Materiales y sus propiedades: tipos, estructura, propiedades mecánicas y tecnológicas, selección e impacto ambiental
El bloque de Materiales de la PAU de Madrid evalúa si sabes relacionar la estructura interna de un material con sus propiedades y justificar su selección con criterios técnicos, económicos y ambientales. Suele combinarse teoría con un ejercicio numérico de tracción o de índice de mérito, así que conviene dominar el diagrama tensión-deformación y las unidades.
Tipos y estructura
- Metales: enlace metálico y estructura cristalina (CCC, CC, HC); dúctiles, tenaces y buenos conductores.
- Cerámicos y vidrios: enlace iónico o covalente; duros, frágiles y aislantes térmicos y eléctricos.
- Polímeros: cadenas covalentes; termoplásticos (reciclables por fusión), termoestables (retículos irreversibles) y elastómeros.
- Compuestos: matriz más refuerzo (fibra de vidrio, fibra de carbono); destacan por sus propiedades específicas (σ/ρ, E/ρ).
Propiedades mecánicas
Del ensayo de tracción se obtiene el diagrama σ-ε: límite elástico σy (0,2 % de deformación permanente cuando no hay escalón), tensión de rotura σR, alargamiento A (%) y módulo de Young E = σ/ε en la zona elástica (ley de Hooke). No confundas dureza (resistencia a la penetración), tenacidad (energía total absorbida hasta la rotura, área bajo la curva) y resiliencia (energía elástica, σy²/2E). Las propiedades tecnológicas -colabilidad, forjabilidad, maquinabilidad, soldabilidad- condicionan el proceso de fabricación, no el comportamiento en servicio.
Selección e impacto ambiental
Se comparan alternativas con criterios ponderados (resistencia, peso, coste, corrosión, reciclabilidad) o con índices de mérito como σy/ρ para elementos a tracción. La evaluación del ciclo de vida considera extracción, fabricación, uso y fin de vida: acero y aluminio son reciclables, mientras que termoestables y compuestos son difíciles de separar.
Ejemplo resuelto
Barra de acero S275 (E = 210 GPa) de 2 000 mm y 100 mm² sometida a 20 kN de tracción.
- σ = F/A = 20 000 N / 100 mm² = 200 MPa < 275 MPa → régimen elástico.
- ε = σ/E = 200·10⁶ / 210·10⁹ = 9,52·10⁻⁴.
- ΔL = ε·L = 9,52·10⁻⁴ · 2 000 mm = 1,90 mm.
- Coeficiente de seguridad n = 275/200 = 1,375; si se exige n ≥ 2, la sección necesaria sería A ≥ F·n/σy = 20 000·2/275 ≈ 145 mm².
Errores que restan puntos
- Usar σR en el cálculo de deformaciones en lugar de σy.
- Mezclar MPa (N/mm²) con Pa y no convertir la sección a mm².
- Ignorar el escalón superior del acero dulce y tomar el límite de proporcionalidad como σy.
- Comparar materiales solo por densidad, sin índice de mérito ni criterio de rigidez.