Dureza

La dureza (antónimo: blandura) es una medida de la resistencia a la deformación plástica localizada inducida por indentación mecánica 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, existen diferentes medidas de dureza: dureza al rayado , dureza a la indentación y dureza al rebote .

La dureza depende de la ductilidad, la rigidez elástica, la plasticidad, la deformación, la resistencia, la tenacidad, la viscoelasticidad y la viscosidad.

Ejemplos comunes de materia dura son la cerámica, el hormigón, ciertos metales y materiales superduros, que pueden contrastarse con la materia blanda.

Dureza de medición

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

Dureza al rayado

La dureza al rayado es la medida de cuán resistente es una muestra a la fractura o deformación plástica permanente debido a la fricción de un objeto afilado. El principio es que un objeto hecho de un material más duro rayará un objeto hecho de un material más blando. Al probar recubrimientos, la dureza al rayado se refiere a la fuerza necesaria para cortar la película hasta el sustrato. La prueba más común es la escala de Mohs, que se utiliza en mineralogía. Una herramienta para realizar esta medición es el esclerómetro.

Otra herramienta utilizada para realizar estas pruebas es el probador de dureza de bolsillo. Esta herramienta consta de un brazo de escala con marcas graduadas unido a un carro de cuatro ruedas. Se monta una herramienta de raspado con un borde afilado en un ángulo predeterminado con respecto a la superficie de prueba. Para usarlo, se agrega un peso de masa conocida al brazo de la báscula en una de las marcas graduadas, luego se pasa la herramienta por la superficie de prueba. El uso del peso y las marcas permite aplicar una presión conocida sin necesidad de maquinaria complicada.

Dureza de sangría

La dureza de indentación mide la resistencia de una muestra a la deformación del material debido a una carga de compresión constante de un objeto afilado. Las pruebas de dureza de indentación se utilizan principalmente en ingeniería y metalurgia. Las pruebas funcionan sobre la premisa básica de medir las dimensiones críticas de una muesca dejada por un penetrador dimensionado y cargado específicamente.

Las escalas comunes de dureza de indentación son Rockwell, Vickers, Shore y Brinell, entre otras.

Dureza de rebote

La dureza de rebote, también conocida como dureza dinámica , mide la altura del "rebote" de un martillo con punta de diamante que se deja caer desde una altura fija sobre un material. Este tipo de dureza está relacionado con la elasticidad. El dispositivo utilizado para tomar esta medida se conoce como escleroscopio.

Dos escalas que miden la dureza de rebote son la prueba de dureza de rebote de Leeb y la escala de dureza de Bennett.

El método de impedancia de contacto ultrasónico (UCI) determina la dureza midiendo la frecuencia de una varilla oscilante. La varilla consta de un eje de metal con elemento vibratorio y un diamante en forma de pirámide montado en un extremo.

Endurecimiento

Hay cinco procesos de endurecimiento: endurecimiento Hall-Petch, endurecimiento por trabajo, endurecimiento por solución sólida, endurecimiento por precipitación y transformación martensítica.

Física

En mecánica de sólidos, los sólidos generalmente tienen tres respuestas a la fuerza, según la cantidad de fuerza y ​​el tipo de material:

• Exhiben elasticidad, la capacidad de cambiar de forma temporalmente, pero vuelven a la forma original cuando se elimina la presión. La "dureza" en el rango elástico, un pequeño cambio temporal en la forma para una fuerza dada, se conoce como rigidez en el caso de un objeto dado, o un módulo elástico alto en el caso de un material.
• Exhiben plasticidad, la capacidad de cambiar permanentemente de forma en respuesta a la fuerza, pero permanecen en una sola pieza. 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 de tensión-deformación. Esta respuesta produce las propiedades observadas de dureza al rayado y a la indentación, tal como se describe y mide en la ciencia de los materiales. Algunos materiales exhiben tanto elasticidad como viscosidad cuando sufren deformación plástica; esto se llama viscoelasticidad.
• Se fracturan, se parten en dos o más piezas.

La fuerza es una medida de la extensión del rango elástico de un material, o rangos elásticos y plásticos juntos. Esto se cuantifica como resistencia a la compresión, resistencia al corte, resistencia a la tracción dependiendo de la dirección de las fuerzas involucradas. La resistencia máxima es una medida de ingeniería de la carga máxima que puede soportar una parte de un material y una geometría específicos.

La fragilidad, en el uso técnico, es la tendencia de un material a fracturarse con muy poca o ninguna deformación plástica detectable de antemano. Así, en términos técnicos, un material puede ser tanto frágil como fuerte. En el uso cotidiano, la "fragilidad" generalmente se refiere a la tendencia a fracturarse bajo una pequeña cantidad de fuerza, que exhibe tanto fragilidad como falta de resistencia (en el sentido técnico). Para materiales perfectamente frágiles, el límite elástico y la resistencia máxima son los mismos, porque no experimentan una 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, que es diferente de la cantidad de fuerza que se puede aplicar. La tenacidad tiende a ser pequeña para los materiales quebradizos, porque las deformaciones elásticas y plásticas permiten que los materiales absorban grandes cantidades de energía.

La dureza aumenta con la disminución del tamaño de partícula. Esto se conoce como la relación 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 efecto Hall-Petch inverso.

La dureza de un material a la deformación depende de su microdurabilidad o módulo de cizallamiento a pequeña escala en cualquier dirección, no de ninguna propiedad de rigidez o rigidez, como su módulo de volumen o módulo de Young. La rigidez a menudo se confunde con la dureza. Algunos materiales son más rígidos que el diamante (por ejemplo, el osmio) pero no son más duros y son propensos a astillarse y descascararse en los hábitos escamosos o aciculares.

Mecanismos y teoría

La clave para comprender el mecanismo detrás de la dureza es comprender la microestructura metálica, o la estructura y disposición de los átomos a nivel atómico. De hecho, las propiedades metálicas más importantes y críticas para la fabricación de los productos actuales están determinadas por la microestructura de un material. A nivel atómico, los átomos de un metal están dispuestos en una disposición tridimensional ordenada llamada red cristalina. En realidad, sin embargo, es probable que una muestra dada de un metal nunca contenga una red monocristalina consistente. Una muestra dada de metal contendrá muchos granos, y cada grano tendrá un patrón de matriz bastante consistente. A una escala aún más pequeña, cada grano contiene irregularidades.

Hay dos tipos de irregularidades a nivel de grano de la microestructura que son responsables de la dureza del material. Estas irregularidades son defectos puntuales y defectos de línea. Un defecto puntual es una irregularidad ubicada en un solo sitio de red dentro de la red tridimensional general del grano. Hay tres defectos puntuales principales. Si falta un átomo en la matriz, se forma un defecto vacante. Si hay un tipo diferente de átomo en el sitio de la red que normalmente debería estar ocupado por un átomo de metal, se forma un defecto de sustitución. Si existe un átomo en un sitio donde normalmente no debería estar, 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 en la red cristalina, Los defectos de línea son irregularidades en un plano de átomos. Las dislocaciones son un tipo de defecto de línea que implica la desalineación de estos planos. En el caso de una dislocación de borde, un medio plano de átomos se encaja entre dos planos de átomos. En el caso de una dislocación de tornillo, dos planos de átomos se desplazan con una matriz helicoidal que corre entre ellos.

En los vidrios, la dureza parece depender linealmente del número de restricciones topológicas que actúan entre los átomos de la red. 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 los átomos se deslicen y, por lo tanto, un método para la deformación plástica o permanente. Los planos de átomos pueden cambiar de un lado de la dislocación al otro, lo que permite que la dislocación atraviese el material y que el material se deforme de forma permanente. El movimiento que permiten 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 una segunda dislocación, ya no puede atravesar la red cristalina. La intersección de las dislocaciones crea un punto de anclaje y no permite que los planos de los átomos continúen deslizándose unos sobre otros . Una dislocación también puede estar anclada por la interacción con los 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 intersecantes.

Al variar la presencia de átomos intersticiales y la densidad de las dislocaciones, se puede controlar la dureza de un metal en particular. Aunque aparentemente contraintuitivo, a medida que aumenta la densidad de las dislocaciones, se crean más intersecciones y, en consecuencia, más puntos de anclaje. De manera similar, a medida que se agregan más átomos intersticiales, se forman más puntos de anclaje que impiden los movimientos de las dislocaciones. Como resultado, cuantos más puntos de anclaje se agreguen, más duro se volverá el material.