Modelado de la microdureza de materiales compuestos

Abstract

La microdureza de los materiales compuestos de matriz metálica está afectada por la presencia de partículas de refuerzo en la subsuperficie del material. La microdureza está directamente relacionada a las propiedades de desgaste del material compuesto. Un modelo numérico empleando elementos finitos fue desarrollado para cuantificar el efecto del diámetro del refuerzo y su profundidad en el diámetro de impronta sobre la muestra. El modelo incluye un indentador esférico, el cual es presionado contra un metal blando como el aluminio, que contiene partículas de refuerzo. Los resultados del modelo son validados comparando el tamaño de la impronta dado por el modelo con los valores dados por un ensayo de dureza Brinell. Los resultados muestran una muy buena concordancia entre los valores predichos y los valores tabulados. El modelo es empleado como una primera etapa para predecir el tamaño de la impronta de un material compuesto consistente de una única partícula de refuerzo del mismo diámetro que el indentador. El modelo es dinámico y simula la aplicación gradual de la carga en un lapso de 30 segundos luego del cual el indentador es retirado. Los diámetros de la impronta para el material reforzado y sin reforzar son comparados, así como el campo de tensiones y deformaciones en ambos materiales. Los resultados muestran que la impronta de los materiales reforzados es más pequeña que para los no reforzados y los valores dependen de la posición y diámetro de la partícula de refuerzo. Los resultados del modelo son utilizados para explicar la dispersión observada en los valores de dureza medidos en los materiales reforzados.

The microhardness of metal matrix composites is affected by the presence of reinforcing particles in the subsurface of the material. The microhardness is directly related to the wear properties of the composite. In the present investigation a finite element model is developed to quantify the effect of the diameter of the reinforcement and its depth in the indentation diameter in the sample. The model includes a spherical indenter, which is pressed against a soft metal like aluminum, which contains reinforcing particles. The results of the model are validated comparing the predicted values of indentation impression, the given properties of the model material and the standard impression given by the Brinell method. The results show a very good agreement between predicted and tabulated impressions. The model is employed as a first step, to predict indentation impressions in simple configurations of composites consisting of a matrix containing one particle of the same diameter as the indenter. The model is dynamic and simulates the constant load, which is applied during thirty seconds after which the indenter is retried. The diameters of the impressions for reinforced and matrix materials are compared, as well as the stress and strain fields in both materials. The results show that the impressions of reinforced materials are smaller than those for non-reinforced materials and the values depend on the position of the particle. The model results are discussed in relation with the resulting scatter of hardness values.