propiedades mecanicas

B O L E T I N D E L A S O C I E DA D E S PA Ñ O L A D E

Cerámica y Vidrio

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C

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Problemática en la determinación de módulo elástico y dureza de
materiales cerámicos de alta rigidez mediante indentación
A. Rico, M. A. Garrido, J. Rodríguez
Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Universidad Rey Juan Carlos, 28933 Móstoles (Madrid).

En estetrabajo se han realizado ensayos de indentación instrumentada sobre dos materiales cerámicos empleando
indentadores Berkovich y esférico a diferentes cargas máximas. Se ha determinado su dureza y el módulo de elasticidad a
partir del análisis de las curvas carga – desplazamiento con el método de Oliver y Pharr. Se ha observado que los valores de
ambas propiedades cambian con el tamaño de laindentación. Sin embargo, estas variaciones dependen de diversos factores
como el efecto del tamaño de la indentación, la rigidez del material indentado y la geometría del indentador. Con el fin de
acotar el efecto que la deformación del indentador tiene sobre las tendencias observadas, se han realizado simulaciones por
elementos finitos del ensayo de indentación sobre un material elástico linealcon las propiedades del material cerámico más
rígido estudiado (carburo de Boro) y analizando los casos de indentador rígido y elástico.
Palabras clave: Nanoindentación, propiedades mecánicas, materiales cerámicos
The problem of determining Young´s modulus and hardness of high stiff ceramics by nanoindentation
Sensing indentation tests at different maximum loads were carried out on twocrystalline ceramic materials using Berkovich
and spherical indenters. Hardness and Young´s modulus were estimated from load – displacement curves through Oliver
and Pharr method. Values from mechanical properties change with the penetration depth depending on indentation size,
material stiffness and geometry of the indenter. To estimate the indenter deformation effect, finite elements simulationswere developed to simulate the indentation process on an elastic material with the properties of the stiffer material (Boron
carbide).
Keywords: Nanoindentation, mechanical properties, ceramic materials.
1. INTRODUcCIÓN
Las técnicas de indentación instrumentada son adecuadas
para estimar las propiedades mecánicas de pequeños
volúmenes de material. Por ello, se han utilizado ampliamente
en laestimación de propiedades tales como módulo elástico
y dureza en recubrimientos de todo tipo, desde metálicos
hasta cerámicos. Sin embargo, este tipo de técnicas presentan
una serie de particularidades que exigen prestar una cuidada
atención a los datos numéricos que se extraen de los ensayos.
La técnica consiste en registrar simultáneamente la
profundidad y la fuerza que experimenta unindentador de
geometría y propiedades conocidas cuando penetra en un
material cuyas propiedades se desean obtener.
La figura 1 recoge una curva fuerza – desplazamiento
experimental obtenida a partir de una indentación sobre
nitruro de aluminio utilizando un indentador Berkovich. Del
análisis de este tipo de curvas, es posible obtener el módulo
elástico y la dureza del material desconocido sintener que
medir la huella residual, al contrario que en los métodos de
indentación tradicionales. El método de cálculo que se emplea
tradicionalmente para determinar estas propiedades se basa
en los estudios realizados por Oliver y Pharr (1), que a su vez
se basaron en los trabajos desarrollados por Hertz, Sneddon,
Doerner y Nix (2 – 4) acerca del contacto elástico entre un
indentador degeometría conocida y un plano elástico.
Si un indentador esférico penetra en un material elástico,
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Fig. 1- Curva experimental fuerza – desplazamiento obtenida a partir
de una indentación sobre nitruro de aluminio con un indentador
Berkovich. En la figura se representa: carga máxima de indentación
(Pmax), penetración máxima de indentación (ht), penetración de contacto (hp), penetración...