Introducción al Ensayo de Dureza Vickers
El ensayo de dureza Vickers es un método versátil, utilizado para macro y micro ensayos de dureza. Fue desarrollado en 1924 por Smith y Sandland en Vickers como alternativa al test Brinell o al ensayo de dureza Rockwell para medir la dureza de los materiales. Este método tiene un amplio rango de carga y es adecuado para una amplia gama de aplicaciones y materiales.
El ensayo Vickers puede utilizarse para todos los metales y posee una de las escalas más amplias entre los ensayos de dureza. El proceso se puede realizar en un ensayo de microdureza o dureza universal; los cálculos requeridos son independientes del tamaño del penetrador, y el mismo penetrador (de diamante piramidal) se puede utilizar en todos los materiales, sin importar su dureza. Uno de los beneficios que tiene este método de ensayo es que solo es necesario un único tipo de penetrador y, además, puede utilizarse para todos los ensayos Vickers. El ensayo de dureza Vickers puede utilizarse con todos y cada uno de los materiales, desde los blandos hasta los duros, ya que el procedimiento cubre toda la gama de durezas.
Fundamentos del Ensayo Vickers
El ensayo Vickers se basa en un sistema de medición óptica. Para realizar las pruebas en la escala Vickers se utiliza un penetrador de diamante en forma de pirámide y de base cuadrada. En el ensayo de dureza Vickers, el indentador se compone de una pirámide de diamante con superficie de base cuadrada y ángulo de α = 136°.
El método de ensayo de dureza Vickers consiste en penetrar el material de prueba con una carga de 1 a 100 kgf. En la prueba de dureza Vickers, se aplica una carga suavemente, sin impacto, para empujar el indentador de diamante en la pieza de prueba. Se aplica a la probeta una fuerza de ensayo (a partir de 10 g según la norma) y se mantiene según el tiempo de parada. La carga completa se aplica normalmente durante 10 a 15 segundos. Se sostiene el indentador en su lugar por 10 o 15 segundos y, posteriormente, se lo descarga por completo.
El diamante Vickers produce una forma piramidal con base cuadrada con una profundidad de indentación de alrededor de 1/7 respecto de la longitud de la diagonal. Es necesario controlar la calidad física del indentador y la precisión de la carga aplicada (que se definen en E384) para obtener los resultados correctos. Tras la retirada de la carga, se miden las dos diagonales de la hendidura que queda en la superficie del material con un microscopio. Se miden las dos diagonales de impresión, generalmente a la distancia de 0,1 μm más cercana, y se promedian los valores. Las longitudes de ambas diagonales de la huella residual se miden de forma óptica.
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En la prueba de dureza Vickers, se supone que no se produce una recuperación elástica cuando se elimina la carga. No obstante, la recuperación elástica se produce y, a veces, su influencia es bastante pronunciada. En general, la impresión parece ser cuadrada y las dos diagonales parecen ser de longitudes similares. Si la forma de la impresión se distorsiona debido a la recuperación elástica (algo muy común en los materiales anisotrópicos), la dureza debe basarse en el promedio de las dos diagonales. La medición de diagonales es el enfoque preferido actualmente, incluso para las indentaciones distorsionadas.
Cálculo de la Dureza Vickers: Deducción de la Fórmula
La dureza Vickers (HV) se calcula como el cociente de la carga de ensayo aplicada F (en Newton N o kilogramo-fuerza kgf) y la superficie de la indentación permanente en la probeta. Para calcular la superficie de la indentación piramidal permanente, se utiliza el valor medio de las dos diagonales d1 y d2 (en mm), ya que la superficie de base de las indentaciones Vickers no suele ser exactamente cuadrada.
La fórmula de la dureza Vickers (HV) se deduce de la geometría del penetrador y de la medición de las diagonales de la huella. Considerando el penetrador de diamante piramidal de base cuadrada con un ángulo entre caras opuestas de 136°, la superficie inclinada de la indentación (A) puede calcularse a partir de la diagonal media (d) utilizando trigonometría.
La fórmula general para la dureza Vickers es:
HV = (2 * F * sin(136°/2)) / d²
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Donde:
- F es la carga aplicada (en kgf).
- d es la longitud media de las dos diagonales de la indentación (en mm).
- sin(136°/2) es el seno de la mitad del ángulo del indentador, es decir, sin(68°), que es aproximadamente 0.927.
Sustituyendo el valor de sin(68°), la fórmula se simplifica a:
HV = 1.8544 * F / d²
El resultado se expresa típicamente en kilogramo-fuerza por milímetro cuadrado (kgf/mm²). Desde la década de 1960, el símbolo estándar para la dureza Vickers, según ASTM E2 y E384, es HV, y se debe usar este en lugar de los símbolos obsoletos DPN o VPN. La aplicación rigurosa del sistema SI produce unidades de dureza expresadas en unidades GPa, aunque ASTM recomienda aplicar un enfoque métrico "suave" que a menudo mantiene la referencia a kgf/mm² por su comprensión en la ingeniería.
Rangos y Aplicaciones del Ensayo Vickers
La prueba de dureza Vickers presenta dos rangos de fuerza distintos, "Microindentación Vickers" (10-1000 g) y "Macroindentación Vickers" (1-100 kg), para cubrir todos los requisitos de prueba. El indentador es el mismo para ambos rangos, por lo que los valores de dureza Vickers son continuos a lo largo de todo el rango de dureza de los metales (típicamente de HV100 a HV1000). La única diferencia entre las pruebas Vickers estándar y las pruebas de microindentación es que las cargas son menores (<1 kg).
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Medición de la Profundidad de Dureza de Huella (CHD)
El ensayo de dureza se utiliza con frecuencia para evaluar la profundidad de la dureza en aceros de superficie endurecida. Estos ensayos se realizan mediante una serie de impresiones de dureza desde el borde de la muestra seccionada hasta el centro. La progresión de la dureza se refleja en un gráfico y se calcula la distancia entre la superficie y el llamado límite de dureza (HL). Existen diferentes maneras de determinar el límite de dureza. En consecuencia, existen diferentes formas de calcular el valor CHD. El procedimiento elegido depende del proceso de templado utilizado.
Ensayo de Dureza de Soldaduras
Los ensayos de dureza de soldaduras son ensayos que pertenecen a un subgrupo de Vickers. El propósito de realizar ensayos de dureza en soldaduras es evaluar la fuerza de la soldadura, prestando especial atención a la dureza alrededor de la zona afectada por el calor (HAZ). Esto se debe a que la dureza en o alrededor de la zona afectada por el calor puede ayudar a evaluar la fragilidad de la soldadura y, por lo tanto, determinar si la soldadura goza de la fuerza deseada. Los ensayos de dureza de soldaduras se pueden realizar en cualquier máquina de ensayos de microdureza Vickers. Al realizar ensayos de dureza de soldaduras, se realiza una serie de mediciones en un patrón determinado a una distancia específica del borde de la muestra o de la parte superior de la soldadura.
Ensayo Jominy
El ensayo Jominy implica calentar una probeta cilíndrica de acero a una temperatura de austenización (~980 °C - 1010 °C) y templarla (enfriarla) empezando por un extremo mediante un chorro de agua controlado y estandarizado. Una vez se ha enfriado, se mide la dureza a intervalos a partir del extremo templado. La variación de la dureza a lo largo de la superficie sobre la que se ha realizado el ensayo es el resultado de la variación microestructural que se produce cuando el índice de enfriamiento disminuye con la distancia desde el extremo templado. Cuanto más duro sea el material a una distancia determinada del extremo, mayor será la capacidad de endurecimiento del acero. Tanto los ensayos de dureza Vickers como Rockwell se utilizan a menudo para los ensayos Jominy.
Comparativa con Otros Métodos y Estándares
Comparación de Ensayos de Dureza Knoop y Vickers
En la mayoría de los casos, el ensayo de dureza Vickers se utiliza para determinar la dureza en materiales en el rango de carga de microdureza. No obstante, el ensayo de dureza Knoop a menudo se utiliza al evaluar las capas finas, como los revestimientos, o para solventar problemas de fracturas en materiales quebradizos.
Normativas y Espaciamiento
Los métodos de prueba de dureza Vickers y Knoop se definen en las siguientes normas: ISO 6507 (Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 1: Método de ensayo) y ASTM E384 (Método de ensayo estándar para la dureza por microindentación (1gf - 200 gf) de materiales según los métodos Vickers y Knoop). El rango de dureza Vickers recomendado puede consultarse en la norma (ISO 6507) y en la norma ASTM E384.
Independientemente del ensayo de microdureza utilizado, cuando realice un ensayo de dureza Vickers, la penetración deformará el material circundante y alterará sus propiedades. Para garantizar una lectura precisa del penetrador, los estándares del ensayo de dureza Vickers prescriben una anchura diagonal mínima de 20 µm. La norma ISO 6507 define las distancias mínimas entre los puntos de ensayo (indentaciones) y el borde de la probeta para el método de ensayo Vickers. La razón de estas distancias mínimas es que deben evitarse las falsificaciones de los resultados de dureza que resultan de la deformación de la estructura del material.
Tecnología Avanzada: Ensayo de Impedancia de Contacto Ultrasónico (UCI)
Los ensayos de dureza portátiles suelen realizarse directamente in situ en los componentes con dispositivos móviles, lo que también permite una evaluación inicial de los resultados. Con la invención del método ICU (Impedancia de contacto ultrasónico) en 1961, se describió por primera vez un método de ensayo de dureza que determina la dureza Vickers bajo carga y registra así la respuesta elástica y plástica completa del material (área de contacto). El método ICU -utilizado por primera vez en 1965 con el nombre de "SONODUR"- evalúa electrónicamente y muestra digitalmente la muestra de dureza Vickers en fracciones de segundo.
El sistema de diamante Vickers y varilla vibrante, que vibra longitudinalmente en resonancia, modifica su frecuencia de vibración al entrar en contacto con el material. Mientras la sonda de medición está presionada sobre el material, la varilla vibrante de la sonda realiza vibraciones ultrasónicas longitudinales a aprox. 78 kHz mediante excitación piezoeléctrica. El acoplamiento de material del diamante Vickers crea una resistencia de contacto, que provoca inicialmente una amortiguación de la amplitud de oscilación y, simultáneamente, hace que la frecuencia de oscilación aumente de forma característica.
La magnitud del aumento de frecuencia depende de la fuerza de medición (de 1 N a 100 N) y de los parámetros mecánicos del palpador. Los factores de influencia variables sólo proceden del material de ensayo, como la fuerza de acoplamiento de la zona de contacto y el módulo de Young del material de ensayo. El desplazamiento de frecuencia se determina exactamente cuándo se alcanza una fuerza de medición especificada y, en el caso de las sondas manuales, la dureza Vickers se calcula a partir de ella inmediatamente.
El valor de dureza resultante en unidades Vickers se determina bajo carga y se calcula un valor de dureza a una fuerza definida. La adquisición inmediata de los valores de dureza en "marcha adelante" permite obtener rápidamente los valores medidos y eliminar en gran medida los errores del operador. El valor de dureza se determina muy rápidamente ya en "movimiento de avance", es decir, mientras el diamante está siendo presionado en el material - sin tiempo de espera o sólo después de que la sonda se ha levantado del material de ensayo. Esta es la mejor forma de minimizar la influencia de la fuerza de medición sobre el operario.
El punto fuerte del ensayo ICU en comparación con el ensayo Vickers óptico en piezas de trabajo es el contacto total con el material. Especialmente con impresiones de medición decrecientes (fuerza de medición pequeña, dureza alta), la adquisición de longitudes diagonales se hace cada vez más difícil con el método óptico. Del mismo modo, el ensayo UCI en la industria metalúrgica puede llevarse a cabo en sustratos gris rodillo, superficies rectificadas o en sustratos oscuros (bruñidos), donde el ensayo Vickers clásico ya no es útil. La referencia al ensayo de dureza Vickers clásico y, por tanto, en la escala de dureza Vickers clásica estandarizada, sienta las bases sistémicas del procedimiento de ensayo con SONODUR 3.
Según la fórmula, la dureza Vickers calculada HVUCI se obtiene a partir de la fórmula Vickers F/AHV con la fuerza de medición F y el área de indentación AHV a partir de las diagonales medidas durante el ensayo óptico (supuesto AUCI=AHV).
La influencia del módulo E se compensa durante el montaje de la sonda ajustando entre 128 HV y 900 HV en bloques de referencia de dureza Vickers calibrados. Un ajuste del instrumento a materiales con módulo Young desviado (cobre, aluminio, cromo, hierro fundido, etc.) es fácilmente posible mediante una medición comparativa y sólo debe realizarse una vez, ya que los parámetros de ajuste pueden guardarse en texto sin formato. La tecnología de medición ICU, tal y como está instalada en el SONODUR 3, establece estándares para la calidad de los resultados de los ensayos. Otra gran ventaja de la tecnología de medición SONODUR 3 es la posibilidad de realizar ajustes rápidos en materiales que tienen diferentes módulos de Young.
Una vez determinado el valor HV, los resultados de la medición Vickers pueden visualizarse en otras unidades de dureza o resistencias a la tracción utilizando las funciones de conversión de EN ISO 18265-2019 o ASTM E140-18.