Prueba de dureza Vickers

Prueba de dureza

Un probador de dureza Vickers

La prueba de dureza Vickers fue desarrollada en 1921 por Robert L. Smith y George E. Sandland en Vickers Ltd como una alternativa al método Brinell para medir la dureza de los materiales. ^[1] La prueba Vickers es a menudo más fácil de usar que otras pruebas de dureza ya que los cálculos requeridos son independientes del tamaño del penetrador, y el penetrador se puede utilizar para todos los materiales independientemente de la dureza. El principio básico, como con todas las medidas comunes de dureza, es observar la capacidad de un material para resistir la deformación plástica a partir de una fuente estándar. La prueba Vickers se puede utilizar para todos los metales y tiene una de las escalas más amplias entre las pruebas de dureza. La unidad de dureza dada por la prueba se conoce como el Número de la Pirámide de Vickers ( HV ) o Dureza de la Pirámide de Diamante ( DPH ). El número de dureza se puede convertir en unidades de pascales , pero no debe confundirse con la presión , que utiliza las mismas unidades. El número de dureza está determinado por la carga sobre el área de la superficie de la sangría y no por el área normal a la fuerza y, por lo tanto, no es presión.

Implementación

Esquema de prueba Vickers

El penetrador de diamante piramidal de un probador de dureza Vickers

Una hendidura que queda en el acero endurecido después de una prueba de dureza Vickers. La diferencia de longitud de ambas diagonales y el gradiente de iluminación son indicaciones clásicas de una muestra desnivelada. Esta no es una buena hendidura.

Esta es una buena sangría.

Se decidió que la forma del penetrador debería ser capaz de producir impresiones geométricamente similares, independientemente del tamaño; la impresión debería tener puntos de medición bien definidos; y el penetrador debería tener una alta resistencia a la autodeformación. Un diamante en forma de pirámide de base cuadrada satisfacía estas condiciones. Se había establecido que el tamaño ideal de una impresión Brinell era 3 ⁄ 8 del diámetro de la bola. Como dos tangentes al círculo en los extremos de una cuerda de 3 d /8 de longitud se cortan a 136°, se decidió utilizar esto como el ángulo incluido entre las caras planas de la punta del penetrador. Esto da un ángulo desde cada cara normal a la normal del plano horizontal de 22° en cada lado. El ángulo se varió experimentalmente y se encontró que el valor de dureza obtenido en una pieza homogénea de material permaneció constante, independientemente de la carga. ^[2] En consecuencia, se aplican cargas de diversas magnitudes a una superficie plana, dependiendo de la dureza del material a medir. El número HV se determina entonces mediante la relación F / A , donde F es la fuerza aplicada al diamante en kilogramos-fuerza y ​​A es el área de superficie de la hendidura resultante en milímetros cuadrados. ^{[ cita requerida ]}

${\displaystyle A={\frac {d^{2}}{2\sin(136^{\circ }/2)}},}$

que puede aproximarse evaluando el término seno para obtener,

${\displaystyle A\approx {\frac {d^{2}}{1.8544}},}$

donde d es la longitud media de la diagonal dejada por el penetrador en milímetros. Por lo tanto, ^[3]

${\displaystyle \mathrm {HV} ={\frac {F}{A}}\approx {\frac {1.8544F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {kgf/mm}}^{2}]}$,

donde F está en kgf y d está en milímetros.

La unidad correspondiente de HV es entonces el kilogramo-fuerza por milímetro cuadrado (kgf/mm2 ⁾ o número HV. En la ecuación anterior, F podría estar en N y d en mm, dando HV en la unidad SI de MPa. Para calcular el número de dureza Vickers (VHN) usando unidades SI, uno necesita convertir la fuerza aplicada de newtons a kilogramo-fuerza dividiéndola por 9.806 65 ( gravedad estándar ). Esto lleva a la siguiente ecuación: ^[4]

${\displaystyle \mathrm {HV} \approx {0.1891}{\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}],}$

donde F está en N y d está en milímetros. Un error común es que la fórmula anterior para calcular el número HV no da como resultado un número con la unidad newton por milímetro cuadrado (N/mm ² ), sino que da como resultado directamente el número de dureza Vickers (generalmente dado sin unidades), que de hecho es un kilogramo-fuerza por milímetro cuadrado (1 kgf/mm ² ).

Los números de dureza Vickers se informan como xxxHVyy , p. ej., 440HV30 , o xxxHVyy/zz si la duración de la fuerza difiere de 10 s a 15 s, p. ej., 440HV30/20, donde:

• 440 es el número de dureza,
• HV nombra la escala de dureza (Vickers),
• 30 indica la carga utilizada en kgf.
• 20 indica el tiempo de carga si varía de 10 s a 15 s

Precauciones

Al realizar los ensayos de dureza, se debe tener en cuenta la distancia mínima entre las indentaciones y la distancia desde la indentación hasta el borde de la muestra para evitar la interacción entre las regiones endurecidas por deformación y los efectos del borde. Estas distancias mínimas son diferentes para las normas ISO 6507-1 y ASTM E384.

Los valores de Vickers son generalmente independientes de la fuerza de prueba: serán los mismos para 500 gf y 50 kgf, siempre que la fuerza sea de al menos 200 gf. ^[6] Sin embargo, las indentaciones de carga más bajas a menudo muestran una dependencia de la dureza en la profundidad de la indentación conocida como efecto del tamaño de la indentación (ISE). ^[7] Los tamaños de indentación pequeños también tendrán valores de dureza dependientes de la microestructura.

En el caso de muestras delgadas, la profundidad de la indentación puede ser un problema debido a los efectos del sustrato. Como regla general, el espesor de la muestra debe ser superior a 2,5 veces el diámetro de la indentación. Alternativamente, la profundidad de la indentación, , se puede calcular de acuerdo con: ${\displaystyle t}$

${\displaystyle t={\frac {d_{\rm {avg}}}{2{\sqrt {2}}\tan {\frac {\theta }{2}}}}\approx {\frac {d_{\rm {avg}}}{7.0006}},}$

Conversión a unidades del SI

Para convertir el número de dureza Vickers a unidades SI, el número de dureza en kilogramos-fuerza por milímetro cuadrado (kgf/mm ² ) debe multiplicarse por la gravedad estándar , , para obtener la dureza en MPa (N/mm ² ) y además dividirse por 1000 para obtener la dureza en GPa. ${\displaystyle g_{0}}$

${\displaystyle {\text{surface area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}HV={\frac {9.80665}{1000}}HV}$

La dureza Vickers también se puede convertir a una dureza SI basada en el área proyectada de la indentación en lugar del área de la superficie. El área proyectada, , se define como la siguiente para una geometría de indentador Vickers: ^[8] ${\displaystyle A_{\rm {p}}}$

${\displaystyle A_{\rm {p}}={\frac {d_{\rm {avg}}^{2}}{2}}={\frac {1.854}{2}}{A_{s}}}$

Esta dureza a veces se denomina área de contacto media o dureza Meyer y, idealmente, se puede comparar directamente con otras pruebas de dureza que también se definen mediante el área proyectada. Se debe tener cuidado al comparar otras pruebas de dureza debido a varios factores de escala de tamaño que pueden afectar la dureza medida.

${\displaystyle {\text{projected area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}{\frac {2}{1.854}}HV\approx {\frac {HV}{94.5}}}$

Estimación de la resistencia a la tracción

Si HV se expresa primero en N/mm ² (MPa), o de otro modo convirtiendo de kgf/mm ² , entonces la resistencia a la tracción (en MPa) del material se puede aproximar como σ _u ≈ HV/ c , donde c es una constante determinada por la resistencia a la fluencia, el coeficiente de Poisson, el exponente de endurecimiento por deformación y los factores geométricos, que suelen oscilar entre 2 y 4. ^[9] En otras palabras, si HV se expresa en N/mm ² (es decir, en MPa), entonces la resistencia a la tracción (en MPa) ≈ HV/3. Esta ley empírica depende de forma variable del comportamiento de endurecimiento por deformación del material. ^[10]

Solicitud

El fabricante de la aeronave especificó que los pasadores y manguitos de fijación de las aletas del avión de pasajeros Convair 580 debían endurecerse según la especificación de dureza Vickers de 390 HV5, donde el "5" significa cinco kilopondios . Sin embargo, en el avión que volaba en el vuelo 394 de Partnair, se descubrió más tarde que los pasadores habían sido reemplazados por piezas de calidad inferior, lo que provocó un rápido desgaste y, finalmente, la pérdida del avión. Al examinarlos, los investigadores del accidente descubrieron que los pasadores de calidad inferior tenían un valor de dureza de solo unos 200-230 HV5. ^[11]

Véase también

• Dureza de sangría
• Prueba de dureza de rebote de Leeb
• Comparación de dureza
• Prueba de dureza Knoop
• Prueba de dureza Meyer
• Escala de Mohs
• Escala Rockwell
• Prueba de tenacidad Vickers de cerámica
• Material superduro

Referencias

1. RL Smith y GE Sandland, "Un método preciso para determinar la dureza de los metales, con especial referencia a los de alto grado de dureza", Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos , Vol. I, 1922, pág. 623–641.
2. La máquina de prueba de dureza Vickers. UKcalibrations.co.uk. Recuperado el 3 de junio de 2016.
3. ASTM E384-10e2
4. ISO 6507-1:2005(E)
5. Smithells Metals Reference Book, 8.ª edición, cap. 22
6. Prueba Vickers Archivado el 21 de octubre de 2014 en Wayback Machine . Sitio web de Instron .
7. Nix, William D.; Gao, Huajian (1 de marzo de 1998). "Efectos del tamaño de la indentación en materiales cristalinos: una ley para la plasticidad del gradiente de deformación". Revista de mecánica y física de sólidos . 46 (3): 411–425. Bibcode :1998JMPSo..46..411N. doi : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN  0022-5096.
8. Fischer-Cripps, Anthony C. (2007). Introducción a la mecánica de contacto (2.ª ed.). Nueva York: Springer. pp. 212-213. ISBN 9780387681887.OCLC 187014877  .
9. "Dureza". matter.org.uk .
10. Zhang, P. (septiembre de 2011). "Relación general entre resistencia y dureza". Ciencia e ingeniería de materiales A. 529 : 62. doi :10.1016/j.msea.2011.08.061.
11. Informe sobre el accidente del avión Convair 340/580 LN-PAA al norte de Hirtshals, Dinamarca, el 8 de septiembre de 1989 | aibn. Aibn.no. Consultado el 3 de junio de 2016.

Lectura adicional

• Meyers y Chawla (1999). "Sección 3.8". Comportamiento mecánico de los materiales . Prentice Hall, Inc.
• ASTM E92: Método estándar para la dureza Vickers de materiales metálicos (retirado y reemplazado por E384-10e2)
• ASTM E384: Método de prueba estándar para dureza Knoop y Vickers de materiales
• ISO 6507-1: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Vickers – Parte 1: Método de ensayo
• ISO 6507-2: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Vickers – Parte 2: Verificación y calibración de máquinas de ensayo
• ISO 6507-3: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Vickers – Parte 3: Calibración de bloques de referencia
• ISO 6507-4: Materiales metálicos – Ensayo de dureza Vickers – Parte 4: Tablas de valores de dureza
• ISO 18265: Materiales metálicos – Conversión de valores de dureza

Enlaces externos

• Vídeo sobre la prueba de dureza Vickers
• Prueba de dureza Vickers
• Tabla de conversión: escalas Vickers, Brinell y Rockwell