Nanodureza (Nanoindentación)
La nanoindentación es una técnica avanzada para medir propiedades mecánicas a escala nanométrica mediante la aplicación de cargas muy bajas (μN–mN) y el registro continuo de la profundidad de penetración.
Permite estudiar materiales y características que no pueden evaluarse mediante técnicas tradicionales como Vickers o Knoop.
Introducción
La nanoindentación es la evolución natural de la microdureza. Su objetivo es medir:
- Módulo elástico reducido
- Dureza
- Resistencia local
- Fenómenos de plasticidad inicial
- Comportamiento viscoelástico
- Adhesión y cohesión de recubrimientos
- Propiedades mecánicas de capas delgadas y microestructuras complejas
A diferencia de la microdureza:
- No se mide una huella ópticamente.
- El área de contacto se calcula a partir de la curva carga–desplazamiento (P–h).
- La resolución es nanométrica.
Principio de operación
El sistema aplica una carga precisa mediante un actuador electromagnético o piezoeléctrico y registra simultáneamente:
- Carga (P)
- Desplazamiento (h)
La curva resultante (P–h) contiene toda la información mecánica del material.
Las diapositivas incluyen un ejemplo de nanoindentación con una profundidad de 250 nm aplicadas a tres fases distintas. :contentReference[oaicite:0]{index=0}
Penetradores usados en nanoindentación
El más utilizado es el penetrador Berkovich, una pirámide tridimensional con:
- Ángulo entre caras: 142.3°
- Geometría equivalente a un cono con radio efectivo definido
- Alta estabilidad y repetibilidad
En algunos casos también se usan:
- Penetradores esféricos → para estudiar transición elástico-plástica
- Penetradores cúbicos (Cube Corner) → para inducir fractura y estudiar tenacidad
- Penetradores de gran ángulo → para polímeros o materiales blandos
Profundidad de contacto hc
La profundidad total h no es igual a la profundidad real de contacto hc, debido a la recuperación elástica durante la descarga.
El PDF muestra gráficamente esta diferencia, incluyendo la corrección de Oliver–Pharr. :contentReference[oaicite:1]{index=1}
Curvas carga–desplazamiento (P–h)
Una curva típica incluye:
- Carga → incremento simultáneo de P y h
- Carga máxima
- Descarga → comportamiento elástico
- Profundidad residual (huella final)
Esta curva permite calcular:
- Dureza (H)
- Módulo reducido (Er)
- Energía plástica y elástica
- Pop-in events (microfractura o inicios de dislocaciones)
Interpretación del ensayo
La técnica permite identificar:
Dureza
[ H = \frac{P_{max}}{A_c} ]
Donde:
- ( P_{max} ) = carga máxima
- ( A_c ) = área de contacto (dependiente del penetrador)
Módulo reducido
Derivado de la pendiente inicial de la descarga:
[ E_r = \frac{1}{2\beta} \sqrt{\frac{\pi}{A_c}} \, S ]
donde:
- ( S ) = rigidez de descarga
- ( \beta ) = factor geométrico del penetrador
Procedimiento experimental
- Preparar la superficie (pulido espejo).
- Localizar la región de interés (fase, recubrimiento, fibra, etc).
- Definir la matriz de indentaciones (mapa).
- Programar la carga, velocidad y tiempos de retención.
- Ejecutar el ensayo.
- Analizar curvas P–h.
- Construir mapas o histogramas según sea necesario.
8. Aplicaciones de la nanoindentación
Fases metálicas
- Diferenciación entre ferrita, perlita, martensita
- Medición directa en microestructuras heterogéneas
- Mapas de dureza para aceros aleados
indentaciones en un acero con ferrita y martensita.
Cerámicos y materiales frágiles
- SiC
- Multicapa MoS₂/Pb
- Cerámicos refractarios
- Vidrios técnicos
- Cerámicos bioactivos
Películas delgadas y recubrimientos
- Recubrimientos DLC
- Capas TiN
- Metal–metal multicapa
- Caracterización en secciones laminares
Biomateriales
Presentes en las diapositivas:
- Hueso (indentaciones sobre hueso de cabra con indentador esférico)
- Material regenerativo
- Dentina y esmalte
- Mapas de módulo y dureza por AFM–indentación
Ensayos de rayado (Scratch Testing)
La prueba de rayado evalúa:
- Adhesión de recubrimientos
- Resistencia al desgaste
- Aparición de grietas
- Fuerza crítica (LC) a la cual inicia la fractura
El PDF muestra:
- Daño en DLC
- Daño en TiN
- Imágenes NIST del avance del daño durante el rayado
Imágenes recomendadas
Guardar imágenes en: caracterizacion/img/ Sugerencias:
berkovich.pngcurva-ph-ejemplo.pngindentaciones-fases.pngmapa-nanoindentacion.pngscratch-test.pngh-vs-hc.png
Ejemplo:
```markdown
11. Bibliografía recomendada
-
W.C. Oliver & G.M. Pharr — An improved technique for determining hardness and elastic modulus…
-
Fischer-Cripps — Nanoindentation (Springer)
-
ASM Handbook — Mechanical Testing and Evaluation
-
ISO 14577 — Instrumented indentation testing