Prueba 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. La prueba Vickers suele ser más fácil de utilizar 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 su dureza. El principio básico, como ocurre 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 Número de 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 indentación y no por el área normal a la fuerza y, por lo tanto, no es presión.

Implementación

Se decidió que la forma del penetrador debería ser capaz de producir impresiones geométricamente similares, independientemente del tamaño; la impresión debe tener puntos de medición bien definidos; y el penetrador debe tener una alta resistencia a la autodeformación. Un diamante en forma de pirámide de base cuadrada cumplía 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 3d/8 de largo se cruzan 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 al plano horizontal normal 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 permanecía constante, independientemente de la carga. Por consiguiente, se aplican cargas de diferentes magnitudes sobre 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 sangría resultante en milímetros cuadrados.

${\displaystyle A={\frac {d^{2}{2\sin(136^{\circ }/2)}}} {\cH00}$

que puede aproximarse evaluando el término del seno para dar,

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

donde d es la longitud promedio de la diagonal dejada por el penetrador en milímetros. Por eso,

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

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 el número HV. En la ecuación anterior, F podría estar en N y d en mm, lo que da HV en la unidad SI de MPa. Para calcular el número de dureza Vickers (VHN) usando unidades SI es necesario convertir la fuerza aplicada de newtons a kilogramo-fuerza dividiendo por 9,806 65 (gravedad estándar). Esto lleva a la siguiente ecuación:

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

Donde F está en N y d está en milímetros. Un error común es que la fórmula anterior para calcular el número HV no resulta en un número con la unidad newton por milímetro cuadrado (N/mm)²), pero resulta directamente en el número de dureza de Vickers (generalmente dado sin unidades), que es de hecho un kilo-fuerza por milímetro cuadrado (1 kgf/mm²).

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

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

Precauciones

Al realizar las pruebas 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 trabajo y los efectos del borde. Estas distancias mínimas son diferentes para las normas ISO 6507-1 y ASTM E384.

Los valores de Vickers generalmente son independientes de la fuerza de prueba: resultarán iguales para 500 gf y 50 kgf, siempre que la fuerza sea de al menos 200 gf. Sin embargo, las indentaciones con cargas más bajas a menudo muestran una dependencia de la dureza con la profundidad de la indentación conocida como efecto del tamaño de la indentación (ISE). Los tamaños de sangría pequeños también tendrán valores de dureza que dependen de la microestructura.

Para las muestras delgadas la profundidad de la indentación puede ser un problema debido a los efectos del sustrato. Como regla del pulgar, el espesor de la muestra debe mantenerse mayor de 2,5 veces el diámetro del indent. Profundidad Alternativamente sensorial, ${\displaystyle t}$, se puede calcular según:

${\displaystyle {\fnMicroc} {\fnK} {\fnK}\fnh}\tan {\fnh} {\fn}\fn} {\fn}\fn}\fn}\fn}\fn\fn\fn} {\fn\fnK}\fn}\fn\fnK\fn}}\fn\fn}}\fn}}}}}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}}\fn}}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\fn}\ {\theta } {2}}\approx {\fnK} {\fnMicroc}} {\fnK}} {\fnK}} {\fnK} {\fn}}} {\fnK}} {\fnK}}} {\fnMicroc {\fn}} {\fnK}} {\f}}}} {\fnMicroc {\f}}}} {\f}}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}} {\f}} {\f}}}} {\f}}}} {\f} {\f}}}}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}} {\f}}}} {\f}}}}} {\f}}}}}}\f}}}\f}\f}$

Conversión a unidades SI

Para convertir el número de dureza de los Vickers a unidades SI el número de dureza en kilogramos-fuerza por milímetro cuadrado (kgf/mm²) tiene que ser multiplicado con la gravedad estándar, ${\displaystyle G_{0}$, para conseguir la dureza en MPa (N/mm²) y además dividido por 1000 para conseguir la dureza en GPa.

${\displaystyle {\text{}}={\frac {g_{0}{1000}HV={\frac} {9.80665}{1000}HV}$

La dureza de los Vickers también se puede convertir en una dureza SI basada en el área proyectada del indent en lugar de la superficie. La zona proyectada, ${\displaystyle A_{\rm {}}$, se define como el siguiente para una geometría indenter de Vickers:

${\displaystyle A_{\rm {p}={\frac} {\fnK} {avg} {2} {2}={\frac} {1.854}{2}{A_{s}}} {0}} {0}}} {0}}}}}} {\c}}}}}}}}} {\c}}}}}}}}}}}}}} {\cH}}}}}}}}} {\c}} {}}}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

Esta dureza se conoce a veces como el área de contacto media o la dureza de Meyer, y idealmente se puede comparar directamente con otras pruebas de dureza también definidas utilizando el área proyectada. El cuidado debe ser utilizado al comparar otras pruebas de dureza debido a varios factores de escala de tamaño que pueden afectar la dureza medida.

${\displaystyle {\text{proyectoed area hardness (GPa)}={\frac {g_{0}{1000} {\frac} {\fnMicroc}}} {\fnK}} {\f}} {\f}}} {\fn}} {\fnMicroc}}}}}}}} {\fn}}} {\f}} {\f}}} {\fnMicroc}}}} {\f}}}}}} {\f}}}} {\f}}}}}}}} {\f}} {\f}}}}} {\f} {\f}} {\f} {\f} {\f} {\f}}\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\f} {\f} {\f} {\f} {\f} {\f} {\f}\f}\f}\f}\f}}\f}\f}\f}\f}\f}\f}\f}\f}}}} {2}{1.854}HV\approx {\fnMicroc {HV}{94.5}}$

Estimación de la resistencia a la tracción

Si HV se expresa primero en N/mm² (MPa), o si no se convierte de kgf/mm², entonces la resistencia a la tracción (en MPa) de el material se puede aproximar como σ_u ≈ HV/c donde c es una constante determinada por el límite elástico, Poisson&# 39;s, exponente de endurecimiento por trabajo y factores geométricos, que generalmente oscilan entre 2 y 4. En otras palabras, si HV se expresa en N/mm² (es decir, en MPa), entonces la resistencia a la tracción ( en MPa) ≈ HV/3. Esta ley empírica depende variablemente del comportamiento de endurecimiento por trabajo del material.

Aplicación

El fabricante del avión especificó que los pasadores y manguitos de fijación de las aletas del avión de pasajeros Convair 580 estuvieran endurecidos según una especificación de dureza Vickers de 390HV5, la dureza '5' es decir, cinco kilopondios. Sin embargo, en el avión que volaba 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 de accidentes descubrieron que los pasadores de calidad inferior tenían un valor de dureza de sólo 200-230HV5.