Mira a tu alrededor: la mesa, la silla, el lápiz, la ventana, el móvil. Todo está hecho de materiales, y alguien eligió cada uno por algo. En esta unidad aprendes de dónde salen (las materias primas), cómo se reconocen por sus propiedades (con pruebas que puedes hacer en clase), qué familias hay, cómo se trabajan y se unen (también soldando), cómo se elige el mejor para cada pieza y qué impacto tienen en el planeta. Mira el mapa completo antes de empezar y vuelve aquí siempre que te pierdas. El bloque marcado con ⊕ es de ampliación, para Bachillerato: los ensayos de laboratorio con sus cuentas.
Un material es una materia prima transformada para fabricar objetos. Se elige por sus propiedades, por cómo se trabaja, por lo que cuesta y por su impacto en el medio ambiente.
Qué es un material y cómo se clasifica · 4 conceptos
El árbol, el mineral de hierro, el petróleo
El tablero, el acero, el plástico
La mesa, el tornillo, la botella
La lana, el vidrio, el nailon
Lo que se puede medir y probar · 5 conceptos
La bombilla se enciende con el cobre, no con el PVC
ρ = mV: el pino flota y el acero se hunde
Lo que raya es más duro que lo rayado
Se queda doblado, se parte o vuelve
Se oxida, se recicla, es tóxico
Cada familia, con sus propiedades y usos · 6 conceptos
Pino, haya, tableros de DM
Férricos (acero) y no férricos (cobre, aluminio)
Termoplásticos, termoestables y elastómeros
Granito, ladrillo, vidrio
Algodón, lana, poliéster
Se descubre con las pruebas del banco
Herramientas, uniones, soldadura y seguridad · 5 conceptos
Medir, sujetar, cortar, perforar, afinar
Con arranque de viruta o sin él
Desmontables y fijas, paso a paso
Estaño, llama, arco y puntos
Gafas, guantes, careta y la pieza sujeta
Requisitos, ciclo de vida y reciclaje · 4 conceptos
Qué tiene que aguantar y cuánto puede costar
Puntos por criterio, con su peso
De la mina al contenedor
El aluminio reciclado ahorra el 95 % de la energía
Bachillerato · tracción, dureza y choque · 5 conceptos
σ = FS₀; Re, Rm y A
σ = E · ε en la zona elástica
La huella, medida al microscopio
E = m · g · L · (cos β − cos α)
Temple, revenido, recocido
¿Por dónde empiezo? Por el bloque 1. Las ramas van en orden: primero qué es un material y cómo se clasifica, luego sus propiedades y las familias, después cómo se trabajan y se unen, y al final cómo se elige el mejor y qué impacto tiene. Si estás en Bachillerato, termina con los ensayos de laboratorio y sus cuentas.
Lo que vas a usar en toda la unidad, en una hoja. Las cifras son las mismas que las de los simuladores de ensayos y de soldadura.
| Qué | Fórmula | Unidades |
|---|---|---|
| Densidad | ρ = mV | g/cm³; el agua, 1 g/cm³ (lo que tiene menos, flota) |
| Matriz de decisión | nota = Σ peso · puntos | los pesos suman 100 % |
| ⊕ Tensión | σ = FS0 | N/mm² = MPa; S0 = π · d0²4 |
| ⊕ Deformación | ε = ΔLL0 | sin unidades; por 100, en % |
| ⊕ Ley de Hooke | σ = E · ε | E (módulo de Young) en MPa o GPa; el acero, 210 GPa |
| ⊕ Alargamiento | A = Lu − L0L0 · 100 | en % |
| ⊕ Estricción | Z = S0 − SuS0 · 100 | en % |
| ⊕ Tensión admisible | σadm = Ren | MPa; n, el coeficiente de seguridad (1,5 a 3) |
| ⊕ Brinell | HB = 0,102 · 2Fπ · D · (D − √(D² − d²)) | F en N (3000 kgf = 29 420 N); D y d en mm |
| ⊕ Vickers | HV = 0,1891 · Fd² | F en N; d, la media de las diagonales, en mm |
| ⊕ Rockwell C | HRC = 100 − e0,002 | e, lo que se hunde el cono, en mm |
| ⊕ Charpy | E = m · g · L · (cos β − cos α) | J; α y β, medidos desde la vertical; el péndulo del simulador: 20 kg, 0,825 m, soltado a 150° |
| ⊕ Resiliencia | KCV = ES | J/cm²; S = 0,8 cm² bajo la entalla |
| ⊕ Tensión del arco (UNE-EN 60974-1) | U = 20 + 0,04 · I | V, con electrodo; con MIG/MAG, U = 14 + 0,05 · I; con TIG, U = 10 + 0,04 · I |
| ⊕ Calor aportado (UNE-EN 1011-1) | Q = k · U · Iv | J/mm (entre 1000, kJ/mm), con v en mm/s; k = 0,8 con electrodo y MIG/MAG, 0,6 con TIG |
La silla en la que estás sentado tiene un armazón de tubo de acero y un asiento de plástico. Hace unos años, ese acero era una piedra rojiza en una mina y ese plástico era petróleo en el fondo de un pozo. Entre la piedra y la silla hay una cadena de transformaciones, y en cada eslabón alguien eligió un material por algo. ¿Por qué no es de vidrio? ¿Por qué no es entera de madera?
La materia prima es lo que se saca de la naturaleza (un árbol, un mineral, el petróleo). Un material es una materia prima transformada y lista para fabricar (un tablón, una chapa de acero, el plástico). Un producto es el objeto que se fabrica con los materiales.
Ninguna silla sale de la tierra tal cual. Primero se extrae la materia prima; luego la industria la transforma en un material con la forma y las propiedades que hacen falta (tablones, chapas, granza de plástico); y por último se fabrica el producto. Estas son tres cadenas que tienes muy cerca:
Tres cadenas de la materia prima al producto: la madera, el acero y el plástico.
| Materia prima | De dónde se saca | Material | Un producto |
|---|---|---|---|
| Árboles | bosques y plantaciones | madera y tableros; papel | una mesa, un cuaderno |
| Mineral de hierro | minas | acero y fundición | un tornillo, una viga |
| Bauxita | minas | aluminio | una lata, una ventana |
| Petróleo y gas natural | pozos | plásticos | una botella, una tubería |
| Arena de sílice | areneros y canteras | vidrio | un vaso, una ventana |
| Arcilla | canteras | cerámica | un ladrillo, un plato |
| Algodón y lana | plantas y animales | hilo y tejido | una camiseta, un jersey |
Según su origen, la materia prima puede ser vegetal (la madera, el algodón, el corcho), animal (la lana, la seda, el cuero) o mineral (los metales, la arena, la arcilla, la piedra; y el petróleo y el gas, que son los restos fósiles de seres vivos de hace millones de años y se sacan del subsuelo).
Los materiales también se clasifican según cuánto los ha cambiado la industria:
| Tipo | Qué son | Ejemplos |
|---|---|---|
| Naturales | se usan casi como están en la naturaleza: se cortan, se limpian o se hilan | la madera, la piedra, la lana, el algodón, el corcho |
| Artificiales | se fabrican transformando materiales naturales, sin cambiar del todo lo que son | el papel, el vidrio, el hormigón, los ladrillos, el acero |
| Sintéticos | se crean con reacciones químicas, casi siempre a partir del petróleo; no existen en la naturaleza | los plásticos, el nailon, el poliéster, la licra |
La forma más útil de ordenarlos es por familias: grupos con propiedades parecidas. Las estudias a fondo en el bloque 3; de momento, quédate con este resumen:
Materia prima (de la naturaleza) → material (transformado) → producto (fabricado). Un material puede ser natural, artificial o sintético, y pertenece a una familia según sus propiedades.
Cubren las tres ideas del bloque: la cadena de la materia prima al producto, el origen y las familias.
1. ¿Cuál de estas cosas es una materia prima?
2. Une cada materia prima con el material que se obtiene de ella. Pulsa una de la izquierda y luego su pareja de la derecha.
3. Elige la palabra que falta en cada hueco.
4. El cuadro de una bici de carreras está hecho de hilos de carbono pegados con una resina. ¿A qué familia pertenece ese material?
5. Ordena la vida de una botella de agua, desde el pozo hasta el contenedor.
6. Elige un objeto de tu mochila o de tu clase (el estuche, el flexo, la mochila, la pizarra…). Di tres de sus piezas y, de cada una, su material, su familia y de qué materia prima sale.
Mira un cable de un cargador: por dentro, hilos de cobre; por fuera, una funda de plástico. El cobre deja pasar la corriente y el plástico no: así la electricidad llega al móvil y no a tu mano. Cada material se comporta a su manera ante la electricidad, el calor, los golpes o el agua. Eso son sus propiedades, y casi todas se pueden comprobar en clase con una pila, una vela, un imán y un vaso de agua.
Las propiedades de un material son las características que dicen cómo se comporta ante la electricidad, el calor, la luz, las fuerzas, un imán o el ambiente. Elegir un material es, sobre todo, mirar sus propiedades.
Un material es conductor eléctrico si deja pasar la corriente, y aislante si no la deja pasar. Los metales (y el grafito de un lápiz) son conductores; los plásticos, la madera seca, el vidrio y la cerámica, aislantes. Se comprueba con un circuito de una pila y una bombilla: se cierra con la muestra entre las dos pinzas y se mira si se enciende.
Con cobre, la bombilla se enciende: es conductor.
Con PVC, no: es aislante.
Un conductor térmico transmite bien el calor (los metales: por eso una cuchara de metal en la sopa quema); un aislante térmico lo transmite mal (la madera, el corcho, los plásticos y, sobre todo, el poliestireno expandido, el «corcho blanco», que es casi todo aire). En el banco se pegan tres bolitas de cera a lo largo de la varilla y se calienta un extremo: cuanto mejor conduce, antes caen. Además, con el calor casi todos los materiales se dilatan (crecen un poco): por eso los puentes y las vías tienen juntas de dilatación.
El cobre conduce tan bien el calor que caen las tres bolitas de cera; con una de madera no cae ninguna.
La densidad es la masa que tiene cada centímetro cúbico de material. Se mide pesando la muestra (su masa, m) y viendo cuánto sube el agua de una probeta al meterla (su volumen, V):
El pino (0,5 g/cm³) flota.
El acero (7,85 g/cm³) se hunde.
| Flotan (menos de 1) | Se hunden, ligeros (1-3) | Se hunden, pesados (más de 7) |
|---|---|---|
| poliestireno expandido 0,02 · corcho 0,24 · pino 0,5 · DM 0,75 · caucho 0,93 | metacrilato 1,19 · PVC 1,38 · cerámica 2,3 · vidrio 2,5 · aluminio 2,7 · granito 2,7 | fundición 7,2 · acero 7,85 · inoxidable 7,93 · latón 8,5 · cobre 8,96 |
Otras propiedades físicas se ven a simple vista: el color, el brillo (los metales brillan), la textura y cómo dejan pasar la luz: transparentes (el vidrio), translúcidos (el papel vegetal, que deja pasar la luz pero no se ve a través) y opacos (la madera).
Dicen cómo responde un material cuando se le aprieta, se le golpea, se le dobla o se le raya:
La arandela de cobre raya el aluminio: el aluminio es más blando.
Al doblarla con fuerza, la tira de cobre se queda doblada: es dúctil.
Un imán atrae el hierro, el acero y la fundición (y el níquel y el cobalto). No atrae el aluminio, el cobre, el latón ni el acero inoxidable más corriente (el 304, el de los fregaderos y las cucharas); otros inoxidables, como el de muchos cuchillos, sí son magnéticos. Con un imán se separan las latas de acero de las de aluminio en las plantas de reciclaje.
El imán atrae el acero.
Las químicas dicen cómo reacciona con el ambiente: el hierro se oxida con el aire y el agua (el óxido rojizo); el aluminio se cubre de una capa fina de óxido que lo protege; el acero inoxidable no se oxida gracias al cromo. Las ecológicas dicen su efecto en el planeta: si es reciclable (los metales, el vidrio, muchos plásticos), biodegradable (la madera, el papel, el algodón) o tóxico (el plomo, el mercurio). Las verás en el bloque 5.
En «Propiedades», el banco de pruebas tiene 16 muestras y 6 pruebas. Haz las seis con dos o tres muestras y rellena la tabla: ¿qué tienen en común los metales?
Las propiedades se agrupan en eléctricas, térmicas, físicas (como la densidad, ρ = mV), mecánicas (dureza, tenacidad, elasticidad, plasticidad, resistencia), magnéticas, químicas y ecológicas. Duro no es lo mismo que tenaz.
Cubren las propiedades eléctricas y térmicas, la densidad y las mecánicas.
1. El mango de muchas sartenes es de baquelita (un plástico) aunque la sartén sea de metal. ¿Por qué?
2. Un taco dorado de 20 cm³ pesa 170 g. ¿Qué densidad tiene, en g/cm³?
3. En el banco se raya con cuatro objetos. Ordénalos de más blando a más duro.
4. Une cada propiedad con lo que significa.
5. Una placa de acero (ρ = 7,85 g/cm³) tiene un volumen de 500 cm³. ¿Cuántos gramos pesa?
6. En el banco, una muestra enciende la bombilla, pero el imán no la atrae. ¿Cuál de estas puede ser?
Una lata de refresco y una lata de conservas parecen iguales, pero en la planta de reciclaje un imán las separa en un segundo: una es de aluminio y la otra de acero. Dos metales, pero de grupos distintos: uno no férrico y otro férrico. Conocer las familias es saber qué esperar de un material antes de probarlo: si conducirá, si flotará, si se doblará o se partirá.
Una familia de materiales es un grupo de materiales con un origen y unas propiedades parecidas. Las principales son las maderas, los metales, los plásticos, los pétreos, los cerámicos y vidrios y los textiles; y aparte, los compuestos y los nuevos materiales.
La madera sale del tronco de los árboles. Las blandas son de coníferas, que crecen deprisa (el pino, el abeto); las duras, de frondosas, que crecen despacio y son más caras (el roble, la haya, el nogal). Con restos de madera se fabrican los tableros: el contrachapado (chapas finas encoladas con las vetas cruzadas), el aglomerado (virutas prensadas con cola) y el DM (fibras muy finas prensadas, que se cortan y se lijan muy bien); y también el papel y el cartón.
Propiedades: ligera, aislante del calor y de la electricidad, fácil de trabajar, renovable y biodegradable. Pero arde, se hincha con la humedad y la atacan los insectos y los hongos: se protege con barnices, ceras y tratamientos.
Se obtienen de minerales. Se dividen en dos grupos:
| Grupo | Metal | Qué es | Para qué |
|---|---|---|---|
| Férricos (con hierro) | Acero | hierro con menos de un 2 % de carbono | vigas, tornillos, coches, herramientas |
| Fundición | hierro con un 2-6,7 % de carbono: se moldea bien, pero es frágil | tapas de alcantarilla, bancadas de máquinas | |
| Acero inoxidable | acero con al menos un 10,5 % de cromo: no se oxida | cubiertos, fregaderos, quirófanos | |
| No férricos | Aluminio | ligero (2,7 g/cm³), no se oxida por dentro | latas, ventanas, aviones |
| Cobre | el mejor conductor barato | cables, tuberías de agua | |
| Latón | aleación de cobre y cinc | grifos, llaves, instrumentos de viento | |
| Bronce | aleación de cobre y estaño | estatuas, campanas, medallas | |
| Estaño y cinc | funden a poca temperatura; el cinc protege el acero (galvanizado) | soldadura blanda, chapas galvanizadas | |
| Titanio | ligero, muy resistente y no lo rechaza el cuerpo | prótesis, aviones, bicis |
Propiedades: conducen la electricidad y el calor, brillan, son tenaces y se pueden estirar (dúctiles) y aplastar (maleables); casi todos se reciclan sin perder calidad. Una aleación es una mezcla de un metal con otros elementos para mejorarlo: el acero, el latón y el bronce lo son.
Son polímeros: cadenas larguísimas de moléculas, casi siempre fabricadas a partir del petróleo. Son ligeros, aislantes, baratos y se moldean con facilidad. Hay tres grupos:
En los envases, el número dentro del triángulo de flechas dice qué plástico es: 1 PET, 2 PEAD (polietileno de alta densidad), 3 PVC, 4 PEBD (de baja densidad), 5 PP, 6 PS y 7 otros.
Las fibras textiles pueden ser naturales (algodón y lino, vegetales; lana y seda, animales), artificiales (la viscosa, de la celulosa de la madera) o sintéticas (el poliéster, el nailon, el elastano o licra). Un material compuesto junta dos materiales para sumar lo mejor de cada uno: la fibra de carbono o la de vidrio (fibras muy resistentes dentro de una resina), el hormigón armado. Y los nuevos materiales abren usos que antes no existían: el grafeno (una capa de átomos de carbono, conductora y muy resistente), las aleaciones con memoria de forma (el nitinol, que vuelve a su forma al calentarse), los bioplásticos como el PLA (del almidón del maíz; el de las impresoras 3D) o los cristales fotocromáticos de las gafas que se oscurecen al sol.
Las seis pruebas del bloque 2 con las 16 muestras del simulador. Busca los patrones: qué tienen en común los metales, qué hacen los pétreos al doblarlos, qué flota.
| 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 metales encienden la bombilla y se hunden; los pétreos, cerámicos y vidrio son duros (solo los raya el cuarzo) y se rompen al doblarlos; las maderas y el corcho flotan y no conducen. Fíjate en las excepciones: el acero inoxidable conduce el calor bastante peor que los otros metales y el imán no lo atrae, y la fundición, aunque es un metal, se rompe al doblarla con fuerza (es frágil).
En «Propiedades», pulsa «Reto: ¿qué material es?»: el simulador te da una muestra sin nombre y tienes que descubrirla con el menor número de pruebas. En el nivel 3, solo tres.
Cada familia tiene su «huella»: los metales conducen y son tenaces; los plásticos son ligeros y aislantes (y los termoplásticos se reciclan); las maderas son ligeras y renovables; los pétreos, cerámicos y vidrio, duros y frágiles. Los compuestos juntan dos para mejorar los dos.
Cubren los metales, los plásticos y cómo se reconoce una familia.
1. ¿Qué es el acero?
2. Une cada material con un uso típico.
3. Elige la palabra que falta en cada hueco.
4. El acero de las vigas lleva alrededor de un 0,2 % de carbono. ¿Cuántos kilos de carbono hay en 1000 kg de ese acero?
5. Una muestra se hunde, no enciende la bombilla, la raya el cuarzo pero no la navaja y, al doblarla con fuerza, se rompe. Mira la tabla del banco: ¿cuál de estas puede ser?
6. Las ventanas de las casas nuevas suelen ser de aluminio o de PVC, y las antiguas, de madera. Da una ventaja y un inconveniente de cada una de las tres.
Una estantería de un mueble de montar llega en una caja: tableros con agujeros, tornillos, espigas de madera y una llave pequeña. Alguien cortó y taladró esos tableros, y alguien decidió que las piezas se unirían con tornillos (para poder desmontarla en una mudanza) y no con cola. En el taller pasa lo mismo: primero se da forma a cada pieza y luego se elige cómo unirlas.
Trabajar un material es darle la forma que necesita la pieza: medirlo, marcarlo, cortarlo, perforarlo, rebajarlo o doblarlo. Unir es juntar las piezas con una unión desmontable (se separa sin romper nada) o fija (para separarla hay que romper algo).
| Operación | Madera | Metal | Plástico |
|---|---|---|---|
| Medir y marcar | regla, metro, escuadra, lápiz | calibre (pie de rey), punta de trazar, granete | regla, rotulador fino |
| Sujetar | tornillo de banco, sargentos, mordazas: la pieza nunca se sujeta con la mano | ||
| Cortar | serrucho, sierra de costilla, segueta | sierra de arco, tijeras de chapa | sierra de arco, cúter |
| Perforar | taladro y broca de madera (con punta de centrar) | taladro y broca de metal (HSS), tras marcar con el granete | broca de metal, a pocas vueltas |
| Rebajar y afinar | escofina, lija | lima, lija de agua | lima, lija fina |
| Doblar y dar forma | — | en el tornillo de banco, con mazo | con calor, en la termoplegadora |
En las fábricas, las piezas se hacen con máquinas. El mecanizado con arranque de viruta quita material: el taladrado, el torneado (la pieza gira y una cuchilla la va recortando: piezas redondas como ejes y tornillos) y el fresado (gira la herramienta: ranuras y caras planas). Sin arranque de viruta, se da forma sin quitar material: el doblado, el troquelado (cortar chapa a golpe de prensa), la embutición (estirar la chapa en un molde: las latas), la fundición en moldes, la extrusión (empujar por un hueco con la forma: perfiles de aluminio) y la inyección de plástico en moldes. Y la fabricación digital, que fabrica directamente desde un dibujo del ordenador:
| Desmontables | Fijas |
|---|---|
| tornillo y tuerca · tornillo en un agujero roscado · tornillo para madera · pasador · chaveta · encaje elástico (clip) | remache · soldadura · adhesivo · clavo · ensamble encolado (caja y espiga) · engatillado (chapas dobladas una dentro de otra) |
Tornillo y tuerca: desmontable. Se aprieta con dos llaves.
Remache: fijo. Para quitarlo hay que taladrarlo.
Ensamble de caja y espiga: la unión de las sillas y las mesas de madera.
Encaje elástico (clip): la tapa de las pilas de un mando.
Soldar es unir piezas con calor. En la soldadura blanda se funde solo un metal de aportación que funde por debajo de 450 °C (el estaño, a 183-220 °C según la aleación) y las piezas no se funden: el estaño las «moja» y se agarra a ellas (electrónica, tuberías de cobre). La soldadura fuerte es parecida, sin fundir las piezas, pero con un metal de aportación que funde por encima de 450 °C (latón o aleaciones de plata) y una unión mucho más resistente (las uniones de cobre del aire acondicionado, las bicis de cuadro de acero clásicas). En la soldadura por fusión se funden los bordes de las propias piezas y, al enfriarse, quedan como una sola: con una llama (la oxiacetilénica), con un arco eléctrico (electrodo, MIG/MAG y TIG) o con corriente que atraviesa las chapas apretadas (por puntos, la de las carrocerías).
| Proceso | El calor sale de… | Metal de aportación | Qué protege el baño | Para qué se usa |
|---|---|---|---|---|
| Soldadura blanda con estaño | Un soldador eléctrico: una resistencia calienta la punta. | Hilo de estaño con el fundente dentro. | El fundente (resina) limpia el óxido y lo aparta mientras se suelda. | Electrónica (componentes en placas de circuito), empalmes de cables y tuberías de cobre del agua (en el agua de beber, siempre con estaño sin plomo). |
| Soldadura oxiacetilénica | La llama de un soplete que quema acetileno con oxígeno puro. | Una varilla de metal que el soldador mete en el baño con la otra mano. | La propia llama: la zona que rodea el dardo aparta el aire del baño. | Reparaciones, chapa fina y tubos; con el mismo equipo se corta acero (oxicorte) y se calienta para doblar. |
| Soldadura por arco con electrodo revestido | Un arco eléctrico entre el electrodo y la pieza. | El propio electrodo, que se va gastando. | Los gases y la escoria que suelta el revestimiento del electrodo. | Estructuras, cerrajería, reparaciones y obras al aire libre. |
| Soldadura MIG/MAG | Un arco eléctrico entre el hilo y la pieza. | Un hilo continuo que sale de una bobina. | Un gas de una botella: inerte (argón) en el MIG, activo (CO₂ o argón con CO₂) en el MAG. | Talleres y fábricas: carrocerías, estructuras, remolques; los robots de soldar. |
| Soldadura TIG | Un arco eléctrico entre el electrodo de tungsteno y la pieza. | Una varilla que se mete a mano (con chapa fina, a veces ninguna). | Argón de una botella, que rodea el tungsteno y el baño. | Tuberías de inoxidable, cuadros de bicicleta, la industria alimentaria y la aeroespacial. |
| Soldadura por puntos | El paso de la corriente por las chapas (efecto Joule: Q = I²·R·t). | Ninguno: no hace falta metal de aportación. | No hace falta: el punto se funde dentro, entre las chapas apretadas. | Carrocerías de coche, electrodomésticos, muebles metálicos. |
El puesto de soldadura con electrodo, del simulador. En la lupa, el arco cortado: el electrodo se gasta, rellena la unión y su revestimiento suelta gases y escoria que protegen el baño.
Un buen cordón depende de los mandos. Con la intensidad justa para el electrodo, el cordón sale regular y entra en la chapa (penetra); con demasiada, salpica, se comen los bordes (mordeduras) y en chapa fina llega a perforarla; con muy poca, el arco salta a tirones y el cordón queda alto y pegado por encima.
Electrodo de 3,2 mm a 110 A: el cordón bueno, por arriba y cortado.
El mismo, a 165 A: salpicaduras, mordeduras y la chapa de 3 mm perforada.
Cada operación tiene su herramienta, y cada material, la suya. Las uniones son desmontables (tornillos, pasadores, clips) o fijas (remaches, adhesivos, soldadura). En la soldadura blanda no se funden las piezas; en la de fusión, sí. Y la seguridad va primero: pieza sujeta, gafas y careta.
Cubren las herramientas, las uniones, la soldadura y la seguridad.
1. ¿Cuál de estas uniones es desmontable?
2. Une cada tarea del taller con su herramienta.
3. Ordena los pasos para unir dos chapas con un remache ciego (pop).
4. ¿Qué distingue a la soldadura blanda (con estaño) de las demás?
5. Los soldadores usan una regla para elegir la intensidad con electrodo: I ≈ 50 · (d − 1), con d el diámetro del electrodo en mm. ¿Qué intensidad toca con un electrodo de 3,2 mm?
6. ¿Por qué no se deben llevar guantes al usar el taladro de columna?
Un banco del parque puede ser de madera, de acero o de plástico reciclado. Los tres sirven para sentarse, pero uno quema al sol en agosto, otro hay que barnizarlo cada dos años y el tercero está hecho con botellas que alguien tiró al contenedor amarillo. Elegir el material es comparar con cabeza, y pensar también en qué pasará con el banco cuando ya no sirva.
Elegir un material es buscar el que cumple los requisitos de la pieza (lo que tiene que aguantar, cómo se fabrica, lo que cuesta, su aspecto) con el menor impacto ambiental. El ciclo de vida de un producto son todas sus etapas, de la extracción de la materia prima a su final.
Los ingenieros y los diseñadores siguen siempre los mismos pasos:
⊕ 1.º Bachillerato: para piezas que tienen que ser ligeras, los ingenieros no comparan la resistencia a secas, sino la resistencia específica, Rm entre la densidad. Con los datos del simulador de ensayos: el acero S275, 450 MPa7,85 g/cm³ ≈ 57; el aluminio 6061, 3102,7 ≈ 115; y el titanio (la aleación Ti-6Al-4V, de 4,43 g/cm³), 9504,43 ≈ 214. Por eso los aviones se hacen de aluminio y, donde más se aprieta, de titanio o de fibra de carbono, aunque el acero sea más barato. Los mapas de materiales (de Ashby) dibujan así cada familia, una propiedad frente a otra, para elegir de un vistazo.
Las seis etapas del ciclo de vida, y las tres salidas del final: volver a usar, reciclar o tirar.
El análisis del ciclo de vida suma lo que gasta y lo que contamina un producto en todas sus etapas. A veces sorprende: una bolsa de tela tiene que usarse muchas veces para compensar lo que costó fabricarla frente a una de plástico. El ecodiseño piensa el final desde el principio: piezas que se desmontan, de un solo material y sin pegar plástico con metal, para que se puedan reparar y reciclar.
Las 3R, en este orden de importancia: reducir (lo que no se fabrica no contamina: menos envases, objetos que duren), reutilizar (darle otra vida: un bote de cristal para guardar tornillos; y reparar) y reciclar (convertir el residuo en material nuevo). Para reciclar hay que separar:
| Contenedor | Qué va |
|---|---|
| Amarillo | envases de plástico, latas y briks |
| Azul | papel y cartón |
| Verde | envases de vidrio (sin tapa) |
| Marrón | restos orgánicos (comida, posos, servilletas usadas) |
| Textil (el de la ropa) | ropa, calzado y trapos usados: desde 2025 los ayuntamientos tienen que recogerlos aparte |
| Gris | lo que no va en ningún otro |
| Punto limpio | pilas, aparatos eléctricos, aceite, pintura, bombillas |
Y está previsto que llegue el sistema de depósito y devolución (SDDR) de botellas de plástico y latas de bebida: se pagan unos céntimos de más al comprarlas y se recuperan al devolverlas en la tienda. Lo obliga el Real Decreto 1055/2022, porque España no llegó a la recogida mínima de botellas, y su fecha prevista es noviembre de 2026.
Fabricar aluminio a partir de la bauxita gasta muchísima electricidad; refundir latas viejas ahorra en torno al 95 % de esa energía. El acero y el vidrio se pueden reciclar una y otra vez sin perder calidad; las fibras del papel, en cambio, se acortan en cada vuelta y aguantan solo unas cuantas. Y muchos plásticos mezclados acaban convertidos en productos de menos valor (bancos, macetas, fibras para forros polares).
En la Sierra Minera de Cartagena y La Unión se sacó plomo, cinc y plata durante siglos, desde la época romana. Entre 1957 y 1990, los residuos del lavado del mineral (los estériles) se vertieron directamente al mar en la bahía de Portmán: decenas de millones de toneladas que la rellenaron y adelantaron la costa cientos de metros, con metales pesados que todavía hoy hay que contener. Las minas cerraron en 1991. Hoy esa sierra es patrimonio industrial: desde 2015 es Bien de Interés Cultural, con la categoría de Sitio Histórico, y se visita en el Parque Minero de La Unión. Y es un recordatorio de por qué los materiales se eligen también por su impacto.
Se elige el material que cumple los requisitos con el menor impacto, comparando con una matriz de decisión. El ciclo de vida va de la materia prima al final, y las 3R (reducir, reutilizar, reciclar) lo alargan. Reciclar aluminio ahorra el 95 % de la energía.
Cubren cómo se elige, el ciclo de vida y el reciclaje.
1. Se te acaba un brik de leche. ¿En qué contenedor va?
2. Ordena las etapas de la vida de una lata de refresco.
3. 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 en la matriz de decisión?
4. Fabricar 1 kg de aluminio desde la bauxita gasta unos 170 MJ, y reciclarlo ahorra el 95 %. ¿Cuántos MJ gasta 1 kg de aluminio reciclado?
5. Une cada residuo con el sitio donde se tira.
6. Elige un objeto de usar y tirar (un mechero, un bolígrafo, una maquinilla de afeitar) y rediséñalo para que dure más o se recicle mejor. Di qué cambias y qué R aplicas.
Durante la Segunda Guerra Mundial, varios barcos de carga de acero soldado, los Liberty, se agrietaron o incluso se partieron en dos en aguas frías; y un petrolero de la misma época, el Schenectady, se partió amarrado en el puerto, con el mar en calma. El acero era resistente a temperatura ambiente, pero en el frío se volvía frágil, y nadie se lo exigía al acero de los barcos. Desde entonces, cada acero de un barco, un puente o una tubería se ensaya: se estira hasta romperlo, se le clava un penetrador y se golpea con un péndulo, a la temperatura a la que va a trabajar.
Un ensayo es una prueba normalizada que mide una propiedad, siempre de la misma manera, para poder comparar materiales. Los tres básicos son el de tracción (UNE-EN ISO 6892-1), los de dureza (Brinell, Vickers y Rockwell) y el de choque o resiliencia (Charpy, ISO 148-1).
⊕ 2.º Bachillerato (Tecnología e Ingeniería II: propiedades y procedimientos de ensayo, estructura interna y tratamientos). Lo de 1.º (los materiales técnicos y nuevos y su selección) está en los bloques 3 y 5, con la resistencia específica.
Una probeta normalizada (en el simulador, de d0 = 10 mm y L0 = 5,65 · √S0 ≈ 50 mm) se sujeta entre las mordazas de la máquina universal, que la estira despacio hasta romperla mientras mide la fuerza F y el alargamiento ΔL. Para que el resultado no dependa del tamaño de la probeta, se pasa a tensión y deformación:
La curva del acero S275 del simulador, con sus puntos y sus zonas.
Para diseñar no se trabaja hasta el límite: se usa una tensión admisible, σadm = Ren, con n el coeficiente de seguridad (de 1,5 a 3, según lo grave que sería un fallo). Con el S275 y n = 1,5, σadm = 2751,5 ≈ 183 MPa: la pieza se dimensiona para que nunca pase de ahí.
Cinco materiales en la misma gráfica: el acero C45 aguanta más que el S275 pero se estira menos; el cobre se estira muchísimo con poca tensión; la fundición se rompe casi sin estirarse (frágil).
Se aprieta un penetrador contra la pieza con una fuerza conocida y se mide la huella: cuanto más pequeña, más duro el material.
| Ensayo | Penetrador | Qué se mide | Fórmula |
|---|---|---|---|
| Brinell (HB) | bola de metal duro (D = 10 mm); F = K · D² en kgf, con K = 30 en aceros y fundición (30 · 10² = 3000 kgf = 29 420 N: en la fórmula, F va en N) | el diámetro de la huella, d | HB = 0,102 · 2Fπ · D · (D − √(D² − d²)) |
| Vickers (HV) | pirámide de diamante de base cuadrada (136° entre caras) | la media de las dos diagonales, d | HV = 0,1891 · Fd² |
| Rockwell (HRC, HRB) | cono de diamante de 120° (C) o bola de 1/16″ (B) | la profundidad e, en un reloj | HRC = 100 − e0,002 |
El Brinell vale si la huella está entre 0,24 · D y 0,6 · D y hasta unos 650 HB; el Vickers sirve para todo, también para los aceros templados; el Rockwell es el más rápido (se lee directamente en el reloj) y es el de los talleres.
El durómetro en corte, con la bola de Brinell.
La huella en el acero S275 vista en el ocular del microscopio: se miden dos diámetros en cruz y se hace la media.
Un péndulo pesado se suelta desde un ángulo α, rompe de un golpe una probeta con una entalla en V y sigue subiendo hasta un ángulo β. Lo que no sube es la energía que ha absorbido la probeta al romperse: su tenacidad.
El péndulo de Charpy en corte, con el baño que pone la probeta a la temperatura del ensayo.
La curva de transición del acero S275: por debajo de −20 °C absorbe muy poco. Es lo que les pasó a los Liberty.
Los aceros corrientes tienen una temperatura de transición: por encima se rompen de forma dúctil (la cara de la rotura es fibrosa y mate, y absorben mucha energía); por debajo, frágil (la cara es cristalina y brillante, y casi no absorben nada). El acero inoxidable austenítico (el 304) no tiene transición: sigue siendo tenaz en el frío extremo.
El S275 roto a 20 °C: un 94 % de cara fibrosa (dúctil).
El mismo acero a −40 °C: casi todo cristalino (frágil).
Una aleación es una disolución en estado sólido: en el latón, los átomos de cinc ocupan el sitio de algunos de cobre (solución sólida de sustitución, porque son de tamaño parecido); en el acero, los de carbono, mucho más pequeños, se meten en los huecos entre los de hierro (solución de inserción). El diagrama hierro-carbono dice qué estructura tiene un acero según su carbono y su temperatura: hasta un 2,11 % de carbono es acero y, por encima, fundición; con un 0,77 % (el acero eutectoide), al enfriarse por debajo de 727 °C la austenita se convierte toda en perlita (láminas de ferrita y cementita).
En los metales, los átomos se ordenan en redes cristalinas: cúbica centrada en el cuerpo (el hierro a temperatura ambiente), cúbica centrada en las caras (el aluminio, el cobre, y el hierro por encima de 912 °C, la austenita) y hexagonal (el titanio, el cinc). La red y los granos deciden muchas propiedades, y por eso se pueden cambiar con calor:
La tracción da E, Re, Rm, A y Z; la dureza, la huella (HB, HV, HR); el Charpy, la energía que absorbe al romperse, que en los aceros corrientes cae en picado con el frío. Los tratamientos térmicos cambian la estructura y, con ella, las propiedades.
Cubren la tracción, la dureza, el Charpy y los tratamientos. Redondea a una cifra decimal.
1. Una probeta de d0 = 8 mm soporta una fuerza de 20 kN. ¿Qué tensión tiene, en MPa?
2. Una probeta de L0 = 50 mm mide, después de romperse y juntar los trozos, Lu = 61 mm. ¿Qué alargamiento A tiene, en %?
3. En esta curva del acero S275, ¿qué es el punto marcado?
4. Une cada ensayo con lo que se mide en él.
5. El péndulo del simulador (20 kg, brazo de 0,825 m) se suelta a 150° y, después de romper la probeta, sube hasta 120°. ¿Cuánta energía ha absorbido la probeta, en J? (g = 9,81 m/s²)
6. Elige la palabra que falta en cada hueco.
Veinte preguntas que mezclan los seis bloques, en cinco partes. Casi nada se parece a lo que ya hiciste: objetos nuevos, casos de la ferretería y del taller y cuentas de laboratorio. La parte E es de Bachillerato: si eres de ESO, el marcador te da el «¡Perfecto!» sin ella. Si fallas una, el comentario te dice a qué bloque volver.
1. En una ferretería ves tres cosas. ¿Cuál es de un material natural?
2. Los tapones de las botellas de vino se hacen con la corteza del alcornoque. ¿De qué origen es esa materia prima?
3. Une cada objeto con la familia de su material.
4. ¿Qué tienen en común el bronce de una campana y el latón de una trompeta?
5. Una tuerca de 39,25 g hace subir el agua de una probeta de 30 cm³ a 35 cm³. ¿Qué densidad tiene, en g/cm³? (Después, busca en la tabla del bloque 2 de qué metal es.)
6. Una tabla de esquí tiene que doblarse mucho al pasar por un bache y quedarse recta después. ¿Qué propiedad necesita sobre todo?
7. Con un trozo de vidrio puedes rayar una llave de acero, pero si se te cae el vidrio al suelo se hace añicos y la llave no. ¿Cómo es el vidrio?
8. Un chatarrero tiene un montón de latas mezcladas. ¿Cómo separa en un momento las de acero de las de aluminio?
9. Vas a colgar una balda en la pared del aula, y quizá el año que viene la cambiéis de sitio. ¿Cómo la sujetas?
10. Ordena los pasos para hacer un agujero en una chapa de acero en el taller.
11. Para fijar las patas de un LED y de una resistencia a una placa de circuito impreso, ¿qué se usa?
12. La norma UNE-EN 60974-1 da la tensión convencional del arco con electrodo: U = 20 + 0,04 · I. Si sueldas a 150 A, ¿qué tensión hay entre el electrodo y la pieza, en voltios?
13. Unos auriculares tienen la carcasa de plástico pegada a la batería y a las piezas de metal. ¿Qué problema dan al final de su vida?
14. Para la funda de un móvil, la silicona saca 5 en protección (peso 50 %), 4 en precio (20 %) y 2 en impacto ambiental (30 %). ¿Qué nota final tiene?
15. De las tres R, ¿cuál evita más residuos?
16. ¿Qué le pasó a la bahía de Portmán, en La Unión?
17. Un tirante de aluminio, todavía en la zona elástica, soporta 140 MPa y se ha alargado ε = 0,002. ¿Cuál es su módulo de Young, en GPa?
18. En un ensayo Vickers HV30 (F = 294,2 N), las diagonales de la huella miden 0,46 mm y 0,48 mm. ¿Qué dureza tiene el acero, en HV?
19. Un oleoducto de acero va a trabajar en Alaska a −40 °C. ¿Qué ensayo dice si se romperá de forma frágil?
20. Una probeta normalizada absorbe 64 J al romperse en el péndulo, y su sección bajo la entalla es de 0,8 cm². ¿Qué resiliencia tiene, en J/cm²?
El Ayuntamiento va a renovar el mobiliario del parque y lo saca a concurso: varias empresas presentan su propuesta y gana la mejor defendida. Vuestro equipo es una de esas empresas. No basta con un dibujo bonito: hay que decir de qué material es cada pieza y por qué, con pruebas hechas en el taller y con números, cómo se une todo y qué pasará con él cuando se rompa.
Cada equipo recibe uno de estos encargos: un banco, una papelera, un aparcabicis, una jardinera, un comedero de pájaros o la marquesina de una parada de autobús. Tenéis que despiezarlo en 3-5 partes, elegir el material de cada una con pruebas y una matriz de decisión, decidir las uniones, pensar su ciclo de vida, construir una maqueta a escala y defenderla en un minuto.
No es un tema nuevo: es juntar lo que ya sabes. Las familias y las propiedades son las de los bloques 2 y 3; las pruebas, las del banco; las uniones, las del bloque 4; la matriz y el ciclo de vida, los del bloque 5.
| Parte | Qué tiene que cumplir |
|---|---|
| Requisitos | Lo que tiene que aguantar (sol, lluvia, peso, golpes, vandalismo) y el riesgo crítico: lo que no puede fallar nunca. |
| Despiece | Entre 3 y 5 partes, con un dibujo de cada una y su función. |
| Pruebas | Al menos tres muestras reales probadas en el banco (conducir, rayar, flotar, imán, doblar), con su tabla de resultados. |
| Elección | Una matriz de decisión por pieza, con tres candidatos, los pesos justificados y las cuentas. |
| Uniones y final | Cómo se une cada pieza (y cuál se podrá cambiar si se rompe) y qué se hace con cada material al final de su vida. |
| Maqueta y defensa | Una maqueta a escala (1:10 o 1:20) y un minuto de defensa ante el «tribunal» de la clase. |
| 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) |
| PVC | No | Ninguna | navaja | 1,38 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Acero | Sí | Las 3 | navaja | 7,85 · se hunde | Sí | Se queda (dúctil) |
| Aluminio | Sí | Las 3 | arandela | 2,7 · se hunde | No | Se queda (dúctil) |
| Granito | No | Ninguna | cuarzo | 2,7 · se hunde | No | Se rompe (frágil) |
Así queda la tabla de pruebas con cinco candidatos típicos del parque (los resultados del simulador). La vuestra, con vuestras muestras.
En el banco de pruebas: la pila es de 4,5 V (nunca un enchufe); la vela, en su soporte y lejos del pelo y de los papeles; las muestras se sujetan en el tornillo de banco para doblarlas, con las gafas puestas. Para la maqueta, el cúter siempre con regla metálica y cortando hacia fuera.
Muestras de 20 cm³ o parecidas (madera, chapas, plásticos, piedra), una pila de 4,5 V con bombilla y pinzas, una vela y cera, un imán, una báscula de cocina, una probeta con agua y el tornillo de banco.
Cartón pluma, listones de madera, alambre, chapa fina de aluminio, tornillería pequeña, cola blanca y termofusible.
Una hoja de cálculo para las matrices, el simulador de ensayos para comprobar las pruebas y un póster o tres diapositivas para la defensa.
⏱ 1 sesión
Salid a ver mobiliario parecido (en el patio, en el barrio, en fotos): qué materiales lleva, qué se ha roto, qué está oxidado o pintado. Escribid los requisitos y el riesgo crítico.
Entrega: la lista de requisitos y tres fotos comentadas.
⏱ 1 sesión
Dibujad el objeto y separadlo en 3-5 partes con su función. Para cada parte, tres materiales candidatos de familias distintas.
Entrega: el boceto con el despiece y los candidatos.
⏱ 1 sesión
Pasad las muestras por el banco y rellenad la tabla. Comprobad en el simulador las que no tengáis.
Entrega: la tabla de pruebas con fotos.
⏱ 1 sesión
Una matriz de decisión por pieza; las uniones (¿qué pieza habrá que cambiar algún día?) y el final de cada material.
Entrega: la ficha técnica con las matrices.
⏱ 2 sesiones
La maqueta a escala y un minuto de defensa: el problema, vuestra solución, el material de la pieza clave y por qué. Después, la clase vota cada encargo.
Entrega: la maqueta y la defensa.
Tres preguntas como las que os hará el tribunal. Respondedlas después de la fase 4.
1. En la matriz del asiento del banco, el pino y el plástico reciclado empatan a 3,8. ¿Qué hacéis?
2. La muestra gris que pensáis usar para la papelera pesa 135 g y desplaza 50 cm³ de agua. ¿Qué densidad tiene? (Si además conduce, ya sabéis qué metal es.)
3. Las tablas del asiento son lo primero que se rompe (o lo que pintan). ¿Cómo las unís a la estructura?
4. La marquesina va en lo alto de Sierra Espuña, donde algunas noches de invierno se baja de −10 °C; para ir sobre seguro, pedís que el acero aguante a −20 °C. Para los pilares dudáis entre un acero S275JR y un S355J2. Con el simulador de ensayos (Choque, a −20 °C), ¿cuál elegís y por qué?
Pasad vuestras muestras por el banco del simulador antes de probarlas de verdad: así sabréis qué esperar.
▶ Abrir el banco de pruebas en el simulador ▶ ⊕ El péndulo de Charpy a −20 °CSi lo hacéis en Bachillerato, añadid a la ficha técnica los datos de ensayo de cada material metálico (Re, Rm, A y su energía Charpy a la temperatura de trabajo, del simulador o de un catálogo) y comprobad que la pieza clave aguanta con un coeficiente de seguridad de 1,5.