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La dureza es una medida de la resistencia a la deformación plástica localizada inducida por indentación mecánica o abrasión . En general, los diferentes materiales difieren en 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, existen diferentes medidas de dureza: dureza al rayado ,dureza de indentación y dureza de rebote .

La dureza depende de la ductilidad , rigidez elástica , plasticidad , deformación , resistencia , tenacidad , viscoelasticidad y viscosidad .

Los ejemplos comunes de materia dura son la cerámica , el hormigón , ciertos metales y los materiales superduros , que pueden contrastarse con la materia blanda .

Midiendo la dureza [ editar ]

Un probador de dureza Vickers

Hay tres tipos principales de medidas de dureza: rayado , indentación y rebote . Dentro de cada una de estas clases de medición hay escalas de medición individuales. Por razones prácticas, las tablas de conversión se utilizan para convertir entre una escala y otra.

Dureza al rayado[ editar ]

La dureza al rayado es la medida de cuán 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 que se utiliza para realizar estas pruebas es el probador de dureza de bolsillo. Esta herramienta consta de un brazo de escala con marcas graduadas unidas a un carro de cuatro ruedas. Se monta una herramienta de raspado con un borde afilado en un ángulo predeterminado a la superficie de prueba. Para usarlo, se agrega un peso de masa conocida al brazo de la báscula en una de las marcas graduadas, luego se dibuja la herramienta a lo largo de la superficie de prueba. El uso del peso y las marcas permite aplicar una presión conocida sin necesidad de maquinaria complicada. [2]

Dureza de la indentación [ editar ]

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 de indentación se utilizan principalmente en los campos de la ingeniería y la metalurgia . Las pruebas funcionan con la premisa básica de medir las dimensiones críticas de una muesca dejada por un indentador cargado y dimensionado específicamente.

Las escalas de dureza de indentación más comunes son Rockwell , Vickers , Shore y Brinell , entre otras.

Dureza de rebote [ editar ]

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 relacionado con la elasticidad . El dispositivo utilizado para tomar esta medida se conoce como escleroscopio . [3]

Dos escalas que miden la dureza de rebote son la prueba de dureza de 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 de metal con elemento vibratorio y un diamante en forma de pirámide montado en un extremo. [4]

Endurecimiento [ editar ]

Hay cinco procesos de endurecimiento: reforzamiento de Hall-Petch , endurecimiento por trabajo , reforzamiento de la solución sólida , endurecimiento por precipitación y transformación martensítica .

Física [ editar ]

Diagrama de una curva de tensión-deformación , que muestra la relación entre la tensión (fuerza aplicada por unidad de área) y la deformación o deformación de un metal dúctil.

En mecánica de sólidos, los sólidos generalmente tienen tres respuestas a la fuerza , según la cantidad de fuerza y ​​el tipo de material:

  • Exhiben elasticidad , la capacidad de cambiar temporalmente de forma, pero volver a la forma original cuando se elimina la presión. La "dureza" en el rango elástico, un pequeño cambio temporal en la forma para una fuerza dada, se conoce como rigidez en el caso de un objeto dado, o un módulo de elasticidad alto en el caso de un material.
  • Exhiben plasticidad , la capacidad de cambiar permanentemente de forma en respuesta a la fuerza, pero permanecen en una sola pieza. El límite elástico es el punto en el que la deformación elástica da paso a la deformación plástica. La deformación en el rango plástico no es lineal y se describe mediante la curva tensión-deformación . Esta respuesta produce las propiedades observadas de dureza al rayado y al rayado, como se describe y mide en la ciencia de los materiales. Algunos materiales exhiben elasticidad y viscosidad cuando se someten a deformación plástica; esto se llama viscoelasticidad .
  • Se fracturan, se parten en dos o más pedazos.

La resistencia es una medida de la extensión del rango elástico de un material, o rangos elásticos y plásticos juntos. Esto se cuantifica como resistencia a la compresión , resistencia al corte , resistencia a la tracción , dependiendo de la dirección de las fuerzas involucradas. La resistencia máxima 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. Por tanto, en términos técnicos, un material puede ser frágil y resistente. En el uso diario, "fragilidad" generalmente se refiere a la tendencia a fracturarse bajo una pequeña cantidad de fuerza, que exhibe fragilidad y falta de resistencia (en el sentido técnico). Para materiales perfectamente frágiles, el límite elástico y el límite máximo son los mismos, porque no experimentan una 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 la 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 cizallamiento a pequeña escala en cualquier dirección, no de ninguna rigidez o propiedades de rigidez como su módulo de volumen o el módulo de Young . La rigidez a menudo se confunde con la dureza. [5] [6] Algunos materiales son más rígidos que el diamante (por ejemplo, osmio), pero no más difícil lo son, y son propensos a la exfoliación y la descamación en los hábitos squamose o aciculares.

Mecanismos y teoría [ editar ]

Una representación de la red cristalina que muestra los planos de los átomos.

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 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 . Sin embargo, en realidad, es probable que una determinada muestra de un metal nunca contenga una red de cristal único 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.

Hay 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 de línea. Un defecto puntual es una irregularidad ubicada en un solo sitio de celosía dentro de la celosía tridimensional general del grano. Hay tres defectos puntuales principales. Si falta un átomo en la matriz, se forma un defecto de vacante . Si hay un tipo diferente de átomo en el sitio de la red que normalmente debería estar ocupado por un átomo metálico, se forma un defecto de sustitución. Si existe un átomo en un sitio donde normalmente no debería haberlo, un defecto intersticialse forma. Esto es posible porque existe espacio entre los átomos en una red cristalina. Mientras que los defectos puntuales son irregularidades en un solo sitio en la red cristalina, los defectos de línea son irregularidades en un plano de átomos. Las luxaciones son un tipo de defecto de línea que implica la desalineación de estos planos. En el caso de una dislocación de borde, un medio plano 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 que corre 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.

Planos de átomos divididos por una dislocación de los bordes.

Las dislocaciones proporcionan un mecanismo para que los planos de átomos se deslicen y, por lo tanto, un método para la deformación plástica o permanente. [7] Los planos de átomos pueden voltearse 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 que permiten 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 duros, implica la interacción de dislocaciones entre sí y átomos intersticiales. Cuando una dislocación se cruza con una segunda dislocación, ya no puede atravesar la red cristalina. La intersección de las dislocaciones crea un punto de anclaje y no permite que los planos de los átomos continúen deslizándose unos sobre otros. [10] Una dislocación también puede estar anclada por la interacción con los 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 las 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.

Ver también [ editar ]

Referencias [ editar ]

  1. ^ Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Ensayos de rayado de metales y polímeros: Experimentos y numéricos". Use . 266 (1–2): 76. doi : 10.1016 / j.wear.2008.05.014 .
  2. ^ Probador de dureza de rayado Hoffman Archivado el 23 de marzo de 2014 en la Wayback Machine . byk.com
  3. Allen, Robert (10 de diciembre de 2006). "Una guía para la prueba de dureza de rebote y escleroscopio" . Archivado desde el original el 18 de julio de 2012 . Consultado el 8 de septiembre de 2008 .
  4. ^ "Novotest" .
  5. Jeandron, Michelle (25 de agosto de 2005). "Los diamantes no son para siempre" . Mundo de la física . Archivado desde el original el 15 de febrero de 2009.
  6. ^ San-Miguel, A .; Blase, P .; Blase, X .; Mélinon, P .; Pérez, A .; Itié, J .; Polian, A .; Reny, E .; et al. (19 de mayo de 1999). "Comportamiento a alta presión de los clatratos de silicio: una nueva clase de materiales de baja compresibilidad". Revisión física . 83 (25): 5290. Bibcode : 1999PhRvL..83.5290S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.83.5290 .
  7. ↑ a b Haasen, P. (1978). Metalurgia física. Cambridge [Ing.]; Nueva York: Cambridge University Press.
  8. ^ Samuel, J. (2009). Manual del curso de introducción a la ciencia de los materiales . Madison, Wisconsin: Universidad de Wisconsin-Madison.
  9. ^ Smedskjaer, Morten M .; John C. Mauro; Yuanzheng Yue (2010). "Predicción de la dureza del vidrio mediante la teoría de la restricción dependiente de la temperatura". Phys. Rev. Lett . 105 (11): 2010. Código Bibliográfico : 2010PhRvL.105k5503S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.105.115503 . PMID 20867584 . 
  10. ^ Leslie, WC (1981). La metalurgia física de los aceros. Washington: Pub Hempisphere. Corp., Nueva York: McGraw-Hill, ISBN 0070377804 . 

Lectura adicional [ editar ]

  • Chinn, RL (2009). "Dureza, rodamientos y Rockwells". Materiales y procesos avanzados . 167 (10): 29–31.
  • Davis, JR (Ed.). (2002). Endurecimiento superficial de aceros: comprensión de los conceptos básicos. Parque de materiales, OH: ASM International.
  • Dieter, George E. (1989). Metalurgia Mecánica. Adaptación Métrica SI. Maidenhead, Reino Unido: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8 
  • Malzbender, J (2003). "Comentar las definiciones de dureza". Revista de la Sociedad Europea de Cerámica . 23 (9): 9. doi : 10.1016 / S0955-2219 (02) 00354-0 .
  • Revankar, G. (2003). "Introducción a las pruebas de dureza". Pruebas y evaluación mecánicas , ASM Online Vol. 8.

Enlaces externos [ editar ]

  • Introducción a la dureza de los materiales.
  • Directrices para las pruebas de dureza
  • Prueba de la dureza de los metales