Las pruebas de dureza por indentación se utilizan en ingeniería mecánica para determinar la dureza de un material a la deformación . Existen varias pruebas de este tipo, en las que se indenta el material examinado hasta que se forma una impresión; Estas pruebas se pueden realizar a escala macroscópica o microscópica.
Cuando se prueban metales, la dureza de la indentación se correlaciona aproximadamente linealmente con la resistencia a la tracción , [1] pero es una correlación imperfecta que a menudo se limita a pequeños rangos de resistencia y dureza para cada geometría de indentación. Esta relación permite realizar pruebas no destructivas, económicamente importantes, de entregas de metal a granel con equipos livianos e incluso portátiles, como los durómetros Rockwell portátiles.
Se utilizan diferentes técnicas para cuantificar las características de los materiales a escalas más pequeñas. La medición de las propiedades mecánicas de materiales, por ejemplo, de películas delgadas , no se puede realizar mediante ensayos de tracción uniaxiales convencionales . Como resultado, se han desarrollado técnicas que prueban la "dureza" del material indentando un material con una impresión muy pequeña para intentar estimar estas propiedades.
Las mediciones de dureza cuantifican la resistencia de un material a la deformación plástica. Las pruebas de dureza por indentación componen la mayoría de los procesos utilizados para determinar la dureza del material y se pueden dividir en tres clases: pruebas de macro, micro y nanoindentación . [2] [3] Las pruebas de microindentación suelen tener fuerzas inferiores a 2 N (0,45 lb f ). Sin embargo, la dureza no puede considerarse una propiedad material fundamental. [ cita necesaria ] Las pruebas de dureza clásicas generalmente crean un número que puede usarse para proporcionar una idea relativa de las propiedades del material. [3] Como tal, la dureza sólo puede ofrecer una idea comparativa de la resistencia del material a la deformación plástica, ya que diferentes técnicas de dureza tienen diferentes escalas.
La definición de dureza basada en ecuaciones es la presión aplicada sobre el área de contacto entre el penetrador y el material que se está probando. Como resultado, los valores de dureza generalmente se informan en unidades de presión, aunque esta es sólo una presión "verdadera" si la interfaz del penetrador y la superficie es perfectamente plana. [ cita necesaria ]
La indentación instrumentada básicamente indenta una punta afilada en la superficie de un material para obtener una curva de fuerza-desplazamiento. Los resultados proporcionan mucha información sobre el comportamiento mecánico del material, incluida la dureza , por ejemplo, los módulos elásticos y la deformación plástica . Un factor clave de la prueba de indentación instrumentada es que la punta debe controlarse mediante fuerza o desplazamiento que pueda medirse simultáneamente durante todo el ciclo de indentación. [4] La tecnología actual puede lograr un control preciso de la fuerza en un amplio rango. Por lo tanto, la dureza se puede caracterizar en muchas escalas de longitud diferentes, desde materiales duros como la cerámica hasta materiales blandos como los polímeros.
El primer trabajo fue terminado por Bulychev, Alekhin, Shorhorov en la década de 1970, quienes determinaron que el módulo de Young de un material se puede determinar a partir de la pendiente de una curva de indentación fuerza versus desplazamiento como: [5]
Donde y son el módulo de Young y la relación de Poisson de la muestra, y son el del penetrador. Como normalmente, el segundo término puede ignorarse.
La información más crítica, la dureza, se puede calcular mediante:
A continuación se analizan las técnicas de sangría más utilizadas, así como el cálculo detallado de cada método diferente.
El término "macroindentación" se aplica a pruebas con una carga de prueba mayor, como 1 kgf o más. Existen varias pruebas de macroindentación, que incluyen:
En general, no existe una relación simple entre los resultados de diferentes pruebas de dureza. Aunque existen tablas de conversión prácticas para aceros duros, por ejemplo, algunos materiales muestran comportamientos cualitativamente diferentes según los distintos métodos de medición. Sin embargo, las escalas de dureza Vickers y Brinell se correlacionan bien en un amplio rango, y Brinell solo produce valores sobreestimados con cargas elevadas.
Sin embargo, se pueden utilizar procedimientos de sangría para extraer relaciones genuinas de tensión-deformación. Es necesario cumplir ciertos criterios para obtener resultados confiables. Entre ellas se incluye la necesidad de deformar un volumen relativamente grande y, por tanto, de utilizar grandes cargas. Las metodologías involucradas a menudo se agrupan bajo el término plastometría de indentación , que se describe en un artículo separado.
El término " microdureza " ha sido ampliamente empleado en la literatura para describir las pruebas de dureza de materiales con bajas cargas aplicadas. Un término más preciso es "prueba de dureza por microindentación". En las pruebas de dureza por microindentación, se imprime un penetrador de diamante de geometría específica en la superficie de la muestra de prueba utilizando una fuerza aplicada conocida (comúnmente llamada "carga" o "carga de prueba") de 1 a 1000 gf . Las pruebas de microindentación suelen tener fuerzas de 2 N (aproximadamente 200 gf) y producen indentaciones de aproximadamente 50 μm . Debido a su especificidad, las pruebas de microdureza se pueden utilizar para observar cambios en la dureza a escala microscópica. Desafortunadamente, es difícil estandarizar las mediciones de microdureza; Se ha descubierto que la microdureza de casi cualquier material es mayor que su macrodureza. Además, los valores de microdureza varían según la carga y los efectos de endurecimiento por trabajo de los materiales. [3] Las dos pruebas de microdureza más utilizadas son pruebas que también se pueden aplicar con cargas más pesadas como pruebas de macroindentación:
En las pruebas de microindentación, el número de dureza se basa en las mediciones realizadas de la huella formada en la superficie de la muestra de prueba. El número de dureza se basa en la fuerza aplicada dividida por el área de superficie de la huella misma, lo que da unidades de dureza en kgf/mm 2 . La prueba de dureza por microindentación se puede realizar utilizando penetradores Vickers y Knoop. Para la prueba de Vickers, se miden ambas diagonales y se utiliza el valor promedio para calcular el número de la pirámide de Vickers. En la prueba de Knoop, sólo se mide la diagonal más larga y la dureza de Knoop se calcula basándose en el área proyectada de la huella dividida por la fuerza aplicada, dando también unidades de prueba en kgf/mm 2 .
La prueba de microindentación Vickers se lleva a cabo de manera similar a las pruebas de macroindentación Vickers, utilizando la misma pirámide. La prueba de Knoop utiliza una pirámide alargada para sangrar muestras de material. Esta pirámide alargada crea una impresión poco profunda, lo que resulta beneficioso para medir la dureza de materiales frágiles o componentes delgados. Tanto los penetradores Knoop como Vickers requieren pulir la superficie para lograr resultados precisos. [ cita necesaria ]
Las pruebas de rayado con cargas bajas, como la prueba de microcarácter de Bierbaum, realizada con cargas de 3 gf o 9 gf, precedieron al desarrollo de probadores de microdureza que utilizaban penetradores tradicionales. En 1925, Smith y Sandland del Reino Unido desarrollaron una prueba de indentación que empleaba un indentador piramidal de base cuadrada hecho de diamante. [11] Eligieron la forma piramidal con un ángulo de 136° entre caras opuestas para obtener números de dureza que fueran lo más cercanos posible a los números de dureza Brinell para la muestra. La prueba Vickers tiene la gran ventaja de utilizar una escala de dureza para probar todos los materiales. La primera referencia al penetrador Vickers con cargas bajas se hizo en el informe anual del Laboratorio Nacional de Física en 1932. Lips and Sack describe el primer probador Vickers que utiliza cargas bajas en 1936. [ cita necesaria ]
Existe cierto desacuerdo en la literatura con respecto al rango de carga aplicable a las pruebas de microdureza. La especificación ASTM E384, por ejemplo, establece que el rango de carga para las pruebas de microdureza es de 1 a 1000 gf. Para cargas de 1 kgf o menos, la dureza Vickers (HV) se calcula con una ecuación, en la que la carga ( L ) está en gramos de fuerza y la media de dos diagonales ( d ) está en milímetros:
Para cualquier carga dada, la dureza aumenta rápidamente en longitudes diagonales bajas, y el efecto se vuelve más pronunciado a medida que disminuye la carga. Por lo tanto, con cargas bajas, pequeños errores de medición producirán grandes desviaciones de dureza. Por lo tanto, siempre se debe utilizar la carga más alta posible en cualquier prueba. Además, en la porción vertical de las curvas, pequeños errores de medición producirán grandes desviaciones de dureza.
Las principales fuentes de error en las pruebas de indentación son una mala técnica, una mala calibración del equipo y el efecto de endurecimiento por deformación del proceso. Sin embargo, se ha determinado experimentalmente mediante "pruebas de dureza sin deformación" que el efecto es mínimo con hendiduras más pequeñas. [12]
El acabado superficial de la pieza y el indentador no tienen ningún efecto en la medición de la dureza, siempre que la indentación sea grande en comparación con la rugosidad de la superficie. Esto resulta útil a la hora de medir la dureza de superficies prácticas. También es útil cuando se deja una hendidura poco profunda, porque un penetrador finamente grabado deja una hendidura mucho más fácil de leer que un penetrador liso. [13]
Se sabe que la hendidura que queda después de retirar el penetrador y la carga se "recupera" o retrocede ligeramente. Este efecto se conoce propiamente como superficialización . Para los penetradores esféricos, se sabe que la sangría permanece simétrica y esférica, pero con un radio mayor. Para materiales muy duros, el radio puede ser tres veces mayor que el radio del penetrador. Este efecto se atribuye a la liberación de tensiones elásticas. Debido a este efecto, el diámetro y la profundidad de la muesca contienen errores. Se sabe que el error del cambio de diámetro es sólo de un pequeño porcentaje, siendo mayor el error de la profundidad. [14]
Otro efecto que tiene la carga sobre la muesca es el amontonamiento o hundimiento del material circundante. Si el metal se endurece, tiende a acumularse y formar un "cráter". Si el metal está recocido, se hundirá alrededor de la muesca. Ambos efectos aumentan el error de la medición de la dureza. [15]
Cuando la dureza, se define como la presión de contacto media (carga/área de contacto proyectada), el límite elástico, de muchos materiales es proporcional a la dureza mediante una constante conocida como factor de restricción, C. [16]
dónde:
La dureza difiere del límite elástico de compresión uniaxial del material porque se aplican diferentes modos de falla por compresión . Una prueba uniaxial solo restringe el material en una dimensión, lo que permite que el material falle como resultado del corte . Por otro lado, la dureza de la indentación está limitada en tres dimensiones, lo que impide que el corte domine la falla. [dieciséis]
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)