Las pruebas de dureza por indentación se utilizan en ingeniería mecánica para determinar la dureza de un material a la deformación. Existen varias de estas pruebas, en las que el material examinado se sangra 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 de manera lineal con la resistencia a la tracción ., [1] pero es una correlación imperfecta a menudo limitada a pequeños rangos de resistencia y dureza para cada geometría de indentación. Esta relación permite pruebas no destructivas económicamente importantes de entregas de metal a granel con equipos livianos e incluso portátiles, como los probadores de dureza Rockwell portátiles.
Dureza del material
Se utilizan diferentes técnicas para cuantificar las características del material a escalas más pequeñas. La medición de las propiedades mecánicas de materiales, por ejemplo, de películas delgadas , no se puede realizar utilizando ensayos de tracción uniaxiales convencionales . Como resultado, se han desarrollado técnicas que prueban la "dureza" del material mediante sangría en un material con una impresión muy pequeña para intentar estimar estas propiedades.
Las medidas 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 generalmente crean un número que puede usarse 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 la ecuación 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 se informan típicamente en unidades de presión, aunque esta es solo una presión "verdadera" si el penetrador y la interfaz de la superficie son perfectamente planos. [ cita requerida ]
Sangría instrumentada
La sangría instrumentada básicamente sangra 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 a lo largo del ciclo de indentación. [4] La tecnología actual puede realizar un control de fuerza preciso en una amplia gama. 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 fuerza frente a la curva de indentación de desplazamiento como: [5]
: rigidez del material, que es la pendiente de la curva
: el área de contacto punta-muestra
: módulo reducido, definido como:
Dónde y son el módulo de Young y la relación de Poisson de la muestra, un y son las del indentador. Dado que típicamente,, el segundo término normalmente se puede ignorar.
La información más crítica, la dureza, se puede calcular mediante:
Las técnicas de sangría comúnmente utilizadas, así como el cálculo detallado de cada método diferente, se discuten a continuación.
Pruebas de macroindentación
El término "macroindentación" se aplica a las pruebas con una carga de prueba mayor, como 1 kgf o más. Hay varias pruebas de macroindentación, que incluyen:
- Prueba de dureza de Vickers (HV), que tiene una de las escalas más amplias. Ampliamente utilizado para probar la dureza de todo tipo de materiales metálicos (acero, metales no ferrosos, oropel, carburo cementado, láminas de metal, etc.); capa / revestimiento superficial (carburación, nitruración, capa de descarburación, capa de endurecimiento superficial, revestimiento galvanizado, etc.). [6]
- Prueba de dureza Brinell (HB) BHN y HBW se utilizan ampliamente [7]
- Prueba de dureza Knoop (HK), para medir en áreas pequeñas, ampliamente utilizada para probar vidrio o material cerámico. [8]
- Ensayo de dureza Janka , para madera
- Prueba de dureza Meyer
- Ensayo de dureza Rockwell (HR), utilizado principalmente en EE. UU. Las escalas HRA, HRB y HRC son las más utilizadas. [9]
- Ensayo de dureza Shore , para polímeros, muy utilizado en la industria del caucho. [10]
- Ensayo de dureza Barcol , para materiales compuestos.
En general, no existe una relación simple entre los resultados de las 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 de Vickers y Brinell se correlacionan bien en un amplio rango, y Brinell solo produce valores sobreestimados con cargas elevadas.
Pruebas de microindentación
El término " microdureza " se ha empleado ampliamente en la literatura para describir la prueba de dureza de materiales con cargas aplicadas bajas. Un término más preciso es "ensayo 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 usando 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 en la escala microscópica. Desafortunadamente, es difícil estandarizar las mediciones de microdureza; Se ha encontrado 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 las mediciones hechas de la muesca formada en la superficie de la muestra de prueba. El número de dureza se basa en la fuerza aplicada dividida por el área de la superficie de la sangría en sí, dando unidades de dureza en kgf / mm². La prueba de dureza por microindentación se puede realizar utilizando indentadores Vickers y Knoop. Para la prueba de Vickers, se miden ambas diagonales y se usa el valor promedio para calcular el número de la pirámide de Vickers. En la prueba de Knoop, solo se mide la diagonal más larga y la dureza de Knoop se calcula en base al área proyectada de la sangría dividida por la fuerza aplicada, dando también unidades de prueba en kgf / mm².
La prueba de microindentación de Vickers se realiza de manera similar a las pruebas de macroindentación de Vickers, utilizando la misma pirámide. La prueba de Knoop usa una pirámide alargada para sangrar muestras de material. Esta pirámide alargada crea una impresión poco profunda, que es beneficiosa para medir la dureza de materiales quebradizos o componentes delgados. Tanto los penetradores Knoop como los Vickers requieren pulir la superficie para lograr resultados precisos. [ cita requerida ]
Las pruebas de rayado a cargas bajas, como la prueba de microcaracteres de Bierbaum , realizada con cargas de 3 gf o 9 gf, precedieron al desarrollo de probadores de microdureza que utilizan 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 de Vickers tiene la gran ventaja de usar 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 con cargas bajas en 1936. [ cita requerida ]
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 e inferiores, la dureza Vickers (HV) se calcula con una ecuación, en la que 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 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 usar 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.
Pruebas de nanoindentación
Fuentes de error
Las principales fuentes de error con las pruebas de indentación son una técnica deficiente, 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 esfuerzo" que el efecto es mínimo con hendiduras más pequeñas. [12]
El acabado de la superficie de la pieza y el penetrador no influyen en la medición de la dureza, siempre que el sangrado 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 sangría poco profunda, ya que una sangría finamente grabada deja una sangría mucho más fácil de leer que una sangría suave. [13]
Se sabe que la muesca que queda después de quitar el penetrador y la carga se "recupera" o retrocede ligeramente. Este efecto se conoce propiamente como superficial . Para los indentadores esféricos, se sabe que la muesca 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 un pequeño porcentaje, siendo mayor el error de profundidad. [14]
Otro efecto que tiene la carga sobre la muesca es el amontonamiento o hundimiento del material circundante. Si el metal se endurece, tiene tendencia a acumularse y formar un "cráter". Si el metal está recocido, se hundirá alrededor de la muesca. Ambos efectos se suman al error de medición de la dureza. [15]
Relación con la tensión de fluencia
Cuando 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 por una constante conocida como factor de restricción, C. [16]
dónde:
La dureza difiere del límite elástico 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 corte . La dureza de la indentación, por otro lado, está restringida en tres dimensiones que evitan que el cizallamiento domine la falla. [dieciséis]
Ver también
- Ley de meyer
- Prueba de dureza de rebote de Leeb
Referencias
Notas
- ^ Correlación de límite elástico y resistencia a la tracción con dureza para aceros, EJ Pavlina y CJ Van Tyne, Journal of Materials Engineering and Performance, Volumen 17, Número 6 / diciembre de 2008
- ^ Broitman, Esteban (marzo de 2017). "Mediciones de dureza de indentación a macro, micro y nanoescala: una descripción crítica" . Cartas de tribología . 65 (1): 23. doi : 10.1007 / s11249-016-0805-5 . ISSN 1023-8883 .
- ^ a b c Meyers y Chawla (1999): "Comportamiento mecánico de los materiales", 162-168.
- ^ Oliver, WC; Pharr, GM (junio de 1992). "Una técnica mejorada para determinar la dureza y el módulo elástico mediante experimentos de detección de indentación de carga y desplazamiento" . Revista de Investigación de Materiales . 7 (6): 1564-1583. Código bibliográfico : 1992JMatR ... 7.1564O . doi : 10.1557 / JMR.1992.1564 . ISSN 0884-2914 .
- ^ Shnyrev, GD, Bulychev, SI y Alekhin, VP y Shorshorov, MK y Ternovskii, AP (1975). "Determinación del módulo de Young a partir del diagrama de penetración del penetrador". Zavodskaya Laboratoriya . 41 (9) - a través de 1137-1140.
- ^ Prueba de dureza EBP Vickers http://www.hiebp.com
- ^ Prueba de dureza EBP Brinell http://www.hiebp.com
- ^ Prueba de dureza EBP Knoop http://www.hiebp.com
- ^ Prueba de dureza EBP Rockwell http://www.hiebp.com
- ^ Prueba de dureza EBP Shore http://www.hiebp.com
- ^ RL Smith y GE Sandland, "Un método preciso para determinar la dureza de los metales, con especial referencia a los de un alto grado de dureza", Actas de la Institución de ingenieros mecánicos, vol. I, 1922, págs. 623–641.
- ^ Tabor, p. dieciséis.
- ^ Tabor, p. 14.
- ^ Tabor, págs. 14-15.
- ^ Tabor, p. 15.
- ^ a b Fischer-Cripps, Anthony C. (2007). Introducción a la mecánica de contactos (2ª ed.). Nueva York: Springer. págs. 156-157. ISBN 978-0-387-68188-7. OCLC 187014877 .
enlaces externos
- "El probador de pinball revela dureza". Popular Mechanics , noviembre de 1945, p. 75.
Bibliografía
- Tabor, David (2000), La dureza de los metales , Oxford University Press, ISBN 0-19-850776-3.