Dureza

En ciencia de los materiales , la dureza (antónimo: blandura ) es una medida de la resistencia a la deformación plástica localizada , como una indentación (sobre un área) o un arañazo (lineal), inducidos mecánicamente ya sea por presión 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 generalmente se caracteriza 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 arañazo , dureza a la indentación y dureza al rebote. La dureza depende de la ductilidad , rigidez elástica , plasticidad , deformación , resistencia , tenacidad , viscoelasticidad y viscosidad . Ejemplos comunes de materia dura son la cerámica , el hormigón , ciertos metales y los materiales superduros , que se pueden contrastar con la materia blanda .

Existen tres tipos principales de medición de dureza: rayado, indentación y rebote. Dentro de cada una de estas clases de medición, existen escalas de medición específicas. Por razones prácticas, se utilizan tablas de conversión para convertir entre una escala y otra.

Existen cinco procesos de endurecimiento: endurecimiento de Hall-Petch , endurecimiento por deformación , 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 magnitud de la fuerza y ​​del tipo de material:

• Presentan elasticidad : la capacidad de cambiar de forma temporalmente, pero recuperan su forma original al cesar la presión. La "dureza" dentro del rango elástico —un pequeño cambio temporal de forma ante una fuerza determinada— se conoce como rigidez en el caso de un objeto o como un módulo de elasticidad elevado en el caso de un material.
• Exhiben plasticidad : la capacidad de cambiar de forma permanentemente en respuesta a una fuerza, pero permaneciendo intactos. 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 por rayado e indentación, tal como se describe y mide en la ciencia de los materiales. Algunos materiales exhiben tanto elasticidad como viscosidad al sufrir deformación plástica; esto se denomina viscoelasticidad .
• Se fracturan , se dividen en dos o más pedazos.

La resistencia es una medida de la amplitud del rango elástico de un material, o de la suma de sus rangos elástico y plástico. Se cuantifica como resistencia a la compresión , resistencia al corte o resistencia a la tracción , según la dirección de las fuerzas involucradas. La resistencia máxima es una medida de ingeniería que indica la carga máxima que puede soportar una parte de un material y geometría específicos.

La fragilidad , en términos técnicos, es la tendencia de un material a fracturarse con muy poca o ninguna deformación plástica detectable previa. Así, en términos técnicos, un material puede ser a la vez frágil y resistente. En el lenguaje cotidiano, "fragilidad" suele referirse a la tendencia a fracturarse bajo una pequeña cantidad de fuerza, lo que demuestra tanto fragilidad como falta de resistencia (en el sentido técnico). Para materiales perfectamente frágiles, el límite elástico y la resistencia máxima son iguales, 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, lo cual difiere de la cantidad de fuerza que se le puede aplicar. La tenacidad tiende a ser baja en materiales frágiles, ya que las deformaciones elásticas y plásticas permiten que los materiales absorban grandes cantidades de energía.

La dureza aumenta al disminuir el tamaño de partícula . Esto se conoce como la relación de 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 el 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 propiedad de rigidez o dureza como su módulo de compresibilidad o módulo de Young . La rigidez se confunde a menudo con la dureza. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Algunos materiales son más rígidos que el diamante (por ejemplo, el osmio ) pero no son más duros, y son propensos a descascarillarse y desmoronarse en hábitos escamosos o aciculares.

La clave para comprender el mecanismo de la dureza reside en la comprensión de la microestructura metálica , es decir, la estructura y disposición de los átomos a nivel atómico. De hecho, la mayoría de las propiedades metálicas más importantes, cruciales para la fabricación de los productos actuales, están determinadas por la microestructura del material. ^{[ 7 ]} A nivel atómico, los átomos de un metal se organizan en una red tridimensional ordenada denominada red cristalina . Sin embargo, en realidad, es probable que una muestra de metal nunca contenga una red cristalina única y uniforme . Una muestra de metal contendrá numerosos granos, cada uno con un patrón de disposición bastante consistente. A una escala aún menor, cada grano presenta irregularidades.

Existen dos tipos de irregularidades a nivel de grano en 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 puntuales principales. Si falta un átomo en la red, 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 metálico, se forma un defecto de sustitución. Si existe un átomo en un sitio donde normalmente no debería haberlo, 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 se encaja entre dos planos de átomos. En el caso de una dislocación helicoidal, dos planos de átomos se desplazan con una disposición helicoidal que se extiende 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 lo 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 átomos se deslicen y, por lo tanto, un método para la deformación plástica o permanente. ^{[ 7 ]} Los planos de átomos pueden pasar de un lado a otro de la dislocación, lo que permite que esta atraviese el material y que este 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 átomos, y por lo tanto hacerlos más duros, implica la interacción de las dislocaciones entre sí y con los átomos intersticiales. Cuando una dislocación se cruza con otra, ya no puede atravesar la red cristalina. La intersección de las dislocaciones crea un punto de anclaje y no permite que los planos de átomos continúen 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 interrumpirá nuevamente. 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 dislocaciones, se puede controlar la dureza de un metal. Aunque parezca contraintuitivo, a medida que aumenta la densidad de dislocaciones, se crean más intersecciones y, por consiguiente, más puntos de anclaje. Del mismo modo, a medida que se añaden más átomos intersticiales, se forman más puntos de fijación que impiden el movimiento de las dislocaciones. En consecuencia, cuantos más puntos de anclaje se añadan, más duro será el material.

Es importante tener en cuenta la relación entre el número de dureza y la curva tensión-deformación que presenta el material. Esta última, que se obtiene convencionalmente mediante ensayos de tracción , refleja la respuesta plástica total del material (que en la mayoría de los casos es un metal). De hecho, se trata de una dependencia de la deformación plástica de von Mises (verdadera) con respecto a la tensión de von Mises (verdadera) , la cual se obtiene fácilmente a partir de una curva tensión nominal-deformación nominal (en el régimen previo al estrechamiento ), que es el resultado inmediato de un ensayo de tracción. Esta relación puede utilizarse para describir cómo responderá el material a prácticamente cualquier situación de carga, a menudo mediante el método de elementos finitos (MEF). Esto se aplica al resultado de un ensayo de indentación (con un tamaño y forma de indentador determinados y una carga aplicada dada).

Sin embargo, si bien el índice de dureza depende de la relación tensión-deformación, inferir esta última a partir de la primera es complejo y no se intenta de forma rigurosa durante las pruebas de dureza convencionales. (De hecho, la técnica de plastometría por indentación , que implica el modelado iterativo mediante elementos finitos de una prueba de indentación, permite obtener una curva tensión-deformación mediante indentación, pero esto queda fuera del alcance de las pruebas de dureza convencionales). El índice de dureza es simplemente un indicador semicuantitativo de la resistencia a la deformación plástica. Aunque la dureza se define de forma similar para la mayoría de los tipos de prueba —generalmente como la carga dividida por el área de contacto—, los valores obtenidos para un material determinado varían según el tipo de prueba, e incluso para la misma prueba con diferentes cargas aplicadas. En ocasiones se intenta ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} identificar expresiones analíticas sencillas que permitan obtener características de la curva tensión-deformación, en particular el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima (UTS), a partir de un tipo específico de índice de dureza. Sin embargo, todas estas se basan en correlaciones empíricas, a menudo específicas de ciertos tipos de aleación: incluso con esta limitación, los valores obtenidos suelen ser poco fiables. El problema subyacente es que metales con diversas combinaciones de límite elástico y características de endurecimiento por deformación pueden presentar el mismo índice de dureza. El uso de índices de dureza para cualquier propósito cuantitativo debe abordarse, en el mejor de los casos, con considerable precaución.

• Chinn, RL (2009). "Dureza, cojinetes y la escala Rockwell". Advanced Materials & Processes . 167 (10): 29– 31.
• Davis, JR (Ed.). (2002). Endurecimiento superficial de aceros: comprensión de los fundamentos. Materials Park, OH: ASM International.
• Dieter, George E. (1989). Metalurgia mecánica. Adaptación al Sistema Internacional de Unidades (SI). Maidenhead, Reino Unido: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8
• Malzbender, J (2003). "Comentario sobre las definiciones de dureza". Journal of the European Ceramic Society . 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.

• Introducción a la dureza de los materiales
• Directrices para las pruebas de dureza. Archivado el 25/02/2021 en Wayback Machine.
• Prueba de dureza de los metales