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En el mundo industrial, especialmente en los campos de la metalurgia y la ciencia de materiales, medir correctamente la dureza es de vital importancia. Esto se debe a que comprender qué tan resistente es una pieza al desgaste, al impacto o a la deformación afecta directamente su vida útil y seguridad.
La prueba Vickers proporciona una alta precisión, incluso cuando se trabaja a microescala. Esto la convierte en un método indispensable en las aplicaciones de ingeniería modernas. El principio de medición es simple: se presiona una punta de diamante en forma de pirámide sobre la superficie del material con una fuerza determinada, y se mide la diagonal de la huella para calcular la dureza. Sin embargo, esta simplicidad no impide que los resultados sean altamente repetibles y confiables.
Una de las principales diferencias de la prueba Vickers es que tanto la forma de la punta como la carga aplicada pueden ajustarse en un amplio rango. Así, se pueden realizar mediciones tanto de microdureza como de macrodureza. Esta flexibilidad permite que el ensayo se adapte a una gran variedad de materiales y aplicaciones.
Imagínese un método de ensayo que sigue siendo válido después de más de un siglo y que continúa utilizándose como una de las herramientas fundamentales en la ciencia moderna de materiales. La prueba de dureza Vickers es exactamente ese tipo de método.
¿Cuándo y por quién fue desarrollada por primera vez?
La prueba de dureza Vickers fue desarrollada en 1921 por Vickers Ltd., una empresa con sede en el Reino Unido. Detrás de este método estaban dos ingenieros, Robert L. Smith y George E. Sandland, quienes buscaban un nuevo sistema de medición que respondiera a las necesidades de su época.
El método Brinell era ampliamente utilizado, pero requería cargas muy grandes y no ofrecía resultados precisos en piezas delgadas, lo que dejaba en evidencia sus limitaciones.
El objetivo de Smith y Sandland era crear una prueba de dureza más precisa, flexible y aplicable a una gama más amplia de materiales. Y lo lograron. Desde entonces, la prueba Vickers se convirtió no solo en una alternativa, sino en muchos casos en el método preferido.
Proceso de Adopción en la Industria
A partir de la década de 1930, la prueba Vickers se expandió rápidamente en los laboratorios metalúrgicos de Europa.
En particular, tras la Segunda Guerra Mundial, con el auge de la producción industrial sobre el sector de defensa, surgió la necesidad de probar materiales más diversos y precisos. Esta situación destacó aún más las ventajas del método Vickers.
A partir de los años 80, con el desarrollo de microscopios digitales y sistemas automáticos de control de carga, los dispositivos de prueba Vickers también evolucionaron. Hoy en día, muchos equipos modernos funcionan con carga digital, medición automática de huellas y sistemas de análisis asistidos por computadora.
Además, la aceptación internacional de este método, al ser estandarizado por organismos como ISO y ASTM, lo ha convertido en un lenguaje común a nivel mundial.
Al elegir un método de prueba de dureza, uno de los factores más importantes es la precisión y repetibilidad de los datos deseados, además del tipo, tamaño y estado superficial del material. Es en este punto donde la prueba de dureza Vickers destaca en muchos aspectos. Las razones por las que se prefiere tanto en laboratorios como en entornos de producción están en sus ventajas.
Aplicable en Materiales Muy Pequeños y Delgados
Las pruebas Brinell y Rockwell presentan dificultades en materiales por debajo de cierto tamaño, ya que dejan huellas grandes que pueden dañar la pieza o no permitir obtener resultados precisos.
La punta de diamante utilizada en la prueba Vickers puede aplicarse con cargas muy pequeñas (como 1 gf). Esto es una gran ventaja para investigadores que trabajan a microescala o fabricantes que prueban componentes delicados.
Utilizable en Micro y Macro Escala
Gracias a que la carga aplicada se puede ajustar en un amplio rango, la prueba Vickers permite medir tanto microdureza como macrodureza:
• Micro-Vickers: Se realiza con cargas bajas (1 gf – 1 kgf) y deja huellas muy pequeñas.
• Macro-Vickers: Se realiza con cargas más altas (1 kgf – 100 kgf) y es adecuada para materiales más grandes.
Esta flexibilidad permite aplicar el mismo principio de prueba en piezas de distintos tamaños. Además, como la punta no cambia, se mantiene la uniformidad del método.
Permite Realizar Pruebas con Diferentes Cargas Usando una Sola Punta
En la prueba Rockwell, se utilizan diferentes puntas y cargas según la escala, lo que requiere procedimientos más complejos y cambios de equipo.
En cambio, en la prueba Vickers se utiliza una única punta de diamante piramidal para todas las cargas. Esto simplifica el proceso de prueba y reduce errores del operador.
Además, permite comparaciones consistentes entre diferentes materiales. Como el tipo de punta permanece constante, el único factor variable es la fuerza aplicada, lo que mejora la comparabilidad de los datos.
Alta Precisión y Repetibilidad Gracias a la Medición de la Huella
En la prueba Vickers, la medición se realiza observando las diagonales de la huella bajo el microscopio. Esto ofrece una gran precisión, especialmente al analizar en detalle la dureza superficial.
A diferencia de otros métodos donde se leen los valores directamente de un indicador, aquí se calcula el valor según el tamaño de la huella, lo que permite controlar factores que podrían afectar el resultado como la rugosidad de la superficie, errores locales o deformaciones plásticas.
Aplicable a una Amplia Gama de Materiales
No solo se puede aplicar en metales, sino también en cerámicas, compuestos, materiales de ingeniería basados en polímeros, recubrimientos y más.
Sin importar si el material es blando o extremadamente duro, siempre que se seleccione la carga adecuada, puede medirse mediante la prueba Vickers.
Los tres métodos de prueba de dureza más comunes son: Vickers, Brinell y Rockwell. Cada uno se basa en principios distintos, ofrece diferentes ventajas y está dirigido a diferentes aplicaciones. Sin embargo, la prueba Vickers destaca cuando se trata de precisión y versatilidad.
1. Diferencias en el Método de Aplicación
• Vickers: Una punta de diamante piramidal de cuatro caras se presiona contra la superficie con una fuerza determinada. Se mide la huella mediante microscopio y se calcula el valor de dureza.
• Brinell: Se aplica una bola de acero o carburo de tungsteno sobre la superficie. Se mide el diámetro de la huella circular.
• Rockwell: Una punta en forma de cono de diamante o bola de acero aplica primero una carga preliminar, luego una carga principal, y se lee directamente el valor según la profundidad de la penetración.
2. Tipos de Punta y Rangos de Carga Utilizados
• Vickers: Utiliza una única punta de diamante piramidal. La carga puede ajustarse entre 1 gf y 100 kgf.
• Brinell: Generalmente usa una bola de acero o carburo de tungsteno de 10 mm de diámetro. Las cargas van de 500 a 3000 kgf.
• Rockwell: Tiene muchas escalas diferentes (HRC, HRB, HRA, etc.) según el tipo de punta y carga. Varía según el tipo de material.
3. ¿Cuál Método Debe Elegirse Según la Situación?
• Vickers: Es ideal para piezas muy pequeñas, recubrimientos finos, superficies endurecidas o zonas sensibles. Se puede aplicar a escala micro y macro.
• Brinell: Es adecuado para medir la dureza superficial de piezas metálicas grandes y homogéneas, como fundiciones de hierro y aceros blandos.
• Rockwell: Se prefiere en líneas de producción donde se necesita una medición rápida y directa. Requiere superficies lisas y espesores adecuados.
4. Precisión de Medición y Efecto de la Preparación Superficial
• Vickers: Al realizarse con microscopio, ofrece alta precisión. No obstante, requiere una superficie bien preparada.
• Brinell: Requiere una superficie bastante plana y lisa. Deja una huella grande, lo que puede dañar la pieza.
• Rockwell: Es menos sensible a la preparación superficial, pero superficies muy sucias o rugosas pueden dar resultados erróneos.
La prueba de dureza Vickers es un método preferido en muchos sectores diferentes debido a su alta precisión y amplia gama de aplicaciones. Su campo de aplicación es bastante extenso porque es adecuada tanto para mediciones de microdureza como de macrodureza, lo que garantiza resultados confiables en una gran variedad de tipos y formas de materiales.
Sectores Principales donde se Utiliza:
• Industria Aeroespacial
En este sector, donde se utilizan materiales de alta resistencia y baja densidad, la prueba Vickers es comúnmente empleada para controlar la dureza de metales especiales como aleaciones de titanio y superaleaciones a base de níquel.
• Industria Automotriz
Se emplea frecuentemente en el control de calidad de piezas de motor, engranajes, rodamientos y otros componentes sometidos a altas tensiones. La resistencia al desgaste y la dureza superficial se verifican mediante esta prueba.
• Sector Médico y Biomédico
Se usa para controlar la dureza superficial de materiales biocompatibles utilizados en implantes, prótesis y instrumentos quirúrgicos. En particular, las aleaciones de titanio y los aceros inoxidables son examinados en detalle con este método.
• Sector Electrónico y Microelectrónico
Ideal para medir la dureza superficial en componentes muy pequeños, especialmente en recubrimientos delgados y piezas micromecánicas mediante la microdureza Vickers.
• Materiales Cerámicos y Compuestos
Eficaz en la evaluación de materiales con alta dureza pero estructura frágil. La prueba Vickers, combinada con análisis de tenacidad a la fractura, ayuda a interpretar el rendimiento de estos materiales.
Tipos de Materiales Aplicables:
• Aceros y aleaciones
• Metales como aluminio, titanio y cobre
• Materiales endurecidos o tratados superficialmente
• Cerámicos y carburos
• Recubrimientos de películas delgadas
• Aleaciones biomédicas
• Materiales compuestos
• Materiales de ingeniería basados en polímeros (a microescala)
La capacidad de la prueba Vickers para cubrir un rango tan amplio de materiales la hace indispensable tanto en producción como en I+D. Independientemente del tamaño, forma o condición superficial del material, es posible realizar mediciones confiables ajustando adecuadamente los parámetros del ensayo.
La confiabilidad y repetibilidad de la prueba Vickers dependen de su correcta aplicación. El procedimiento no es tan sencillo como parece, pues cada paso requiere atención, preparación superficial adecuada y uso correcto del equipo.
A continuación, se describen los pasos para la aplicación del ensayo Vickers:
1. Equipos y Herramientas para la Prueba
• Punta piramidal de diamante: con ángulo de 136° y cuatro caras, permanece fija durante toda la prueba.
• Sistema de aplicación de carga: puede ser manual, motorizado o digital. El rango de fuerza es ajustable entre 1 gf y 100 kgf.
• Microscopio/unidad óptica de medición: para medir las diagonales de la huella generada después de aplicar la carga, generalmente integrado en el equipo.
• Mesa de fijación de la muestra: mantiene la muestra fija y nivelada, especialmente importante en muestras pequeñas.
• Equipos de preparación superficial: lijas, pulidoras y herramientas de limpieza para lograr una superficie lisa y reflectante.
2. Preparación de la Superficie de Prueba
• La superficie debe estar limpia, libre de aceite y seca.
• Debe pulirse mediante lijado y pulido para obtener una superficie lisa y uniforme.
• Pruebas en superficies rugosas o sucias pueden producir resultados erróneos.
• En materiales muy finos o blandos, se debe preparar con especial cuidado para no dañarla.
3. Carga Aplicada
• La prueba Vickers es más flexible que otros métodos, con un rango de carga amplio.
• Se puede seleccionar entre 1 gf y 100 kgf según el equipo.
• La carga debe elegirse según el propósito de la prueba y el tipo de material.
• Para microdureza, se prefieren cargas bajas (ejemplo: 25 gf).
• Para materiales grandes y gruesos, cargas entre 10 y 50 kgf son adecuadas.
• El tiempo de aplicación de la carga suele mantenerse entre 10 y 15 segundos, conforme a las normas ASTM E384 e ISO 6507.
4. Pasos del Ensayo
• Paso 1: Fijar la muestra sobre la mesa del dispositivo.
• Paso 2: Seleccionar y ajustar la carga adecuada.
• Paso 3: Presionar la punta piramidal de diamante perpendicularmente sobre la superficie con la fuerza determinada.
• Paso 4: Mantener la punta sobre la superficie durante el tiempo establecido (por ejemplo, 15 segundos).
• Paso 5: Retirar la punta y observar la huella formada bajo el microscopio.
• Paso 6: Medir las diagonales (d1 y d2) de la huella con el microscopio.
• Paso 7: Calcular la dureza promediando las diagonales y aplicando la fórmula.
La prueba de dureza Vickers se basa en medir las diagonales de la huella creada en la superficie bajo la carga aplicada. El valor final no se limita a la observación, sino que se calcula mediante una fórmula matemática clara, lo que mejora la precisión y repetibilidad.
Fórmula Utilizada:
HV = 1.854 × (F / d²)
donde:
• HV = dureza Vickers
• F = fuerza aplicada en kgf
• d = promedio de las diagonales de la huella en mm
• 1.854 = constante específica para la punta piramidal de diamante
Esta fórmula divide la carga aplicada entre el área de la huella, representada por el cuadrado de la diagonal debido a la geometría fija de la punta.
Ejemplo de Cálculo:
Situación: Se aplica una fuerza de 1 kgf a una muestra. Las diagonales medidas son 0.062 mm y 0.060 mm.
Paso 1: Calcular el promedio de las diagonales
d = (0.062 + 0.060) / 2 = 0.061 mm
Paso 2: Aplicar la fórmula
HV = 1.854 × (1 / 0.061²) = 1.854 × (1 / 0.003721) ≈ 1.854 × 268.71 ≈ 498.3 HV
Este resultado indica que la superficie probada tiene una dureza aproximada de 498 HV, típica de aceros tratados térmicamente.
La fiabilidad de un ensayo de dureza depende no solo de su correcta ejecución, sino también del cumplimiento de normas específicas que regulan condiciones, características del equipo, tolerancias y formatos de reporte.
La prueba Vickers se realiza globalmente conforme a dos normas principales:
Esta norma establece las reglas internacionales para la prueba Vickers, dividida en partes:
• ISO 6507-1: principios generales, medición de la huella, método de cálculo
• ISO 6507-2: calibración y procedimientos de verificación de equipos
• ISO 6507-3: repetibilidad y precisión de los resultados
• ISO 6507-4: uso y precisión de equipos automáticos
Detalla cómo aplicar la prueba en laboratorios y controles de calidad, prestando atención a la duración de la carga, simetría de la huella, precisión del equipo, etc.
Esta norma es la base para pruebas de micro y macrodureza Vickers en Estados Unidos, cubriendo:
• procedimientos del ensayo
• técnicas para medir microdureza
• tolerancias en mediciones de huellas
• efecto del operador y calibración del equipo
Especialmente en microdureza, busca minimizar errores humanos.
a) Comparabilidad de Resultados
Para empresas internacionales, los ensayos deben ser válidos y entendidos en distintos países. Sin normas, comparar resultados entre laboratorios es imposible.
b) Garantía de Calidad y Certificación
Empresas certificadas bajo ISO 9001 o IATF 16949 requieren que todas las pruebas cumplan normas, para que sus certificados de producto sean válidos.
c) Generación de Datos Irrefutables
La dureza del material es un dato crítico en decisiones de aceptación o rechazo de productos, y su confiabilidad depende de un correcto uso de equipos y del cumplimiento normativo.
