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:

• They exhibit elasticity—the ability to temporarily change shape, but return to the original shape when the pressure is removed. "Hardness" in the elastic range—a small temporary change in shape for a given force—is known as stiffness in the case of a given object, or a high elastic modulus in the case of a material.
• They exhibit plasticity—the ability to permanently change shape in response to the force, but remain in one piece. The yield strength is the point at which elastic deformation gives way to plastic deformation. Deformation in the plastic range is non-linear, and is described by the stress-strain curve. This response produces the observed properties of scratch and indentation hardness, as described and measured in materials science. Some materials exhibit both elasticity and viscosity when undergoing plastic deformation; this is called viscoelasticity.
• They fracture—split into two or more pieces.

Strength is a measure of the extent of a material's elastic range, or elastic and plastic ranges together. This is quantified as compressive strength, shear strength, tensile strength depending on the direction of the forces involved. Ultimate strength is an engineering measure of the maximum load a part of a specific material and geometry can withstand.

Brittleness, in technical usage, is the tendency of a material to fracture with very little or no detectable plastic deformation beforehand. Thus in technical terms, a material can be both brittle and strong. In everyday usage "brittleness" usually refers to the tendency to fracture under a small amount of force, which exhibits both brittleness and a lack of strength (in the technical sense). For perfectly brittle materials, yield strength and ultimate strength are the same, because they do not experience detectable plastic deformation. The opposite of brittleness is ductility.

The toughness of a material is the maximum amount of energy it can absorb before fracturing, which is different from the amount of force that can be applied. Toughness tends to be small for brittle materials, because elastic and plastic deformations allow materials to absorb large amounts of energy.

Hardness increases with decreasing particle size. This is known as the Hall-Petch relationship. However, below a critical grain-size, hardness decreases with decreasing grain size. This is known as the inverse Hall-Petch effect.

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 ]}

In glasses, hardness seems to depend linearly on the number of topological constraints acting between the atoms of the network.^[9] Hence, the rigidity theory has allowed predicting hardness values with respect to composition.

Dislocations provide a mechanism for planes of atoms to slip and thus a method for plastic or permanent deformation.^[7] Planes of atoms can flip from one side of the dislocation to the other effectively allowing the dislocation to traverse through the material and the material to deform permanently. The movement allowed by these dislocations causes a decrease in the material's hardness.

The way to inhibit the movement of planes of atoms, and thus make them harder, involves the interaction of dislocations with each other and interstitial atoms. When a dislocation intersects with a second dislocation, it can no longer traverse through the crystal lattice. The intersection of dislocations creates an anchor point and does not allow the planes of atoms to continue to slip over one another^[10] A dislocation can also be anchored by the interaction with interstitial atoms. If a dislocation comes in contact with two or more interstitial atoms, the slip of the planes will again be disrupted. The interstitial atoms create anchor points, or pinning points, in the same manner as intersecting dislocations.

By varying the presence of interstitial atoms and the density of dislocations, a particular metal's hardness can be controlled. Although seemingly counter-intuitive, as the density of dislocations increases, there are more intersections created and consequently more anchor points. Similarly, as more interstitial atoms are added, more pinning points that impede the movements of dislocations are formed. As a result, the more anchor points added, the harder the material will become.

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
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• 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