A3.1 — Clasificación y propiedades de los materiales

El alumnado debe ser capaz de: explicar cómo y por qué se clasifican los materiales y discutir las ventajas de clasificarlos en función de sus propiedades físicas, químicas y mecánicas.

Clasificar no es un capricho académico: es la herramienta que permite organizar, comprender y utilizar los materiales de forma eficaz. Un sistema de clasificación deja ver cómo se comporta cada material y cómo ese comportamiento se relaciona con su composición y su estructura interna. Sin esa relación, un diseñador solo podría elegir por ensayo y error.

Por qué clasificamos

Las tres grandes familias de propiedades

Los sistemas de clasificación han cambiado con la historia

Para fines de ingeniería, el libro de texto agrupa los materiales en siete grandes categorías: madera, metales, polímeros, cerámicas, textiles, cuero y materiales compuestos. Cada una se subdivide (los metales, por ejemplo, en ferrosos y no ferrosos; los compuestos, por matriz y por refuerzo).

El alumnado debe ser capaz de: discutir los entramados estructurales, las estructuras laminares, las sólidas y las combinadas (por ejemplo, entramado y laminar), y cómo se utilizan en el diseño de productos. Deben comprender que los materiales se clasifican en naturales y artificiales, incluidos, por ejemplo, maderas, polímeros, metales, vidrio, textiles, materiales compuestos, materiales inteligentes y biomateriales.

Naturales frente a fabricados

Clasificación estructural: entramado, laminar, sólida y combinada

Los entramados, las estructuras laminares (de cáscara) y las sólidas son los bloques constructivos fundamentales del diseño de productos. Cada uno ofrece ventajas distintas en resistencia, peso y funcionalidad.

Las estructuras combinadas permiten productos funcionalmente resistentes y estéticamente atractivos.

Aleaciones ferrosas y no ferrosas: el caso de los metales

Los metales puros casi nunca se usan tal cual: la mayoría son demasiado blandos, frágiles o químicamente reactivos para un uso práctico. Por eso se alean: una aleación es una mezcla que contiene al menos un metal, ya sea metal + metal (bronce = cobre + estaño) o metal + no metal (acero al carbono = hierro + carbono). Frente al metal puro, la aleación gana resistencia y dureza y pierde maleabilidad y ductilidad, porque los átomos «extraños» dificultan el deslizamiento de los planos de la red cristalina.

Regla rápida: ferroso = contiene hierro = magnético = se oxida (salvo el inoxidable). Todo lo demás es no ferroso.

El alumnado debe ser capaz de: evaluar las propiedades físicas, químicas y mecánicas para garantizar la selección del material más adecuado para un propósito específico.

La elección, entre un abanico de opciones que compiten entre sí, del material más adecuado para un fin concreto puede ser difícil y a menudo exige equilibrar propiedades que se contradicen. Un material muy duro suele ser poco tenaz; uno muy resistente suele ser denso; uno barato suele durar menos. Comparando y contrastando propiedades, el diseñador toma decisiones informadas que encajan con los requisitos del proyecto.

El conflicto entre propiedades: ejemplos que debes saber

Herramientas profesionales de evaluación

Los paquetes profesionales de CAD incorporan tablas de propiedades de materiales para ayudar a seleccionar el más adecuado. Esas tablas incluyen densidad, dureza, resistencia a la tracción, conductividad eléctrica, coeficientes de dilatación y otras propiedades relevantes, lo que permite comparar rápidamente materiales frente a criterios concretos a medida que se desarrollan las distintas iteraciones del producto.

El proceso de evaluación es iterativo: un ensayo fallido te devuelve a la fase de cribado.

El alumnado debe ser capaz de: explicar la densidad, la expansión térmica, la conductividad térmica, el punto de fusión, la resistividad eléctrica y la conductividad eléctrica.

Densidad

Se mide en kg/m³ en el SI (o g/cm³ en la práctica del taller). Es una propiedad intrínseca o inherente: no depende de la cantidad de material presente. Un gramo de aluminio y una tonelada de aluminio tienen la misma densidad.

Dilatación (expansión) térmica

Al calentar un material, la energía térmica aumenta la vibración de los átomos, crece la separación atómica y por tanto crecen las dimensiones. Se cuantifica con el coeficiente de dilatación lineal (α), en mm por mm y por grado (10^-6 K^-1). La fórmula que debes manejar es:

Δl = α · l · ΔT  —  cambio de longitud = coeficiente × longitud inicial × cambio de temperatura.

Datos del ASM Metals Reference Book, 3.ª ed., 1993, recogidos en Metcalfe. Observa el salto: los polímeros dilatan de 4 a 8 veces más que los metales.

Conductividad térmica

Cuando hay un gradiente de temperatura, el calor fluye de la zona caliente a la fría. La conductividad térmica (K), en W m^-1 K^-1, mide la eficiencia de ese transporte: a mayor K, mayor caudal de calor. Los metales tienen K alta (electrones libres que transportan energía); los polímeros y las cerámicas la tienen baja y actúan como aislantes.

Fíjate en el rango: del grafito al poliuretano hay un factor de 100 000. Por eso la espuma de poliuretano, que atrapa aire, es aún mejor aislante que el aire libre.

Punto de fusión

En el punto de fusión coexisten en equilibrio las fases sólida y líquida. Depende de la fuerza de los enlaces intermoleculares: cuanto más fuertes, más energía hace falta para romperlos y mayor es el punto de fusión. En los metales sólidos, los átomos forman una red metálica con electrones deslocalizados compartidos por toda la estructura; esos enlaces fuertes explican sus puntos de fusión altos. El mercurio, con enlaces metálicos débiles, funde a −38,83 °C. En el hielo son los puentes de hidrógeno los que fijan la fusión en 0 °C.

Escala de referencia (°C): mercurio −38,8 · hielo 0 · galio 29,8 (funde en la mano) · parafina 46–68 · estaño 231,9 · plomo 327,5 · aluminio 660,3 · plata 961,8 · cobre 1085 · hierro 1538 · wolframio 3422 (de ahí su uso en filamentos de bombilla).

Resistividad y conductividad eléctricas

La conductividad (σ) y la resistividad (ρ) miden la facilidad con la que los electrones libres se mueven por el material; son propiedades inherentes y recíprocas: σ = 1/ρ (estrictamente cierto solo en metales). La resistividad en los metales nace del choque de los electrones con:

• Imperfecciones de la red (por ejemplo, las creadas por deformación en frío).
• Átomos de soluto (impurezas).
• Vibraciones de la red inducidas térmicamente (temperatura).

La temperatura es el factor de mayor peso: al subir, aumentan las vibraciones de red y con ellas la resistividad. En los semiconductores ocurre lo contrario: al calentar, más electrones saltan de la banda de valencia a la de conducción, aumentan los portadores de carga y la conductividad mejora. Este comportamiento opuesto es la base de los termistores NTC.

Conductividad σ en S/m: plata 6,29 × 10⁷ · cobre 5,98 × 10⁷ · aluminio 3,77 × 10⁷ · hierro 1,02 × 10⁷ · germanio 2,13 (semiconductor) · vidrio de ventana 2 × 10^-5 · polietileno y mica 10^-11 a 10^-17 (aislantes). La resistividad ρ es su inversa.

El alumnado debe ser capaz de: explicar la resistencia a la corrosión, la reactividad (seguridad alimentaria), la higroscopia y la inflamabilidad.

Resistencia a la corrosión

La corrosión es una reacción electroquímica que convierte los metales en óxidos, sales u otros compuestos. Un metal corroído pierde resistencia, ductilidad y otras propiedades mecánicas importantes. Para que haya corrosión deben darse tres condiciones a la vez:

Elimina cualquiera de los tres y detienes el proceso. Esa es la lógica de todas las medidas anticorrosión.

La clave está en el tipo de óxido que se forma. Si el óxido es denso y bien adherido, protege la superficie y el metal queda pasivado. Si es poroso y mal adherido (como el del acero al carbono), deja pasar las especies corrosivas o se desprende, exponiendo metal nuevo al ataque.

Reactividad (seguridad alimentaria)

En seguridad alimentaria, la reactividad abarca dos cosas: la respuesta de una persona a un alimento (alergias e intolerancias —gluten, frutos secos, marisco—, que se declaran en la etiqueta) y la interacción entre el alimento y su envase. El envase prolonga la vida útil protegiendo del ambiente y de los microorganismos, pero con el tiempo puede reaccionar con el contenido y alterar sabor, textura, color, valor nutricional y seguridad. Por eso las etiquetas llevan «consumir preferentemente antes de», «fecha de caducidad» y recomendaciones de conservación.

Todos estos mecanismos se aceleran con la temperatura: de ahí «conservar en lugar fresco y seco».

Higroscopia

Un material higroscópico (o hidrófilo) «busca» y retiene moléculas de agua del entorno, por absorción o adsorción. Lo contrario es hidrófobo («que teme al agua»): repele el agua.

Inflamabilidad

Un término próximo es combustibilidad, que describe la capacidad de arder bajo ciertas condiciones y, por tanto, también la resistencia a la ignición. La relación es de inclusión: todos los materiales inflamables son combustibles, pero no todos los combustibles son inflamables. Un trozo de madera es combustible, pero necesita más calor o una exposición más larga a la llama para encenderse que un líquido inflamable como la gasolina.

El alumnado debe ser capaz de: explicar la resistencia a la tracción y a la compresión, la rigidez, la dureza, la tenacidad, la maleabilidad, la elasticidad, la plasticidad y la ductilidad.

La curva tensión-deformación: el mapa de todo este apartado

La pendiente del tramo recto inicial es el módulo de Young (rigidez); la altura del máximo es la resistencia a la tracción; el área bajo la curva es la tenacidad; la longitud del tramo plástico indica la ductilidad. Una sola gráfica, cuatro propiedades.

Resistencia a la tracción y a la compresión

La resistencia a la tracción mide la oposición del material a deformarse plásticamente bajo una carga de estiramiento. Cuando se cita un valor, se refiere a la resistencia última a la tracción (UTS): la carga máxima que soporta dividida por la sección transversal original. Se mide en MPa (1 Pa = 1 N/m²). Es la propiedad mecánica más citada de cualquier material.

Muchos materiales son asimétricos: el hormigón y la piedra resisten enormemente a compresión y muy poco a tracción (por eso el hormigón se arma con acero y por eso el arco trabaja a compresión); la fibra de carbono y las cuerdas resisten a tracción pero no soportan compresión sin pandear.

Rigidez

La rigidez es la resistencia de un cuerpo elástico a ser deformado por una fuerza. La medida más citada es el módulo de elasticidad o módulo de Young (E), en GPa: es la pendiente del tramo recto de la curva tensión-deformación. Cuanto más empinada la recta, más rígido el material. No confundas rígido (no se dobla) con resistente (no rompe): el vidrio es rígido y poco resistente; el nailon es resistente y poco rígido.

Adaptado del ASM Handbook (Metcalfe). Ojo con el roble: 11 GPa a lo largo de la veta; a través de ella es mucho menor. La madera es un material anisótropo.

Tenacidad

La tenacidad se lee en el área bajo la curva dentro del rango plástico: cuanta más área, más tenaz el material y más energía hace falta para romperlo. En la práctica se mide por resistencia al impacto, con los ensayos Izod y Charpy: se mecaniza una entalla en «V» o en «U» en una probeta normalizada, se rompe con un péndulo y la altura que alcanza el péndulo tras la rotura indica la energía absorbida.

Dureza

Hay muchos ensayos y conviene conocer la lógica de cada grupo: los estáticos con carga fija presionan un penetrador normalizado y miden el área o la profundidad de la huella; los dinámicos son ensayos de rebote.

El durómetro no predice bien otras propiedades (tracción, abrasión, desgaste), por lo que se usa junto a otros ensayos. Y las tablas de conversión entre escalas solo valen para el material con el que se obtuvieron: no se extrapolan.

Elasticidad, plasticidad, maleabilidad y ductilidad

Dentro de la región elástica, la relación entre carga y alargamiento es lineal: es la ley de Hooke (Robert Hooke, siglo XVII), que se enuncia como «la tensión es proporcional a la deformación» y corresponde al tramo recto de la curva.

La plasticidad empieza donde acaba la elasticidad. Pasado el límite elástico, la relación tensión-deformación deja de ser lineal y, al retirar la carga, el material conserva una deformación permanente. En los metales, la deformación plástica ocurre porque los átomos se desplazan unos respecto a otros a lo largo de planos cristalográficos de la red metálica, mediante un proceso llamado deslizamiento (slip).

El alumnado debe ser capaz de: explicar con un ejemplo por qué la combinación de materiales puede crear materiales compuestos más adecuados para un propósito o contexto específico.

Un compuesto tiene siempre dos partes: una matriz (que da forma, transmite la carga y protege) y un refuerzo (que aporta resistencia o rigidez). Lo esencial es que los materiales están unidos de modo que cada uno contribuye a mejorar las propiedades mecánicas, físicas, químicas o eléctricas del conjunto. El compuesto hace lo que ninguno de sus componentes haría por separado.

Los tres tipos básicos según la forma del refuerzo: reforzados por partículas, por fibras y laminares.

Compuestos naturales

El hueso y la madera son compuestos naturales. El hueso combina la cerámica hidroxiapatita (fosfato cálcico) con el polímero natural colágeno dentro de una matriz proteica gelatinosa: el colágeno aporta fibras largas, resistentes y flexibles (como los hilos de una cuerda) y los pequeños cristales de hidroxiapatita adheridos a esas fibras aportan rigidez. Además las fibras se disponen en capas concéntricas alrededor de un vaso sanguíneo central, cada capa orientada en dirección opuesta a la anterior. El resultado es resistente y rígido sin dejar de ser flexible. La madera natural sigue el mismo principio: fibras de celulosa en una matriz de lignina.

Los tres tipos de compuesto

El alumnado debe ser capaz de: explicar cómo se pueden seleccionar los materiales para que reaccionen ante estímulos externos, como la piezoelectricidad, la memoria de forma, el fotocromatismo, el magnetorreológico, la electroestática y la termoelectricidad.

Piezoelectricidad

Descubierta por los físicos franceses Pierre y Jacques Curie en 1880: al aplicar presión a ciertos cristales como el cuarzo aparece una pequeña carga eléctrica en su superficie. El efecto es bidireccional: al pasar corriente, el material cambia de forma, y al invertir la polaridad cambia en sentido contrario; con corriente alterna vibra. Materiales típicos: cuarzo (SiO₂), titanato de bario (BaTiO₃) y titanato-circonato de plomo (PZT).

Memoria de forma

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) se descubrieron en los años 30, pero fueron poco más que una curiosidad de laboratorio hasta los 60, cuando se produjo el Nitinol (Ni-Ti, acrónimo de Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory). Es no magnético, con cantidades casi iguales de níquel y titanio, y gracias a sus buenas propiedades mecánicas y a su biocompatibilidad es hoy la SMA más usada.

El mecanismo es un cambio de fase en estado sólido entre dos disposiciones de la red atómica: la austenita (fase de alta temperatura, relativamente fuerte, la «fase madre») y la martensita (fase de baja temperatura, relativamente blanda). Si se conforma la pieza en austenita, se enfría a martensita y se le da otra forma, mantendrá esa nueva forma hasta que se la recaliente, momento en que recupera la original.

Las etapas 1 a 4 son memoria de forma de una vía; añadiendo un enfriamiento final (etapa 5) se obtiene la memoria de dos vías.

Fotocromatismo

El oscurecimiento es proporcional a la exposición a la luz ultravioleta y se debe a una reacción fotoquímica reversible. En las lentes de vidrio, moléculas de cloruro de plata (AgCl) dentro de la estructura de sílice sufren una reacción reversible de oxidación-reducción: con UV se forma plata coloidal que absorbe hasta el 80 % de la luz incidente; al retirar la radiación, la plata se recombina con los iones cloruro y la lente se aclara. En las lentes de policarbonato el efecto lo produce un recubrimiento de moléculas orgánicas que cambian de forma con el UV. Ejemplo cotidiano: las gafas «de transición».

Fluidos electrorreostáticos (ER) y magnetorreológicos (MR)

Son suspensiones coloidales en aceite que se vuelven semisólidas al aplicar un campo eléctrico (ER) o magnético (MR) y recuperan su estado fluido al retirarlo. Las partículas se alinean con las líneas de campo y la resistencia a cortadura del fluido depende de la intensidad del campo: variando el campo se controla la viscosidad en tiempo real, como si fueran interruptores de fluido. Cuanto menor es el tamaño de partícula, más tiempo permanece en suspensión.

Un fluido ER o MR debe además ser poco tóxico, no abrasivo y no corrosivo, tener larga vida de almacenamiento y de servicio, punto de ebullición alto y de congelación bajo, y sus partículas no deben sedimentar.

Termoelectricidad

Funciona en los dos sentidos: ante una diferencia de temperatura se genera un potencial eléctrico (efecto Seebeck) y, a la inversa, ante una diferencia de potencial aparece un cambio de temperatura (efecto Peltier). Los dispositivos termoeléctricos permiten generadores, sistemas de refrigeración y recuperación de calor residual sin piezas móviles ni residuos contaminantes. Ejemplos cotidianos: los termopares de un horno o una caldera (Seebeck) y las neveras portátiles Peltier de 12 V de un coche.

El alumnado debe ser capaz de: explicar cómo los biomateriales son una parte clave de la economía circular y pueden ser utilizados por los diseñadores/as para eliminar los residuos desde el diseño.

La biodegradación es el proceso por el que organismos vivos —principalmente microorganismos como bacterias y hongos— descomponen los materiales en sustancias más simples y no tóxicas. No todos los biomateriales son biodegradables, pero muchos lo son, y eso ofrece una opción valiosa de final de vida que evita el vertedero y la incineración.

Los biomateriales, y en especial los bioplásticos, mejoran la circularidad del ciclo de vida del producto y reducen su huella de carbono porque proceden de fuentes renovables (plantas y microorganismos). Esa es su ventaja significativa frente a los materiales derivados de combustibles fósiles dentro de una economía circular.

Definiciones exactas del glosario del IB (actualizado en abril de 2026). Memorízalas literalmente: el examen puede preguntarlas tal cual. Es el subtema con más vocabulario de todo el Nivel Medio.

Adaptadas de los ejercicios del libro de texto (Metcalfe) y del formato de los Papers del IB.

Conexiones con otras unidades — útiles para respuestas de síntesis en Paper 2. Se han conservado solo las preguntas de la guía que enlazan con subtemas del Nivel Medio.

• A2.2¿Cuándo restringen las propiedades físicas de los materiales la posibilidad de utilizar determinadas técnicas de creación de prototipos?
• B2.2¿Cómo pueden las características de un material limitar la eficacia de la creación de modelos y prototipos a medida que se desarrollan los diseños?
• C2.1 · C2.2¿Cómo podría influir el desarrollo continuo de materiales biodegradables en la capacidad de los diseñadores/as de abordar aspectos del diseño para la sostenibilidad y la economía circular?
• C3.1¿Por qué el conocimiento profundo de los materiales es clave para el análisis y la evaluación eficaz de los productos?