Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao

DUREZA VICKERS

OBJETIVO DEL ENSAYO. Determinar experimentalmente la dureza Vickers.

Estudiar su campo de aplicación.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS GENERALES. Definición de dureza: Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un

material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de

esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre

deformaciones residuales (indentador ó penetrador), de determinada forma y

dimensiones.

El método Brinell, ya estudiado, posee una serie de insuficiencias. Con dicho método no

se puede ensayar probetas si su dureza se aproxima a la dureza de la bola, porque ésta

sufre deformaciones que alteran los resultados del ensayo. Si se utilizan bolas de acero

este hecho limita la prueba Brinell a durezas máximas HB 400...500, si se usan bolas de

carburo se limita a durezas HB 650. A causa de la gran profundidad de la impronta es

imposible determinar la dureza de la capa superficial especialmente tratada, porque la

bola penetra a través de esta capa a la parte interior más blanda. La medición del

diámetro de la impronta a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la

bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de

hallar otros métodos de determinación de la dureza.

Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace penetrar un indentador

de diamante en forma de pirámide de cuatro caras (ver figura 1a) con una ángulo

determinado en el vértice. La utilización de una pirámide de diamante tiene las

siguientes ventajas: 1) las improntas resultan bien perfiladas, cómodas para la medición;

2) la forma de las improntas es geométricamente semejante (figura 1b), por lo cual la

dureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de la

carga; 3) la dureza con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los materiales de

dureza media; 4) este método es aplicable con igual éxito para los materiales blandos y

duros, y sobre todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas superficiales.

Figura 1a. Indentador piramidal Vickers Figura 1b. Impronta piramidal de dureza

Vickers

Los números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la igualdad del

ángulo del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a la bola para el caso de

una huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta consideración sirve de base para determinar

Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao

el valor del ángulo del vértice de la pirámide estándar α = 136°. La demostración de

este hecho puede verse en el anexo 1.

El estándar ASTM E 92-82 define la dureza Vickers como un método de ensayo por

indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador

piramidal de base cuadrada que tiene un ángulo entre caras específico, bajo una carga

predeterminada, contra la superficie del material a ser ensayado y se mide la diagonal

resultante de la impresión luego de remover la carga.

Figura 2. Sobre el ensayo de Vicerks (tomado del estándar ASTM E-92)

El sentido físico del número de dureza Vickers es análogo a HB. La magnitud de HV es

también un esfuerzo convencional medio en la zona de contacto del indentador, muestra

y suele caracterizar la resistencia del material a la deformación plástica considerable.

Con base en esto:

�� = �� = �

��2�� 2�

= 2��� 2���

donde d es la media aritmética de las diagonales d1 y d2.

La deducción de la fórmula de cálculo del área A de la impronta piramidal, puede verse

en el anexo 1.

Debido a que el valor del ángulo α es constate e igual a 136°, en la práctica se usa la

siguiente fórmula de trabajo:

�� = 1,8544 ���

El método estándar se realiza bajo las siguientes condiciones:

Indentador Pirámide de diamante α = 136°

Carga (P): 1...120 kgf

Duración de la carga (t): 10 ... 15 s

El número de dureza Vickers se denota como HV. Ejemplos:

440 HV 30

Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por un

tiempo de 10 a 15 s.

Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao

440 HV 30/20

Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por un

tiempo de 20 s.

Para la escogencia de la magnitud de la carga nos basamos en criterios de conveniencia,

debemos recordar que el método Vickers posee semejanza geométrica interna y en un

principio es indiferente la carga aplicada. Sin embargo una carga muy alta puede causar

que el indentador penetre más allá de la capa superficial a la que se desee medírsele la

dureza, de otro lado una impronta muy pequeña es difícil de medir y las imperfecciones

geométricas de la pirámide influyen en la precisión del método. Para nuestra práctica se

recomienda aplicar una carga de 60 kgf, así la impronta tiene una medida adecuada y su

profundidad de penetración es moderada.

PROCEDIMIENTO Para obtener la dureza Vickers de la superficie de un material se presiona contra la

probeta un indentador piramidal de diamante con ángulo entre sus caras α = 136°. La

pirámide se mantiene algún tiempo bajo la carga P. Luego de retirada la carga se miden

las dos diagonales de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor medio

de las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la fórmula de trabajo para

obtener el valor de la dureza Vickers. En las mismas condiciones se realizan varias

indentaciones más.

MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA. Máquina. Para los ensayos Vickers se usa el escleroscopio HP-250 marca

Wekstoffprüfmaschinen, del cual se muestra su aspecto general en la figura 3. Este

aparato sirve para la medición tanto de dureza Brinell como Vickers. Aplica cargas

hasta de 250 kgf. Posee incorporado un microscopio de medición, el cual posee una

resolución de 0,001 mm. El funcionamiento y procedimiento de medición serán

explicados por el profesor y el monitor en el momento de la práctica.

Figura 3. Aspecto general del esclerómetro WPM HP-250

Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao

El estándar ASTM E 92 presenta las siguientes exigencias a las máquinas de medición

de dureza Vickers: el diseño debe ser tal que se excluya cualquier mecimiento o

movimientos laterales del indentador o de la probeta durante la aplicación de la carga.

En las máquinas que usan pesos muertos para la aplicación de la carga deben evitarse

las sobrecargas al momento de la aplicación de la fuerza causadas por la inercia del

sistema. Si el microscopio de medición está incorporado éste debe conservar la

impronta en el campo óptico, luego de la aplicación de la carga.

Probetas. Se ensayarán tres probetas de acero AISI O1, con distintos tratamientos

térmicos. Estas mismas probetas se usarán luego para la medición de la dureza

Rockwell y serán destruidas durante el ensayo de Impacto.

1) Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro,

2) Probeta de acero AISI O1 templada en aceite,

3) Probeta de acero AISI O1 templada en agua.

Las probetas deben ser pulidas cuidadosamente hasta lograr el brillo de una de sus caras

donde se realizarán las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar la

superficie durante el procedimiento de pulimento

El estándar ASTM E 92 presenta las siguientes exigencias a las probetas usadas para la

medición de la dureza Brinell: Para evitar que el efecto de la indentación aparezca en el

lado opuesto de la probeta, el espesor de ésta debe ser al menos 1,5 veces más que la

longitud de la diagonal. La superficie debe ser lijada y pulida de manera que se

observen con claridad los bordes de la huella en el momento de la medición con la

precisión necesaria. La probeta debe ser montada de tal forma que la superficie esté en

la normal del eje del indentador con una desviación máxima de ±1°.

Indentadores. El indentador debe ser una pirámide de base cuadrada altamente pulida y

punteada. El ángulo entre sus caras debe ser de 136° ± 30´. Las caras deben poseer la

misma inclinación y coincidir en un punto, la disyunción máxima de las caras debe ser

de máximo 0,001 mm. Ver figura.

Disyunción de las caras de la pirámide (Tomado de ASTM E 92) El estado del diamante debe ser revisado periódicamente con ayuda de una lupa.

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Microscopio. Según el estándar el microscopio debe poseer una resolución de 0,05 mm,

cifra que se puede considerar cumplida por el microscopio incorporado en la máquina

WPM HP-250.

REALIZACIÓN DEL ENSAYO

Como el ensayo se realiza bajo la estricta supervisión y dirección del profesor y

monitor, sólo se darán aquí algunas recomendaciones adicionales.

1. Se selecciona en la máquina una carga de 60 kgf, para todas las probetas.

2. Cada vez que se realice cambio de indentador la primera impronta obtenida no

será tenida en cuenta, esto para permitir el asentamiento del sistema indentador,

montura y porta indentador

3. Se realizarán entre 5 y 10 indentaciones por probeta, teniendo en cuenta que la

separación del borde de la probeta y de una huella al borde de la otra debe ser

mayor a 2,5 veces la diagonal de la huella.

TRATAMIENTO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS Los datos de las dos diagonales de la impronta, se promedian y mediante la fórmula de

trabajo,

�� = 1,8544 ���

Se determina la dureza Vickers. Para obtener un dato consolidado se promedian las

durezas obtenidas en todas las indentaciones de cada probeta. Este número se redondea

hasta unidades enteras. Los resultados se presentan escribiendo la notación estándar

correcta. Ejemplo:

Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro: 227 HV 60

INFORME

De manera particular, el informe sobre el ensayo de Dureza Vickers, debe contener.

1) Objetivo.

2) Consideraciones teóricas generales: Definición de dureza. Método Vickers.

3) Maquinaria. Indentador

3) Probetas. Dibujo de las mismas, comparación con la probeta ASTM.

4) Resultados de dureza para cada probeta, con la notación correcta.

5) Conclusiones.

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ANEXO 1

SOBRE EL ÁNGULO ENTRE CARAS DEL INDENTADOR PIRAMIDAL

(DUREZA VICKERS)

Sobre el ángulo del indentador piramidal

Los números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la igualdad del

ángulo del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a la bola para el caso de

una huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta consideración sirve de base para determinar

el valor del ángulo del vértice de la pirámide estándar α = 136°. Del gráfico se deduce

que

�� 2� = �,�� ��� ,

2� = ���� ��,�� ��� �,

2� ≅ 68°, entonces: = 136°

SOBRE EL ÁREA DE LA IMPRONTA PIRAMIDAL (DUREZA VICKERS)

Para la deducción del área de la impronta piramidal

dBDAC ==

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BCAD =

Para poder obtener el área de la impronta piramidal, contando con la medida de la

diagonal procedemos así:

El área total de la impronta es:

� = 4 ∙ "�#$$$$ × &'$$$$2 ( = 2 ∙ )�#$$$$ × &'$$$$*

Aplicando el teorema de Pitágoras

�#$$$$� + �,$$$$� = #,$$$$� = ��

como �#$$$$ = �,$$$$ Entonces

2 ∙ �#$$$$� = �� → �#$$$$ = �√2

de otro lado

sin 2� = 23$$$$34$$$$ → &'$$$$ = 23$$$$

5678 �� y

9&$$$$ = :;$$$$� = <

�√�

sustituyendo

&'$$$$ = <�√� 5678 ��

Volviendo a la fórmula para el área, y sustituyendo los valores de �#$$$$ y &'$$$$ hallados se

tiene:

� = 2 ∙ )�#$$$$ × &'$$$$* = 2 ∙ <√� ∙ <

�=� 5678 �� = <>� 5678 ��

En conclusión: � = <>� 5678 ��