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Abstract:
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La necesidad creciente de caracterizar las propiedades mecánicas a la escala
nanométrica ha favorecido el desarrollo del ensayo de nanoindentación instrumentada. En
los ensayos de nanoindentación, se mide de manera continua la carga aplicada y la
profundidad de penetración del indentador en el material, durante un ciclo de carga y
descarga. El análisis de las curvas de descarga permite determinar la área de contacto
entre el indentador y el material ensayado y obtener propiedades mecánicas del material,
especialmente dureza y módulo elástico.
En algunos materiales aparece el efecto de tamaño (nonoindentacion size effect:
NSE), que consiste en la disminución de la dureza con el aumento de la profundidad de
penetración, o alternativamente, un aumento de la dureza para profundidades pequeñas.
Según Gao y Nix, este fenómeno se debe a la presencia de dislocaciones almacenadas
estadísticamente (creadas por una deformación homogénea) y a la creación de
dislocaciones geométricamente necesarias (relacionadas con la curvatura de la red
cristalina o con los gradientes de deformación). El presente estudio consiste en estudiar el
efecto de tamaño en un amplio rango de materiales representativos (monocristales
metálicos y cerámicos, policristales metálicos y cerámicos y silicio) e identificar los posibles
mecanismos responsables de este efecto.
Para ello se calibra de manera sistemática el instrumento de medida, con el fin de
evaluar correctamente la forma del indentador y, por tanto, el área de contacto. Mediante la
adquisición de la rigidez de contacto de manera continua es posible adquirir la evolución de
la medida de la dureza en función de la profundidad de penetración, así como el módulo de
Young.
Estos ensayos han permitido evidenciar el NSE en el caso de los monocristales
cerámicos y metálicos, y para los policristales metálicos. El modelo desarrollado por Gao y
Nix permite caracterizar bien la dependencia de la dureza con la profundidad de
penetración para metales y monocristales cerámicos. Sin embargo, al ensayar policristales
cerámicos, se observa también una bajada del modulo elástico, provocada por una
disminución de la rigidez de la muestra. En este caso las hipótesis de Gao y Nix no son
aplicables. La microestructura particular de las cerámicas policristalinas puede indicar que
la presencia de defectos estructurales (microgrietas) es responsable de la perdida de
elasticidad durante la indentación, lo que podría ser confirmado realizando un estudio de la
sección transversal de la muestra indentada. |
