CONTENIDO:

INTRODUCCIONPROPIEDADES MECANICASMODULO DE ELASTICIDADDUREZAMETODOS PARA MEDIR LA DUREZAMICRODUREZACURVAS DE CARGA-DESPLAZAMIENTO

Propiedades mecánicas

Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas temperaturas.

Propiedades mecánicas• Tenacidad• Elasticidad• Dureza: Es la resistencia que un material opone a la

penetración.• Fragilidad• Plasticidad• Ductibilidad• Maleabilidad

Módulo de elasticidadEn la primera parte del ensayo de tensión, el material se deforma elásticamente, o sea que si se elimina la carta sobre la muestra, volverá a su longitud inicial.

En general, los metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:

Modulo de elasticidadlos metales y aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión y la deformación en la región elástica en un diagrama tensión – deformación que se describe mediante la ley de Hooke:

DUREZA

Los ensayos de dureza, en general, se clasifican en tres categorías principales:

• Indentación estática• Rayado• Rebote

Factores para medir la dureza:IndentadorCargaGeometría de la huella

IndentadorEsférica (Brinell)Cónica (Ludwik)Piramidal (Vickers, Knoop, Berkovich) Cúbica.

Pruebas estáticasMacro dureza (fuerza F > 30 N)Dureza de pequeña carga (2 - 30 N) Micro dureza (< 0,5N).

DUREZA BRINELLAbreviado HBBola de metal duro de diámetro conocido es presionado con una fuerza de prueba F verticalmente.La fuerza de prueba se ejerce dentro de un intervalo de tiempo definido (de dos a ocho segundos); el tiempo de incidencia debe estar entre diez y quince segundos.

Dureza Brinell

Donde :

F: Carga (kg)D: Diámetro de la bola (mm)d: Promedio del diámetro de la indentación (mm)

Para aceros, F / D²= 30

Para aleaciones de Cobre, F / D² = 10

La normas DIN 50351:

Acero (blando): 120 HBAluminio: 15 HBMadera: entre 1 HB y 7 HB

DUREZA VICKERSUn diamante con forma de pirámide Presión en una muestra con una fuerza definida La dureza se calcula por la diagonal de la presión - medida al liberar la prueba

ASTM C 1327 – 03

Dureza Vickers

Ejemplo: 380 HV 30/20 ( carga 30 kgf , tiempo 20 segundos.)

DUREZA KNOOPPequeñas laminasIndentador de diamante piramidal rómbico

DUREZA ROCKWELLDetermina la dureza por medio de la profundidad de penetración de un cuerpo de pruebaC y A (para materiales duros o muy duros) N (para pruebas delgadas) una bola de diamante F (para materiales semiduros y blandos)T (para pruebas delgadas) se emplea una bola de acero

Dureza RockwellHay varias escalas Rockwell, las más comunes son:Escala B (Indentador redondo de acero de 1/16 pulgada de diámetro, 100Kg de carga). Se usa para medir la dureza de los metales no ferrososEscala C (indentador en forma de cono 120° de apertura, de diamante, 150 Kg de carga). Se usa para medir la dureza de los aceros

Ejemplo: 60 HRB (60 kg con escala B30HR30W (30 kg con bola de 1/8”)

Dureza Rockwell

Dureza Rockwell

DUREZA MOHSse calcula mediante una serie relativa de minerales donde cada miembro es más duro que los que están detrás de él en la escala y más blando que los que están delante. La escala de Mohs es la siguiente:1. Talco2. Yeso3. Calcita4. Fluorita5. Apatito6. Feldespato7. Cuarzo8. Berilo9. Corindón10. Diamante

DUREZA SHOREProcedimiento dinámico de medición de dureza. Se realiza en un esclerómetro, aparato formado por un tubo de cristal de 300mm de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2.36 g. La altura de la caída es de 254mm y la escala esta dividida en 140 divisiones

NANOINDENTACION:

Caracterización mecánica de recubrimientos o de materiales de pequeño volumenDeterminación del módulo elástico y la durezaConsiste en registrar simultáneamente la profundidad y la fuerza que experimenta un indentador de geometría y propiedades conocidas cuando penetra en un material cuyas propiedades se desean obtener.

Nanoindentaciónse calcula dividiendo la carga de indentación entre el área de la superficie real o la proyección del área de contacto de la impresión.

NanoindentaciónIndentadores puntiagudos tales como Berkovich o VickersEl efecto del "piling-up" y "sinking-in"

Representación esquemática de (a) apilamiento y (b) hundimiento.

Ecuación de Sneddon :

Rigidez de contacto, Su, el área de contacto, Ac, y el módulo de elasticidad reducido, Er, el cual considera las deformaciones elásticas del indentador:

En la que E es el modulo de elasticidad, ν la relación de Poisson, θ el semi-ángulo del indentador, P y h la carga y profundidad respectivamente.

King, usando elementos finitos para modelar el comportamiento elástico.Indentadores no simétricosUsar factor βIndentador Berkovich, es igual a 1.034Hendrix, mostraron que este valor es de aproximadamente 1.028.Woirgard, han reportado valores para β* que varían entre 1.062 y 1.12

La dureza H = P/ Ac, se obtiene la siguiente expresión:

Esta ecuación indica que es de suma importancia conocer el valor real de β* para obtener valores reales de H. Sin embargo, es bien conocido que a bajas profundidades (pequeña escala) los materiales presentan un comportamiento mecánico diferente del observado a grandes profundidades (macro escala).

Efecto del tamaño de la identación “ISE”

Comparación entre las curvas P – h de un nodo que se encuentra en la superficie superior del indentador y un nodo que se encuentra en la punta del mismo, obtenidas a partir de simulaciones por elementos finitos.

Ejemplos de curvas de carga-desplazamiento para materiales con comportamiento plástico (a), y elástico (b y c).

Curvas de carga-desplazamiento a diferentes velocidades

El módulo de Young y la dureza obtenidos a partir de los ensayos de indentación realizados presentan una fuerte dependencia con el tamaño de la indentación. Por tanto, no se pueden determinar las propiedades mecánicas de los materiales ensayados a partir de un único experimento. Además, en el caso del indentador Berkovich el redondeo de la punta también puede afectar al análisis de los datos de indentación.

La indentación “depth-sensing” es una nueva técnica desarrollada en las últimas dos décadas para medir las propiedades mecánicas de los materiales en escalas sub-micro o nano, también llamada a menudo indentación instrumentada, (EIT), o ensayo de nanoindentación.Esta técnica está basada en instrumentos de alta-resolución que continuamente registran las cargas y desplazamientos del indentador, obteniéndose una curva de carga-profundidad de desplazamiento. Esta curva puede contener información sobre la deformación elástica, la deformación plástica, la fractura y el “creep” o fluencia del material y puede usarse para derivar varias propiedades mecánicas de materiales, normalmente, la dureza y el módulo elástico. El módulo de Young y la dureza obtenidos a partir de los ensayos de indentación realizados presentan una fuerte dependencia con el tamaño de la indentación. Por tanto, no se pueden determinar las propiedades mecánicas de los materiales ensayados a partir de un único experimento. Además, en el caso del indentador Berkovich el redondeo de la punta también puede afectar al análisis de los datos de indentación.Existen una serie de efectos que afectan a su medida tales como el efecto del tamaño de la indentación y el efecto del "piling-up" y "sinking-in". Esta circunstancia hace que dentro de esta línea de investigación también se estudie la evolución de estos fenómenos así como su influencia en la medida de las propiedades mecánicas en función del material indentado y de la geometría del indentador (Berkovich, esférica).

Micro hardness tester DHV-1000

Prueba de dureza: