1.º, 3.º y 4.º ESO · ⊕ Bachillerato · Tecnología · Materiales
Propiedades de los materiales, tipos y cómo se trabajan: los materiales en Tecnología de ESO
Las propiedades de los materiales dicen cómo se comporta cada uno ante la electricidad, el calor, las fuerzas, un imán o el ambiente, y son la razón por la que un cable es de cobre y un mango de sartén de plástico. Aquí tienes de dónde salen los materiales, sus propiedades y cómo se comprueban en clase con un banco de pruebas, las familias (maderas, metales, plásticos, pétreos, cerámicos, vidrio, textiles y compuestos), cómo se trabajan y se unen, también soldando, cómo se elige el mejor para cada pieza y su impacto ambiental. Y, para Bachillerato, los ensayos de materiales de tracción, dureza y Charpy con sus cuentas.
Materia prima, material y producto
La materia prima es lo que se saca de la naturaleza: un árbol, un mineral, el petróleo. Transformada por la industria y lista para fabricar, es un material: un tablón, una chapa de acero, la granza de plástico. Y con los materiales se fabrican los productos: la silla, el tornillo, la botella.
Según su origen, los materiales son naturales (se usan casi como están: la madera, la piedra, la lana), artificiales (se fabrican transformando materiales naturales: el papel, el vidrio, el hormigón, el acero) o sintéticos (se crean con reacciones químicas, casi siempre a partir del petróleo: los plásticos, el nailon, el poliéster). Y la materia prima puede ser vegetal, animal o mineral.
Las propiedades de los materiales
Las propiedades de los materiales se agrupan según aquello ante lo que reacciona el material. Elegir un material es, sobre todo, mirar sus propiedades.
| Tipo | Propiedad | Qué significa | Ejemplo |
|---|---|---|---|
| Eléctricas y térmicas | Conductor / aislante eléctrico | deja pasar la corriente o no | el cobre conduce; el PVC aísla |
| Conductor / aislante térmico | transmite el calor o no | el aluminio conduce; el corcho aísla | |
| Físicas | Densidad | la masa de cada cm³: ρ = mV | el pino (0,5 g/cm³) flota; el acero (7,85) se hunde |
| Ópticas | transparente, translúcido u opaco | el vidrio, el papel vegetal, la madera | |
| Mecánicas | Dureza | resiste que lo rayen o lo penetren | el vidrio raya el acero |
| Tenacidad / fragilidad | aguanta golpes sin romperse, o se rompe de golpe | el acero es tenaz; el vidrio, frágil | |
| Elasticidad | recupera su forma al soltarlo | una goma, un muelle | |
| Plasticidad (ductilidad y maleabilidad) | se queda deformado sin romperse: dúctil, si aguanta mucha deformación (hasta estirarse en hilos); maleable, si se aplasta en láminas | el cobre de los cables, el papel de aluminio | |
| Resistencia mecánica | aguanta fuerzas sin romperse | el acero de una viga | |
| Magnéticas | Magnetismo | lo atrae un imán | el hierro y el acero sí; el aluminio y el cobre, no |
| Químicas | Oxidación y corrosión | reacciona con el aire y el agua | el hierro se oxida; el acero inoxidable, no |
| Ecológicas | Reciclable, biodegradable, tóxico | su efecto en el medio ambiente | el vidrio se recicla; el plomo es tóxico |
Ojo con dos que se confunden: duro no es lo mismo que tenaz. El vidrio es tan duro que raya una llave de acero, y a la vez tan frágil que se rompe al caer; el acero es menos duro, pero tenaz.
ρ = mV
Lo que tiene menos de 1 g/cm³ flota en el agua.
Calcula
Una muestra gris pesa 54 g y, al meterla en una probeta, el agua sube de 50 a 70 cm³. ¿Qué densidad tiene, en g/cm³?
Cómo se comprueban en clase: el banco de pruebas
Casi todas las propiedades de los materiales se pueden comprobar en el aula con seis pruebas sencillas: un circuito con una pila y una bombilla (¿conduce la electricidad?), una varilla con bolitas de cera calentada por un extremo (¿conduce el calor?), rayar con la uña, una arandela de cobre, una navaja de acero templado y un trozo de cuarzo (la dureza), la báscula y la probeta con agua (la densidad), un imán y doblar la muestra en el tornillo de banco.
Estos son los resultados de las seis pruebas con dieciséis materiales, sacados del simulador de ensayos. Fíjate en los patrones: los metales conducen y se hunden; los pétreos, cerámicos y el vidrio solo los raya el cuarzo y se rompen al doblarlos; las maderas flotan y no conducen.
| Muestra | ¿Conduce la electricidad? | Bolitas de cera que caen | Lo más blando que la raya | Densidad (g/cm³) | ¿La atrae el imán? | Al doblarla con fuerza |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Madera de pino | No | Ninguna | uña | 0,5 · flota | No | Se rompe (frágil) |
| Tablero DM | No | Ninguna | uña | 0,75 · flota | No | Se rompe (frágil) |
| Corcho | No | Ninguna | uña | 0,24 · flota | No | Vuelve (elástica) |
| Poliestireno expandido | No | Ninguna | uña | 0,02 · flota | No | Se rompe (frágil) |
| PVC | No | Ninguna | navaja | 1,38 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Metacrilato | No | Ninguna | navaja | 1,19 · se hunde | No | Se rompe (frágil) |
| Caucho natural | No | Ninguna | uña | 0,93 · flota | No | Vuelve (elástica) |
| Acero | Sí | Las 3 | navaja | 7,85 · se hunde | Sí | Se queda (dúctil) |
| Acero inoxidable | Sí | 1 de 3 | cuarzo | 7,93 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Fundición de hierro | Sí | Las 3 | navaja | 7,2 · se hunde | Sí | Se rompe (frágil) |
| Aluminio | Sí | Las 3 | arandela | 2,7 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Cobre | Sí | Las 3 | navaja | 8,96 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Latón | Sí | Las 3 | navaja | 8,5 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Vidrio | No | Ninguna | cuarzo | 2,5 · se hunde | No | Se rompe (frágil) |
| Cerámica (azulejo) | No | Ninguna | cuarzo | 2,3 · se hunde | No | Se rompe (frágil) |
| Granito | No | Ninguna | cuarzo | 2,7 · se hunde | No | Se rompe (frágil) |
Los tipos de materiales: las familias
Los materiales se agrupan en familias con propiedades parecidas:
| Familia | Ejemplos | Propiedades | Usos |
|---|---|---|---|
| Maderas | pino, haya, roble; tableros de contrachapado, aglomerado y DM; papel y cartón | ligeras, aislantes, fáciles de trabajar, renovables; arden y les afecta la humedad | muebles, vigas, embalajes |
| Metales férricos | acero (hierro con menos de un 2 % de carbono), fundición, acero inoxidable (con cromo) | resistentes, tenaces, conductores; a casi todos los atrae un imán (al inoxidable más corriente, no); el acero común se oxida | estructuras, herramientas, coches |
| Metales no férricos | aluminio, cobre, latón (cobre y cinc), bronce (cobre y estaño), titanio | conductores, no magnéticos; el aluminio es ligero | cables, latas, ventanas, aviones |
| Plásticos | termoplásticos (PET, PE, PP, PVC, PS), termoestables (baquelita, melamina), elastómeros (caucho, silicona) | ligeros, aislantes, baratos, se moldean; los termoplásticos se reciclan | envases, tuberías, juguetes |
| Pétreos | granito, mármol, pizarra; cemento, yeso, hormigón | duros, pesados, aguantan la compresión, frágiles | construcción |
| Cerámicos y vidrio | ladrillo, teja, azulejo, porcelana; vidrio | duros, frágiles, aislantes, aguantan el calor | construcción, vajilla, ventanas |
| Textiles | algodón, lana, seda; poliéster, nailon, licra | flexibles, se tejen | ropa, cuerdas, tapicería |
| Compuestos y nuevos | fibra de carbono, hormigón armado; grafeno, nitinol, PLA | suman lo mejor de dos materiales; propiedades nuevas | bicis, aviones, impresión 3D |
Mini-ejercicio
Una muestra se hunde, no enciende la bombilla, solo la raya el cuarzo y, al doblarla con fuerza, se rompe. ¿Cuál puede ser?
Trabajar y unir los materiales
En el taller, cada operación tiene su herramienta: medir y marcar (regla, escuadra, calibre, granete), sujetar (tornillo de banco, sargento: la pieza nunca con la mano), cortar (serrucho para la madera, sierra de arco para el metal), perforar (taladro con la broca de cada material), rebajar (escofina, lima, lija) y doblar. En la industria se mecaniza con arranque de viruta (taladrado, torneado, fresado) o sin él (doblado, embutición, fundición, extrusión, inyección), y cada vez más con fabricación digital: la impresora 3D y el corte láser.
Las piezas se unen con uniones desmontables (tornillo y tuerca, pasador, chaveta, clip), que se separan sin romper nada, o fijas (remache, adhesivo, clavo, ensamble encolado, soldadura), que para separarlas hay que romper algo.
Soldar es unir con calor. En la soldadura blanda solo se funde el estaño (a unos 183-220 °C, por debajo de 450 °C), que se agarra a las piezas sin fundirlas: es la de la electrónica. En la fuerte tampoco se funden las piezas, pero el metal de aportación (latón o plata) funde por encima de 450 °C y la unión es mucho más resistente. En la soldadura por fusión se funden los bordes de las piezas: con una llama de oxígeno y acetileno (unos 3100 °C), con un arco eléctrico de más de 5000 °C (electrodo revestido, MIG/MAG y TIG) o con corriente entre dos chapas apretadas (por puntos, la de las carrocerías). Siempre con careta de filtro, guantes, ventilación y la pieza sujeta.
Cómo se elige un material
Se escriben los requisitos de la pieza (lo que tiene que aguantar, cómo se fabrica, lo que puede costar, su aspecto, si debe ser reciclable), se descartan los materiales que no cumplen lo imprescindible y se comparan los demás con una matriz de decisión: cada criterio tiene un peso y cada material, una puntuación del 1 al 5.
nota = Σ peso · puntuación
Para el asiento de un banco del parque, con intemperie (30 %), coste (25 %), comodidad (20 %) e impacto ambiental (25 %), el plástico reciclado saca 4,05, el pino tratado 3,9 y el acero galvanizado 3,1. Si el coste pesara más, ganaría el pino: la matriz ayuda a ver por qué se decide.
Calcula
Para el mango de una azada, la madera de fresno saca 4 en resistencia (peso 40 %), 3 en coste (30 %) y 5 en tacto (30 %). ¿Qué nota tiene?
El ciclo de vida y el reciclaje de los materiales
El ciclo de vida de un producto va de la extracción de la materia prima a su final, y en cada etapa gasta energía y agua y deja residuos y CO₂. El ecodiseño piensa el final desde el principio: piezas desmontables y de un solo material, que se puedan reparar y reciclar.
Las 3R, por orden de importancia: reducir, reutilizar (y reparar) y reciclar. Reciclar aluminio ahorra en torno al 95 % de la energía que cuesta sacarlo de la bauxita; el vidrio y el acero se reciclan una y otra vez sin perder calidad. Los envases de plástico, las latas y los briks van al contenedor amarillo; el papel y el cartón, al azul; el vidrio, al verde; la ropa usada, al de textil; y las pilas y los aparatos, al punto limpio. Y está previsto que llegue el depósito de botellas y latas (SDDR): se pagan unos céntimos al comprarlas y se recuperan al devolverlas.
En la Región de Murcia, la Sierra Minera de Cartagena y La Unión recuerda por qué el impacto también cuenta: entre 1957 y 1990 los residuos del lavado del mineral se vertieron en la bahía de Portmán y la rellenaron. Hoy es Bien de Interés Cultural (Sitio Histórico, 2015) y se visita en el Parque Minero de La Unión.
⊕ Los ensayos de materiales: tracción, dureza y Charpy
En la industria, las propiedades se miden con ensayos normalizados. En el ensayo de tracción, una probeta se estira hasta romperla en una máquina universal y se dibuja su curva tensión-deformación:
σ = FS0
ε = ΔLL0
σ = E · ε
En la zona elástica se cumple la ley de Hooke y la probeta vuelve a su longitud; a partir del límite elástico (Re) se deforma para siempre; la resistencia a la tracción (Rm) es la tensión más alta; y después de romperse se miden el alargamiento (A) y la estricción (Z). En los ensayos de dureza se mide la huella de un penetrador: una bola en el Brinell (HB), una pirámide de diamante en el Vickers (HV) y la profundidad de un cono o una bola en el Rockwell (HRC, HRB). En el ensayo de Charpy, un péndulo rompe de un golpe una probeta con entalla y la energía que absorbe es E = m · g · L · (cos β − cos α). Los aceros corrientes tienen una temperatura de transición: con frío se vuelven frágiles.
Calcula
Una probeta de 8 mm de diámetro soporta 20 kN. ¿Qué tensión tiene, en MPa?
Pruébalo en los simuladores de ensayos y de soldadura
El simulador de ensayos de materiales tiene cinco modos: Propiedades (el banco de pruebas con 16 muestras y el reto «¿Qué material es?»), Tracción (la máquina universal en corte con la curva en vivo), Dureza (Brinell, Vickers y Rockwell, con la huella al microscopio), Choque (el péndulo de Charpy con el baño de temperatura) y Practica, en cuatro niveles.
El simulador de soldadura y uniones enseña los seis procesos de soldadura en un taller dibujado pieza a pieza, deja soldar cambiando la intensidad y la velocidad y mirar el cordón cortado, explica doce uniones paso a paso y tiene preguntas en cuatro niveles.
Cada uno tiene su ficha: el simulador de ensayos de materiales y el simulador de soldadura y uniones. Y si quieres ver los materiales trabajando en una estructura, prueba el laboratorio de estructuras.
El proyecto: la licitación del Ayuntamiento
La unidad termina con un concurso por equipos: cada equipo diseña una pieza de mobiliario urbano (un banco, una papelera, un aparcabicis, una marquesina…), la despieza, prueba muestras reales en el banco, elige el material de cada parte con una matriz de decisión, decide las uniones y el final de cada material, construye una maqueta a escala y la defiende en un minuto. En Bachillerato, además, elige el acero de los pilares con los datos de tracción y de Charpy a la temperatura de trabajo.
Dudas frecuentes
¿Cuáles son las propiedades de los materiales?
Se agrupan en eléctricas (conductor o aislante), térmicas (conducen el calor o no, se dilatan), físicas (densidad, color, transparencia), mecánicas (dureza, tenacidad, fragilidad, elasticidad, plasticidad, resistencia), magnéticas, químicas (oxidación y corrosión) y ecológicas (reciclable, biodegradable, tóxico).
¿Qué diferencia hay entre materia prima y material?
La materia prima es lo que se saca de la naturaleza sin transformar (un árbol, el mineral de hierro, el petróleo). El material es la materia prima ya transformada y lista para fabricar (un tablón, el acero, el plástico).
¿Qué diferencia hay entre dureza y tenacidad?
La dureza es resistir que te rayen o te penetren; la tenacidad, aguantar golpes sin romperse. El vidrio es duro pero frágil (poco tenaz); el acero es menos duro pero muy tenaz.
¿Qué materiales son buenos conductores de la electricidad?
Los metales, sobre todo la plata, el cobre y el aluminio, y también el grafito. Los plásticos, la madera seca, el vidrio y la cerámica son aislantes.
¿Qué es un material dúctil y uno maleable?
Los dos se deforman sin romperse y se quedan así. Dúctil es el que aguanta mucha deformación, hasta poder estirarse en hilos (el cobre de los cables); maleable, el que se puede aplastar en láminas (el papel de aluminio).
¿Cómo se calcula la densidad de un material?
Se pesa la muestra (masa, m, en gramos) y se mide su volumen (V, en cm³) por lo que sube el agua de una probeta al meterla. La densidad es ρ = m ÷ V, en g/cm³. Si es menor que 1, flota.
¿Qué diferencia hay entre termoplásticos y termoestables?
Los termoplásticos se ablandan con el calor y se pueden volver a moldear, así que se reciclan (PET, PE, PP, PVC). Los termoestables, una vez endurecidos, ya no se ablandan: se queman (baquelita, melamina, resina epoxi).
¿Qué es el ensayo de tracción?
Un ensayo en el que se estira una probeta hasta romperla midiendo la fuerza y el alargamiento. De su curva tensión-deformación salen el módulo de Young, el límite elástico, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la estricción.
¿Qué uniones son desmontables y cuáles fijas?
Desmontables: tornillo y tuerca, tornillo en un agujero roscado, tornillo para madera, pasador, chaveta y clip. Fijas: remache, soldadura, adhesivo, clavo, ensamble encolado y engatillado.
¿Qué diferencia hay entre la soldadura blanda, la fuerte y la de fusión?
En la blanda solo se funde un metal de aportación (el estaño, por debajo de 450 °C), que se agarra a las piezas sin fundirlas; en la fuerte, igual, pero con un metal que funde por encima de 450 °C (latón o plata). En la de fusión se funden los bordes de las propias piezas y, al enfriarse, quedan como una sola: oxiacetilénica, por arco (electrodo, MIG/MAG, TIG) y por puntos.
Abre la unidad interactiva completa
Seis bloques con ejercicios que se corrigen solos, los simuladores de ensayos y de soldadura dentro, un repaso de veinte preguntas y el proyecto de la licitación del Ayuntamiento.
Abrir la unidad de Materiales →Unidad elaborada por Jaime Aniorte, profesor de Tecnología en un instituto de la Región de Murcia, que ha construido los simuladores de ensayos y de soldadura que la acompañan. Sigue el currículo de Tecnología y Digitalización de 1.º y 3.º de ESO (materiales tecnológicos y su impacto ambiental, manipulación y mecanizado) y de Tecnología de 4.º de ESO (selección de materiales, ciclo de vida y fabricación) de la Región de Murcia, y amplía con los materiales de Tecnología e Ingeniería I y los ensayos de Tecnología e Ingeniería II de Bachillerato.