Dureza zavickers

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Dureza zavickers

  1. 1. Elaborado por Gabriel Calle y Edison HenaoDUREZA VICKERSOBJETIVO 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 unmaterial de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia deesfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufredeformaciones residuales (indentador ó penetrador), de determinada forma ydimensiones.El método Brinell, ya estudiado, posee una serie de insuficiencias. Con dicho método nose puede ensayar probetas si su dureza se aproxima a la dureza de la bola, porque éstasufre deformaciones que alteran los resultados del ensayo. Si se utilizan bolas de aceroeste hecho limita la prueba Brinell a durezas máximas HB 400...500, si se usan bolas decarburo se limita a durezas HB 650. A causa de la gran profundidad de la impronta esimposible determinar la dureza de la capa superficial especialmente tratada, porque labola penetra a través de esta capa a la parte interior más blanda. La medición deldiámetro de la impronta a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por labola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad dehallar otros métodos de determinación de la dureza.Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace penetrar un indentadorde diamante en forma de pirámide de cuatro caras (ver figura 1a) con una ángulodeterminado en el vértice. La utilización de una pirámide de diamante tiene lassiguientes 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 ladureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud de lacarga; 3) la dureza con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los materiales dedureza media; 4) este método es aplicable con igual éxito para los materiales blandos yduros, y sobre todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas superficiales.Figura 1a. Indentador piramidal Vickers Figura 1b. Impronta piramidal de durezaVickersLos números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la igualdad delángulo del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a la bola para el caso deuna huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta consideración sirve de base para determinar
  2. 2. Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henaoel valor del ángulo del vértice de la pirámide estándar α = 136°. La demostración deeste hecho puede verse en el anexo 1.El estándar ASTM E 92-82 define la dureza Vickers como un método de ensayo porindentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentadorpiramidal de base cuadrada que tiene un ángulo entre caras específico, bajo una cargapredeterminada, contra la superficie del material a ser ensayado y se mide la diagonalresultante 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 estambién un esfuerzo convencional medio en la zona de contacto del indentador, muestray suele caracterizar la resistencia del material a la deformación plástica considerable.Con base en esto:‫ܸܪ‬ =ܲ‫ܣ‬=ܲ݀ଶ2‫݊݅ݏ‬ ߙ2ൗ=2ܲ‫݊݅ݏ‬ ߙ2ൗ݀ଶdonde 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 verseen el anexo 1.Debido a que el valor del ángulo α es constate e igual a 136°, en la práctica se usa lasiguiente fórmula de trabajo:‫ܸܪ‬ = 1,8544ܲ݀ଶEl método estándar se realiza bajo las siguientes condiciones:Indentador Pirámide de diamante α = 136°Carga (P): 1...120 kgfDuración de la carga (t): 10 ... 15 sEl número de dureza Vickers se denota como HV. Ejemplos:440 HV 30Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por untiempo de 10 a 15 s.
  3. 3. Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao440 HV 30/20Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por untiempo 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 unprincipio es indiferente la carga aplicada. Sin embargo una carga muy alta puede causarque el indentador penetre más allá de la capa superficial a la que se desee medírsele ladureza, de otro lado una impronta muy pequeña es difícil de medir y las imperfeccionesgeométricas de la pirámide influyen en la precisión del método. Para nuestra práctica serecomienda aplicar una carga de 60 kgf, así la impronta tiene una medida adecuada y suprofundidad de penetración es moderada.PROCEDIMIENTOPara obtener la dureza Vickers de la superficie de un material se presiona contra laprobeta un indentador piramidal de diamante con ángulo entre sus caras α = 136°. Lapirámide se mantiene algún tiempo bajo la carga P. Luego de retirada la carga se midenlas dos diagonales de la impronta dejada, con ayuda de un microscopio. El valor mediode las diagonales (d) y el valor de la carga se sustituyen en la fórmula de trabajo paraobtener el valor de la dureza Vickers. En las mismas condiciones se realizan variasindentaciones más.MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA.Máquina. Para los ensayos Vickers se usa el escleroscopio HP-250 marcaWekstoffprüfmaschinen, del cual se muestra su aspecto general en la figura 3. Esteaparato sirve para la medición tanto de dureza Brinell como Vickers. Aplica cargashasta de 250 kgf. Posee incorporado un microscopio de medición, el cual posee unaresolución de 0,001 mm. El funcionamiento y procedimiento de medición seránexplicados por el profesor y el monitor en el momento de la práctica.Figura 3. Aspecto general del esclerómetro WPM HP-250
  4. 4. Elaborado por Gabriel Calle y Edison HenaoEl estándar ASTM E 92 presenta las siguientes exigencias a las máquinas de mediciónde dureza Vickers: el diseño debe ser tal que se excluya cualquier mecimiento omovimientos 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 evitarselas sobrecargas al momento de la aplicación de la fuerza causadas por la inercia delsistema. Si el microscopio de medición está incorporado éste debe conservar laimpronta en el campo óptico, luego de la aplicación de la carga.Probetas. Se ensayarán tres probetas de acero AISI O1, con distintos tratamientostérmicos. Estas mismas probetas se usarán luego para la medición de la durezaRockwell 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 carasdonde se realizarán las mediciones, se debe tener especial cuidado en no calentar lasuperficie durante el procedimiento de pulimentoEl estándar ASTM E 92 presenta las siguientes exigencias a las probetas usadas para lamedición de la dureza Brinell: Para evitar que el efecto de la indentación aparezca en ellado opuesto de la probeta, el espesor de ésta debe ser al menos 1,5 veces más que lalongitud de la diagonal. La superficie debe ser lijada y pulida de manera que seobserven con claridad los bordes de la huella en el momento de la medición con laprecisión necesaria. La probeta debe ser montada de tal forma que la superficie esté enla normal del eje del indentador con una desviación máxima de ±1°.Indentadores. El indentador debe ser una pirámide de base cuadrada altamente pulida ypunteada. El ángulo entre sus caras debe ser de 136° ± 30´. Las caras deben poseer lamisma inclinación y coincidir en un punto, la disyunción máxima de las caras debe serde 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.
  5. 5. Elaborado por Gabriel Calle y Edison HenaoMicroscopio. 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 máquinaWPM HP-250.REALIZACIÓN DEL ENSAYOComo el ensayo se realiza bajo la estricta supervisión y dirección del profesor ymonitor, 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 noserá tenida en cuenta, esto para permitir el asentamiento del sistema indentador,montura y porta indentador3. Se realizarán entre 5 y 10 indentaciones por probeta, teniendo en cuenta que laseparación del borde de la probeta y de una huella al borde de la otra debe sermayor a 2,5 veces la diagonal de la huella.TRATAMIENTO E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOSLos datos de las dos diagonales de la impronta, se promedian y mediante la fórmula detrabajo,‫ܸܪ‬ = 1,8544ܲ݀ଶSe determina la dureza Vickers. Para obtener un dato consolidado se promedian lasdurezas obtenidas en todas las indentaciones de cada probeta. Este número se redondeahasta unidades enteras. Los resultados se presentan escribiendo la notación estándarcorrecta. Ejemplo:Probeta de acero AISI O1 en estado de suministro: 227 HV 60INFORMEDe manera particular, el informe sobre el ensayo de Dureza Vickers, debecontener.1) Objetivo.2) Consideraciones teóricas generales: Definición de dureza. Método Vickers.3) Maquinaria. Indentador3) Probetas. Dibujo de las mismas, comparación con la probeta ASTM.4) Resultados de dureza para cada probeta, con la notación correcta.5) Conclusiones.
  6. 6. Elaborado por Gabriel Calle y Edison HenaoANEXO 1SOBRE EL ÁNGULO ENTRE CARASDEL INDENTADOR PIRAMIDAL(DUREZA VICKERS)Sobre el ángulo del indentador piramidalLos números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la igualdad delángulo del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a la bola para el caso deuna huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta consideración sirve de base para determinarel valor del ángulo del vértice de la pirámide estándar α = 136°. Del gráfico se deducequeܿ‫ݏ݋‬ ߙ2ൗ =ଷ,଻ହଶൗହ,ߙ2ൗ = ܽ‫ݏ݋ܿݎ‬ ൬ଷ,଻ହଶൗହ൰,ߙ2ൗ ≅ 68°, entonces: ߙ = 136°SOBRE EL ÁREA DE LA IMPRONTA PIRAMIDAL(DUREZA VICKERS)Para la deducción del área de la impronta piramidaldBDAC ==
  7. 7. Elaborado por Gabriel Calle y Edison HenaoBCAD =Para poder obtener el área de la impronta piramidal, contando con la medida de ladiagonal procedemos así:El área total de la impronta es:‫ܣ‬ = 4 ∙ ቆ‫ܤܣ‬തതതത × ‫ܨܧ‬തതതത2ቇ = 2 ∙ ሺ‫ܤܣ‬തതതത × ‫ܨܧ‬തതതതሻAplicando el teorema de Pitágoras‫ܤܣ‬തതതതଶ+ ‫ܦܣ‬തതതതଶ= ‫ܦܤ‬തതതതଶ= ݀ଶcomo‫ܤܣ‬തതതത = ‫ܦܣ‬തതതതEntonces2 ∙ ‫ܤܣ‬തതതതଶ= ݀ଶ→ ‫ܤܣ‬തതതത =݀√2de otro ladosin ߙ2ൗ =ைாതതതതாிതതതത→ ‫ܨܧ‬തതതത =ைாതതതതୱ୧୬ఈଶൗyܱ‫ܧ‬തതതത =஺஻തതതതଶ=ௗଶ√ଶsustituyendo‫ܨܧ‬തതതത =ௗଶ√ଶୱ୧୬ఈଶൗVolviendo a la fórmula para el área, y sustituyendo los valores de ‫ܤܣ‬തതതത y ‫ܨܧ‬തതതത hallados setiene:‫ܣ‬ = 2 ∙ ሺ‫ܤܣ‬തതതത × ‫ܨܧ‬തതതതሻ = 2 ∙ௗ√ଶ∙ௗଶටଶ ୱ୧୬ఈଶൗ=ௗమଶ ୱ୧୬ఈଶൗEn conclusión: ‫ܣ‬ =ௗమଶ ୱ୧୬ఈଶൗ

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