Estudio del efecto de tamaño en nanoindentación

Abstract

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.