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TEMA 2. PROPIEDADES Y ENSAYOS DE LOS
MATERIALES
2.1 PROPIEDADES ESENCIALES DE LA MATERIA
Lo material es aquello que se percibe con los sentidos, diferenciándose en ello cualidades que afectan de forma directa o indirecta a su percepción por los sentidos.
- Propiedades específicas: olor, color, brillo, conductividad…
- Propiedades extensivas: dependen de la cantidad de la muestra, y no son específicas de un material. Por ejemplo el peso.
- Condiciones: cualidades adscritas al material pero son cambiantes, y muchas veces las propiedades dependen de ellas. Por ejemplo temperatura o presión.
2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Las propiedades de los materiales pueden dividirse en cuatro grandes apartados, esenciales, organolépticas, físicas y químicas.
PROPIEDADES ESENCIALES
- Extensión : cualquier material ocupa un espacio (de forma natural en el caso de sólidos y líquidos). Su medida, el volumen.
- (^) Inercia : propiedad que hace que los cuerpos tiendan a conservar su estado de reposo o movimiento mientras no lo cambie una fuerza externa. Su medida, la masa (en unidades cinéticas).
- Divisibilidad : la materia puede ser dividida en partículas menores, denominadas cuerpos.
PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS
Se perciben a través de los sentidos, como el olor o la textura. Precisan de un material mínimo para poder ser percibidas, pero sin embargo no pueden ser medidas. Varios tipos:
- Homogeneidad : es la composición aparentemente uniforme, donde no se pueden identificar componentes.
- Fractura : puede ser irregular, astillosa, ganchosa, concoidal (como la de la porcelana). El tipo de fractura habla de la estructura y cohesión de un material.
- Aspecto : es la textura, el brillo, tamaño y forma.
- Olor, color y sabor : el color es de las propiedades más engañosas, pues puede tener impurezas que lo maticen.
PROPIEDADES FÍSICAS
- Elementales : se divide a su vez en:
•..1 Masa: es fundamental, toda materia tiene una masa, permitiendo conocer la cantidad de materia que posee un cuerpo. Es constante y se mide cinéticamente. Su fórmula es:
m=
•..2 Peso: es la atracción de un cuerpo por la fuerza de la gravedad (por tanto sólo es constante en la Tierra). El peso es igual a la masa en las condiciones de gravitación terrestre. Se expresa en kg o g.
•..3 Volumen: es la medida de la extensión de los cuerpos en el espacio (y no será ocupada por otro cuerpo pues son impenetrables).
•..4 Densidad: la misma masa puede ocupar distinto volumen. La densidad es el cociente entre masa y volumen.
d=
•..5 Impenetrabilidad: los cuerpos no pueden ocupar un mismo lugar al mismo tiempo.
•..6 Forma: nos da idea de las dimensiones (directamente si son formas regulares o geométricas o mediante ensayos científicos en el caso de irregulares).
•..7 Porosidad: la materia está constituida por partículas unidas entre sí, pero no todas son compactas y poseen fisuras (poros) ocupadas por aire. Así se habla de distintas porosidades (cerrada, abierta al exterior). Son espacios no ocupados por la materia.
•..8 (^) Punto de ebullición: temperatura a la cual un líquido cambia su estado a gaseoso a la presión de una atmósfera (la presión de vapor será de una atmósfera). Normalmente el punto de ebullición aumenta cuando aumenta la presión.
•..9 Punto de fusión: temperatura a la cual el sólido cambia su estado a líquido. Normalmente se da a una temperatura que se mantiene constante mientras dura el cambio de estado. El punto se mide a una atmósfera de presión. Los materiales absorben el calor y se dilatan. Normalmente el aumento de la presión incrementa el punto de fusión (un caso excepcional es el del agua). Si el material es una mezcla, la fusión ocurre en un intervalo de temperaturas.
En cuanto a los tipos de ensayos, se dividen atendiendo a tres aspectos, sus consecuencias, su método y su finalidad.
- (^) Según las consecuencias :
•..1 Ensayos destructivos: tienen como consecuencia la destrucción total de la probeta, aunque los resultados son totalmente ciertos. Por ejemplo, calcular la densidad absoluta de una piedra (para ello se debe eliminar el aire de los poros).
•..2 Ensayos no destructivos: se realizan de manera indirecta, comprobando como se comporta un material a través de la medición de una medida proporcional de otra característica. Por ejemplo, en una madera húmeda se mide la conductividad eléctrica para obtener su humedad, pues son proporcionales. Aunque tiene la ventaja de que no se destruye material, los valores obtenidos son menos fiables, pues puede haber más factores que influyen en la medida.
•..3 Ensayos semi-destructivos o micro-destructivos: en ellos se destruye la probeta, pero ésta es muy pequeña. Por ejemplo la estratigrafía de una policromía.
•..1 Ensayos organolépticos: en ellos se utiliza muy poco instrumental o de características muy sencillas, utilizando sobre todo los sentidos. Por ello se precisa de experiencia y capacidad para obtener unos datos subjetivos.
•..2 Ensayos tecnológicos: en ellos se precisa de una tecnología compleja, pero aportan valores completos. Hay varios tipos, pueden ser físicos, mecánicos, estáticos, dinámicos…
•..1 Ensayos de elección: se dirigen a materiales naturales, en un intento de elegir entre ellos según se acerquen más a nuestras necesidades, debido a que no permiten aportar nuevas propiedades de las ya existentes.
•..2 Ensayos de comprobación: se realizan en materiales sintéticos (en los cuales se han diseñado sus propiedades) dirigidos a comprobar que realmente tienen las propiedades que se les presuponen.
Así mismo, los ensayos deben cumplir una serie de condiciones y condicionantes concretos para que sean útiles, pues debe poderse comprobar los resultados obtenidos. De esta forma se fijan una serie de condiciones a la hora de su realización:
- La forma de la probeta , pues puede influir en los resultados.
- El momento y la duración , es decir, el cuándo y el cuánto, pues hay materiales que poseen un dilatado proceso de elaboración o una resistencia determinada.
- Las condiciones ambientales bajo las que se realizan los ensayos, tales como humedad, temperatura o presión.
- Las fases o secuencias , hay que seguir un orden riguroso en los pasos a seguir en la elaboración del ensayo.
Todo esto lleva a la normalización o estandarización de los ensayos. Normas y organismos reguladores:
NE : Norma Europea regulada por el Comité Europeo de Normalización.
DIN : norma alemana, utilizada para papel.
UNE : Una Norma Española regulada por AENOR.
NF : Norma Francesa, regulada por AFNOR.
BS : British Standard.
ASTM : norma norteamericana.
ISO : utilizada principalmente para fotografía.
2.4. ENSAYOS ORGANOLÉPTICOS
- De apariencia externa : forma, tamaño, textura o manchas.
- Mediante examen de fractura : para ver la composición interna, de tipo destructivo. Ensayos de uniformidad, tamaño del grano o rotura.
- De propiedades específicas de cada material : transparencia, traslucidad en el vidrio o la porcelana, olor en la madera, color de la cerámica…
Método del picnómetro
Se utiliza para calcular la densidad absoluta, siendo más preciso que el método del volumenómetro. Este recipiente posee un enrasado fijo, por lo que tenemos un volumen conocido (Vp). Primero se seca la probeta, obteniendo así Gs. Se rellena el picnómetro con un líquido de densidad conocida (Gl) hasta la marca de volumen (Vp) y se pesa, obteniendo así el Gp. En otro picnómetro se introduce la probeta machacada y se rellena del mismo líquido (Gl) hasta la marca de volumen fija, Vp, obteniendo un nuevo peso Gt.
Gt = Gs + Gl (el peso total del picnómetro más la probeta será igual al peso en seco de la probeta más el peso del líquido).
- Gt = Gs + Gl = (Vo x Do) + (Vl x Dl)
Vp = Vo + Vl (el volumen conocido del picnómetro será igual al volumen real de la probeta más el volumen del líquido).
Gp = Vp x Dl (el peso del picnómetro será igual al volumen del mismo por la densidad del líquido).
D = Gs =
Gp = Vp x Dl = (Vo + Vl) x Dl = V0 x Dl + Vl x Dl
Gt – Gp = (Gs + Gl) – (Vp + Vl) = (Vo x Do + Vl x Dl) – (Vo x Dl + Vl x Dl) =
Gt – Gp = Gs – Vo x Dl
Gt – Gp + Gs = Vo x Dl
Vo =
Do =
Do =
Porosidad
Muchos materiales poseen dentro de su masa espacios rellenos de aire, causantes en muchos casos de su escasa durabilidad. Dos tipos de poros, los poros abiertos, accesibles y comunicados, frente a los poros cerrados, inaccesibles e incomunicados. Así mismo se puede hallar el volumen aparente de poros y el volumen real de poros.
Vpo (volumen real de poros) = V – Vo (volumen aparente menos volumen real).
Vp (volumen aparente de poros) =
Muchos fenómenos de alterabilidad del material tienen que ver con la porosidad. La existencia de poros determina que halla más superficie de contacto entre el exterior y el interior, lo que provoca que la contaminación
ambiental tenga más superficie para alterar, aumenta la retención de líquidos (los cuales provocarán reacciones químicas) o congelación de agua en su interior, provocando fracturas (heladicidad), aumenta la retención de partículas contaminantes y suciedad (lo que provoca la aparición de manchas) así como favorece la instalación de microorganismos (con un deterioro biológico o microbiológico) y disminuye la resistencia del material. Los poros se clasifican según:
- Forma : pueden ser canales (si son pasantes), capilares (largos y finos), quebrados…
- Geometría : cilíndricos, esféricos, planos…
- Tamaño : mega-poros, macro-poros, micro-poros…Se suele dar su diámetro o su radio para definirlos.
- Por las conexiones entre ellos : inter-granulares, inter-clásticos, inter- cristalinos…
La porosidad es la proporción del volumen de huecos respecto del volumen total. Se suele expresar en porcentaje:
P = x 100
Se distingue entre porosidad abierta (Pa), porosidad cerrada (Pc) y porosidad total (Pt).
Pa (%) = x 100. Se calcula introduciendo una sustancia (líquido o gas) en el material.
Pc (%) = x 100. Se calcula midiendo el volumen total de la probeta y el volumen de poros abiertos. Se machaca la probeta y se mide su volumen real (Vo).
VPt = V – Vo
VPt (%) = VPa (%) – VPc (%) = VPc = VPt – Vpa
Pt (%) = x 100
Compacidad
Proporción del volumen real frente o respecto al aparente.
C (%) = x 100 = x 100
Do = Vo = D = V =
C (%) = x 100 = x 100
ruptura del material. Además la humedad puede provocar la aparición de bacterias, hongos y microorganismos.
Magnitudes hídricas fundamentales
- Contenido en humedad (sólido): proporción entre el peso del agua que contiene el material y el peso en seco.
- Contenido en humedad (gas): es la humedad absoluta, que es el peso del agua dividido entre el volumen aparente del gas.
- Grado de saturación (sólido): proporción entre la humedad que existe en un momento determinado y la humedad máxima de saturación.
- Grado de saturación (gas): conocido como la humedad relativa, es la humedad absoluta entre la humedad máxima multiplicado por cien.
Ensayos hídricos cuantitativos
- Contenido de humedad: se pesa la probeta (Gn) y se seca (Gs) todo ello en pesada digital y con campana cerrada.
- Grado de saturación: se fuerza la absorción de agua mediante vacío para calcular cual es el agua máxima que puede absorber. Se introduce la probeta (normalmente cúbicas sobre una rejilla) en un recipiente conectado con una bomba de vacío y entrada de agua. Una vez hecho el vacío se llena de agua. Se cubren de agua, se satura y se mide el contenido en humedad.
Ensayos hídricos indirectos
- Método del carburo cálcico: es una sustancia que reacciona con el agua y desprende acetileno (gas combustible). Se mide la presión en un recipiente cerrado. Es muy utilizado en arenas.
- Método de conductimetría: mediante electrodos se hace pasar por el material una corriente eléctrica, obteniendo su conductividad. Se realiza una segunda media con el material seco y se comparan ambas medidas.
- Absorción de radiación infrarroja: se hace pasar al material por una fuente de radiación infrarroja, de tal modo que la cantidad de ésta absorbida será proporcional a su contenido en humedad.
- Método de ultrasonidos: se hace pasar ultrasonidos (ondas mecánicas de frecuencia elevada) a través del material (con un punto emisor y otro receptor). A mayor humedad, menor facilidad de portabilidad de las ondas.
Ensayos hídricos de movilidad
Se estudia como se desplaza el agua por los materiales, algo que varía con el tiempo y que está relacionado con el sistema poroso del material en cuestión. El agua puede llegar al material por gravitación o filtración (una fuerza hace que el agua penetre en el material, generalmente por los macro-poros y suele formar manchas con un único foco de entrada desde el que se extiende). También puede penetrar por capilaridad , entrando de forma espontánea en los poros finos (capilares) en contra de la gravedad gracias a la tensión superficial del agua que la hace subir hasta que su peso iguala a la fuerza de tensión). Para evitarla basta con cerrar la comunicación. Y también puede penetrar por condensación o adsorción , donde el agua se sitúa en la superficie, penetra por los poros más finos en estado de vapor, se condensa (ya sea por saturación o por condensación) y se convierte en agua.
- Absorción libre de agua: se dispone de una cámara cerrada donde se colocan unas probetas cúbicas sobre rejilla y se cubren de agua. Luego se pesan y se puede ver la cantidad de agua. Se hacen gráficas de cómo va absorbiendo el agua con el paso del tiempo.
- Absorción de vapor de agua: se emplea una máquina especial, con una atmósfera saturada de vapor de agua. Son cámaras preparadas para el envejecimiento de los materiales. Los resultados se representan gráficamente por horas.
- Deserción de agua o desecado de un material: se dejan las probetas sobre una rejilla al aire para ir comprobando su proceso de secado (tanto de agua libre como forzada) en una temperatura fija. Los resultados se representan en una gráfica.
- Curva de equilibrio higroscópico o higroscopicidad: es la búsqueda de equilibrio de los materiales con su ambiente. Se representa la humedad del material respecto a la humedad relativa del aire (%). En definitiva es calcular el equilibrio con el medio.
Ensayos hídricos cíclicos
Se utilizan para comprobar el envejecimiento del material, representando los resultados en gráficas por el número de ciclos y peso.
- De humedad y secado consecutivo: se mide la pérdida de masa en función del número de ciclos (cada uno de 24 horas) al que ha sido sometido. Se introducen las probetas en agua durante 16 horas, después 6 horas en un horno entre 60 y 105º y después se enfrían. Se pesa la probeta y da comienzo un nuevo ciclo.
Límite de elasticidad: cuando el material deja el comportamiento elástico y adopta el plástico.
Límite de plasticidad:
Resistencia: máxima tensión que es capaz de soportar el material antes de romperse.
Ley de Hoocke: tensión entre deformación, que da como resultado una constante, la cual es conocida como el módulo de Young o de elasticidad, con la misma unidad de medida que la tensión.
Fragilidad: es el comportamiento de los materiales que no admiten ninguna deformación antes de la rotura.
Fatiga: es el comportamiento de los materiales a lo largo del tiempo frente a esfuerzos repetidos. Una vez que surge produce roturas sin deformación (genera fragilidad).
Tipos de esfuerzos y ensayos
Simples : donde la suma de las fuerzas que van a actuar sobre el material son igual a 0, es decir, son anuladas por la tensión molecular del material.
- Tracción: estirar el material por las dos caras.
- Compresión: presionar el material por las dos caras.
- (^) Cizalladura o corte: se pretende separar el material en dos pedazos (casi por su eje).
Ensayo de tracción directa: mediante prensas se estira la probeta, midiendo la fuerza máxima que resiste sin romperse. Los materiales fibrosos resisten mejor en el sentido de sus fibras. Mientras que las rocas resisten muy poco, los metales son aquellos que más resisten.
Compresión uniaxial: se comprime la probeta (prismática o cilíndrica) en una prensa hasta que se rompe. No deben ser muy largas para evitar el pandeo. Mientras que las maderas son las que peor resisten, rocas y metales son las más resistentes.
Tracción indirecta: es la compresión de una probeta cilíndrica que tiene efectos de tracción.
Compuestos : la sumatoria de las fuerzas y del momento es igual a 0. El momento es la fuerza aplicada con una distancia (M = F x D).
- Flexión: son esfuerzos de tracción y compresión juntos. Se pretende doblar la probeta, obteniendo un giro. Se aplican pares de fuerzas perpendiculares al eje largo longitudinal. Los que mejor resisten son los metales seguidos de las maderas (la madera es el único material natural compuesto).
- Torsión: movimientos contrarios.
Propiedades y ensayos de dureza
Dureza : es la capacidad del material para oponerse a una deformación superficial por acción de fuerza. Hay distintos tipos:
- Dureza al rayado: se mide por la escala de Mohs , con valores del 1 al 10 obtenidos por comparación.
- Dureza al mellado: hay diferentes métodos, como el de Brinell , presionando una bola de acero endurecida al tusteno contra el material, midiendo la superficie marcada. Método de Rockwell , con un aparato de punta cónica, o el de Vickers , con una punta piramidal. En todos se trata de provocar una marca por presión.
- Dureza a la penetración: se realizan mediante los llamados durómetros shore , con un calibrador.
- Dureza elástica: se denomina esclerométrica , y consiste en ejercer una fuerza sobre el material, parte de la cual es absorbida y otra parte devuelta como energía cinética (rebote).
- Dureza al corte: hay dos tipos de ensayos. Uno de ellos obtiene resultados en función del tipo de instrumento necesario para cortar el material, mientras que el otro, mediante un taladro, se mide o cuanto tarda en penetrar una distancia o cuanto penetra en un tiempo determinado.
Se realizan tablas que las ponen en relación unas con otras.
Elasticidad en fluidos: viscosidad
Viscosidad (η) : es la facilidad de movimiento de las capas del fluido (se opone a su propio flujo). Cuanta más viscosidad, mayor oposición a fluir. La viscosidad se aprecia cuando están en movimiento. Las capas se van arrastrando unas a otras de forma tangencial. La fuerza de arrastre determina su viscosidad, cuanto mayor sea la fuerza de agarre, más viscoso será el material. Se mide con el viscosímetro , un recipiente que posee un orificio de tamaño conocido en su fondo, pudiendo así medir la velocidad de salida. Se mide en Poise (pascal x segundo). Es la oposición a ser deformado por una fuerza. Hay dos tipos de fluidos:
- Fluidos newtonianos: siempre tienen la misma viscosidad.
- Fluidos no newtonianos: aquellos en los que se puede cambiar su viscosidad. Sobre todo en fluidos orgánicos. Este comportamiento se denomina tixotropía , y consiste en que cuanto más se agita el líquido más fluido se vuelve, pero si se deja en reposo se vuelve más viscoso. Por ejemplo, se pueden añadir agentes tixotrópicos para que esto
Existen tres maneras de transmitir el calor:
- Por contacto directo entre la fuente de calor y el material.
- Por convección , calentando el aire a su alrededor, el cual asciende y desplaza el aire frío hacia abajo, estableciendo así una corriente.
- Por radiación , una emisión lineal desde un foco.
Dilatabilidad térmica lineal (α): va a medir la variación de dimensiones de un material al aplicarle una temperatura. Al aumentar la temperatura el material se dilata, mientras que cuando se enfría encoge. Esto es característico de cada material, sirviendo para su identificación. Es el cambio de longitud.
Δl = α x l x ΔT
(Cambio de longitud = dilatabilidad térmica lineal x longitud x temperatura.)
La dilatación que sufre por cada metro cuando la temperatura sube un grado. Los metales son los materiales que más se dilatan, y son los únicos que se dilatan en temperatura ambiente (alta). Cuando un material no puede dilatarse, la tensión interna acaba por fracturar y romper el material.
Tipos de análisis
Van a ser un conjunto de técnicas analíticas que van a determinar distintas propiedades en función de una temperatura durante un tiempo determinado.
- Análisis termogravimétrico (ATG): medirá la variación del peso según cambia la temperatura, representándose los resultados en termogramas (peso x temperatura). Con el calor se rompen los enlaces, perdiendo moléculas y por tanto peso. Para estos análisis se utilizan termo- balanzas.
- Análisis térmico diferencial (ATD): se mide la temperatura por la diferencia entre la muestra y otra de referencia de la cual se conoce su patrón.
- Calorimetría diferencial de barrido (CDB): se mide la entalpía (H), es decir, si hay desprendimiento o captación de energía durante las reacciones químicas (exotérmicas o endotérmicas). Da lugar a gráficas características de cada material, midiendo temperatura frente a energía. Si hay desprendimiento de energía se da un pico en la gráfica, frente al valle originado por el aporte de energía.
Todos estos análisis se utilizan mucho para la caracterización de polímeros sintéticos.
