En ciencia de los materiales , dureza (antónimo: suavidad ) es una medida de la resistencia a la deformación plástica localizada , como una hendidura (sobre un área) o un rayado (lineal), inducida mecánicamente ya sea por presión o abrasión . En general, los distintos materiales se diferencian por su dureza; por ejemplo, los metales duros como el titanio y el berilio son más duros que los metales blandos como el sodio y el estaño metálico , o la madera y los plásticos comunes . La dureza macroscópica se caracteriza generalmente por fuertes enlaces intermoleculares , pero el comportamiento de los materiales sólidos bajo fuerza es complejo; por lo tanto, la dureza se puede medir de diferentes maneras, como dureza al rayado , dureza a la indentación y dureza al rebote. La dureza depende de la ductilidad , la rigidez elástica , la plasticidad , la deformación , la resistencia , la tenacidad , la viscoelasticidad y la viscosidad . Ejemplos comunes de materia dura son la cerámica , el hormigón , ciertos metales y materiales superduros , que pueden contrastarse con la materia blanda .
Hay tres tipos principales de mediciones de dureza: rayado, indentación y rebote. Dentro de cada una de estas clases de medición existen escalas de medición individuales. Por motivos prácticos se utilizan tablas de conversión para convertir entre una escala y otra.
La dureza al rayado es la medida de qué tan resistente es una muestra a la fractura o deformación plástica permanente debido a la fricción de un objeto afilado. [1] El principio es que un objeto hecho de un material más duro rayará un objeto hecho de un material más blando. Cuando se prueban recubrimientos, la dureza al rayado se refiere a la fuerza necesaria para cortar la película hasta el sustrato. La prueba más común es la escala de Mohs , que se utiliza en mineralogía . Una herramienta para realizar esta medición es el esclerómetro .
Otra herramienta utilizada para realizar estas pruebas es el durómetro de bolsillo . Esta herramienta consta de un brazo de báscula con marcas graduadas unido a un carro de cuatro ruedas. Se monta una herramienta de raspado con un borde afilado en un ángulo predeterminado con respecto a la superficie de prueba. Para utilizarlo, se añade un peso de masa conocida al brazo de la báscula en una de las marcas graduadas y luego se pasa la herramienta por la superficie de prueba. El uso del peso y las marcas permite aplicar una presión conocida sin necesidad de maquinaria complicada. [2]
La dureza de indentación mide la resistencia de una muestra a la deformación del material debido a una carga de compresión constante de un objeto afilado. Las pruebas de dureza por indentación se utilizan principalmente en ingeniería y metalurgia . Las pruebas funcionan con la premisa básica de medir las dimensiones críticas de una hendidura dejada por un penetrador cargado y dimensionado específicamente. Las escalas de dureza de indentación comunes son Rockwell , Vickers , Shore y Brinell , entre otras.
La dureza de rebote , también conocida como dureza dinámica , mide la altura del "rebote" de un martillo con punta de diamante que se deja caer desde una altura fija sobre un material. Este tipo de dureza está relacionada con la elasticidad . El dispositivo utilizado para tomar esta medición se conoce como escleroscopio . [3] Dos escalas que miden la dureza del rebote son la prueba de dureza del rebote de Leeb y la escala de dureza de Bennett. El método de impedancia de contacto ultrasónico (UCI) determina la dureza midiendo la frecuencia de una varilla oscilante. La varilla consta de un eje metálico con un elemento vibratorio y un diamante en forma de pirámide montado en un extremo. [4]
Hay cinco procesos de endurecimiento: fortalecimiento Hall-Petch , endurecimiento por trabajo , endurecimiento por solución sólida , endurecimiento por precipitación y transformación martensítica .
En mecánica de sólidos , los sólidos generalmente tienen tres respuestas a la fuerza , dependiendo de la cantidad de fuerza y del tipo de material:
La resistencia es una medida de la extensión del rango elástico de un material, o de los rangos elástico y plástico juntos. Esta se cuantifica como resistencia a la compresión , resistencia al corte y resistencia a la tracción dependiendo de la dirección de las fuerzas involucradas. La resistencia última es una medida de ingeniería de la carga máxima que puede soportar una parte de un material y una geometría específicos.
La fragilidad , en el uso técnico, es la tendencia de un material a fracturarse con muy poca o ninguna deformación plástica detectable de antemano. Así, en términos técnicos, un material puede ser a la vez frágil y resistente. En el uso cotidiano, "fragilidad" generalmente se refiere a la tendencia a fracturarse bajo una pequeña cantidad de fuerza, lo que exhibe tanto fragilidad como falta de resistencia (en el sentido técnico). Para materiales perfectamente frágiles, el límite elástico y la resistencia máxima son los mismos, porque no experimentan deformación plástica detectable. Lo opuesto a la fragilidad es la ductilidad .
La tenacidad de un material es la cantidad máxima de energía que puede absorber antes de fracturarse, que es diferente de la cantidad de fuerza que se puede aplicar. La tenacidad tiende a ser pequeña para los materiales frágiles, porque las deformaciones elásticas y plásticas permiten que los materiales absorban grandes cantidades de energía.
La dureza aumenta al disminuir el tamaño de las partículas . Esto se conoce como relación Hall-Petch . Sin embargo, por debajo de un tamaño de grano crítico, la dureza disminuye al disminuir el tamaño de grano. Esto se conoce como efecto Hall-Petch inverso.
La dureza de un material a la deformación depende de su microdurabilidad o módulo de corte a pequeña escala en cualquier dirección, no de ninguna rigidez o propiedades de rigidez como su módulo de volumen o módulo de Young . A menudo se confunde rigidez con dureza. [5] [6] Algunos materiales son más rígidos que el diamante (por ejemplo, el osmio), pero no son más duros y son propensos a desconcharse y descascararse en hábitos escamosos o aciculares.
La clave para comprender el mecanismo detrás de la dureza es comprender la microestructura metálica , o la estructura y disposición de los átomos a nivel atómico. De hecho, las propiedades metálicas más importantes y críticas para la fabricación de los productos actuales están determinadas por la microestructura de un material. [7] A nivel atómico, los átomos de un metal están dispuestos en una matriz tridimensional ordenada llamada red cristalina . En realidad, sin embargo, es probable que una muestra determinada de un metal nunca contenga una red monocristalina consistente. Una muestra determinada de metal contendrá muchos granos, y cada grano tendrá un patrón de matriz bastante consistente. En una escala aún menor, cada grano contiene irregularidades.
Existen dos tipos de irregularidades a nivel de grano de la microestructura que son responsables de la dureza del material. Estas irregularidades son defectos puntuales y defectos lineales. Un defecto puntual es una irregularidad ubicada en un solo sitio de la red dentro de la red tridimensional general del grano. Hay tres defectos principales. Si falta un átomo en la matriz, se forma un defecto de vacancia . Si hay un tipo diferente de átomo en el sitio de la red que normalmente debería estar ocupado por un átomo de metal, se forma un defecto de sustitución. Si existe un átomo en un sitio donde normalmente no debería estarlo, se forma un defecto intersticial . Esto es posible porque existe espacio entre los átomos en una red cristalina. Mientras que los defectos puntuales son irregularidades en un solo sitio de la red cristalina, los defectos lineales son irregularidades en un plano de átomos. Las dislocaciones son un tipo de defecto lineal que implica la desalineación de estos planos. En el caso de una dislocación de borde, un semiplano de átomos está encajado entre dos planos de átomos. En el caso de una dislocación de tornillo, dos planos de átomos están desplazados con una matriz helicoidal entre ellos. [8]
En los vidrios, la dureza parece depender linealmente del número de restricciones topológicas que actúan entre los átomos de la red. [9] Por tanto, la teoría de la rigidez ha permitido predecir valores de dureza con respecto a la composición.
Las dislocaciones proporcionan un mecanismo para que los planos de los átomos se deslicen y, por tanto, un método para la deformación plástica o permanente. [7] Los planos de los átomos pueden girar de un lado de la dislocación al otro, permitiendo efectivamente que la dislocación atraviese el material y que el material se deforme permanentemente. El movimiento permitido por estas dislocaciones provoca una disminución de la dureza del material.
La forma de inhibir el movimiento de los planos de los átomos y, por tanto, hacerlos más difíciles, implica la interacción de dislocaciones entre sí y con los átomos intersticiales. Cuando una dislocación se cruza con una segunda dislocación, ya no puede atravesar la red cristalina. La intersección de dislocaciones crea un punto de anclaje y no permite que los planos de los átomos sigan deslizándose unos sobre otros [10] Una dislocación también puede anclarse mediante la interacción con átomos intersticiales. Si una dislocación entra en contacto con dos o más átomos intersticiales, el deslizamiento de los planos se verá nuevamente interrumpido. Los átomos intersticiales crean puntos de anclaje, o puntos de fijación, de la misma manera que las dislocaciones que se cruzan.
Al variar la presencia de átomos intersticiales y la densidad de las dislocaciones, se puede controlar la dureza de un metal en particular. Aunque parezca contrario a la intuición, a medida que aumenta la densidad de dislocaciones, se crean más intersecciones y, en consecuencia, más puntos de anclaje. De manera similar, a medida que se agregan más átomos intersticiales, se forman más puntos de fijación que impiden los movimientos de las dislocaciones. Como resultado, cuantos más puntos de anclaje se agreguen, más duro se volverá el material.
Se debe tomar nota cuidadosa de la relación entre el número de dureza y la curva tensión-deformación que presenta el material. Este último, que se obtiene convencionalmente mediante pruebas de tracción , captura la respuesta de plasticidad completa del material (que en la mayoría de los casos es un metal). De hecho, es una dependencia de la (verdadera) deformación plástica de von Mises de la (verdadera) tensión de von Mises , pero esto se obtiene fácilmente a partir de una curva tensión nominal-deformación nominal (en el régimen previo al estrechamiento ), que es la curva inmediata resultado de una prueba de tracción. Esta relación se puede utilizar para describir cómo responderá el material a casi cualquier situación de carga, a menudo utilizando el método de elementos finitos (FEM). Esto se aplica al resultado de una prueba de indentación (con un tamaño y forma determinados del indentador y una carga aplicada determinada).
Sin embargo, si bien el número de dureza depende de la relación tensión-deformación, inferir esta última a partir de la primera no es nada sencillo y no se intenta de forma rigurosa durante las pruebas de dureza convencionales. (De hecho, la técnica de plastometría de indentación , que implica el modelado FEM iterativo de una prueba de indentación, permite obtener una curva tensión-deformación mediante indentación, pero esto está fuera del alcance de las pruebas de dureza convencionales). Un número de dureza es solo un Indicador semicuantitativo de la resistencia a la deformación plástica. Aunque la dureza se define de manera similar para la mayoría de los tipos de prueba (generalmente como la carga dividida por el área de contacto), los números obtenidos para un material en particular son diferentes para diferentes tipos de prueba, e incluso para la misma prueba con diferentes cargas aplicadas. A veces se intenta [11] [12] [13] [14] [15] identificar expresiones analíticas simples que permitan obtener características de la curva tensión-deformación, particularmente el límite elástico y la tensión última de tracción (UTS), a partir de un tipo particular de número de dureza. Sin embargo, todos ellos se basan en correlaciones empíricas, a menudo específicas de tipos particulares de aleación: incluso con tal limitación, los valores obtenidos suelen ser bastante poco fiables. El problema subyacente es que los metales con una variedad de combinaciones de límite elástico y características de endurecimiento por trabajo pueden exhibir el mismo número de dureza. El uso de números de dureza para cualquier propósito cuantitativo debe, en el mejor de los casos, abordarse con considerable precaución.
