dureza de indentación

En ingeniería mecánica, se utilizan ensayos de dureza por indentación para determinar la resistencia de un material a la deformación . Existen varios tipos de ensayos, en los que el material examinado se indenta hasta que se forma una marca; estos ensayos pueden realizarse a escala macroscópica o microscópica.

Al ensayar metales, la dureza por indentación se correlaciona aproximadamente de forma lineal con la resistencia a la tracción ^{[ 1 ]} , pero se trata de una correlación imperfecta que suele limitarse a rangos pequeños de resistencia y dureza para cada geometría de indentación. Esta relación permite realizar ensayos no destructivos de gran importancia económica en grandes cantidades de metal con equipos ligeros, incluso portátiles, como los durómetros Rockwell de mano.

Se utilizan diferentes técnicas para cuantificar las características de los materiales a escalas reducidas. La medición de las propiedades mecánicas de los materiales, por ejemplo, de las películas delgadas , no puede realizarse mediante ensayos de tracción uniaxial convencionales . Por ello, se han desarrollado técnicas para medir la dureza del material mediante la indentación con una huella muy pequeña, con el fin de intentar estimar estas propiedades.

Las mediciones de dureza cuantifican la resistencia de un material a la deformación plástica. Las pruebas de dureza por indentación constituyen la mayoría de los procesos utilizados para determinar la dureza del material y se pueden dividir en tres clases: pruebas de macroindentación, microindentación y nanoindentación . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las pruebas de microindentación suelen tener fuerzas menores de 2 N (0,45 lb _f ) . Sin embargo, la dureza no puede considerarse una propiedad fundamental del material. Las pruebas de dureza clásicas suelen generar un valor que puede utilizarse para proporcionar una idea relativa de las propiedades del material. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, 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, se refiere a la presión aplicada sobre el área de contacto entre el indentador y el material que se está probando. Por lo tanto, los valores de dureza suelen expresarse en unidades de presión, aunque esta presión solo es "real" si la interfaz entre el indentador y la superficie es perfectamente plana.

La indentación instrumentada consiste básicamente en introducir una punta afilada en la superficie de un material para obtener una curva fuerza-desplazamiento. Los resultados proporcionan mucha información sobre el comportamiento mecánico del material, incluyendo 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 una fuerza o un desplazamiento que se pueda medir simultáneamente durante todo el ciclo de indentación. ^{[ 4 ]} La tecnología actual permite un control preciso de la fuerza 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 trabajo más antiguo 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 versus desplazamiento como: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle S={dP \over d\delta }={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}E_{r}{\sqrt {A}}}$

${\displaystyle S}$: rigidez del material, que es la pendiente de la curva

${\displaystyle A}$: el área de contacto entre la punta y la muestra

${\displaystyle E_{r}}$: módulo reducido, definido como:

${\displaystyle {\frac {1}{E_{r}}}={\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}+{\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}}$

Dónde${\displaystyle E_{s}}$y${\displaystyle \nu _{s}}$son el módulo de Young y la relación de Poisson de la muestra, un${\displaystyle E_{i}}$y${\displaystyle \nu _{i}}$son las del indentador. Dado que normalmente,${\displaystyle E_{i}>>E_{s}}$, el segundo término normalmente puede ignorarse.

La información más importante, la dureza, se puede calcular mediante:

${\displaystyle H={\frac {P_{max}}{A}}}$

A continuación se describen las técnicas de indentación más utilizadas, así como los cálculos detallados de cada método.

El término "macroindentación" se aplica a ensayos con una carga de prueba mayor, como 1 kgf o más. Existen varios ensayos de macroindentación, entre ellos: 

• Ensayo de dureza Vickers (HV), que posee una de las escalas más amplias. Se utiliza ampliamente para evaluar la dureza de todo tipo de materiales metálicos (acero, metales no ferrosos, oropel, carburo cementado , chapa metálica, etc.); capa superficial/recubrimiento (carburización, nitruración , capa de descarburización, capa de endurecimiento superficial, recubrimiento galvanizado, etc.). ^{[ 6 ]}
• La prueba de dureza Brinell (HB) BHN y HBW se utilizan ampliamente ^{[ 7 ].}
• El ensayo de dureza Knoop (HK), para mediciones en áreas pequeñas, se utiliza ampliamente para probar materiales de vidrio o cerámica. ^{[ 8 ]}
• Ensayo de dureza Janka para madera
• Prueba de dureza de Meyer
• Ensayo de dureza Rockwell (HR), utilizado principalmente en EE. UU. Las escalas HRA, HRB y HRC son las más utilizadas. ^{[ 9 ]}
• La prueba de dureza Shore , para polímeros, se utiliza ampliamente 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 distintas pruebas de dureza. Si bien existen tablas de conversión prácticas para aceros duros, por ejemplo, algunos materiales presentan comportamientos cualitativamente diferentes según el método de medición. Sin embargo, las escalas de dureza Vickers y Brinell se correlacionan bien en un amplio rango, ya que Brinell solo produce valores sobreestimados con cargas elevadas.

Sin embargo, los procedimientos de indentación pueden utilizarse para obtener relaciones tensión-deformación reales. Para obtener resultados fiables, es necesario cumplir ciertos criterios, como la deformación de un volumen relativamente grande y, por consiguiente, el uso de cargas elevadas. Las metodologías implicadas suelen agruparse bajo el término plastometría por indentación , que se describe en un artículo aparte.

El término « microdureza » se ha utilizado ampliamente en la literatura para describir la medición de la dureza de materiales con cargas bajas. Un término más preciso es «ensayo de dureza por microindentación». En este ensayo, un indentador de diamante de geometría específica se presiona sobre la superficie de la muestra con una fuerza aplicada conocida (comúnmente llamada «carga» o «carga de ensayo») de 1 a 1000 gf . Los ensayos de microindentación suelen tener fuerzas de 2 N (aproximadamente 200 gf) y producen indentaciones de unos 50 μm . Debido a su especificidad, los ensayos de microdureza permiten observar cambios en la dureza a escala microscópica. Desafortunadamente, es difícil estandarizar las mediciones de microdureza; se ha observado 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 deformación 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:  

• Ensayo de dureza Vickers (HV)
• Ensayo de dureza Knoop (HK)

En las pruebas de microindentación, el número de dureza se basa en las mediciones realizadas de la indentación formada en la superficie de la muestra. El número de dureza se basa en la fuerza aplicada dividida por el área de la superficie de la indentación, lo que da como resultado 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 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 indentación dividida por la fuerza aplicada, lo que también da como resultado unidades de prueba en kgf/ ^mm² .

El ensayo de microindentación Vickers se realiza de forma similar a los ensayos de macroindentación Vickers, utilizando la misma pirámide. El ensayo Knoop emplea una pirámide alargada para indentar las muestras de material. Esta pirámide crea una huella superficial, lo cual resulta útil para medir la dureza de materiales frágiles o componentes delgados. Tanto los indentadores Knoop como Vickers requieren el pulido de la superficie para obtener resultados precisos.

Las pruebas de rayado a bajas cargas, como la prueba de microcaracterización de Bierbaum , realizada con cargas de 3 gf o 9 gf, precedieron al desarrollo de los probadores de microdureza que utilizaban indentadores 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 Vickers tiene la gran ventaja de utilizar una sola escala de dureza para probar todos los materiales. La primera referencia al indentador Vickers con bajas cargas se hizo en el informe anual del Laboratorio Nacional de Física en 1932. Lips y Sack describen el primer probador Vickers que utilizaba bajas cargas en 1936.

Existe cierta discrepancia en la bibliografía 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 o inferiores, la dureza Vickers (HV) se calcula con una ecuación, donde la carga ( L ) se expresa en gramos fuerza y ​​la media de dos diagonales ( d ) en milímetros:

${\displaystyle HV=0.0018544\times {\tfrac {L}{d^{2}}}}$

Para cualquier carga dada, la dureza aumenta rápidamente en longitudes diagonales pequeñas, y este efecto se acentúa a medida que disminuye la carga. Por lo tanto, con cargas bajas, pequeños errores de medición producirán grandes desviaciones en la dureza. En consecuencia, siempre se debe utilizar la carga máxima posible en cualquier prueba. Asimismo, en la parte vertical de las curvas, pequeños errores de medición producirán grandes desviaciones en la dureza.

Las principales fuentes de error en los ensayos de indentación son una técnica deficiente, una calibración incorrecta 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 del indentador no afecta a la medición de la dureza, siempre que la indentación sea grande en comparación con la rugosidad de la superficie. Esto resulta útil al medir la dureza de superficies prácticas. También es útil al dejar una indentación poco profunda, ya que un indentador finamente grabado deja una indentación mucho más fácil de leer que un indentador liso. ^{[ 13 ]}

La hendidura que queda tras retirar el indentador y la carga tiende a "recuperarse" o a recuperar ligeramente su forma original. Este efecto se conoce como aplanamiento . En el caso de indentadores esféricos, la hendidura se mantiene simétrica y esférica, pero con un radio mayor. Para materiales muy duros, el radio puede ser tres veces mayor que el del indentador. Este efecto se atribuye a la liberación de tensiones elásticas. Debido a este efecto, el diámetro y la profundidad de la hendidura presentan errores. El error en el cambio de diámetro suele ser de tan solo unos pocos por ciento, mientras que el error en la profundidad es mayor. ^{[ 14 ]}

Otro efecto que la carga tiene sobre la indentación es la acumulación o el hundimiento del material circundante. Si el metal está endurecido por deformación, tiende a acumularse y formar un "cráter". Si el metal está recocido, se hundirá alrededor de la indentación. Ambos efectos aumentan el error en la medición de la dureza. ^{[ 15 ]}

Cuando la dureza,${\displaystyle H}$, se define como la presión de contacto media (carga/área de contacto proyectada), la tensión de fluencia ,${\displaystyle \sigma _{y}}$, de muchos materiales es proporcional a la dureza por una constante conocida como factor de restricción, C. ^{[ 16 ]}

${\displaystyle H=C\sigma _{y}}$

dónde:

${\displaystyle C\approx {\begin{cases}3&{\text{grande }}E/\sigma _{y}{\text{ (ej. metales)}}\\1.5&{\text{pequeño }}E/\sigma _{y}{\text{ (ej. vidrios)}}\end{cases}}}$

La dureza difiere de la tensión de fluencia a compresión uniaxial del material debido a que se aplican diferentes modos de falla por compresión . Un ensayo uniaxial solo restringe el material en una dimensión, lo que permite que falle como resultado de la cizalladura . La dureza por indentación, por otro lado, se restringe en tres dimensiones, lo que impide que la cizalladura domine la falla. ^{[ 16 ]}

• Prueba de dureza de rebote de Leeb
• Ley de Meyer

• "Un probador de máquinas de pinball revela su dureza". Popular Mechanics , noviembre de 1945, pág.  75.