Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales

La comprensión de los materiales es crucial en el diseño y la ingeniería. A continuación, se presentan definiciones clave y propiedades fundamentales que rigen su comportamiento.

Conceptos Fundamentales

• Ingeniería de los Materiales: Ciencia que estudia la composición y estructura de los materiales, y cómo estos factores se relacionan con sus propiedades o su comportamiento.
• Materia: Todo aquello que ocupa un volumen en el espacio, posee masa y es capaz de producir un impacto perceptible por nuestros sentidos.
• Material: Porción finita de sustancia que posee características apropiadas para su empleo en la construcción o en aplicaciones de ingeniería.
• Material de Construcción: Materia prima o producto elaborado que se emplea en la construcción de edificios y obras de ingeniería civil.

Ensayos de Materiales: Métodos y Tipos

Los ensayos son procesos experimentales que permiten realizar mediciones para determinar las características de un material.

• Ensayo: Proceso experimental que permite realizar mediciones de una serie de valores para determinar las características del material. Pueden ser:
  • Destructivos: Cuando la muestra o probeta queda inservible para su posterior uso.
  • No Destructivos: Cuando la muestra se va a usar en obra o unidades de obra reales, como radiografías de soldaduras, ensayos por ultrasonidos, etc.
• Probeta: Porción o pieza de un material, con la cual se estudia el comportamiento o las propiedades del mismo.
• Ensayos Organolépticos: Son aquellos que se realizan por medio de los sentidos (aspecto exterior, color, textura, morfología, etc.).
• Ensayos Tecnológicos: Son los que estudian experimentalmente y de forma normalizada las propiedades físicas, mecánicas y químicas, basándose en normas para realizar comparaciones.

Propiedades Físicas de los Materiales

Las propiedades físicas describen cómo los materiales interactúan con la energía y el espacio.

• Masa: Cantidad de materia que forma un cuerpo determinado. Es independiente del lugar donde se encuentre el cuerpo y su volumen.
• Peso: Propiedad física que corresponde a la fuerza de atracción gravitatoria sobre la masa de un cuerpo. Varía dependiendo de dónde se encuentre el cuerpo.
• Volumen: Espacio que ocupa un cuerpo.
• Densidad: Magnitud escalar que mide la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia.
• Densidad de los Materiales Disgregados (arenas, cementos, yesos, etc.): Están formados por poros accesibles, inaccesibles y la materia sólida entre ellos. Aparecen dos conceptos de densidad:
  • Densidad Relativa: Cociente entre el peso seco del material y el volumen relativo (suma de todos los granos).
  • Densidad de Conjunto: Cociente entre el peso seco del material granular y el volumen del conjunto (volumen del recipiente que lo contiene). Ejemplos: áridos, cementos, yesos.
• Humedad: Porcentaje de líquido que contiene un material en un momento determinado respecto a su peso seco.
• Absorción: Relación entre la masa de líquido absorbida por un material y su masa desecada.
• Porosidad: Relación entre el volumen de poros y el volumen total del material.
• Compacidad: Cantidad de materia sólida que contiene un material por unidad de volumen.
• Heladicidad: Resistencia a la alteración de un material que contiene agua en sus poros y es sometido a ciclos de hielo-deshielo.
• Módulo de Saturación: Relación entre el volumen de los poros accesibles y el volumen total de poros. Un Ms > 70% indica un material heladizo.
• Permeabilidad: Propiedad de algunos materiales de permitir el paso de líquidos a través de ellos, según el grado de presión y temperatura a que están sometidos.
• Capilaridad: Propiedad de algunos materiales para atraer y hacer ascender un líquido por sus capilares internos. Según el ángulo de contacto (α):
  • Si α < 90°, las fuerzas de cohesión son menores que las fuerzas de adherencia, resultando en la ascensión del líquido.
  • Si α > 90°, las fuerzas de cohesión son mayores que las fuerzas de adherencia, impidiendo la ascensión del líquido.

Comportamiento Mecánico y Propiedades de Resistencia

El comportamiento mecánico de los materiales es fundamental para su aplicación en ingeniería, determinando cómo reaccionan ante fuerzas y deformaciones.

Acciones sobre los Materiales

• Acciones Exteriores: Fuerzas aplicadas desde el exterior, como el peso (propio y accidental), acciones externas y solicitaciones (viento, nieve, sismo, etc.).
• Acciones Interiores: Fuerzas de cohesión y adherencia entre las partículas del material.

Propiedades de Resistencia y Deformación

Resistencia a la Rotura

Es la resistencia que ofrece el material a la rotura ante la acción de esfuerzos mecánicos externos.

• Tensión: Intensidad de las fuerzas internas distribuidas que se oponen a la deformación de un material.
• Tensión de Rotura: Tensión capaz de producir la destrucción o ruina del material. Se clasifica en:
  • Tensión de rotura a compresión.
  • Tensión de rotura a tracción.
  • Tensión de rotura a flexión.
  • Tensión de rotura a cortadura.

Fatiga

Fenómeno por el cual se produce la rotura de un material debido a la aplicación repetida de fuerzas. Se desarrolla en etapas:

• Incubación: Etapa inicial en la que se producen fisuras microscópicas.
• Fisuración Progresiva: Las fisuras aumentan de tamaño debido a los esfuerzos repetidos a los que se somete el material.
• Rotura: Etapa final en la que el material se rompe tras una deformación escasa.

Fluencia (Creep)

Deformación lenta que experimenta un sólido con el tiempo, sometido a fuerzas permanentes inferiores a su límite de rotura. El sólido se deforma sin que aumente la tensión aplicada.

Deformabilidad

Propiedad de los materiales por la cual se deforman antes de romperse.

• Elasticidad: Propiedad de los materiales de experimentar deformaciones proporcionales a la carga que las origina y de recuperar su estado inicial una vez que cesa dicha carga.
• Ductilidad: Aptitud de un material para ser deformado en forma de alambre mediante un esfuerzo de tracción (ejemplos: cobre, aluminio).
• Maleabilidad: Capacidad de un material para ser transformado en láminas mediante un esfuerzo de compresión.

Zonas de Deformación en Materiales

• Zona Elástica: Se caracteriza por cumplir la Ley de Hooke, donde las tensiones son proporcionales a las deformaciones y estas no son permanentes, permitiendo que el material recupere su longitud inicial una vez que la fuerza cesa.
• Límite Elástico: Tensión que produce una deformación permanente equivalente al 0.2%.
• Zona Plástica: Aparece una vez superada la tensión elástica y se caracteriza por deformaciones permanentes que impiden que el material recupere su estado anterior. Dentro de esta zona se encuentran:
  • El escalón de cedencia.
  • La tensión máxima.
  • La deformación máxima.
  • La estricción (donde se produce la rotura del material).
  • La tensión de rotura.
• Tensión Máxima: Tensión máxima que un material puede soportar antes de que comience la estricción y la eventual rotura.

Fragilidad

Propiedad de algunos materiales que les impide experimentar deformaciones plásticas significativas, rompiéndose bruscamente por fuerzas superiores a su límite elástico. Ejemplos: cristal, vidrio.

Acritud

Propiedad de los materiales para aumentar su resistencia por efecto de la deformación plástica. Se produce después del escalón de cedencia. Ejemplos: los metales trabajados en frío.

Propiedades Superficiales: Dureza y Tenacidad

Estas propiedades describen la resistencia de un material a la deformación superficial y a la fractura.

Dureza al Rayado

Resistencia que oponen los materiales a ser rayados por otros más duros. La comparación se suele hacer con la escala de Mohs, siguiendo este orden:

1. Talco
2. Yeso
3. Calcita
4. Fluorita
5. Apatita
6. Ortoclasa
7. Cuarzo
8. Topacio
9. Corindón
10. Diamante

Dureza a la Penetración

Resistencia que oponen los materiales a dejarse penetrar por otros más duros. Los métodos comunes incluyen:

1. Método Rockwell: La dureza se indica según la profundidad de la huella.
2. Método Vickers: Basado en el Brinell, pero el elemento penetrador es el vértice con ángulo de 136° de una pirámide de base cuadrada.
3. Método de Brinell: Consiste en medir la huella que deja una bola de acero al ser aplicada sobre una superficie plana y lisa, comprimiendo de forma progresiva hasta alcanzar la carga prevista en el ensayo.

   Ejemplo de notación: 30 HB 10/30.000/30″

   • 30 HB: Valor de la dureza (N/mm²).
   • 10: Diámetro de la bola (mm).
   • 30.000: Carga aplicada (N).
   • 30″: Tiempo de aplicación de la carga en segundos.

Dureza Elástica

Indica el comportamiento de un material en su superficie al someterlo al impacto de un elemento. Se usa el esclerómetro (un cilindro con una punta de diamante redondeada que cae por un cilindro de vidrio de 300 mm de alto, con una altura de caída de 254 mm). Según la dureza de la superficie, el émbolo rebota con mayor o menor fuerza. Se aplica en elastómeros blandos, termoplásticos y yesos.

Dureza de Corte

Define la resistencia de un material a la presión de corte ejercida por otro cuerpo. Se determina por el tiempo que tarda en producir una huella de dimensiones fijas.

Tenacidad

Combinación de resistencia y deformación. Indica la energía que un material puede absorber antes de fracturarse por efecto de una fuerza exterior. La máquina empleada para este ensayo es el péndulo de Charpy.