Abstract
En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación
instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado
para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la
escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de
contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente
para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio,
el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas
del material mediante la técnica de indentación instrumentada.
La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades
elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación,
basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo
de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación
experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además,
esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico.
La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva
tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico.
Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un
ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión ()
y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y
necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación
entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para
evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas
tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los
correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva
nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales.
En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel
625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las
propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de
indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented
indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to
characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the
micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is
necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to
obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to
improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic
materials by instrumented indentation.
The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic
materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the
evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the
possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through
instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows
correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data.
Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows
obtaining convincing values of the elastic modulus.
In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative
stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint
factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a
value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the
relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried
out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves
using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than
those using Tabor’s constraint factors.
In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is
deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic
mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI)
on the micro scale.
