DUREZA VICKERS Y TENACIDAD A LA FRACTURA DE UN VIDRIO.

I. RESUMEN

Este laboratorio es realizado con el fin de determinar la dureza de

diferentes materiales (vidrio, mayólica, porcelanato)  mediante ensayos

basados en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por un

cuerpo más duro. De igual manera, la dureza es un indicador amplio de la

resistencia al desgaste. Este ensayo se realizó mediante la penetración de

un diamante de forma piramidal.

Se emplea fundamentalmente en los ensayos de materiales de gran dureza y

de la piezas con secciones muy pequeñas, o en capas muy finas exteriores

como son: las nitruradas, cementadas, etc. Las medidas de dureza son

ampliamente utilizadas porque a partir de ellas se obtiene una idea aproximada

o comparativa de las características mecánicas de un material. La dureza es

también un indicador razonable de maquinabilidad, soldabilidad y

conformabilidad del acero,

.

II. OBJETIVOS

Entender la importación de realizar pruebas de dureza Vickers y tenacidad a la

fractura.

Determinar la dureza vickers teórica y práctica.

Determinar la tenacidad a la fractura (KIC) de un material cerámico, utilizando el

método de identación dureza Vickers.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

CONSIDERACIONES TEÓRICAS GENERALES.

DUREZA:

Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la

deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto

locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residuales

(indentador ó penetrador), de determinada forma y dimensiones. [1]

DUREZA VICKERS

En este caso se emplea como cuerpo de penetración una pirámide cuadrangular de

diamante. La huella vista desde arriba es un cuadrado. Este procedimiento es apropiado

para aceros nitrurados y cementados en su capa externa, así como para piezas de

paredes delgadas de acero o metales no férreos. La dureza Vickers (HV) se calcula

partiendo de la fuerza en Newton y de la diagonal en mm2 de la huella de la pirámide

según la fórmula.

[2]

Durante las mediciones estandarizadas de dureza Vickers se hace penetrar un indentador

de diamante en forma de pirámide de cuatro caras (ver figura 1a) con una ángulo

determinado en el vértice. La utilización de una pirámide de diamante tiene las siguientes

ventajas:

las improntas resultan bien perfiladas, cómodas para la medición

la forma de las improntas es geométricamente semejante (figura 1b), por lo cual la

dureza para un mismo material es constante, independientemente de la magnitud

de la carga

la dureza con la pirámide coincide con la dureza Brinell para los materiales de

dureza media

este método es aplicable con igual éxito para los materiales blandos y duros, y

sobre todo para los ensayos de probetas delgadas y las capas superficiales.

Los números HV y HB son cercanos en su valor absoluto debido a la igualdad del ángulo

del vértice de la pirámide al ángulo entre las tangentes a la bola para el caso de una

huella “ideal” cuando d = 0,375 D. Esta consideración sirve de base para determinar el

valor del ángulo del vértice de la pirámide estándar α = 136°. La demostración de este

hecho puede verse en el anexo 1.

El estándar ASTM E 92-82 define la dureza Vickers como un método de ensayo por

indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador

piramidal de base cuadrada que tiene un ángulo entre caras específico, bajo una carga

predeterminada, contra la superficie del material a ser ensayado y se mide la diagonal

resultante de la impresión luego de remover la carga.

El sentido físico del número de dureza Vickers es análogo a HB. La magnitud de HV es

también un esfuerzo convencional medio en la zona de contacto del indentador, muestra y

suele caracterizar la resistencia del material a la deformación plástica considerable. Con

base en esto:

[1]

La diagonal (d) es el valor medio de las diagonales de la huella d1 y d2.

[2]

Debido a que el valor del ángulo α es constate e igual a 136°, en la práctica se usa la

siguiente fórmula de trabajo:

El método estándar se realiza bajo las siguientes condiciones:

El número de dureza Vickers se denota como HV. Ejemplos:

440 HV 30

Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por un

tiempo de 10 a 15 s.

440 HV 30/20

Esta notación indica una dureza Vickers de 440 bajo carga de 30 kgf. Aplicada por un

tiempo 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 un

principio es indiferente la carga aplicada. Sin embargo una carga muy alta puede causar

que el indentador penetre más allá de la capa superficial a la que se desee medírsele la

dureza, de otro lado una impronta muy pequeña es difícil de medir y las imperfecciones

geométricas de la pirámide influyen en la precisión del método. Para nuestra práctica se

recomienda aplicar una carga de 60 kgf, así la impronta tiene una medida adecuada y su

profundidad de penetración es moderada. [1]

Método vickers (HV) (UNE 7- 423 – 84)

Este método se emplea para durezas superiores a 400 HB, el penetrador que es una

pirámide regular de base cuadrada cuyas caras forman un ángulo de 136°. El tiempo que

dura este ensayo es de unos 20s.

[3]

IV. EQUIPOS, MATERIALES E INSTRUMENTOS:

4.1.Equipos

Máquina de Dureza Universal IDENTEC.

Cámara digital

4.2. Materiales

Probetas de material cerámico con superficie pulida.

4.3. Instrumentos

1 identador tipo pirámide de diamante, con ángulo de base de 136°.

1 calibrador IN4529N de 453.1 Hv.10.

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

5.1. Disponer de las muestras de estudio de tal forma que estén completamente

secas y exentas de cualquier tipo de ralladura (pulidas).

5.2. Seleccionar la carga a emplear en el equipo durómetro Vickers. (es conveniente

utilizar la carga más baja posible). Colocar adecuadamente la muestra a ensayar

sobre la plataforma del equipo.

5.3. Enfocar la muestra mediante el uso del micrómetro del microscopio del

durómetro e identificar la zona y elegir el punto de identacion.

5.4. Realizar la identacion sobre la muestra con la carga previamente seleccionada

(carga de 20kg-f).

5.5. Medir y registrar las diaogonales de la huella con ayuda del ocular micrométrico,

es decir: medir 2a1 y 2a2 que corresponden a las diagonales producidad y sacar el

promedio 2c1 y 2c2.

5.6. Registrar Hv y calcular KIC aplicando las formulas correspondientes

VI. RESULTADOS Y DISCUSION

TABLA 1. Resultados de la dureza del vidrio

Muestr

a

Dimensiones(cm) Diagonales Crecimiento grieta Teorica

Práctic

a

Larg

o

Anch

o

Altur

a 2a 2a 2ax 2c 2c 2cx HV Kic HV

1 4cm 0.5cm 4cm 0.3735

0.356

2

0.3648

5 0.654 0.6751

0.6645

5 69.64 8.09 69.60

2 4cm 0.5cm 4cm 0.1895

0.275

2

0.2323

5

0.410

9 0.7979 0.6044 171.7 22.83 171.6

3 4cm 0.5cm 4cm 0.3639

0.364

0

0.3639

5

0.679

5 0.7239 0.7017 69.98 8.63 69.90

TABLA 2. Resultado de la dureza de la mayólica

Muestr

a

Dimensiones ( cm) Diagonales Crecimiento grieta Teórica

Practic

a

Larg

o

Anch

o

Altur

a 2a 2a 2ax 2c 2c 2cx HV Kic HV

1 4cm 0.5cm 4cm

0.310

4

0.321

3

0.3158

5

0.372

4

0.363

6

0.368

0

55.7

5

3.8

7 53.80

2 4cm 0.5cm 4cm 0.254

0.263

6

0.2588

0

0.287

7

0.287

4

0.287

6

83.0

4

4.9

8 133.2

TABLA 3. Resultados de la dureza del porcelanato

Muestr

a

Dimensiones Diagonales Crecimiento grieta Teórica

Practic

a

Larg

o

Anch

o

Altur

a 2a 2a 2ax 2c 2c 2cx HV Kic HV

1 4cm 1cm 4cm

0.218

4

0.205

7

0.2120

5

0.341

8

0.331

2

0.336

5

123.7

0

9.587

3 133.2

2 4cm 1cm 4cm0.325 0.319

0.3225 0.325 0.3220.323 53.47 3.221

54.4

4 6 5 8 0

3 4cm 1cm 4cm

0.362

1

0.337

1 0.3496

0.364

2 0.35

0.357

1 45.51

2.915

3 48.6

A partir de los valores obtenidos con respecto a la tabla 1, se observa que la dureza

teórica que hallamos fue de 69.64 N/mm2 comparando con la dureza que se obtuvo del

identador vickers, que fue de 69.60 N/mm2, estos resultados son muy cercanos, lo cual

comprueba que comprueba que fue realizado con mucha precisión y cuidado. Este

ensayo fue realizado con una carga de 5 N, según (William & Callister, 2007) las pruebas

de dureza Vickers se efectúan con cargas desde 1.96 N hasta 980.7 N. En la práctica,

para la dureza del vidrio se utilizó la misma carga, evidenciando que él número de dureza

Vickers se mantiene constante para las muestras 1 y 3.

Con respecto a la mayólica (tabla 2) en la primera muestra se obtuvo 55.75 N/m2 la cual

fue cercana a la que arrojo el identador 53.80 N/mm2 , pero hubo gran diferencia en la

segunda muestra que fue 83.04 N/cm2 y del equipo 133.2 N/mm2, esto evidencia que no

FIGURA1. Imagen de la huella del identador en el vidrio

FIGURA2. Imagen de la huella del identador en la mayólica

FIGURA3. Imagen de la huella del identador en el porcelanato

siempre los datos calculados teóricamente son iguales a los de la práctica. Sin embargo

(De Garmo & Khoser, 2002) dice que las desviaciones en los resultados de las medidas

de dureza se producen cuando el tamaño de la huella no es suficientemente larga

(aproximadamente 10 veces superior comparada con la microestructura, tamaño de

grano, partícula, poro o su distribución). Este tipo de dispersiones son propias de estos

materiales debidos a su elevada dureza.

VII. CONCLUSIONES:

Se entendió la importación de realizar pruebas de dureza Vickers y tenacidad a la fractura,

ya que estos ensayos de dureza son utilizados en la selección y control de calidad de los

materiales como la cerámica, porcelanato y vidrio. El empleo de los ensayos de dureza

como instrumento de clasificación y control de calidad en las líneas de producción ha sido

favorecido gracias a la automatización de los ciclos de medición de los métodos

tradicionales tales como el dureza Vickers. En este sentido existen aparatos que permiten

ciclos automáticos de medición muy rápidos en los que prácticamente no se requiere la

intervención del operador.

Se obtuvo el valor de la dureza Vickers de 3 materiales: vidrio 69.60 N/mm2, mayólica 53.80

N/mm2 y porcelanato 48.6 N/mm

Se Determinó la tenacidad a la fractura (KIC), utilizando el método de identación dureza

Vickers, de los siguientes materiales: vidrio 8.09 N.mm0.5, mayólica 3.87 N.mm0.5 y

porcelanato 2.92 N.mm0.5

RECOMENDACIONES:

Se podría realizar la medición de la dureza en diferentes calidades de vidrio y

observar el comportamiento de las grietas encontradas.

Cuando se va ensayar un material muy duro (Hv > 500), se recomienda aplicar

una carga no mayor de 50 kgf, ya que al aplicarse mayores cargas podría

deteriorarse el diamante.

En algunas pruebas no se observó grietas por lo cual sería más conveniente

aplicarle más fuerza sin llegar a romper el material.

La fuerza aplicada en algunos casos no fue lo suficiente, se podría usar otro tipo

de mayólicas y porcelanatos de menor dureza.

La carga de prueba debe aplicarse y retirarse suavemente sin golpes ni

vibraciones. El tiempo de aplicación de la carga se recomienda debe de ser de 10

a 15 segundos a menos que se especifique otra cosa.

Se recomienda que el centro de la huella no debe estar cercano a la orilla de la

probeta u otra huella en una distancia igual a dos veces y media la longitud de la

diagonal de la huella. Cuando se prueba material con recubrimiento, la superficie

de unión debe considerarse como una orilla para el cálculo del espacio entre

huellas.

Deben medirse diagonales de la huella y su valor promedio usarse como base

para el cálculo de número de dureza vickers. Se recomienda efectuar la medición

con la huella centrada, tanto como sea posible, en el campo óptico del

microscopio.

VIII. BILBIOGRAFIA:

[1] GABRIEL CAYO Y EDINSON HENAO, DUREZA VICKERS, WEB OFICIAL DE UTP.

FECHA DE CONSULTA: 21 DE NOVIEMBRE DE 2015. URL:

http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZAVICKERS.pdf

[2] TORRES, NICOLÁS (2009) ENSAYO DE DUREZA, WEB OFICIAL DE DIAGRAMAS .

DIAGRAMAS. FECHA DE CONSULTA: 21 DE NOVIEMBRE DE 2015. URL:

http://diagramas.diagramasde.com/otros/31422876-ENSAYO-DE-DUREZAS.pdf

[3] PRINCIPIOS DE MATERIALES Y ENSAYOS, WEB OFICIAL DE JUNTA DE

ANDALUCIA. FECHA DE CONSULTA: 21 DE NOVIEMBRE DE 2015. URL:

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/LIBRO/pdf/materpri.pdf

[4]

De Garmo , P., & Khoser, R. (2002). Materiales y procesos de fabricacion. España: Editorial Reverte.

[5] William, D., & Callister, j. (2007). Ciencia e Ingenieria de los materiales (Vol. 1).

Buenos Aires: Editorial Reverte.

ANEXO:

APENDICE:

Deformación: La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido

a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la

ocurrencia de dilatación térmica.

Dureza: La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la

penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes, entre

otras. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene

mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar. En la actualidad la

definición más extendida -aparte de los minerales y cerámicas- sería la resistencia a la

deformación plástica localizada.

Dureza Vickers: El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método

para medir la dureza de los materiales.

Entalla: Patrón o diseño que se realiza mediante un inciso en la superficie de un material.

También llamada talla dulce.

Fatiga: La fatiga de materiales, en ingeniería y en ciencia de los materiales, disminución

de la resistencia mecánica de los materiales al someterlos a esfuerzos repetidos.

Fractura: Una fractura es la separación bajo presión en dos o más piezas de un cuerpo

sólido.

Grieta: Una grieta es una abertura larga y estrecha producto de la separación de dos

materiales.

Tracción: En el cálculo de estructuras e ingeniería se denomina tracción al esfuerzo

interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en

sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera que las tensiones que

tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y

poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.