto, la conversión de HV a HRC o HBW solo es significativa cuando la tabla abarca la clase de acero, el intervalo de dureza y las condiciones de fuerza de ensayo pertinentes.

Las fórmulas que relacionan dureza y resistencia requieren aún más cautela. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A identificó la relación aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, pero mostró que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación. No se trata de una ecuación general para aceros al carbono y aleados. ISO 18265:2013 identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables. Un estudio de NIST de 1929 concluyó que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, pero este hallazgo respalda una estimación empírica controlada, no una sustitución universal del ensayo de tracción.

Límites de intervalo, interpolación y discontinuidades

Utilice una conversión únicamente dentro del intervalo de dureza y la categoría de material indicados en la tabla. Si una tabla termina en 60 HRC, no debe extrapolarse una medición de 64 HRC a partir de las últimas filas. Si la pieza es de acero inoxidable endurecido por precipitación, pero la tabla abarca aceros al carbono homogéneos, aceros aleados y aceros para herramientas, seleccionar la fila de apariencia más cercana no hace válida la conversión. La designación del grado también puede ser insuficiente: las condiciones normalizada, recocida, templada, revenida, cementada y trabajada en frío pueden producir relaciones diferentes con la misma composición nominal.

La interpolación solo es aceptable cuando la norma o un procedimiento aprobado la respalda y cuando las entradas circundantes forman una sección continua adecuada. Debe identificarse como interpolación, con un redondeo razonable que no implique una precisión no respaldada. Informar 21,37 HRC a partir de una tabla Brinell generalmente afirma una certeza mayor de la que la fuente puede proporcionar. Informe primero el valor medido y, después, el valor convertido y la referencia, por ejemplo: «220 HBW; aproximadamente 21 HRC convertido según ASTM E140-12».

Pueden aparecer discontinuidades cuando una tabla cambia de clase de material, escala Rockwell, penetrador o intervalo de dureza. También pueden reflejar transiciones en la mecánica de la indentación, en lugar de un cambio abrupto en el acero. No suavice la transición a través de ese límite ni promedie valores de tablas separadas. Cuando la aceptación dependa de las propiedades de tracción, la profundidad de la capa, la cualificación de la soldadura o una condición especificada del grado, realice el ensayo directo requerido. La conversión es una herramienta de comparación; no demuestra que el ensayo no realizado hubiera sido satisfactorio.

Dureza y resistencia a la tracción: una relación, no una identidad

La dureza y la resistencia a la tracción están relacionadas porque ambas dependen de la resistencia de un metal a la deformación plástica, pero no son propiedades intercambiables. Un ensayo de dureza produce una pequeña huella en una ubicación. Un ensayo de tracción carga una probeta normalizada a través de un volumen mucho mayor hasta que se producen el límite elástico, el flujo plástico y la fractura. Por tanto, los dos ensayos examinan volúmenes de material diferentes, imponen estados tensionales distintos y producen tipos de mediciones diferentes.

Un valor de dureza puede medirse directamente en las escalas Vickers, Brinell, Rockwell, Knoop u otra. Un valor de dureza convertido se calcula a partir de una escala medida diferente utilizando una relación publicada. La resistencia a la tracción estimada constituye un paso adicional: infiere una propiedad de tracción a partir de la dureza. Cada paso añade supuestos y posibles errores. Tratar una resistencia a la tracción estimada como si fuera el resultado de un ensayo de tracción es una mala práctica de elaboración de informes, especialmente cuando una especificación, un cálculo de diseño o una investigación de fallos depende del límite elástico, la resistencia última a la tracción o el alargamiento.

Qué mide mecánicamente la dureza

La dureza es la resistencia a la deformación plástica localizada. En un ensayo Vickers, una pirámide de diamante se presiona contra la superficie con una fuerza especificada y, a continuación, se miden las dos diagonales de la huella. El número de dureza Vickers, $H_{\mathrm{V}}$, se calcula a partir de la fuerza aplicada y del área proyectada de la huella. En un ensayo Brinell, se presiona una bola de carburo contra el material y se relaciona la fuerza con el diámetro de la huella resultante. El ensayo Rockwell, en cambio, mide la profundidad de penetración bajo cargas menor y mayor definidas, y el resultado se expresa en una escala especificada, como HRC o HRB.

El penetrador crea un campo de tensiones tridimensional complejo bajo el contacto. Este incluye componentes de compresión, cizalladura y tracción, y el material próximo a la huella puede experimentar una deformación plástica intensa. La respuesta medida se ve afectada por el endurecimiento por deformación, la recuperación elástica, la fricción, la geometría del penetrador, la preparación superficial y el tamaño de la zona deformada plásticamente. También refleja el material situado inmediatamente debajo de la superficie de ensayo, no necesariamente las propiedades medias de una pieza completa.

Este carácter local explica por qué la dureza es útil para comprobar gradientes y efectos del procesamiento. Una capa martensítica templada y revenida, una superficie descarburada, una zona afectada por el calor de una soldadura o una capa cementada pueden mostrar un valor de dureza que difiere notablemente del del núcleo. El espaciamiento entre huellas, la distancia al borde, el espesor de la probeta, la curvatura y la rugosidad superficial también pueden distorsionar el resultado. Un número de dureza sin su escala, método de ensayo, carga y condición es incompleto. “60” podría significar 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA o aproximadamente 60 HV bajo una carga especificada; esos valores no son equivalentes.

La resistencia a la tracción, en cambio, es la tensión ingenieril máxima alcanzada durante un ensayo de tracción uniaxial. La probeta se somete a tracción a lo largo de una longitud calibrada, y la resistencia última a la tracción indicada, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, se calcula dividiendo la carga máxima por el área original de la sección transversal. El ensayo capta la deformación en un volumen calibrado relativamente grande y revela propiedades adicionales, como el comportamiento en el límite elástico, el alargamiento uniforme, el alargamiento total y la reducción de área. Una huella de dureza no puede proporcionar esas mediciones de deformación por tracción.

La distinción es importante en el acero heterogéneo. Un ensayo de dureza superficial puede estar dominado por una capa endurecida delgada incluso cuando el núcleo tiene una resistencia a la tracción menor. Por el contrario, una región de grano grueso, una microestructura bandeada, una población de inclusiones o una variación local del tratamiento térmico pueden influir en una probeta de tracción de manera diferente que en una pequeña huella. La dureza y la resistencia pueden variar de forma correlacionada dentro de una familia de producción controlada, pero esa correlación es un resultado empírico, no una definición.

La relación aproximada $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$

Una regla repetida con frecuencia afirma:

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

Cuando la dureza Vickers y la resistencia a la tracción se expresan en unidades compatibles, esta relación puede ser útil en ocasiones como comparación aproximada del orden de magnitud. Por ejemplo, un material con $H_{\mathrm{V}}=600$ podría asociarse con una resistencia a la tracción cercana a $2,000\text{MPa}$ según una relación de esta forma. Ese cálculo no constituye un certificado del material y no debe presentarse como tal.

La relación se ha identificado para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A informó de que la relación entre dureza y resistencia depende de la clase de material, la microestructura y la morfología de la huella. Esas condiciones son decisivas. El factor tres no es una ecuación general para todos los aceros, todas las escalas de dureza ni todos los tratamientos térmicos. No es válido simplemente porque el número medido se denomine dureza Vickers.

Desde el punto de vista mecánico, la aproximación tiene una base plausible. La deformación plástica bajo un penetrador requiere una tensión de fluencia representativa elevada, mientras que la resistencia a la tracción refleja el nivel de tensión alcanzado durante la deformación uniaxial y el endurecimiento por deformación. En una clase de materiales restringida, con una relación coherente entre la presión representativa de indentación, la tensión de fluencia y la respuesta a la tracción, puede aparecer una relación casi constante. Si cambia el mecanismo de deformación o el comportamiento de endurecimiento por deformación, también cambia la relación.

El mismo grado de acero puede alejarse de la aproximación después de seguir distintas rutas de procesamiento. La ferrita-perlita, la bainita, la martensita revenida y la martensita templada no se endurecen bajo carga de la misma manera. La austenita retenida, la distribución de carburos, el tamaño de grano, la tensión residual y la deformación previa pueden modificar la forma de la huella y la curva de tracción. Un acero para herramientas de alto contenido de carbono, un acero estructural de bajo contenido de carbono y un acero inoxidable austenítico pueden mostrar relaciones diferentes entre dureza y resistencia a la tracción incluso con valores nominales de dureza similares.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

Los trabajos empíricos publicados respaldan un uso limitado y específico para determinadas condiciones, no una sustitución universal. Una investigación publicada en Materials Today: Proceedings en 2023 encontró una relación generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción en aceros estructurales sin alear, históricos y contemporáneos, en estado bruto o normalizado. Ese resultado es útil para esa población de materiales y esa condición. No establece la misma relación para acero aleado templado y revenido, chapa trabajada en frío, componentes cementados o uniones soldadas.

Las unidades también requieren cuidado. La dureza Vickers se expresa convencionalmente como un número de dureza adimensional, aunque está relacionada con la fuerza por unidad de área. La resistencia a la tracción normalmente se expresa en MPa o N/mm². Puesto que $1{\text{kgf/mm}}^2$ equivale aproximadamente a $9.807\text{MPa}$, la mezcla descuidada de las convenciones de dureza y las unidades de tensión del SI puede producir un error de casi un orden de magnitud. Un informe sólido indica la ecuación, las unidades, la población de materiales y la incertidumbre.

Por qué las estimaciones de la resistencia a la tracción son las conversiones menos fiables

La conversión entre escalas de dureza y la estimación de la resistencia a la tracción no son tareas equivalentes. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, proporciona relaciones aproximadas entre los valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. ASTM International afirma que “las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura de grano y el tratamiento térmico”. Por tanto, las tablas describen poblaciones empíricas definidas; no convierten cada valor de dureza en una propiedad universal del material.

ISO 18265:2013, Metallic materials—Conversion of hardness values, especifica principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción. También advierte que “los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto sometido a ensayo” e identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables. Esta clasificación se deriva de la cadena de inferencias. Convertir HRC a HV ya presupone una relación entre dos métodos de indentación. Estimar ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ a partir de cualquiera de esos valores presupone además una relación entre la plasticidad localizada de la indentación y la deformación uniaxial en un volumen grande.

El estudio de NIST publicado en 1929 sobre las relaciones empíricas Rockwell–Brinell observó que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales. Se trata de una observación práctica, no de una declaración de identidad física. El significado de “a menudo” depende de la población de aceros, la condición y el error permitido. La observación de NIST no elimina la necesidad de validar la relación con datos de tracción correspondientes al grado y la ruta de procesamiento pertinentes.

El informe técnico de SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions, publicado en 1967, hizo más explícita la misma limitación: las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición, el tratamiento térmico y la pieza de acero concretos, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento influyen en la relación. Una pieza forjada gruesa, una banda delgada y un pequeño pasador tratado térmicamente pueden producir correlaciones diferentes incluso cuando sus grados nominales son idénticos. La geometría modifica la restricción alrededor de la huella, mientras que la masa y el tamaño de la sección influyen en la velocidad de enfriamiento y, por tanto, en la microestructura.

Para las decisiones de aceptación, la resistencia a la tracción derivada de la dureza debe etiquetarse como una estimación y acompañarse de la escala medida, la norma de ensayo, la ubicación, el grado del material, la condición del tratamiento térmico, la población de calibración y la incertidumbre esperada. Si un plano o una especificación del material exige una resistencia a la tracción, la evidencia adecuada es un ensayo de tracción realizado conforme a la norma aplicable, no un número convertido elegido porque parece cercano al requisito. La dureza puede servir para cribar, comparar y monitorizar. Por sí sola, no puede demostrar el comportamiento completo a la tracción de una pieza de acero.

Geometría, tamaño, masa y ubicación del ensayo

Un valor de dureza describe la respuesta de un volumen determinado de material situado bajo un penetrador determinado. No describe únicamente la composición. Dos probetas cortadas del mismo acero tratado térmicamente pueden producir lecturas diferentes cuando una de ellas es delgada, cuenta con un apoyo insuficiente, es curva, rugosa, descarburada o se mide cerca de una indentación anterior. Por lo tanto, el valor medido puede cambiar aunque la aleación y el tratamiento térmico no lo hayan hecho.

Esto es importante antes de intentar cualquier conversión. Una tabla de conversión puede relacionar una medición válida de Brinell, Rockwell o Vickers con un valor aproximado en otra escala; no puede corregir una indentación distorsionada por flexión, vibración, daños superficiales o una ubicación de ensayo inadecuada. El informe técnico de SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) recalca específicamente que las relaciones precisas deben desarrollarse para la composición, el tratamiento térmico y la pieza de acero concretos, ya que el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento afectan al resultado.

Espesor mínimo y distancia al borde

La pieza de ensayo debe tener un espesor suficiente para que la zona de deformación plástica situada bajo la indentación no alcance la superficie opuesta. Si lo hace, el material de apoyo deja de restringir la indentación del mismo modo que en una probeta maciza. El penetrador puede penetrar más, o la geometría de contacto puede cambiar, produciendo un valor de dureza inferior o sesgado de otro modo con respecto al de una sección suficientemente gruesa. El espesor mínimo permitido depende de la escala de dureza, el penetrador, la fuerza aplicada y el intervalo de dureza; una lámina delgada adecuada para un ensayo Rockwell superficial puede no ser adecuada para un ensayo Rockwell estándar o Brinell.

Las piezas pequeñas plantean un problema relacionado. Un componente de poca masa puede moverse, inclinarse o deformarse elásticamente bajo la fuerza de ensayo. Incluso un desplazamiento pequeño cambia la profundidad de penetración en un ensayo Rockwell y puede afectar a la medición del diámetro en un ensayo Brinell. El dispositivo de sujeción puede parecer firme mientras la propia pieza se dobla. Las bridas delgadas, las nervaduras estrechas y las paredes de las secciones huecas son especialmente sensibles.

La distancia a un borde también es importante. Una indentación colocada demasiado cerca de un borde tiene menos material circundante para resistir el flujo plástico. El material puede abombarse hacia el borde libre, y la diagonal medida o la profundidad de la indentación pueden apartarse del comportamiento de una indentación realizada sobre una superficie sin restricciones. El mismo problema se aplica a los orificios, las ranuras, los chaveteros y los cambios bruscos de sección. Una lectura junto a una ranura mecanizada no es automáticamente representativa del área plana adyacente.

Las indentaciones cercanas también pueden interferir. La deformación plástica de una indentación anterior deja una región localmente endurecida y desplazada. Si la siguiente indentación está demasiado cerca, su tamaño o profundidad pueden cambiar. Los requisitos de separación varían según el método y la dureza, por lo que debe prevalecer la norma aplicable y no una regla práctica conveniente. Una secuencia de lecturas muy próximas puede dar una falsa impresión de repetibilidad porque cada ensayo influye en el siguiente.

Apoyo, curvatura y masa del componente

El yunque de apoyo forma parte del sistema de medición. Un apoyo duro, estable y correctamente asentado limita el movimiento y proporciona la fuerza de reacción necesaria para una indentación controlada. Un respaldo deformable, cascarilla atrapada, rebaba, fragmento de pintura o dispositivo de sujeción irregular permite un asentamiento local. En ese caso, el penetrador mide la respuesta combinada del acero, el apoyo y cualquier material situado entre ambos.

La vibración produce un efecto similar. Realizar el ensayo junto a una prensa, una rectificadora o una máquina herramienta puede perturbar la aplicación de la fuerza o la medición de la profundidad. En un componente ligero, la vibración puede verse amplificada por la propia flexibilidad de la pieza. Una lectura obtenida en un bloque macizo y otra obtenida en un componente delgado apoyado sobre un dispositivo flexible no son equivalentes simplemente porque ambas utilicen la misma escala Rockwell.

La curvatura cambia la geometría de contacto. En una superficie convexa, el penetrador entra en contacto con una cantidad menor de material circundante que sobre una superficie plana, y la superficie puede desviarse alejándose de la carga. En una superficie cóncava, el acceso y la alineación pueden ser igualmente problemáticos. El radio de curvatura en relación con el tamaño de la indentación es importante: una curva amplia y poco pronunciada puede tener un efecto reducido, mientras que un eje o tubo de radio pequeño puede producir un sesgo considerable. El penetrador debe estar normal a la superficie local, no simplemente alineado con el componente en su conjunto.

Las piezas cilíndricas también plantean dudas sobre la ubicación. Una lectura en la parte superior de un eje, cerca de su lateral o sobre una superficie de ensayo aplanada puede representar condiciones de confinamiento diferentes. Si se mecaniza una superficie plana para realizar el ensayo, su eliminación puede dejar expuesta una profundidad diferente y quizá ya no represente la superficie de trabajo. El informe del ensayo debe identificar la ubicación, la orientación, el espesor de la sección y la condición de apoyo, de modo que las lecturas posteriores puedan compararse de forma significativa.

Estas restricciones se aplican con mayor rigor a las estimaciones convertidas de dureza y resistencia. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos los aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. ASTM declara que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura de grano y el tratamiento térmico». Un error inducido por la geometría no desaparece al seleccionar otra columna de esa tabla.

Preparación superficial y descarburización

El estado de la superficie puede alterar el resultado antes de que el penetrador alcance un acero representativo. La cascarilla de óxido, el óxido de corrosión, los recubrimientos, la pintura, las marcas de mecanizado y la rugosidad superficial interfieren en el asentamiento y en la medición óptica de una huella Brinell o Vickers. Una superficie rugosa puede dificultar la localización de los bordes de una indentación pequeña, mientras que un fragmento de óxido suelto puede colapsar bajo la carga. El método de preparación debe eliminar la contaminación sin modificar el estado metalúrgico que se pretende medir.

El rectificado no es automáticamente inocuo. Un rectificado intenso puede generar una capa afectada por el calor, un revenido local, tensiones residuales o una capa endurecida por deformación. Una presión excesiva puede crear una superficie más dura o más blanda que el material situado debajo. La refrigeración, las pasadas ligeras y una eliminación suficiente de material ayudan a reducir este riesgo, pero la profundidad necesaria depende del proceso y del componente. Una superficie pulida puede mejorar la medición óptica y, aun así, representar material dañado si la preparación fue demasiado agresiva.

El tratamiento térmico también puede crear gradientes de dureza intencionados o accidentales. Una capa cementada es más dura que su núcleo de bajo contenido de carbono, y una indentación poco profunda puede medir únicamente la capa. A medida que la indentación aumenta en tamaño o profundidad, el sustrato más blando empieza a influir en el resultado. En ese caso, una conversión basada en acero homogéneo no es adecuada. La descarburización produce el efecto contrario: el calentamiento en una atmósfera descarburante puede eliminar carbono de la superficie y dejar una capa blanda sobre un acero más duro. En consecuencia, un ensayo de dureza superficial puede no cumplir una especificación aunque el interior sí la cumpla, o puede parecer aceptable si la fuerza de ensayo penetra más allá de la capa.

Las mediciones locales requieren aún más cuidado. El metal de soldadura, la línea de fusión y la zona afectada por el calor pueden contener microestructuras y gradientes de dureza diferentes a lo largo de distancias muy cortas. Una huella Brinell convencional puede ser demasiado grande para aislar una zona, mientras que un ensayo de micro-Vickers o Knoop puede resolver el gradiente, pero exige una mejor preparación y un control más estricto de la separación. El informe debe indicar si el valor procede del metal de soldadura, de la zona afectada por el calor (HAZ), del metal base no afectado o de una distancia especificada respecto a la línea de fusión.

ISO 18265:2013 establece principios para convertir escalas de dureza y estimar la resistencia a la tracción, pero señala que los valores convertidos se aplican directamente únicamente al material exacto ensayado e identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables. El estudio de NIST sobre las relaciones empíricas Rockwell–Brinell (1929) determinó que, a menudo, la resistencia a la tracción del acero puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales; este hallazgo no convierte una lectura superficial de una pieza curva y descarburada en un ensayo de tracción. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A identificó la relación aproximada $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para algunos metales dúctiles de alta resistencia, aunque mostró que la proporción depende de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación. La geometría y la preparación deben controlarse primero. De lo contrario, la conversión añade una precisión aparente a una medición que nunca representó el volumen de material previsto.

Gradientes de dureza, profundidad de capa y acero soldado o procesado

La conversión de dureza se vuelve especialmente incierta cuando la dureza cambia a lo largo de unas pocas décimas de milímetro. Los aceros cementados, nitrurados, endurecidos por inducción, procesados con láser, soldados y fabricados aditivamente pueden contener varias regiones microestructurales dentro del tamaño de una sola huella o del espaciamiento utilizado para la inspección rutinaria. Una «resistencia a la tracción convertida» proporciona entonces una falsa impresión de uniformidad. Puede describir únicamente la superficie ensayada, una huella influida por dos zonas o un promedio que oculta la región que controla la fisuración, el desgaste o la deformación.

ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales (2012), proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos los aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. Su advertencia es fundamental en este caso: «Las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico». Un gradiente añade otra variable: la ubicación. ISO 18265:2013 establece que los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado, mientras que las estimaciones de resistencia a la tracción son el tipo de conversión menos fiable. Por lo tanto, un valor local de dureza puede ser útil para verificar un proceso sin constituir una estimación defendible de la resistencia a la tracción del material masivo de la pieza.

Perfiles de endurecimiento superficial

La cementación crea una superficie enriquecida en carbono que normalmente se transforma en martensita de alto contenido de carbono después del temple, mientras que el núcleo, con menor contenido de carbono, conserva una respuesta de templabilidad y una tenacidad diferentes. La nitruración produce una capa de compuestos y una zona de difusión cuya dureza disminuye con la profundidad; el perfil depende de la composición química del acero, el potencial de nitruración, la temperatura, el tiempo y el revenido previo. El endurecimiento por inducción produce una capa martensítica templada rápidamente sobre una región de transición y un núcleo más blando. El endurecimiento o la aleación con láser pueden crear zonas aún más estrechas y de forma irregular, especialmente cuando varían la superposición de los barridos, la velocidad de enfriamiento o la dilución.

La dureza superficial y la dureza del núcleo responden a preguntas diferentes. Una medición cerca de la superficie puede verificar que una capa cementada alcanzó una dureza especificada, pero no puede sustituir a las propiedades de tracción del núcleo con bajo contenido de carbono. A la inversa, una medición en el núcleo dice poco sobre la resistencia a la fatiga de contacto o al desgaste adhesivo en la superficie de trabajo. Un único resultado Rockwell C en una capa delgada es especialmente vulnerable a la influencia del sustrato: el campo de deformación se extiende por debajo de la capa endurecida, por lo que el núcleo más blando puede reducir el valor aparente. Una curvatura superficial excesiva, un soporte insuficiente o una capa de compuestos rugosa pueden añadir errores adicionales.

Normalmente, se obtiene un perfil preparando una sección transversal, puliéndola cuidadosamente y colocando huellas Vickers a profundidades medidas desde la superficie. La carga de ensayo debe producir huellas suficientemente grandes para medirlas de forma fiable, pero lo bastante pequeñas para resolver el gradiente. Las huellas colocadas demasiado lejos entre sí no detectan la transición; las colocadas demasiado cerca interactúan a través de campos de deformación plástica superpuestos. ISO 6507-1 y ASTM E384 especifican requisitos para los ensayos Vickers y Knoop, incluidos los límites relativos al espaciamiento, los bordes y la medición. Deben registrarse la norma aplicable y la fuerza de ensayo, en lugar de informar simplemente de «microdureza».

La profundidad de capa no es simplemente la profundidad del punto más duro. La profundidad efectiva de capa se define comúnmente como la profundidad a la que la dureza desciende hasta un valor límite especificado, pero dicho valor depende de la especificación del producto, del acero y del método. Un informe válido debe identificar la preparación superficial, la fuerza de ensayo, el tipo de penetrador, el origen de la profundidad, el espaciamiento entre huellas, la escala de dureza y el criterio utilizado para la profundidad efectiva. Una curva de aspecto uniforme no elimina la incertidumbre; la dispersión puede reflejar la distribución de carburos, la austenita retenida, la descarburación local o la resolución de la medición.

Metal de soldadura y zonas afectadas por el calor

Una sección transversal de una soldadura es una sucesión de zonas, no un único material. El metal de soldadura por fusión puede diferir en composición y estructura de solidificación de la placa base. Inmediatamente a su lado, la zona afectada por el calor (ZAC) puede contener regiones de grano grueso, grano fino, intercríticas y subcríticas. En los aceros al carbono y de baja aleación, una ZAC de grano grueso enfriada rápidamente puede formar martensita o bainita duras, mientras que una región revenida o intercrítica puede ser más blanda y susceptible al reblandecimiento local. El sobreespesor de soldadura, la raíz, el límite de fusión y el metal base no afectado pueden producir lecturas diferentes.

La posición de la huella es importante. Una huella centrada en el límite de fusión puede muestrear un campo de deformación mixto del metal de soldadura y de la ZAC, por lo que su valor no puede atribuirse con confianza a ninguna de las dos zonas. La primera huella debe estar suficientemente alejada de la línea de fusión y del borde de la probeta para cumplir la norma de ensayo aplicable, pero la fila debe seguir estando lo bastante cerca para resolver la zona más estrecha. Un mapa práctico utiliza una cuadrícula o un recorrido documentado, con un espaciamiento menor a través del límite de fusión y de las transiciones de dureza que en el metal base uniforme. El espaciamiento exacto debe ajustarse al método seleccionado y a la especificación de aceptación; no debe elegirse únicamente por comodidad.

La dureza de la soldadura se comprueba a menudo para el control del proceso, la evaluación del riesgo de fisuración inducida por hidrógeno o la confirmación de un procedimiento de soldeo cualificado. Ese objetivo no la convierte en un ensayo de tracción. Una dureza local elevada en la ZAC puede indicar una estructura martensítica y una mayor susceptibilidad a la fisuración, mientras que un valor bajo puede indicar un revenido excesivo o una pérdida de resistencia. Ninguno de estos resultados establece la resistencia a la tracción de la unión soldada completa. La resistencia de la unión también depende de la geometría de la soldadura, los defectos, las tensiones residuales, la restricción, la tenacidad y la región local más débil.

Cartografía de la dureza local sin promedios engañosos

La cartografía de dureza debe conservar la ubicación en lugar de reducir todas las lecturas a una única media. Registre las coordenadas desde una superficie de referencia o desde la línea central de la soldadura, identifique la zona microestructural y muestre los valores individuales o un perfil de profundidad representado gráficamente. La media puede ocultar un máximo o un mínimo estrecho: diez lecturas en el metal base blando pueden eclipsar dos lecturas críticas en una ZAC frágil. Si se requiere un promedio, informe junto con él del intervalo, la desviación estándar, el número de lecturas y las reglas de exclusión.

El mismo principio se aplica a los cordones procesados con láser y al acero fabricado aditivamente. Los límites de los baños de fusión, las interfaces entre capas, las rotaciones del barrido, los defectos por falta de fusión, la porosidad y las bandas recalentadas pueden producir una dureza dependiente de la dirección. Una cuadrícula superficial puede no detectar una banda subsuperficial; una sección transversal puede no detectar la variación a lo largo de la trayectoria de barrido. Por lo tanto, cuando sea plausible la anisotropía, las mediciones deben seguir la geometría del proceso en más de una dirección.

La dureza medida directamente sigue siendo el resultado principal. Un valor Brinell, Rockwell o Vickers convertido debe etiquetarse como convertido y vincularse a la tabla especificada, al estado del material y a la ubicación del ensayo. El estudio de NIST de 1929 concluyó que la resistencia a la tracción del acero podía estimarse a menudo a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, y un estudio de 2023 encontró una relación Brinell generalmente lineal para aceros estructurales no aleados en estado bruto o normalizado. Estos resultados no validan la conversión de una capa endurecida, una ZAC o una superficie procesada aditivamente en una resistencia a la tracción del material masivo. Incluso la relación aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS indicada en un estudio de 2012 de Materials Science and Engineering: A se aplica a algunos materiales metálicos de alta resistencia y dúctiles, no a todos los aceros ni a todas las microestructuras. Cuando el diseño, la aceptación o la evaluación de fallos dependa de las propiedades de tracción, realice un ensayo de tracción sobre material representativo.

Cómo elegir una conversión para un acero específico

Una conversión de dureza debe comenzar con el resultado medido, no con el número exigido por una especificación. Registre exactamente la escala original —por ejemplo, 220 HBW, 32 HRC, 410 HV o 72 HRA— junto con el método de ensayo, el penetrador, la fuerza de ensayo, la preparación de la superficie y la ubicación de la medición. «Dureza» sin una escala es información incompleta. Un valor convertido no es una segunda medición; es una estimación producida mediante una relación empírica.

Identificar el grado, la forma del producto y la condición

Primero identifique el acero con la mayor precisión que permitan los registros disponibles. Una designación como AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 o ASTM A681 W1 describe una familia de materiales, pero por sí sola no establece la relación de dureza. La composición química dentro del intervalo de una especificación puede modificar la respuesta a la indentación, y dos productos con el mismo grado nominal pueden presentar distintas distribuciones de carbono, tamaños de grano, inclusiones o fases retenidas.

Registre la forma del producto: placa, chapa, barra, alambre, tubo, pieza forjada, pieza fundida, conjunto soldado o componente mecanizado. El espesor y el tamaño local de la sección son importantes porque la indentación debe estar respaldada por una cantidad suficiente de material. Una indentación Brinell en una pieza forjada gruesa de acero 4140 muestrea un volumen mayor que una huella Vickers cerca de la superficie de una chapa de 1 mm. Los dos resultados pueden no representar la misma región microestructural, aunque ambos se notifiquen como números de dureza.

La condición es igualmente importante. Indique si el material está recocido, normalizado, templado y revenido, tratado por precipitación, trabajado en frío, cementado, nitrurado, endurecido por inducción o sometido a cualquier otro tratamiento superficial. Por ejemplo, el AISI 1045 normalizado y el AISI 1045 templado y revenido pueden presentar estructuras de ferrita–perlita o martensíticas diferentes y, por tanto, relaciones distintas entre dureza y resistencia a la tracción. Un componente de AISI 8620 cementado puede mostrar una dureza superficial elevada mientras su núcleo permanece mucho más blando. Una conversión basada en un acero homogéneo no constituye una descripción válida de ese gradiente.

El registro también debe indicar si el ensayo se realizó sobre una superficie rectificada, pulida, descarburada, oxidada, revestida o granallada. Las capas superficiales pueden dominar el resultado de un ensayo Vickers, Knoop o Rockwell superficial de poca profundidad. Por el contrario, una indentación Brinell grande puede promediar la capa superficial con el núcleo subyacente. Si la ubicación medida está cerca de una soldadura, una zona afectada por el calor, un borde, un orificio o un doblez, dicha ubicación debe formar parte del resultado.

ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, establece que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico» (ASTM International, 2012). Esta advertencia es una regla de selección, no simplemente una salvedad general. Una entrada de tabla para aceros al carbono, aleados o de herramientas homogéneos no debe aplicarse automáticamente a una capa endurecida superficialmente, una microestructura dúplex o una zona de soldadura.

Hacer corresponder las escalas original y de destino

A continuación, determine qué se pretende comunicar con el valor de destino. Convertir 32 HRC en aproximadamente 300 HBW es una comparación entre escalas. Convertir 32 HRC en una resistencia a la tracción estimada es una operación diferente y menos fiable. El primer resultado debe notificarse como dureza convertida; el segundo, como resistencia a la tracción estimada, indicando su fundamento y sus limitaciones.

Elija la escala de ensayo en función de la geometría y la condición del material antes de elegir una tabla de conversión. Brinell, especificado por ASTM E10 o ISO 6506-1, suele ser adecuado para aceros suficientemente gruesos y relativamente homogéneos, porque su indentación más grande promedia las variaciones locales. Es poco adecuado para una sección estrecha, una pared delgada, un radio pequeño o una superficie cercana a un borde. Las escalas Rockwell, contempladas por ASTM E18 o ISO 6508-1, proporcionan resultados rápidos, pero la escala seleccionada debe ser adecuada para la dureza y el espesor del material. Rockwell C no es un sustituto general para todos los ensayos de acero; los aceros más blandos pueden requerir Rockwell B, mientras que las secciones delgadas o las capas endurecidas de poca profundidad pueden requerir una escala Rockwell superficial.

El ensayo Vickers conforme a ASTM E384 o ISO 6507-1 es útil cuando el área disponible es pequeña o cuando es necesario medir la dureza a través de la profundidad de una capa endurecida o de una soldadura. El ensayo Knoop puede ser preferible para capas muy delgadas o regiones estrechas, porque su huella alargada permite realizar mediciones localizadas. El ensayo portátil Leeb puede ser útil para componentes grandes que no pueden trasladarse a una máquina fija, pero la condición de la superficie, la masa del componente, la curvatura, el apoyo, la dirección del impacto y la calibración afectan al resultado. Por tanto, una conversión de Leeb a Rockwell debe estar vinculada al dispositivo Leeb autorizado y a la clase de material, y no tratarse como intercambiable con un ensayo Rockwell directo.

La mecánica de la indentación también limita la comparación. Las distintas escalas imponen diferentes formas de penetrador y fuerzas, y producen distintas zonas plásticas. Una conversión solo funciona en la medida en que el acero ensayado se comporte como los materiales utilizados para establecer la relación. Un valor elevado de dureza próximo al límite superior de una escala puede no convertirse de forma fiable a otra escala, aunque ambas lecturas se encuentren técnicamente dentro de sus intervalos nominales.

La relación entre la dureza y la resistencia a la tracción es especialmente condicionada. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A identificó la relación aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, pero también informó que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación. La expresión no es una ecuación universal para los aceros. Del mismo modo, un estudio de 2023 sobre aceros estructurales sin alear históricos y contemporáneos encontró una relación generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción en aceros en estado bruto o normalizado. Este hallazgo no establece la misma relación para un acero 4340 templado y revenido, un 4140 nitrurado o un acero martensítico para herramientas.

Comprobar el alcance y el intervalo de la norma

Después de identificar el material y seleccionar las escalas, lea el alcance y las notas de la norma aplicable. ASTM E140-12 proporciona relaciones aproximadas entre los valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos los aceros al carbono, aleados y de herramientas homogéneos. La tabla debe abarcar tanto la categoría de material pertinente como el intervalo de dureza medido. No extrapole más allá de sus extremos simplemente porque la tendencia numérica parezca uniforme.

ISO 18265:2013 establece principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción. Indica que los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado e identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables. Esto hace que el grado, la condición y el historial del producto sean pruebas esenciales cuando se cita una tabla ISO.

Las tablas publicadas son más defendibles cuando el acero es química y metalúrgicamente similar a la población que sirvió de base para la tabla, el ensayo se encuentra claramente dentro del intervalo indicado, la geometría de la probeta cumple los requisitos del método original y el resultado no se utiliza como certificado de propiedades de tracción. Una conversión de tabla puede ser adecuada para el control del proceso o para una comparación preliminar. Por sí sola, no es adecuada cuando un contrato, una evaluación de seguridad o un cálculo de diseño depende del límite elástico, la resistencia última a la tracción o el comportamiento frente a la fractura.

Para decisiones críticas, realice una correlación de laboratorio. Ensaye piezas representativas —o probetas adyacentes de la misma colada, forma de producto, espesor y lote de tratamiento térmico— utilizando el método de dureza original y el método de destino deseado, o bien un ensayo de tracción. Las mediciones emparejadas deben abarcar el intervalo operativo real, incluir lecturas repetidas y analizarse mediante límites de predicción, no mediante una única línea ajustada. El informe técnico de SAE Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza (1967) expone directamente el punto central: las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición, el tratamiento térmico y la pieza de acero específicos, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento afectan a la relación. Un estudio de NIST de 1929 constató que la resistencia a la tracción del acero podía estimarse con frecuencia a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, pero ese resultado respalda una estimación práctica, no una ley universal.

Notifique primero el valor medido original, seguido del valor convertido, la tabla o el modelo utilizados, la condición del material y una incertidumbre o salvedad. Por ejemplo: «Medido: 32 HRC; aproximadamente 302 HBW utilizando ASTM E140-12 para acero aleado, sujeto al intervalo de la tabla y a las limitaciones del material». Si se infiere la resistencia a la tracción, indíquelo explícitamente como estimada. Cuando la propiedad controle la aceptación o el diseño, realice el ensayo de tracción propiamente dicho.

Validación, incertidumbre y decisiones de aceptación

Una conversión de dureza solo es defendible cuando su base se asemeja al material que se está evaluando. La comparación pertinente no es entre un número de dureza aislado y un valor de tabla; es entre la dureza medida y el comportamiento medido a tracción de un material que comparte el mismo grado, tratamiento térmico, tamaño de sección e historial de fabricación. Una conversión desarrollada a partir de una placa normalizada no debe aplicarse automáticamente a una barra templada y revenida, una chapa sometida a trabajo en frío, piezas cementadas o material afectado por soldadura, incluso cuando el grado químico nominal sea idéntico.

Ensayos pareados y regresión

La validación comienza con probetas pareadas o ubicaciones pareadas de material representativo. Se debe medir la dureza utilizando el método especificado —como Brinell, Rockwell o Vickers— y realizar ensayos de tracción conforme a la norma de tracción aplicable, sobre material procedente de la misma colada, forma de producto, orientación, intervalo de espesores y ruta de procesamiento. El plan de ensayos debe conservar la condición relevante para el servicio: una barra de 42CrMo4 en estado templado y revenido no está adecuadamente representada por 42CrMo4 recocido no relacionado, y una placa ASTM A36 no debe agruparse con un grado estructural normalizado de mayor resistencia simplemente porque ambos sean aceros al carbono.

El procedimiento de dureza debe controlarse antes de ajustar cualquier relación. Se deben registrar la escala, el penetrador, la fuerza de ensayo, el tiempo de permanencia, la preparación superficial, la separación entre ensayos y la distancia a los bordes o a las zonas curvas. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, abarca relaciones aproximadas entre los valores de dureza Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. ASTM establece que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico». Esta afirmación constituye una limitación de la tabla, no una salvedad menor.

Intervalo de predicciónIntervalo de predicción Intervalo que expresa el rango previsto para un resultado individual futuro, incluida tanto la incertidumbre del modelo como la dispersión entre materiales.

A continuación, una regresión puede relacionar las magnitudes medidas. Dependiendo de los datos, un modelo lineal puede ser adecuado en un intervalo limitado:

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

donde $R_m$ es la resistencia a la tracción medida y $H$ es la dureza medida en una escala especificada. Puede ser necesario utilizar un modelo no lineal, un modelo específico para un grado o modelos separados para distintos tratamientos térmicos. El modelo debe ajustarse a observaciones pareadas, no a valores de dureza copiados de una tabla de conversión. Se deben informar el número de coladas, el número de probetas por colada, el intervalo de dureza, el intervalo de tracción, las estimaciones de los coeficientes, la desviación estándar residual y los intervalos de confianza para la media ajustada y para una predicción individual.

La distinción entre esos intervalos es importante. Un intervalo de confianza en torno a la resistencia a la tracción media predicha describe la incertidumbre de la relación media estimada. Un intervalo de predicción individual también incluye la dispersión entre probetas, por lo que es más amplio. Las decisiones de aceptación conciernen al material individual, no a una media abstracta. Por tanto, una línea de regresión estrecha puede coexistir con un intervalo de predicción demasiado amplio para respaldar un límite de especificación.

El sesgo debe comprobarse por separado de la dispersión. Si la resistencia a la tracción convertida es sistemáticamente superior a los resultados directos de tracción, la conversión presenta un sesgo positivo y puede aceptar erróneamente material débil. Se deben comparar los residuos en función de la dureza, la colada, el espesor de la sección, la orientación y el lote de tratamiento térmico. Un gráfico de residuos puede revelar curvatura, varianza cambiante o un grupo asociado a una carga de horno. Un único coeficiente de correlación global no pondrá de manifiesto esos efectos.

Los valores atípicos requieren investigación, no eliminación automática. Un resultado extremo puede deberse a una huella situada incorrectamente, una preparación superficial deficiente, un defecto de la probeta de tracción, un error de transcripción o una segregación y variación microestructural genuinas. Su exclusión solo está justificada por una razón técnica documentada y, cuando sea posible, por un ensayo repetido. De lo contrario, el valor atípico forma parte de la relación que el procedimiento de aceptación debe ser capaz de soportar.

La evidencia histórica explica por qué pueden funcionar los modelos restringidos. Un estudio de 2023 publicado en Materials Today: Proceedings encontró una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción para aceros estructurales históricos y contemporáneos no aleados, en estado bruto o normalizado. Este hallazgo no establece la misma recta para aceros aleados, templados y revenidos, endurecidos por precipitación, cementados o sometidos a un trabajo en frío intenso. Del mismo modo, un estudio de NIST de 1929 informó que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, pero una estimación útil para el cribado no constituye una ley universal del material.

Repetibilidad, reproducibilidad e incertidumbre

La repetibilidad describe la variación que se produce cuando el mismo operador utiliza el mismo instrumento y método en ubicaciones suficientemente similares y bajo condiciones estrechamente controladas. La reproducibilidad es más amplia: incluye cambios de operador, instrumento, laboratorio, día o configuración de ensayo. Estos componentes no deben confundirse con la dispersión de la relación entre dureza y resistencia.

Por ejemplo, cinco huellas Vickers repetidas pueden mostrar poca variación, lo que indica una buena repetibilidad, mientras que los resultados directos de tracción de probetas nominalmente similares pueden variar considerablemente debido al espaciamiento de la ferrita y la perlita, el revenido de la martensita, la bandeación, las inclusiones o la segregación local. A la inversa, un material estable puede mostrar una repetibilidad deficiente porque la superficie es rugosa, la pieza es demasiado delgada, la huella está demasiado cerca de un borde o el penetrador o la verificación de la fuerza presentan defectos. El primer problema pertenece al modelo de conversión; el segundo pertenece principalmente al sistema de medición.

Un presupuesto de incertidumbre debe incluir la calibración, la resolución del instrumento, los efectos del operador y del laboratorio, los efectos de la superficie y la geometría, el muestreo y la variación residual de la relación empírica. Por tanto, un resultado convertido no es simplemente «dureza medida ± incertidumbre del instrumento». También contiene la incertidumbre de la propia conversión. ISO 18265:2013 especifica principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción, al tiempo que advierte que «los valores convertidos son directamente aplicables únicamente al material exacto ensayado». También identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables.

El muestreo suele dominar el resultado. Una huella de dureza toma muestras de un volumen pequeño, mientras que una probeta de tracción toma muestras de un volumen mucho mayor y con una orientación diferente. Varias lecturas tomadas de una única superficie conveniente no representan una pieza forjada, una placa, un conjunto soldado o una bobina completos. El muestreo debe abarcar las coladas, ubicaciones, espesores y orientaciones que el proceso de producción pueda generar. Si una relación solo se valida en material de la línea central, no debe regir implícitamente regiones endurecidas superficialmente o descarburadas.

La misma cautela se aplica a las fórmulas sencillas. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A identificó la relación aproximada $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia. No obstante, la relación entre dureza y resistencia depende de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación. Tratar esa expresión como una ecuación general para aceros puede producir un resultado de apariencia precisa sin una declaración de incertidumbre defendible.

Cuándo la conversión no es adecuada para la aceptación

La conversión no es adecuada cuando la especificación exige la resistencia a la tracción y la conversión no ha sido validada para el producto y la condición exactos. Los ensayos directos de tracción, realizados conforme a la norma de material aplicable, deben controlar siempre que la aceptación dependa del límite elástico, la resistencia a la tracción, el alargamiento, la reducción de área o una propiedad de tracción relacionada. Un valor convertido puede respaldar el seguimiento del proceso, la clasificación o la investigación, pero no debe sustituir al ensayo de aceptación simplemente porque la dureza se determine más rápidamente.

Se requiere especial cautela cerca de un límite de especificación. Supóngase que una norma de material exige una resistencia a la tracción mínima $R_m$, y que una tabla de dureza produce un equivalente aparentemente exacto. La tabla no transforma ese mínimo en un límite exacto de dureza. El redondeo, el sesgo del modelo, la incertidumbre de predicción y la variación del muestreo pueden desplazar el material a uno u otro lado del límite. Por tanto, un valor de dureza ligeramente superior al umbral convertido puede tener una probabilidad significativa de incumplir el requisito de tracción directa; un valor ligeramente inferior no demuestra necesariamente el incumplimiento.

La norma aplicable también determina si la conversión está permitida. ISO 18265:2013 y ASTM E140-12 proporcionan principios o relaciones tabuladas aproximadas, no una autorización general para sustituir un ensayo por otro. El informe técnico de SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, también hace hincapié en que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición del acero, el tratamiento térmico y la pieza concretos, ya que el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento influyen en la relación.

Los procedimientos de aceptación deben indicar si el número comunicado es dureza medida, dureza convertida o resistencia a la tracción estimada. Estas denominaciones no deben confundirse. Si una conversión de cribado indica un posible incumplimiento, se debe realizar el ensayo directo especificado o una investigación aprobada. Si no se dispone de resultados de tracción, se debe comunicar la conversión junto con su fuente, alcance material, incertidumbre y limitaciones, en lugar de presentarla como una propiedad de tracción garantizada.

Errores comunes en las tablas de conversión de dureza

Las tablas de conversión de dureza solo son útiles cuando el valor medido, el material, la condición y el método de ensayo se encuentran dentro de la base sobre la que se elaboró la tabla. Un resultado convertido no constituye una segunda medición. Es una estimación derivada de una relación empírica, normalmente con una dispersión que aumenta cuando el material o las condiciones de ensayo difieren de los utilizados para establecer dicha relación.

La norma ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, escleroscópica y Leeb para determinados metales. Su alcance incluye aceros al carbono homogéneos, aceros aleados y aceros para herramientas, pero las tablas no eliminan las diferencias entre estas clases. ASTM declara que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico» (ASTM International, 2012). La norma ISO 18265:2013 señala el mismo aspecto práctico: los valores convertidos se aplican directamente solo al material exacto ensayado, mientras que las estimaciones de resistencia a la tracción son el tipo de conversión menos fiable (ISO, 2013).

Tratar números equivalentes como intercambiables

Una entrada de tabla como 40 HRC ≈ 375 HBW no significa que una lectura de 40 HRC y una lectura de 375 HBW sean datos intercambiables. La primera es un resultado medido en la escala Rockwell C, obtenido con un penetrador cónico de diamante, una carga menor especificada y una carga mayor especificada. La segunda es un valor Brinell asociado a una bola de carburo, una fuerza definida y un diámetro de huella. Son estimaciones relacionadas, no observaciones duplicadas.

Esta distinción es importante en los registros de inspección. Si un plano exige 35–40 HRC, un resultado Brinell convertido a ese intervalo puede servir para una evaluación preliminar, pero no necesariamente satisface un requisito redactado para un ensayo Rockwell C. La conversión puede ocultar una diferencia causada por la profundidad de la huella, la microestructura local, el estado de la superficie o la dispersión del ensayo. Una medición directa de HRC es la evidencia adecuada cuando el método de aceptación especificado es Rockwell C.

También es común el error inverso: convertir HRC a HBW fuera del intervalo de la tabla y presentar el número extrapolado como si estuviera tabulado. Una relación calibrada, por ejemplo, entre 20 y 50 HRC no debe extenderse despreocupadamente hasta una superficie de acero para herramientas con 62 HRC. A durezas elevadas, la mecánica de la indentación y las poblaciones de carburos pueden modificar bruscamente la relación. Los extremos de una tabla no son límites exactos del material; son los límites de los datos publicados o de la correlación recomendada. Un valor que supera ligeramente un extremo no es automáticamente inválido, pero carece de respaldo en esa tabla y requiere un método adecuado al intervalo de dureza real.

La medición original debe seguir siendo visible. «420 HBW convertido a 44 HRC» es sustancialmente mejor que informar simplemente «44 HRC», porque indica al lector que no se realizó ningún ensayo Rockwell. Un registro adecuado incluye la escala medida, la escala convertida, la norma de ensayo, la ubicación y la condición del material o del tratamiento térmico.

Mezclar escalas, unidades y condiciones del penetrador

Las designaciones de dureza contienen información sobre el ensayo. Las escalas HRC, HRB y Rockwell superficial no son versiones intercambiables de un mismo número Rockwell. HRC utiliza un penetrador de diamante y una carga mayor de 150 kgf; HRB generalmente utiliza un penetrador de bola y una carga mayor de 100 kgf. Las escalas Rockwell superficiales utilizan fuerzas menores y tienen sus propias designaciones, como 30N o 30T. Omitir el sufijo puede convertir un resultado trazable en un resultado ambiguo.

La misma advertencia se aplica a la designación Brinell. HBW identifica una bola de carburo de tungsteno, mientras que los registros antiguos pueden utilizar las convenciones HB o HBS, que no proporcionan la misma información sobre el penetrador. Un resultado Brinell también depende del diámetro de la bola, la fuerza de ensayo, el tiempo de permanencia y la relación entre la fuerza y el diámetro de la huella. Dos valores escritos como «HB» pueden no haber sido obtenidos en condiciones equivalentes.

La dureza Vickers, escrita como HV e incluyendo habitualmente la fuerza de ensayo en la designación, es otra fuente frecuente de errores. HV es un número de dureza, no un valor de resistencia a la tracción. Una afirmación como «el acero de 650 HV tiene una resistencia a la tracción de 650 MPa» confunde magnitudes no relacionadas y puede ser errónea por un margen considerable. Para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, una investigación ha identificado la relación aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, pero el mismo estudio informa de que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación (Materials Science and Engineering: A, 2012). Por tanto, la expresión es una aproximación empírica restringida, no una ley de conversión.

Las unidades introducen otra trampa. La dureza Brinell no es un valor de tensión, aunque su definición numérica contenga fuerza y área. La resistencia a la tracción puede expresarse en MPa o ksi, mientras que las escalas de dureza son números de ensayo adimensionales con significados específicos para cada escala. Una tabla que estime la resistencia a la tracción a partir de HBW debe identificarse como una estimación, indicando su fuente y el intervalo de materiales al que se aplica.

La geometría puede invalidar una escala que, por lo demás, sería adecuada. Una chapa delgada puede mostrar un resultado falsamente alto o bajo si la huella es demasiado profunda o el apoyo es insuficiente. Una pieza pequeña, una superficie curva, un borde estrecho o una capa endurecida localmente pueden no proporcionar material suficiente para la huella prevista. El informe de SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) establece que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición específica del acero, el tratamiento térmico y la pieza, porque el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento afectan la relación.

Extrapolar entre calidades o tratamientos térmicos

El error más peligroso no es aritmético. Es la sustitución no examinada del material: aplicar a un acero una relación establecida para otro simplemente porque ambos están etiquetados como «acero».

Una correlación para acero al carbono puede funcionar razonablemente para una calidad de acero al carbono simple en estado normalizado y fallar para un acero para herramientas de alta aleación, un acero inoxidable endurecible por precipitación o un acero de bajo carbono cementado. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 y AISI 17-4 PH no comparten una única relación entre dureza y resistencia. Su contenido de aleantes, las poblaciones de carburos o precipitados, la austenita retenida, el tamaño de grano y la respuesta a la deformación modifican tanto el comportamiento de indentación como el comportamiento a tracción.

El tratamiento térmico puede ser decisivo incluso dentro de una misma calidad. AISI 4140 templado y revenido, AISI 4140 recocido y AISI 4140 endurecido por inducción pueden producir la misma dureza nominal del volumen en una ubicación, aunque difieran en la distribución de resistencia, las tensiones residuales y el comportamiento frente a la rotura. El endurecimiento superficial es especialmente fácil de pasar por alto. La cementación, la nitruración, el endurecimiento por inducción y el endurecimiento por láser pueden crear una capa dura sobre un núcleo más blando. Una huella superficial Rockwell o Vickers puede medir la capa; una huella Brinell más grande puede incluir el núcleo. Convertir cualquiera de estos resultados sin registrar la profundidad y la ubicación crea una comparación falsa.

Una investigación sobre aceros estructurales no aleados históricos y contemporáneos encontró una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción para aceros en estado bruto o normalizado (Materials Today: Proceedings, 2023). Este hallazgo respalda un uso controlado dentro de una población de aceros definida; no justifica transferir la recta a un acero para herramientas endurecido o a un acero inoxidable. Un estudio del NIST de 1929 también informó de que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, aunque consideró la relación empírica y no universal (NIST, 1929).

Cuando las propiedades de tracción afectan al diseño, la cualificación de soldaduras, la evaluación de la fractura o la aceptación, se requiere un ensayo de tracción directo o una correlación validada y específica para la calidad y la condición del material. La tabla debe orientar el criterio, no sustituir el ensayo del que depende realmente la decisión.

Cómo documentar correctamente la dureza y las propiedades convertidas

Los datos de dureza deben mostrar qué se midió realmente antes de presentar cualquier conversión. Un valor de dureza sin su escala, método y condición de ensayo está incompleto: «dureza 42» podría significar 42 HRC, 42 HRB, 42 HV o 42 HBW, y esos valores no describen la misma respuesta del material. El informe también debe dejar claro si el valor procede de un ensayo de indentación, de una tabla de conversión publicada o de una estimación basada en una relación empírica con la resistencia.

Registrar primero el resultado original del ensayo

El primer valor del informe debe ser el resultado medido en su escala y designación originales. Por ejemplo:

> Dureza medida: 58 HRC, ASTM E18, acero AISI 4140, templado y revenido a 540 °C; ubicación del ensayo: mitad del radio, 10 mm por debajo de la superficie mecanizada; superficie rectificada; durómetro Rockwell calibrado, carga mayor de 150 kgf.

Esta declaración identifica un resultado obtenido mediante un ensayo Rockwell. No sustituye de forma implícita el resultado por un valor Brinell o Vickers. Si se realizaron varias indentaciones, deben notificarse las lecturas individuales o su media y rango, por ejemplo: 58, 59, 58 HRC; media de 58,3 HRC, rango de 1 HRC. El número de indentaciones y su separación pueden ser importantes cuando el material presenta un gradiente, una microestructura gruesa, descarburación o un tratamiento térmico localizado.

Siempre que sea posible, el informe debe identificar el grado de acero exactamente como se especifica en la norma de material aplicable. «4140» es menos preciso que SAE J404 Grade 4140, y «acero inoxidable» no es una descripción adecuada del grado cuando el material es UNS S30400, AISI 304 u otra designación especificada. Debe registrarse la condición de tratamiento térmico: recocido, normalizado, templado y revenido, cementado, nitrurado o en estado de recepción. Una lectura de dureza de una capa nitrurada no es intercambiable con una lectura del núcleo.

La geometría forma parte del registro porque las secciones delgadas, las piezas pequeñas, las superficies curvas y las probetas de baja masa pueden distorsionar los resultados de indentación. Deben indicarse el espesor, el diámetro, la distancia hasta un borde y si el ensayo se realizó sobre una superficie plana o curva. La preparación superficial también es importante. Deben identificarse el mecanizado, el rectificado, el pulido, la eliminación de recubrimientos y cualquier cascarilla o capa descarburada visible. Un resultado Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop o Leeb debe indicar el instrumento o, al menos, el método de ensayo, la carga, el indentador y la norma pertinente.

Indicar la norma y la base de conversión

Un valor convertido debe aparecer después de la medición original, no reemplazarla. Por ejemplo:

> Medido: 58 HRC, ASTM E18. Convertido: aproximadamente 615 HV equivalente a Rockwell según ASTM E140-12, Tabla [tabla aplicable], para el intervalo de aceros especificado; la conversión es aproximada y no constituye una medición Vickers independiente.

Debe registrarse el número de la tabla o la ecuación cuando la fuente proporcione uno. Si el resultado fue suministrado por un programa informático, deben identificarse el programa, la base de datos, la revisión y la categoría de material seleccionada. «Convertido a 615 HV» es insuficiente porque distintas tablas pueden producir resultados diferentes, especialmente cerca de los extremos de sus intervalos establecidos.

ASTM E140-12, Tablas de conversión de dureza estándar para metales, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. ASTM indica que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico» (ASTM International, 2012). Esta limitación forma parte del resultado. Debe conservarse en planos, registros de inspección y certificados, en lugar de eliminarse por razones de presentación.

ISO 18265:2013 establece principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción. Su advertencia es más estricta de lo que sugieren muchas tablas breves de conversión: los valores convertidos se aplican directamente únicamente al material exacto ensayado, y las estimaciones de resistencia a la tracción son las conversiones menos fiables (International Organization for Standardization, 2013). Por lo tanto, el informe debe indicar explícitamente la base de conversión:

> Base: ISO 18265:2013, tabla de conversión para aceros, valor aproximado; aplicabilidad restringida al grado y la condición ensayados.

ASTM E140 e ISO 18265 no autorizan a convertir cualquier combinación de escalas. Sus tablas tienen categorías de materiales, intervalos y límites relativos al método de ensayo. Toda conversión fuera de esos límites debe marcarse como no respaldada o debe omitirse.

Separar los valores medidos, convertidos y estimados

Deben utilizarse etiquetas separadas para tres tipos distintos de información:

> Dureza medida: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Dureza convertida: aproximadamente 22 HRC, ISO 18265:2013, tabla aplicable para aceros. > Resistencia a la tracción estimada: aproximadamente 760 MPa, relación empírica entre dureza y resistencia; no medida mediante un ensayo de tracción.

El tercer valor nunca debe presentarse como resistencia a la tracción: 760 MPa, a menos que se haya obtenido mediante un ensayo de tracción. ISO 18265 identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables. El estudio del NIST sobre las relaciones empíricas Rockwell-Brinell, publicado en 1929, concluyó que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, pero ese hallazgo describe una conveniencia empírica, no una ley universal. Los ensayos directos de tracción siguen siendo necesarios cuando un cálculo de diseño, una certificación del material, una investigación de fallo o una decisión de aceptación depende del límite elástico, la resistencia última a la tracción, el alargamiento o la reducción de área.

Algunas relaciones solo son útiles dentro de una clase de material especificada. Un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A identificó la relación aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia. La proporción cambia según la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación; no debe aplicarse automáticamente a ASTM A36 ferrítico-perlítico, SAE J404 Grade 4140 templado y revenido, acero inoxidable martensítico o una superficie nitrurada. Un estudio de 2023 sobre aceros estructurales no aleados históricos y contemporáneos halló una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción en material en bruto o normalizado. Ese resultado no establece la misma recta para acero templado y revenido, trabajado en frío, cementado o endurecido por precipitación.

Por tanto, una entrada completa puede redactarse así:

> Material: SAE J404 Grade 4140, templado y revenido a 540 °C; barra de 40 mm, ensayo en la mitad del radio; superficie rectificada. Medido: 31 HRC, ASTM E18, durómetro Rockwell calibrado. Convertido: aproximadamente 295 HBW, ASTM E140-12, tabla aplicable para aceros aleados; solo aproximado. Resistencia a la tracción estimada: aproximadamente [valor] MPa a partir de [ecuación o tabla identificada]; solo una estimación, no un resultado de un ensayo de tracción.

Este formato conserva las evidencias, las suposiciones y los límites de la conversión. También permite que un revisor posterior determine si se requiere un ensayo directo, en lugar de confundir un número equivalente conveniente con una nueva medición.

Comparaciones metalúrgicas desarrolladas sin una falsa precisión

La conversión de dureza resulta engañosa cuando el número se trata como una identidad del material, en lugar de considerarlo como el resultado de un ensayo particular realizado sobre una condición particular del acero. Un valor Brinell medido en una sección sana y homogénea puede correlacionarse razonablemente con la resistencia a la tracción dentro de una familia controlada de aceros normalizados. El mismo valor numérico de dureza obtenido en un acero templado y revenido, o en la capa superficial de un componente cementado, no tiene el mismo significado.

ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, proporciona relaciones aproximadas entre las escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros homogéneos al carbono, aleados y para herramientas. ASTM afirma directamente que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura granular y el tratamiento térmico» (ASTM International, 2012). Esta limitación rige para cada comparación que se presenta a continuación.

Acero estructural no aleado normalizado

Un acero estructural no aleado normalizado es el caso en el que la relación entre dureza Brinell y resistencia puede ser relativamente coherente. Considérese un grado como ASTM A36, o un grado EN 10025-2 como S275JR, siempre que el material se encuentre realmente en una condición normalizada o equivalente de grano fino y que la sección ensayada sea suficientemente homogénea. La normalización refina y regulariza la estructura de ferrita–perlita mediante un calentamiento por encima del intervalo crítico y un enfriamiento al aire. No hace que todas las coladas de acero sean idénticas, pero reduce parte de la variación de condición que complica la interpretación de la dureza.

En esta clase de materiales, la dureza Brinell muestrea un volumen relativamente grande mediante una huella producida por una bola. Por tanto, el resultado promedia la ferrita, la perlita, las inclusiones y las fluctuaciones locales con mayor eficacia que una huella de microdureza muy pequeña. Si el contenido de carbono, el contenido de manganeso, el tamaño de grano, el espesor y el historial de procesamiento se mantienen dentro de una población restringida, el aumento de la dureza Brinell generalmente irá acompañado de un aumento de la resistencia a la fluencia y de la resistencia a la tracción. Un estudio de 2023 publicado en Materials Today: Proceedings encontró una relación empírica generalmente lineal entre la dureza Brinell y los parámetros de resistencia a la tracción para aceros estructurales no aleados históricos y contemporáneos en estado bruto o normalizado (Materials Today: Proceedings, 2023).

«Generalmente lineal» no autoriza a calcular un valor de resistencia a la tracción garantizado a partir de una sola huella. Describe una relación ajustada para un conjunto de materiales. Incluso dentro de S275JR o ASTM A36, las diferencias en el espesor de la chapa, la práctica de desoxidación, el contenido de fósforo y azufre, el historial de laminación y la segregación local pueden desplazar el resultado. Un valor de dureza tomado de la zona afectada térmicamente de una soldadura no es intercambiable con uno tomado del material base.

El antiguo estudio de NIST sobre las relaciones empíricas Rockwell–Brinell llegó a una conclusión práctica que sigue siendo útil: la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, pero la estimación es empírica y no una ley universal (NIST, 1929). Así pues, una tabla de conversión puede ayudar a evaluar la uniformidad del material o respaldar el control del proceso cuando la familia y la condición del acero coinciden con las de la tabla. No puede sustituir un ensayo de tracción cuando están en juego un límite elástico especificado, una resistencia a la tracción, un alargamiento o un criterio de aceptación.

Acero aleado templado y revenido

Un acero aleado templado y revenido expone con mayor claridad las deficiencias de una conversión de dureza general. SAE 4140 y EN 10083-3 42CrMo4 pueden describirse ambos como aceros al cromo-molibdeno; sin embargo, su relación entre dureza y resistencia depende en gran medida de la práctica de austenización, la severidad del temple, la temperatura de revenido, el tiempo de mantenimiento y el tamaño de la sección. El mismo grado nominal puede contener martensita revenida cerca de una superficie templada, una mezcla de bainita y martensita en una zona intermedia y una estructura de transformación más blanda hacia el centro de una barra grande.

La condición de revenido es importante porque la dureza y el comportamiento a la tracción no cambian exactamente en la misma proporción a lo largo del intervalo de revenido. La martensita revenida a baja temperatura puede conservar una dureza elevada con una tenacidad limitada; el revenido a mayor temperatura reduce la dureza, al tiempo que mejora la ductilidad y alivia las tensiones residuales. Las reacciones de endurecimiento secundario, la precipitación de carburos, la austenita retenida y la fragilización por revenido pueden alterar aún más una relación simple basada en un único número. Una conversión de HRC a HB puede ser aceptable como aproximación entre escalas para una probeta homogénea, mientras que una resistencia a la tracción estimada a partir de ese valor HB convertido puede conllevar una incertidumbre considerablemente mayor.

El tamaño de la sección es igualmente importante. Una probeta pequeña de 42CrMo4 puede templarse en toda su sección, mientras que un eje forjado grande de la misma designación puede desarrollar un gradiente de dureza porque el núcleo se enfría más lentamente. Ensayar la superficie y asignar ese resultado a toda la sección transversal puede sobreestimar la resistencia del núcleo. El informe técnico de SAE Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza establece que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición del acero, el tratamiento térmico y la pieza específicos, ya que el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento influyen en la relación (SAE International, 1967).

La relación aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS, descrita para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia en un estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A, ilustra el peligro de extrapolar una correlación útil más allá de su clase de materiales. El estudio también señala que las relaciones entre dureza y resistencia dependen de la clase de material, la microestructura y la morfología de la huella (Materials Science and Engineering: A, 2012). No debe aplicarse como regla general a todas las condiciones del 4140, y mucho menos a una cadena de conversiones que implique varias escalas de dureza.

Acero endurecido superficialmente con un núcleo blando

Un componente de acero cementado hace que la sustitución de la dureza por la resistencia a la tracción sea especialmente insegura. Considérese SAE 8620 o EN 10084 20MnCr5 después de la cementación, el temple y el revenido. El enriquecimiento de carbono produce una capa martensítica dura, mientras que el núcleo de bajo contenido de carbono permanece mucho más tenaz y considerablemente más blando. Por tanto, la pieza no tiene una única dureza que represente su estado mecánico completo.

Una medición Rockwell C en la capa superficial informa sobre la resistencia de una región superficial poco profunda. Dice poco acerca del límite elástico del núcleo, la resistencia a la tracción del núcleo, el alargamiento o el comportamiento a la fractura. Si la capa es delgada en relación con la profundidad de la huella o si la carga de ensayo alcanza la zona de transición, el valor medido puede verse reducido por el sustrato blando. Un ensayo Rockwell superficial o Vickers puede resolver mejor la capa, pero aun así caracteriza la capa ensayada, no el volumen total. Los perfiles de microdureza pueden cartografiar la dureza desde la superficie hasta el núcleo; por sí solos no pueden establecer una curva de tensión–deformación en tracción.

La distinción también afecta al muestreo. Eliminar mediante rectificado la capa superficial antes de un ensayo Brinell puede producir una dureza significativa del núcleo, pero ese resultado debe notificarse como una medición del núcleo. Mantener intacta la capa y realizar una medición superficial produce un resultado de la capa. Denominar a cualquiera de esos valores «la dureza de la pieza» oculta el gradiente de propiedades.

ISO 18265:2013 especifica principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción, pero establece que los valores convertidos se aplican directamente únicamente al material exacto ensayado e identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables (ISO, 2013). Un diente cementado de SAE 8620 no es el material homogéneo exacto representado por una tabla de conversión para aceros al carbono. Por tanto, ASTM E140-12 no puede convertir su valor HRC de la capa en un valor defendible de resistencia a la tracción del conjunto.

Para una decisión de diseño o de aceptación, la respuesta correcta consiste en definir la propiedad que se desea verificar: dureza de la capa, profundidad efectiva de cementación, dureza del núcleo o propiedades de tracción obtenidas a partir de una probeta preparada por separado. Los ensayos de tracción directos, el examen metalográfico y el perfilado de dureza en profundidad responden a preguntas diferentes. Un número convertido solo responde a la pregunta limitada que respalda la correlación específica aplicable al material.

Flujo de trabajo práctico de referencia

La conversión de dureza debe comenzar con una decisión sobre la propiedad que realmente se necesita. Un valor de dureza medido describe la respuesta de una superficie, ubicación, penetrador y fuerza de ensayo determinados. Un valor de dureza convertido es una estimación en otra escala de dureza. Una resistencia a la tracción estimada constituye una inferencia adicional y, por lo general, es menos fiable que una conversión entre escalas de dureza. Estos tres resultados no deben informarse como si fueran intercambiables.

Antes del ensayo

Defina la cuestión de ingeniería antes de seleccionar el ensayo. Si el requisito es la resistencia al desgaste superficial, la profundidad de capa, la uniformidad local del tratamiento térmico o un valor para el control de producción, la dureza puede ser la propiedad directa adecuada. Si el requisito es el límite elástico, la resistencia máxima a la tracción, el alargamiento, el comportamiento de fractura o la certificación del material, la dureza solo es una posible medición de cribado. El ensayo de tracción es el método directo para determinar las propiedades de tracción.

Identifique el grado de acero y el estado del producto con la mayor precisión que permitan los registros. «Acero al carbono» no es suficiente. Registre la designación, como ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 o EN 1.2379, junto con la forma del producto, el tamaño de la sección, el tratamiento térmico, el revenido, el trabajo en frío y el tratamiento superficial. Una probeta de 4140 templada y revenida a 540 °C no tiene la misma relación dureza–resistencia que un 4140 recocido, aunque ambos se denominen 4140. Una superficie cementada, una capa descarburada, una zona afectada por el calor de una soldadura y una chapa normalizada pueden requerir cada una un plan de medición diferente.

Seleccione la escala según la geometría y la dureza prevista, no por comodidad. Brinell es útil para muchas secciones grandes y relativamente uniformes, pero la huella de la bola necesita un espesor suficiente y una separación adecuada respecto de los bordes o de otras huellas. Rockwell es más rápido y deja una huella menor, mientras que las escalas Rockwell superficiales son apropiadas para secciones más delgadas o capas endurecidas poco profundas. La microdureza Vickers y Knoop puede resolver regiones pequeñas, gradientes y fases individuales, pero la preparación superficial y la técnica del operador adquieren mayor importancia. Los métodos Leeb y Scleroscope son portátiles y útiles en condiciones de campo adecuadas; sin embargo, sus lecturas dependen en gran medida de la masa, el soporte, la orientación, el estado de la superficie y la configuración del instrumento.

Lea la norma de ensayo aplicable antes de realizar la huella. ASTM E10 regula los ensayos de dureza Brinell, ASTM E18 los ensayos de dureza Rockwell y ASTM E384 los ensayos de dureza por microindentación; el método ISO pertinente también puede estar especificado en el plano o en la norma del material. ASTM E140-12, Tablas normalizadas de conversión de dureza para metales, contiene relaciones aproximadas entre valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope y Leeb para metales especificados, incluidos aceros al carbono, aleados y para herramientas homogéneos. No convierte una escala en un sustituto universal de otra.

Planifique la preparación de la probeta. Elimine la cascarilla, el óxido, la pintura y las rebabas sin modificar la capa tratada térmicamente mediante el rectificado o un pulido excesivo. La superficie de ensayo debe ser plana, limpia y suficientemente lisa para el método seleccionado. Apoye firmemente la probeta. Una chapa delgada que se flexione bajo el penetrador puede producir una lectura engañosamente baja, mientras que una pieza curvada o mal apoyada puede desplazar el resultado en cualquiera de las dos direcciones.

Durante la medición

Verifique el instrumento con los bloques patrón o el procedimiento de verificación requeridos, y registre la identificación de la máquina, el tipo de penetrador, la fuerza, el tiempo de permanencia, la temperatura y la ubicación del ensayo. No mezcle de forma inadvertida escalas o cargas. «HRC» y «HRB» son escalas Rockwell diferentes, no etiquetas intercambiables; «HV10» y «HV0.2» utilizan fuerzas de ensayo diferentes y pueden muestrear volúmenes microestructurales distintos.

Coloque las huellas alejadas de los bordes, orificios, límites de soldadura y huellas anteriores, respetando las distancias exigidas por la norma de ensayo. En un componente endurecido superficialmente, registre un mapa de la distancia desde la superficie en lugar de tomar una única lectura conveniente. En un acero segregado, bandeado o multifásico, pueden ser necesarias varias huellas para distinguir la variación real de la dispersión de la medición.

Repita las mediciones. Tres lecturas pueden ser suficientes para una probeta uniforme de laboratorio, mientras que una unión soldada, un recubrimiento delgado, un gradiente o una pieza forjada grande pueden requerir una cuadrícula más amplia. Rechazar una lectura inconveniente sin una regla documentada constituye una mala práctica. Informe los valores individuales, la media, el intervalo o la desviación estándar, así como cualquier exclusión y sus motivos. Si las huellas repetidas varían de manera significativa, investigue el estado de la superficie, el soporte, la selección de la escala, la microestructura y la técnica del operador antes de realizar cualquier conversión.

El resultado medido debe conservar su identidad original: por ejemplo, 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 o 310 HV10. La conversión debe escribirse por separado, por ejemplo: «aproximadamente 22 HRC, convertido a partir de 235 HBW mediante ASTM E140-12». Esto evita que el resultado de una tabla se confunda con una segunda medición.

Después de la conversión

Utilice una tabla de conversión que corresponda a la familia del acero y al intervalo medido. ASTM E140-12 establece que «las conversiones se ven afectadas por la aleación, la estructura de grano y el tratamiento térmico» (ASTM International, 2012). ISO 18265:2013 especifica principios para convertir valores de dureza entre escalas y para estimar la resistencia a la tracción, pero establece que los valores convertidos solo son directamente aplicables al material exacto ensayado; también identifica las estimaciones de resistencia a la tracción como las conversiones menos fiables (ISO, 2013). Un valor de tabla que esté fuera de su intervalo indicado no se vuelve válido por añadir más cifras decimales.

Trate las estimaciones de resistencia a la tracción como resultados de cribado. Un estudio de NIST de 1929 informó que la resistencia a la tracción del acero a menudo puede estimarse a partir de la dureza Brinell con fines comerciales, basándose en relaciones empíricas Rockwell–Brinell (NIST, 1929). Este hallazgo respalda una correlación práctica, no una ley universal. El informe de SAE de 1967, Ensayos de dureza y conversiones de números de dureza, explica asimismo que las conversiones precisas deben desarrollarse para la composición, el tratamiento térmico y la pieza de acero específicos, ya que el tamaño, la masa, la composición y el procesamiento afectan a la relación.

La relación aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ se ha descrito para algunos materiales metálicos dúctiles de alta resistencia, pero el estudio de 2012 publicado en Materials Science and Engineering: A relacionó las proporciones entre dureza y resistencia con la clase de material, la microestructura y la morfología de la indentación (Materials Science and Engineering: A, 2012). No debe aplicarse automáticamente a una chapa ferrítico–perlítica, un acero martensítico para herramientas, un acero inoxidable endurecido por precipitación o una capa superficial. De forma similar, un estudio de 2023 halló una relación generalmente lineal entre la dureza Brinell y la resistencia a la tracción para aceros estructurales no aleados, históricos y contemporáneos, en condiciones brutas o normalizadas, pero no para todas las aleaciones ni para todos los estados de tratamiento térmico (Materials Today: Proceedings, 2023).

Registre la tabla de origen, la edición, la escala original, la escala convertida, la designación del acero, el estado, la ubicación del ensayo, el número de lecturas y la incertidumbre. Indique si el valor es medido, convertido o estimado. Incluya limitaciones como los efectos de secciones delgadas, los gradientes superficiales, el tratamiento térmico desconocido, el estado de calibración y si el acero queda fuera de los datos de origen.

Por tanto, el flujo de trabajo de ingeniería es el siguiente: definir la propiedad requerida; seleccionar, cuando sea posible, un ensayo directo válido; verificar el grado y el estado del acero; preparar y apoyar la probeta; realizar mediciones repetidas; consultar la norma de conversión pertinente; registrar la incertidumbre y las limitaciones; y recurrir a un ensayo de tracción directo cuando el resultado afecte al diseño, la certificación o la aceptación del material.

Referencias

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897