OPOSICIONES DE TECNOLOGÍA

TEMA 29

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

TÉCNICAS DE MEDIDA Y

ENSAYO DE PROPIEDADES.

AUTOR: RICARDO DELGADO VIERA.

INDICE

1.- Introducción.--------------------------------------------------------------------------- 3

2.- Propiedades de los materiales-------------------------------------------------- 3

2.1.- Generalidades----------------------------------------------------------------------- 3

2.2.- Propiedades Organolépticas-------------------------------------------------- 4

A.- Aspecto exterior---------------------------------------------------------------------- 4

B.- Color-------------------------------------------------------------------------------------- 4

C.- Fractura---------------------------------------------------------------------------------- 5

D.- Homogeneidad------------------------------------------------------------------------ 5

2.3.- Propiedades Físicas-------------------------------------------------------------- 5

A.- Estructura------------------------------------------------------------------------------- 5

B.- Densidad -------------------------------------------------------------------------------- 6

C.- Peso específico ---------------------------------------------------------------------- 7

D.- Porosidad y Compacidad -------------------------------------------------------- 8

E.- Absorción y Permeabilidad ----------------------------------------------------- 8

F.- Propiedades Térmicas ------------------------------------------------------------- 10

G.- Propiedades Eléctricas ----------------------------------------------------------- 12

H.- Propiedades Mecánicas ---------------------------------------------------------- 13

2.4.- Propiedades químicas----------------------------------------------------------- 15

3.- Técnicas de medidas y Ensayo de propiedades ------------------------ 17

3.1.- Clasificación y tipos de ensayo---------------------------------------------- 17

3.2.- Deformaciones elásticas y plásticas -------------------------------------- 18

3.3.- Esfuerzo y deformación -------------------------------------------------------- 18

3.4.- Ensayo de tracción --------------------------------------------------------------- 20

3.4.1.- Máquinas de tracción --------------------------------------------------------- 20

3.4.2.- Análisis de un diagrama de tracción------------------------------------- 20

3.5.- Ley de Hooke------------------------------------------------------------------------ 23

3.5.1.- Aplicación de la Ley de Hooke al ensayo de tracción. ---------23

3.6.- Ensayo de Dureza ---------------------------------------------------------------- 25

3.6.1. Ensayos de dureza al rayado--------------------------------------------------- 25

3.7.- Ensayo dinámico por choque. ensayo de resilencia.-------------- 29

3.8.- Ensayo de Fatiga------------------------------------------------------------------ 30

3.9.- Ensayo de Termofluencia------------------------------------------------------ 30

3.10.- Ensayo de Cizalladura--------------------------------------------------------- 30

3.11.- Ensayos Tecnológicos-------------------------------------------------------- 31

3.12.- Ensayos de defectos----------------------------------------------------------- 31

4.- Esquema resumen------------------------------------------------------------------- 33

5.- Bibliografía------------------------------------------------------------------------------ 37

TEMA 29

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. TÉCNICAS DE MEDIDA Y

ENSAYO DE PROPIEDADES.

1.- INTRODUCCIÓN.

Con un poco de experiencia al observar un determinada pieza de un material con un cierto detenimiento o al ver simplemente su color nos valdría para determinar si ese material es un acero o fundición, es de aluminio o de aleaciones ligeras, está pintado o niquelado y si ese material se ha obtenido de forma mecánica, por fusión, etc.

Pero con solo esta información no podemos saber todas las propiedades del material con que está fabricada una determinada pieza. Para la elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar un servicio, es necesario conocer todas las características técnicas del mismo, de tal forma que cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una rotura. Para conocerlas hay que recurrir a procedimientos más complejos que es lo que englobaremos en los llamados ensayos de materiales.

La importancia de los ensayos en los materiales es enorme, ya que permiten elegir con seguridad el material o materiales más idóneos para cumplir un fin determinado, evaluando en los distintos ensayos entre otras cosas: las características físicas y químicas del material; la aptitud del material para deformarse o soldarse y la resistencia o capacidad para satisfacer las exigencias mecánicas y acciones exteriores a las que se pueden ver sometidos.

2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

2.1.- GENERALIDADES.

Definimos las propiedades de un material, como las características de las reacciones ante acciones exteriores que tienden a alterar su equilibrio. Todos los materiales gozan de todas las propiedades, aunque en la práctica se dice que un material tiene una determinada propiedad cuando la calidad de dicha propiedad es en él superior a cierto límite, arbitrario y variable, según la utilización que se pretenda hacer con ella.

Las características de los materiales pueden manifestarse espontáneamente, es decir, sin intervención de agentes exteriores, o por la actuación de dichos agentes. En el primer caso tenemos las propiedades intrínsecas del material; como son el peso específico, el volumen, la configuración cristalográfica, etc. En el caso de que las propiedades se manifiesten al actuar una causa exterior en el material, se puede producir esta manifestación de dos formas distintas: ya sea dependiendo exclusivamente de la condición del material, siendo constante en él, y sin que sea influyente la intensidad del agente, como sucede en la conductividad térmica o eléctrica, o bien influyendo el material y el agente, como son la resistencia y durabilidad.

Las propiedades de los materiales pueden clasificarse en tres grandes grupos: organolépticas, físicas y químicas.

1. Las propiedades organolépticas son aquellas referentes al aspecto, color, tamaño y demás circunstancias que puedan apreciarse por el simple ejercicio de los sentidos, o con el auxilio de útiles sencillos.

2. Las propiedades físicas son aquellas que se relacionan con las actuaciones de los agentes físicos, como son el peso, el volumen, el peso específico, etc., mereciendo especial atención las propiedades que se refieren a la capacidad de resistencia del cuerpo a las fuerzas, de mucha importancia en el ramo de la construcción.

3. Las propiedades químicas dependientes de la composición íntima del material, se refieren a su reacción con el medio que los rodea, cobrando máxima importancia en algunos materiales, su resistencia a la corrosión.

Como antes se ha dicho, todo material tiene unas propiedades dominantes, y para evaluar comparativamente con un patrón la intensidad de las mismas, es preciso recurrir a una determinada prueba que recibe el nombre de ensayos; los cuales están clasificados por normas estrictas que indican por la expresión de un número, la calidad de esa propiedad. Este número carece de significación si no se indica el tipo de ensayo realizado.

2.2.- PROPIEDADES ORGANOLEPTICAS.

Como ya se ha dicho son aquellas que se aprecian con la simple aplicación de los sentidos o con la ayuda de utensilios simples. Las propiedades organolépticos de los materiales más importantes son:

A.-) ASPECTO EXTERIOR

Es la primera impresión que produce la contemplación del material que nos permite apreciar su forma, sus dimensiones y sus imperfecciones, comprobando los caracteres geométricos que dan forma exterior al material, es decir, sus huecos y sus superficies, así como la correcta abertura de ángulos, para aceptar o rechazar según el cumplimento de las correspondientes normas con las tolerancias que expresamente fijan éstas.

B.-) COLOR

Los cuerpos en sí no tienen coloración alguna, sino una mayor o menor capacidad de reflexión de uno o varios de los 7 colores primitivos del espectro solar.
El color en los materiales se corresponde con el de sus componentes esenciales y con la proporción de cada uno de ellos. El color es indicio de una buena composición y de un adecuado proceso de fabricación, ya que en muchos materiales la tonalidad final no es la misma que la de sus materiales primitivos, puesto que durante la fabricación se han podido realizar reacciones químicas que dan una materia distinta a la de sus componentes, con lo cual la presencia dentro del conjunto de zonas de entonación diferentes del resto del material, puede indicar una defectuosa preparación del mismo.

Esta propiedad tiene una indiscutible importancia para aquellos materiales que han de quedar a la vista en una determinada obra, pero no debe desdeñarse su trascendencia para aquellos otros que vayan a quedar ocultos, debido a la significación que la uniformidad del color tiene en la bondad del material.

C.-) FRACTURA

Al romper un material se puede observar los dos trozos en que queda dividido, lo cual nos da un idea primaria de su uniformidad y cohesión. El aspecto de la fractura y el de sus bordes está íntimamente ligado a la estructura del material y con su homogeneidad. Esta fractura puede ser plana, astillosa, ondulada, hojosa, etc.

D.-) HOMOGENEIDAD

Se dice que un material es homogéneo cuando tiene constitución uniforme en toda su masa, pudiendo apreciarse por lo general por simple observación. Esta propiedad es muy importante para decidir el empleo de un material en la construcción de una determinada obra, aunque no sea lo que pudiéramos llamar una cualidad primordial para cualquier caso, ya que puede haber determinados defectos que sin alterar el carácter de uniformidad del material en su consideración tal, perjudique su resistencia. Estos defectos son:

· Grietas o pelos, es decir, fisuras muy pequeñas que pueden estar llenas de un material más blando que el resto.

· Coqueras o cavidades, incluidas dentro de su masa llenas de aire o de material blando.

· Nódulos o granos, de material más duro incrustados en la masa.

2.3.- PROPIEDADES FÍSICAS.

Son las relacionadas con su peso, volumen, configuración cristalográfica y comportamiento ante agentes físicos, como puede ser la electricidad, el magnetismo, el calor, el sonido…..

A.-) ESTRUCTURA:

Debido a los distintos procesos de transformación o de fabricación existe una diferente ordenación de las moléculas; ordenación que produce estructuras también diferentes, las cuales muchas veces se aprecian a simple vista, mientras que en otros casos es preciso utilizar un microscopio.

Hay dos grandes grupos de estructuras: las cristalinas y las vítreas o amorfas.

· La estructura cristalina se caracteriza por la perfecta ordenación de esparcimiento de las moléculas que forman cristales. Según el tamaño de estos cristales, la estructura cristalina puede ser:

1) Macrocristalina: Cuando sus granos son grandes.

2) Microcristalina: Cuando sus granos son pequeños.

3) Criptocristalina: Cuando sus granos solo son visibles con la ayuda del microscopio.

· La estructura vítrea o amorfa es aquella en la que no existe ordenación del edificio molecular, estando constituido el material por elementos generalmente amorfos, aún cuando pudiera existir algún cristal.

Independientemente de la cualidad cristalina o vítrea, las estructuras pueden clasificarse según la distribución de sus componentes en:

1) Compactas: si es de masa homogénea.

2) Granular: formada por granos adheridos entre sí.

3) Porfídica: cuando en la masa de material uniforme, destacan granos de gran tamaño.

4) Estratificada: el material se presenta en bandas o estratos bien diferenciados.

5) Esquistosa: es la estructura estratificada, cuyos estratos son delgados.

6) Clástica: es la producida por la sedimentación de piezas de gran tamaño, pudiéndose distinguir tres tipos:

- Brechiforme: fragmentos angulosos.

- Pudingiforme: fragmentos redondeados.

- Amigdaloidea: fragmentos en forma de almendra.

7) Laminar: cuando es posible exfoliar el cuerpo en láminas delgadas.

8) Escamosa: laminar con láminas de pequeñas dimensiones.

9) Sacaroidea: laminillas brillantes entremezcladas en todas direcciones.

10) Fibrosa: fibras paralelas o radiales.

11) Porosa: estructura que presenta huecos o coqueras en el interior de su masa, pudiendo ser:

- Cavernosas: huecos de gran tamaño.

- Celulares: pequeños y esponjosos, en caso de encontrarse estos poros en la estructura, éstos pueden ser muy tenues y muy numerosos, encontrándose separados por tabiques muy delgados.

B.-) DENSIDAD

Se entiende por densidad de un cuerpo, a la masa contenida en la unidad de volumen. Si designamos la densidad con la letra d, la densidad vendrá dada:

· Si el cuerpo es completamente homogéneo, por el cociente de la masa m del cuerpo y el volumen v que éste ocupa.

· Y en el caso de un cuerpo no homogéneo, se calculará la densidad media tomando volúmenes progresivamente reducidos, llegando en el límite al concepto de densidad en un punto.

Es más frecuente utilizar la densidad relativa respecto al agua, que es el cociente entre la masa m de un volumen determinado de una sustancia y la masa m₀ de un volumen igual de agua. Por tanto, la densidad relativa no posee dimensiones y tiene el mismo valor en cualquier sistema.

La densidad absoluta de una sustancia se obtiene, pues, multiplicando su densidad relativa por la absoluta del agua.

C.-)PESO ESPECÍFICO:

Es el cociente entre el peso del material y el volumen que ocupa en el espacio. Cuando se trata de gases es preciso fijar la presión y la temperatura a que se encuentra. En el caso del estado líquido casi nunca se trata de un cuerpo simple, sino que está compuesto cuando menos por dos fases, una de las cuales está formada por partículas sólidas que constituyen la masa del cuerpo, y la otra por líquido o gas. Aunque con mucha frecuencia sucede que existen los tres estados, una fase sólida formada por las partículas del cuerpo, otra en estado líquido constituida por agua y una tercera en estado gaseoso de aire o vapor.

De todo ello se desprende que el volumen ocupado por un cuerpo en el espacio y definido por sus superficies envolventes no está constituido totalmente por partículas sólidas sino que en su interior existe determinado número de poros llenos de aire o humedad absorbida de la atmósfera.

Los poros pueden ser accesibles (ha) o inaccesibles (hi). Los accesibles son aquellos poros del conjunto total que se llenan de agua después de haber tenido el cuerpo sumergido en ella durante 24 horas. Se distinguen, por consiguiente tres volúmenes diferentes: el volumen aparente o envolvente del cuerpo (va); el volumen impermeable o relativo (vr), constituido por la parte sólida y los huecos inaccesibles y finalmente el volumen real o absoluto (vR), formado por la parte sólida del cuerpo, es decir, la diferencia entre el volumen aparente y el ocupado por los poros tanto accesibles como inaccesibles. Por consiguiente podemos definir para cada cuerpo tres pesos específicos diferentes, según el volumen que se tome, ya que cualquiera de los casos el peso de los cuerpos es siempre el mismo puesto que previamente se ha secado para eliminar la humedad absorbida siendo estos pesos:

1.- Peso específico aparente (da): el volumen considerado es el envolvente o aparente.

2.- Peso específico relativo (dr): el volumen empleado es el impermeable, o sea, la diferencia entre el envolvente y el de los poros accesibles.

3.- Peso específico real (dR): es el cociente entre el peso y el volumen de las partículas sólidas, es decir, el volumen aparente menos el volumen de poros, tanto accesibles como inaccesibles.

D.-) POROSIDAD Y COMPACIDAD:

Se define la porosidad como la relación entre el volumen ocupado por los poros del cuerpo y el volumen total envolvente, pudiendo ser absoluta o relativa según se consideren los poros totales o solamente los accesibles.

La forma de expresar ambas porosidades utilizando la misma nomenclatura anterior es:

La compacidad, tanto absoluta como relativa, es el complemento a uno de la porosidad absoluta o relativa, así:

Los conceptos de porosidad y compacidad tienen importancia en la posibilidad de absorción del agua y en su cantidad, así como en la resistencia mecánica del material.

El índice de poros, es otra relación entre volúmenes, y es el cociente entre el volumen de poros y el de partes sólidas:

E.-) ABSORCIÓN Y PERMEABILIDAD:

Todo material poroso puede llegar a llenar todos sus poros de un líquido en el que se encuentra inmerso o de un vapor de agua si se encuentra en una atmósfera de humedad relativa adecuada.

El contenido en humedad de un material se expresa en tanto por ciento respecto al material seco a peso constante, es decir, un peso tal que aunque se continúe la desecación no se rebaja más.

Siendo el peso constante Ps y Ph el peso de la muestra cuya humedad queremos conocer la humedad H se expresa por:

Cuando el material se sumerge en un líquido, sus poros accesibles se llenarán de ese líquido pasado un cierto tiempo, aumentándose el peso de la muestra en el de los poros llenos de líquido. Esta propiedad de absorber líquidos viene dada por el coeficiente de absorción, que indica el porcentaje en peso de líquido que es capaz de absorber un cuerpo y es característico para cada pareja cuerpo-líquido. Si se llama Ps el peso de cuerpo saturado y Pc el peso en seco hasta peso constante, el coeficiente de absorción viene dado por:

Hasta ahora hemos visto la absorción de un líquido por un cuerpo poroso inmerso en él, pero pudiera ocurrir que estando ese material simplemente en contacto con ese líquido por una de sus caras, éste penetre y ascienda por la red capilar del cuerpo debido a la tensión superficial del líquido, dependiendo la velocidad de penetración de la intensidad de dicha tensión y del valor del radio medio de la red capilar. Esta propiedad de absorción por capilaridad, tiene una extraordinaria importancia en las arcillas, piedras, ladrillos, etc.

Los materiales insolubles se dividen en permeables e impermeables, según que permitan o no el paso del agua a su través, pudiendo hacerlo en ambos casos por inhibición o sin inhibición.

Por ejemplo: las piedras calizas son materiales permeables sin inhibición, mientras que los ladrillos pueden serlo con inhibición. Los granitos son impermeables, así como las arcillas, los primeros sin inhibición y los segundos con inhibición, ya que al humedecerse aumentan de volumen y cierran los poros de su red capilar.

La permeabilidad de un material crece al aumentar la temperatura así como la diferencia de presión y decrece al aumentar el espesor de la pieza, o al disminuir el radio medio de la red capilar.

La capacidad de absorción de agua tiene gran importancia en la resistencia del material sometido a bajas temperaturas ya que el agua que se encuentra en el interior de los poros se convertirá en hielo cuando la temperatura baje de los ceros grados centígrados, y aumentará su volumen por lo que comprimirá las paredes de separación de los poros y reduce, por esta causa, la resistencia mecánica del material.

Los materiales compactos, es decir, sin poros, o los que no tienen poros accesibles resisten bien el hielo, ya que no absorben el agua. El material poroso no resistirá bien las heladas si el porcentaje de agua que contienen es superior al noventa por ciento del volumen de sus poros accesibles, al tener en cuenta que el aumento del volumen del agua al pasar al estado sólido es del 10 por ciento, aunque en la práctica, debido a las dificultades que existen en la transmisión del agua entre los poros, se reduce aquel valor al ochenta por ciento, es decir, que el volumen de agua absorbida, debe ser menor de 0.8 veces el volumen de los poros accesibles para que el material sea resistente a las heladas.

Los ensayos de resistencia del material a las heladas se realizan sometiéndole a ciclos repetidos de hielo y deshielo, o estudiando la manera de comportarse al introducir una probeta en una solución saturada de sulfato sódico o de magnesio.

F.-) PROPIEDADES TÉRMICAS:

Nuestros sentidos transmiten una sensación que nos permite conocer aproximadamente el nivel térmico de los cuerpos que se denomina temperatura. Al poner en contacto dos cuerpos a diferente temperatura se establece al cabo de cierto tiempo un equilibrio térmico en el cual se nivelan las temperaturas de ambos cuerpos, cediendo calor el que la tiene más elevada y tomándola el otro.

Para poder asignar a cada nivel térmico una manera que lo represente, es necesario disponer de un cero de la escala de temperatura, de una unidad o grado de temperatura, dado que no se puede alcanzar el cero absoluto de temperatura, ha sido preciso recurrir al establecimiento del cero relativo, es decir, a fijar un valor arbitrario a un nivel térmico preferentemente conocido, habiéndose elegido como tal la temperatura de fusión del hielo. Para establecer la unidad se ha fijado así mismo el nivel térmico de ebullición del agua. (Ambos valores han sido elegidos para una presión de una atmósfera).

Con estos valores se establecen dos escalas de temperatura, principalmente, la de CELSIUS y la de FAHRENHEIT. En la primera, estos puntos se señalan con el cero y el cien y por consiguiente se define el grado Celsius o centígrado como la centésima parte entre las temperaturas fijadas de fusión del hielo y ebullición del agua.

FAHRENHEIT sitúa la fusión del hielo a 32 grados y la ebullición del agua a 212 grados, definiendo el grado como la división de este intervalo en 180 partes.

Cuando un cuerpo absorbe calor, su temperatura aumenta a menos que se produzca en el mismo alguna transformación, dependiendo este aumento de la naturaleza del cuerpo y de su masa, así como de la cantidad de calor absorbida. Este fenómeno se mide por medio de la cantidad de calor o caloría, que es la cantidad de calor necesaria para pasar un grama de agua de 14,5 grados a 15,5 grados centígrados.

Ya hemos dicho que el aumento o disminución de la temperatura, independientemente de la cantidad de calor suministrado, está relacionado con la naturaleza y la masa del cuerpo en cuestión, por lo que cada sustancia puede absorber una cierta cantidad de calor proporcional a su peso y a la diferencia de temperatura antes y después de haber suministrado calor. La constante de proporcionalidad se conoce con el nombre de calor específico, y es la cantidad de calor mínima para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de materia expresando este calor en calorías.

Al aplicar calor sobre un cuerpo se transmite a toda su masa y al cabo de cierto tiempo ha alcanzado toda ella una determinada temperatura; lo cual se consigue más o menos según la conductividad térmica del material, que es la propiedad que poseen los cuerpos de transmitir, a través de su masa, el flujo térmico resultante de la diferencia de temperatura entre dos puntos del mismo. Esta propiedad tiene especial importancia para los materiales de recubrimiento y particularmente para aquellos cuya misión es mantener el calor en un recinto cerrado, como por ejemplo: una habitación o un horno.

La cantidad de calor que atraviesa una masa es proporcional a su superficie, al tiempo y a la diferencia de temperatura entre sus caras opuestas, e inversamente proporcional a su espesor. A esto se le denomina coeficiente de conductividad térmica.

El coeficiente de conductividad térmica de un material depende en su porosidad, del carácter de los poros, de la naturaleza de la masa sólida, de la humedad, del peso específico del cuerpo y de la temperatura media de transmisión.

En un material poroso el flujo térmico se transmite a través de la materia sólida y de los espacios llenos de aire, por lo que su conductividad estará comprendida entre la de la materia sólida y la del aire, que es muy pequeña y por lo tanto será menor cuanto mayor sea la porosidad del cuerpo. Si los poros estuvieran llenos de agua, la conductividad aumenta, ya que el agua es mejor conductor.

El tamaño de los poros crea igualmente variaciones en el valor de este coeficiente, siendo más elevado cuanto más grande sean los poros, o cuando estén comunicados, ya que de otra forma se crean corrientes de aire que transmiten el calor de convección e incrementan así el valor global del coeficiente.

Los materiales capaces de resistir elevadas temperaturas sin cambiar de estado sin descomponerse y de soportar cambios bruscos de temperatura de denominan refractarios, siendo su composición química muy variable dependiendo del tipo de reacción que se verifique en el terreno en que sea situado. Así, si éste era ácido, los refractarios serán de sílice, si es básico, tendrán un alto porcentaje de alúmina y si es neutra se fabricarán de cromita.

Los productos refractarios están constituidos normalmente por dos fases, una cristalina y otra vítrea, por esta razón no tiene punto de fusión determinado. Tiene gran influencia en el comportamiento de estos materiales su composición, la forma y el tamaño de los cristales y la can