Ciencia e Ingenieria de Los Materiales-Callister

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WILLIAM D. CALLISTER, Jr.Department of Materials Science and Engineering The University of Utah.

E D I T O R I A LBarcelona Bogot

R E V E R T ,Buenos Aires Caracas

S . A .Mxico

1.1 Perspectiva histrica 2 1.2 Ciencia e ingeniena de los materiales 2 1.3 Clasificacin de los materiales 4 1.4 Necesidad de materiales modernos 5 Bibliografa 6

Monocristales 53 Materiales policristalinos 53 Anisotropa 54 Difraccin de rayos X: determinacin de estructuras cristalinas 55 3.16 Slidos no cristalinos 60 Resumen 61 Trminos y conceptos importantes 62 L/ Bibliografa 62 Problemas y cuestiones 63Captulo 4IMPERFECCIONES EN SLIDOS 71

3.12 3.13 3.14 3.15

3.1 Introduccin 8 - CTRLTCTURA ATOMICA 8 2.2 Conceptos fundamentales 8 2.3 Los electrones en los tomos 9 2.1 La tabla peridica 15 ~LACES ATMICOS EN LOS SQLLDOS 17 2.5 Fuerzas y energas de enlace 17 4.6 Enlaces interatmicos primarios 19 - Enlace secundario o enlace de van der Waals 23 -. 1 1.5 Molculas 25 ?.sumen 26 ; trminos y conceptos importantes 27 J 3ibliografa 27 -?roblemas y cuestiones 277I

ir.i!o ?

L4 ESTRUCTURA D EL O S SLIDOS CRISTALINOS

31

4.1 Introduccin 72 DEFECTOS DE P U T O 71 4.2 Vacantes y autointersticiales 72 4.3 Impurezas en slidos 74 IMPERFECCIONFS 76 4.4 Dislocaciones. Defectos lineales 76 4.5 Defectos interfaciales 80 4.6 Defectos de volumen 84 4.7 Vibraciones atmicas 84 O I ~ S E K C ' ~ ~ ~ CM 'I( I~ C ?R J O S ~ ~ P I C ,S4 ~ 4.8 General 84 .4.9 Microscopia 85 4.10 Determinacin del tamao del grano 89 Resumen 89 Terminos y conceptos importantes 90 Bibliografa 91 Problemas y cuestiones 91

Introduccin 32 RCCTT-JRA CRISTALINA 32 2 Conceptos fundamentales 32 : . I Celdilla unidad 33 5.4 Estructuras cristalinas de los metales 34 - Clculo de la densidad 38 3 3.6 Polimorfismo y alotropa 39 Z 1 . , Sistemas cristalinos 39 I '1 R ECCIONI:.S Y PLANOS CRIST,~T,OGRAFICOS 40 3.3 Direcciones cristalogrficas 40 !.9 Planos cnstalogrficos 45 5.10 Densidades atmicas lineal y planar 48 3.11 Estructuras cristalinas compactas 51 '.[ -\7-ERT;\I,FS CKISTAl.IUOS Y YC) CRISTAT,INOS 53-

3.1

-

3

5.1 Introduccin 96 5.2 Mecanismos de difusin 97 5.3 Difusin en estado estacionario 98 5.4 Difusin en estado no estacionario 100 5.5 Factores de la difusin 104 5.6 Otros tipos de difusin 107 5.7 Difusin y tratamientos de los materiales Resumen 107 Terminos y conceptos importantes 107 1 / BibIiografa 108 Problemas y cuestiones 108

107

Captulo 6PROPIEDADES MECNICASDE LOS METALES

Captulo 811 3ROTURA

193

6.1 Introduccin 114 6.2 Conceptos,de esfuerzo y deformacin 114 DEFORMACION ELASTICA 118 6.3 Comportamiento bajo cargas uniaxiales . 118 6.4 Anelasticidad 121 6.5 Propiedades'e1sti:cas de los materiales 122 DEFORMACI~N PLASTICA 125 6.6 Propiedades de traccin 125 132 6.7 Tensin y deformacin reales 6.8 Recuperacin elstica durante la deformacin plstica 135 6.9 Deformacin por compresin, por cizalladura y torsional 135 6.10 Dureza 136 6.11 Vanabiliad de las propiedades de los materiales 6.12 Factores de seguridad 144 Resumen 145 146 Trminos y conceptos importantes Bibliografa 146 Problemas y cuestiones 146

142

' J

Captulo 7 DISLOCACIONESY MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO 157 7.1 Introduccin 158 DISLOCACIONES Y DEFORMACIN PLSTICA 158 7.2 Conceptos bsicos 158 7.3 Caractersticas de las dislocaciones 161 7.4 Sistemas de deslizamiento 163 7.5 El deslizamiento en monocristales 164 7.6 Deformacin plstica de materiales policristalinos 7.7 Deformacin por maclado 169 MECANISMOS D E ENDURECIMIENTO DE LOS METALES 170 7.8 Endurecimiento por reduccin del tamao de grano 171 7.9 Endurecimiento por disolucin slida 173 7.10 Endurecimiento por deformacin 175 Y R E C U P E R A C I ~ N RECRISTALIZACI~N , CRECIMIENTO DEL GRANO 178 . 7.1 1 Recuperacin 179 7.12 Recristalizacin 179 7.13 Crecimiento del grano 184 Resumen 185 Trminos y conceptos importantes 186 Bibliografa 186 Problemas y cuestiones 187

8.1 Introduccin 194 FRACTURA 194 8.2 Fundamentos de fractura 194 8.3 Fractura dctil 195 8.4 Fractura frgil 198 8.5 Principios de mecnica de la fractura 199 8.6 Ensayos de fractura por impacto 210 FATIGA 215 8.7 Tensiones cclicas 216 8.8 La curva S-N 217 8.9 Iniciacin y propagacin de la grieta 220 8.10 Velocidad de propagacin de la grieta 223 8.11 Factores que afectan a la vida a fatiga 229 8.12 Influencia del medio 231 FLUENCIA EN CALIENTE 232 8.13 Comportamiento bajo fluencia en caliente 233 8.14 Influencia de la tensin y de la temperatura 234 8.15 Mtodos de extrapolacin de los resultados 236 8.16 Aleaciones para utilizacin a temperaturas elevadas 238 Resumen 238 Trminos Y conceptos importantes 241 Bibliografa 241 Problemas y cuestiones 242 Captulo 9DIAGRAMAS DE F A S E S 251

168

9.1 Introduccin 252 DEFINICIONES Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES 252 9.2 Lmite de solubilidad 252 9.3 Fases 253 9.4 Microestructura 254 9.5 Equilibrio de fases 254 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES 255 9.6 Sistemas isomrficos binarios 256 9.7 Sistemas eutcticos binarios 264 9.8 Diagrama de equilibrio con fases o compuestos intermedios 274 277 9.9 Reacciones eutectoide y peritctica 9.10 Transformaciones de fases congruentes 277 9.1 1 Cermica y diagramas de fases temanos 279 9.12 La regla de las fases de Gibbs 279 EL SISTEMA HIERRO-CARBONO 281 9.13 Diagrama de fases hierro-carburo de hierro (Fe-Fe&) 281 9.14 Desarrollo de microestructuras en aleaciones hierro-carbono 285 9.15 Influencia de otros elementos de aleacin 292

Resumen 293 Trminos y conceptos importantes Bibliografa 295 295 Problemas y cuestionesCaptulo 10

294

J

TRANSFORMACIONES DE FASE EN LOS METALES

303

10.1 Introduccin 304 TRANSFORMACI0';ES DE FASES 304 10.2 Conceptos fundamentales 304 10.3 Cintica de reacciones en estado slido 304 10.4 Transformaciones multifase 306 CAMBIOS MICROESTRIJCTCRALES Y DE PROPIEDADES E N ALEACIOYES HIERRO-CARBONO 307 10.5 Diagramas de transformacin isotrmica 307 10.6 Diagramas de transformacin por enfriamiento continuo 320 10.7 Comportamiento mecnico de los aceros al carbono 323 10.8 Martensita revenida 326 10.9 Revisin.de las transformaciones de fase de los aceros 329 Resumen 330 Bibliografa 330 ' .L Trminos y conceptos importantes 331 Problemas y cuestiones 331

CONFORMACI~Y METLICA 360 12.2 Hechurado 361 12.3 Moldeo 362 12.4 Otras tecnicas 363 ALEACIO3ES F ~ R R E A S 364 12.5 Aceros 364 12.6 Fundicin 370 ALEACIONES NO F ~ R R E A S 375 12.7 Cobre y sus aleaciones 376 12.8 Aluminio y sus aleaciones 378 12.9 Magnesio y sus aleaciones 378 12.10 Titanio y sus aleaciones 380 12.11 Metales refractarios 380 12.12 Superaleaciones 381 , 12.13 Metales nobles 382 12.14 Otras aleaciones no frreas 382 , Resumen 383 384 " Trminos y conceptos importantes Bi biiografa 384 Problemas y cuestiones 384Caritulo 13ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS CERMICAS387

11.1 Introduccin 338 RECOCTDO 338 11.2 Proceso de recocido 338 11.3 Eliminacin de tensiones 339 11.4 Recocido de aleaciones frreas 339 1 RATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS 340 11.5 Templabilidad 341 11.6 Influencia del medio de temple, tamao y geometra de la muestra 346 EWURECIMIENTO POR PRECIPITACIN 349 11.7 Tratamientos trmicos 350 11.8 Mecanismos de endurecimiento 353 11.9 Otras consideraciones 355 Resumen 355 Trminos y conceptos importantes 356 Bibliografa 356 Problemas y cuestiones 356Capitulo 1 2 ALEACIONES METLICAS

13.1 Introduccin 388 ESTRUCTURAS CERMICAS 388 13.2 Estructuras cristalinas -33813.3 Cermicas formadas por silicatos 399 13.4 Carbono 404 13.5 Imperfecciones de las ceramicas 408 13.6 Diagramas de fases cermicas 412 PROPIEDADES 'VIECNICAS 416 13.7 La fractura frgil de las cermicas 416 13.8 Comportamiento tensin4eformacin 418 13.9 Mecanismos de deformacin plstica 420 13.10 Otras consideraciones mecnicas 422 Resumen 424 Trminos y conceptos importantes 425 Bibliografa 425 Problemas y cuestiones 426Captulo 15

APLICACIONES Y CONFORMADO DELAS CERMICAS

431

359

12.1 Introduccin

360

14.1 Introduccin 432 VIDRIOS 432 14.2 Propiedades de los vidrios 432 14.3 Conformado del vidrio 436 14.4 Vidrios tratados trmicamente 438 14.5 Cermicas vtreas 439 PRODUCTOS DE ARCILLA 4.10 14.6 Caracteristicas de la arcilla 440 14.7 Composiciones de los productos de arcilla

441

XIV

14.8 Tcnicas de fabricacin 441 14.9 Secado y cocido 443 REFRACTARIOS 444 14.10 Refractarios de arcilla 446 14.11 Refractarios de slice 446 14.12 Refractarios bsicos 447 14.13 Refractarios especiales 447 OTRAS APTXACIONES Y &TODOS DE PROCESADO 447 14.14 Abrasivos 447 14.15 Prensado de polvo 449 14.16 Cementos 450 14.17 Cermicas avanzadas 452 Resumen 455 Trminos y conceptos importantes 456 V' Bibiiografia 456 457 Cuestiones y problemas

Apndice A

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)Apendice B

A-1

CONFIGURACIONESE L E C T R ~ N I C A S DE LOS ELEMENTOS A-3.Apndice C

PROPIEDADES DEMATERIALES PARA INGENIER~A SELECCIONADOS A-7RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS R-1

Una popular bebida refrescantese envasa r.ecipientesfabria& con tres tipos de materiales. Los envases de arriba son metSicoa: lasbotellas dei centro son de vidrio (termica)f rlas W P de abajo.yn de Ph&im QoIImeml. (Fotograflas reproducidar GOR Ia autoriza& de,bkmpaliia Coeaok~f

- .-.

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4

INTRODUCCI~N

tablece un inevitable compromiso. El coste de la pieza acabada tambin incluye los gastos de los procedimientos de conformacin para conseguir la forma final. Cuanto ms familiarizados estn los ingenieros o los cientficos con las diferentes caractersticas y relaciones propiedad-estructura de los materiales, as como con las tcnicas de su procesado, mayor ser su habilidad y confianza para hacer elecciones sensatas basadas en estos criterios.

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