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.
Al probar metales, la dureza de indentación se correlaciona aproximadamente de manera lineal 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, 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 los 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" de los materiales mediante la indentación de 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 fundamental del material. [ cita requerida ] Las pruebas de dureza clásicas suelen crear un número que puede utilizarse para proporcionar una idea relativa de las propiedades del material. [3] Como tal, la dureza solo puede ofrecer una idea comparativa de la resistencia del material a la deformación plástica, ya que las 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 una presión "real" solo si la interfaz entre el penetrador y la superficie es perfectamente plana. [ cita requerida ]
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 se puede medir simultáneamente durante todo el ciclo de indentación. [4] La tecnología actual puede lograr un control de fuerza preciso 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, Shorshorov 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 de fuerza vs. desplazamiento como: [5]
Donde y son el módulo de Young y el coeficiente de Poisson de la muestra, y y son los del penetrador. Dado que normalmente, , el segundo término normalmente se puede ignorar.
La información más crítica, la dureza, se puede calcular mediante:
A continuación se analizan las técnicas de sangría comúnmente 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, entre ellas:
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 bajo los diversos métodos de medición. Sin embargo, las escalas de dureza Vickers y Brinell se correlacionan bien en un amplio rango, y la escala Brinell solo produce valores sobreestimados con cargas elevadas.
Sin embargo, los procedimientos de indentación se pueden utilizar para extraer relaciones tensión-deformación genuinas. Para obtener resultados fiables, es necesario cumplir ciertos criterios, como la necesidad de deformar un volumen relativamente grande y, por lo tanto, utilizar cargas grandes. Las metodologías implicadas suelen agruparse bajo el término plastometría de indentación , que se describe en un artículo aparte.
El término " microdureza " se ha empleado ampliamente en la literatura para describir la prueba de dureza de materiales con cargas bajas aplicadas. Un término más preciso es "prueba de dureza por microindentación". En la prueba 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 con 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 mediciones realizadas de la hendidura 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 propia hendidura, lo que da unidades de dureza en kgf/mm2 . Las pruebas de dureza por microindentación se pueden realizar utilizando indentadores Vickers y Knoop. Para la prueba Vickers, se miden ambas diagonales y se utiliza el valor promedio para calcular el número de la pirámide Vickers. En la prueba Knoop, solo se mide la diagonal más larga y la dureza Knoop se calcula en función del área proyectada de la hendidura dividida por la fuerza aplicada, lo que también da unidades de prueba en kgf/ mm2 .
La prueba de microindentación Vickers se lleva a cabo de manera similar a las pruebas de macroindentación Vickers, utilizando la misma pirámide. La prueba Knoop utiliza una pirámide alargada para indentar 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 los Vickers requieren pulir la superficie para lograr resultados precisos. [ cita requerida ]
Los ensayos de rayado con cargas bajas, como el ensayo de microcaracteres de Bierbaum, realizado con cargas de 3 gf o 9 gf, precedieron al desarrollo de los microdurómetros que utilizaban indentadores tradicionales. En 1925, Smith y Sandland del Reino Unido desarrollaron un ensayo 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. El ensayo Vickers tiene la gran ventaja de utilizar una escala de dureza para probar todos los materiales. La primera referencia al indentador Vickers con cargas bajas se hizo en el informe anual del Laboratorio Nacional de Física en 1932. Lips y Sack describen el primer probador Vickers que utilizaba cargas bajas en 1936. [ cita requerida ]
Existe cierto desacuerdo en la literatura sobre el 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 y menores, la dureza Vickers (HV) se calcula con una ecuación, donde la carga ( L ) está en gramos 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 hace 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 parte vertical de las curvas, pequeños errores de medición producirán grandes desviaciones de dureza.
Las principales fuentes de error en los ensayos de indentación son la mala técnica, la mala calibración del equipo y el efecto de endurecimiento por deformación del proceso. Sin embargo, se ha determinado experimentalmente mediante "ensayos de dureza sin deformación" que el efecto es mínimo con indentaciones más pequeñas. [12]
El acabado superficial de la pieza y el indentador no tienen efecto en la medición de la dureza, siempre que la indentación sea grande en comparación con la rugosidad de la superficie. Esto resulta útil para medir la dureza de superficies prácticas. También es útil cuando se deja una indentación poco profunda, porque un indentador finamente grabado deja una indentación mucho más fácil de leer que un indentador liso. [13]
Se sabe que la hendidura que queda después de retirar el penetrador y la carga se "recupera" o recupera ligeramente su forma original. Este efecto se conoce propiamente como " reducción de la superficie " . En el caso de los penetradores esféricos, se sabe que la hendidura permanece simétrica y esférica, pero con un radio mayor. En el caso de 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 hendidura contienen errores. Se sabe que el error por el cambio de diámetro es solo de un pequeño porcentaje, mientras que el error por la profundidad es mayor. [14]
Otro efecto que tiene la carga sobre la hendidura es el amontonamiento o hundimiento del material circundante. Si el metal se endurece por acritud, tiene tendencia a amontonarse y formar un "cráter". Si el metal se recoce, se hundirá alrededor de la hendidura. Ambos efectos aumentan el error de la medición de dureza. [15]
Cuando la dureza, , se define como la presión de contacto media (carga/área de contacto proyectada), la tensión de fluencia, , de muchos materiales es proporcional a la dureza por una constante conocida como factor de restricción, C. [16]
dónde:
La dureza difiere de la tensión de fluencia por 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 esfuerzo cortante . La dureza por indentación, por otro lado, está restringida en tres dimensiones, lo que evita que el esfuerzo cortante domine la falla. [16]
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