ENSAYO DE MICRODUREZAS

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Microdurómetro y penetrador Vickers del Laboratorio de Ensayos de la EETP Nº466.

ENSAYOS DE MICRODUREZA

En este tipo de ensayos la penetración es del orden algunos micrones, por lo que pueden ensayarse chapas y láminas extremadamente delgadas, o superficies tratadas en las que el espesor del tratamiento es muy delgado como es el caso de las superficies carburadas o nitruradas, así como también los recubrimientos por electrodeposición.

En los ensayos de microdureza se utilizan aparatos que aplican cargas que pueden variar de 0,01 kg a 2 kg. En la Fig.1 se puede ver un aparato de microdureza dureza Vickers que aplica cargas que pueden variar de 0,01 a 1 kg y posee un microscopio analógico (existe otra versión con microscopio digital) que permite medir la diagonal de la impronta en el mismo aparato.

También existen aparatos con los que se puede hacer micro y macro Vickers, con cargas que pueden variar desde 0,3 a 30 kg.

En la Fig. 2 se muestra otro aparato utilizado en microdureza, el aparato Tukon. Este aparato es completamente automático al hacer la penetración. El aparato de la figura admite tanto la microdureza Vickers como la Knoop.

Figura 1. Aparato para microdureza Vickers modelo 402-MVD de Foundrax- Wolpert

Figura 2. Aparato Tukon Modelo 2100 de Foundrax-Wolpert

  • Dureza Vickers/Knoop desde HV0,005 a HV50
  • Sistema electrónico de control a lazo cerrado
  • Identador montado sobre celdas de carga
  • Posicionador X Y
  • Panel de control con “jog” de alta velocidad, foco ultra fino y control de luz

MICRODUREZA VICKERS

Los ensayos de microdureza son de gran uso práctico en metalografía y permiten efectuar determinaciones en materiales en donde no pueden emplearse otros métodos.

La penetración en estos casos es del orden de los micrones (1 micrón = 1m = 0,001mm), por lo que pueden ensayarse chapas extremadamente delgadas, determinar la dureza del filo de una herramienta de corte, de tratamientos superficiales de los metales (nitrurados, cementados, etc) y de los recubrimientos aplicados por electrodeposición.

Los ensayos de microdureza se realizan empleando penetradores de diamante Vickers o Knoop en máquinas de alta apreciación y sensibilidad, con las que pueden aplicarse cargas de 1 gr a 1000 gr.

Se emplea el penetrador piramidal Vickers de la Fig. 3 y la dureza se determina por la ecuación precedente, solo que en este caso, por la gran sensibilidad del método, la constante se toma con mayor exactitud (2 sen(68º) = 1,85436).

Aplicando cargas de 0,3 kg la profundidad de penetración puede ser de 3 o en los materiales más duros, por lo que se puede ensayar piezas con espesores de 30 a 40μ. Con menores cargas los espesores ensayar pueden ser de 10 o 20μ.

Figura 3. Penetrador Vickers

Figura 4. Angulo de las tangentes a la bola
para la relación d = 0,375D

MEDICIÓN DE LA IMPRONTA VICKERS

Este ensayo se diferencia de los estudiados en la magnitud de la superficie afectada por el ensayo.  En los ensayos de dureza Brinell, Vickers, Rockwell afectan usualmente a la superficie ocupada por varios granos o compuestos.  Por contra, el ensayo de microdureza puede afectar sólo a un grano monofásico, o compuesto homogéneo.  En cualquier caso, si la huella ha afectado a uno o varios granos es una cuestión que queda despejada en el proceso de medición de la huella y comprobación de su ubicación.

El ensayo se inicia, localizando con el objetivo del microscopio la zona donde se desea aplicar la carga y medir la microdureza.  Una vez seleccionada esta zona, se sustituye el objetivo por el penetrador, coincidiendo el eje de la pirámide del mismo con el eje óptico del microscopio.  La carga se aplica durante un tiempo dado, eliminándose a continuación y sustituyendo de nuevo el penetrador por el objetivo micrométrico para poder medir las diagonales de la huella piramidal marcada sobre el metal.

MICRODUREZA KNOOP

El ensayo de dureza de Knoop (pronunciado en inglés nūp, aunque en castellano es usual pronunciarlo como "nop") es un ensayo de microdureza, para determinar la dureza mecánica especialmente de materiales muy frágiles o láminas delgadas, donde solo se pueden hacer hendiduras pequeñas para realizar la prueba.

Este ensayo fue desarrollada por Frederick Knoop y sus colegas del National Bureau of Standards (actualmente el NIST) de EE. UU. en 1939, y fue definido por el estándar de la ASTM D1474.

En la microdureza Knoop se utiliza un penetrador de diamante como el de la figura 5.

La dureza se determina mediante el cociente de la carga aplicada y el área de la impronta proyectada sobre la superficie que se ensayada y en la que no debe tenerse en cuenta la recuperación elástica del material.

Sin embargo, la medición de la superficie requiere que se retire el penetrador y por lo tanto el material produce la recuperación elástica y la consecuente deformación de la impronta.

Figura 5. Penetrador Knoop y dimensiones principales de la impronta

Por esto, considerando que la diagonal mayor l prácticamente no es afectada por la recuperación, el cálculo de la superficie se realiza en función de esta.

De esta manera el área S de la base de la impresión no recuperada será

donde w y l son las diagonales del romboide

El valor de dureza Knoop en función de l resulta:

La longitud de la diagonal l puede variar de 5 a 1000μ según la carga y la dureza del material.

En la tabla 1 se muestran los valores de dureza Knoop de algunos los recubrimientos por electrodeposición de con distintos metales.

Tabla 1: Dureza Knoop de recubrimientos por electrodeposición con diferentes metales

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO KNOOP

El ensayo consiste en presionar en una zona de la muestra con un indentador piramidal de diamante, sobre la superficie pulida del material a ensayar, con una fuerza conocida, durante un tiempo de empuje determinado. Las diagonales de la huella resultante se miden usando un microscopio.

La geometría del indentador es una pirámide como el de la figura, que presentan una relación entre la anchura y la altura media de 7:1 y con los ángulos de las caras respectivas de 172o30’ grados para el borde largo y 130o grados para el borde corto.

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 Indentador Knoop

La profundidad de la incisión puede ser aproximadamente de 1/30 de la longitud. 

La dureza de Knoop, HK o KHN, se obtiene con la siguiente fórmula:

donde:

L = longitud de la hendidura en su eje largo,

Cp = factor de corrección relativo a la forma de la hendidura, idealmente 0.070279, y

P = carga

Los valores de HK varian generalmente entre 100 y 1000, cuando se calcula en las unidades convencionales de kgf/mm2. Cuando se usa la unidad del sistema internacional, el pascal, la transformación es: 1 kgf/mm2 = 9,80665 MPa.

Entre las ventajas de esta prueba está que se necesita sólo una cantidad de muestra muy pequeña, y que es válida para un rango muy amplio de fuerzas. La principal desventaja es la dificultad tener que usar un microscopio para medir la incisión (con una precisión de 0,5 micrómetros), y el tiempo necesario para preparar la muestra y aplicar el indentador.

Este método, similar al Vickers se reserva para láminas muy delgadas (menos de 2 mm) como en el caso de la geología (lámina delgada). También se usa en vidrios.

Una fuerza de 0,9807 N se mantiene durante 30 segundos en la superficie de la probeta y se deja en reposo unos 5 minutos antes de realizar la medida.

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 Huella de indentador Knoop