Introducci³n a la Ciencia e Ingenier­a de los Materiales - Callister

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2. I n t r o d u c c i n a l a Ciencia e Ingeniera de los Materiales W I L L Ik M D . C A L L I S T E R , J r Departm ent of Materials Science and Engineering The University of Utah. E D I T O R I A L R E V E R T , S . A . B a r c e l o n a B o g o t B u e n o s A i r e s C a r a c a s M x i c o www.FreeLibros.org 3. NDICE ANALTICO ISTA DE SIMBOLOS XV ' aptulo 1 INTRODUCCIN 1 1.1 Perspectiva histrica 2 1.2 Ciencia e ingeniera de los materiales 2 1.3 Clasificacin de los materiales 4 1.4 Necesidad de materiales modernos 5 Bibliografa 6 ..iptulo-2 ESTRUCTURA ATMICA Y ENLACES INTERATMICOS 7 2.1 Introduccin 8 ESTRUCTURA ATMICA 8 2.2 Conceptos fundamentales 8 2.3 Los electrones en los tomos 9 2.4 La tabla peridica 15 NLACES ATMICOS EN LOS SLIDOS 17 2.5 Fuerzas y energas de enlace 17 2.6 Enlaces interatmicos primarios 19 2 7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 23 2 8 Molculas 25 rt-'Umen 26 . .rminos y conceptos importantes 27 Bibliografa 27 Problemas y cuestiones 27 m tulo 3 LA ESTRUCTURA DE LOS SLIDOS CRISTALINOS 31 3.1 Introduccin 32 STRUCTURA CRISTALINA 32 3 2 Conceptos fundamentales 32 3.3 Celdilla unidad 33 3.4 Estructuras cristalinas de los metales 34 3 5 Clculo de la densidad 38 3.6 Polimorfismo y alotropa 39 3 7 Sistemas cristalinos 39 DIRECCIONES Y PLANOS CRISTALOGRFICOS 40 3 8 Direcciones cristalogrficas 40 3 9 Planos cristalogrficos 45 3.10 Densidades atmicas lineal y planar 48 3.11 Estructuras cristalinas compactas 51 MATERIALES CRISTALINOS Y NO CRISTALINOS 53 3.12 Monocristales 53 3.13 Materiales policristalinos 53 3.14 Anisotropa 54 3.15 Difraccin de rayos X: determinacin de estructuras cristalinas 55 3.16 Slidos no cristalinos 60 Resumen 61 Trminos y conceptos importantes 62 Bibliografa 62 Problemas y cuestiones 63 Captulo 4 IMPERFECCIONES EN SLIDOS 71 4.1 Introduccin 72 DEFECTOS DE PUNTO 72 4.2 Vacantes y autointersticiales 72 4.3 Impurezas en slidos 74 IMPERFECCIONES 76 4.4 Dislocaciones. Defectos lineales 76 4.5 Defectos interfaciales 80 4.6 Defectos de volumen 84 4.7 Vibraciones atmicas 84 OBSERVACIN MICROSCPICA 84 4.8 General 84 .4.9 Microscopa 85 4.10 Determinacin del tamao del grano 89 Resumen 89 Trminos y conceptos importantes 90 ^ Bibliografa 91 Problemas y cuestiones 91 Captulo 5 DIFUSIN 95 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 107 Resumen 107 Trminos y conceptos importantes 107 !/' Bibliografa 108 Problemas y cuestiones 108 XI www.FreeLibros.org 4. XII ND ICE ANALTICO Captulo 6 PROPIEDADES MECNICAS DE LOS METALES 113 6.1 Introduccin 114 6.2 Conceptos de esfuerzo y deformacin 114 DEFORMACIN ELSTICA 118 6.3 Comportamiento bajo cargas uniaxiales , 118 6.4 Ajielasticidad 121 6.5 Propiedades elsticas de los materiales 122 DEFORMACIN PLSTICA 125 6.6 Propiedades de traccin 125 6.7 Tensin y deformacin reales 132 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 Variabiliad de las propiedades de los materiales 142 6.12 Factores de seguridad 144 Resumen 145 Trminos y conceptos importantes 146 l / Bibliografa 146 Problemas y cuestiones 146 Captulo 7 DISLOCACIONES Y 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 DE 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 RECUPERACIN, RECRISTALIZACIN Y CRECIMIENTO DEL GRANO 178 7.11 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 Captulo 8 ROTURA 193 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 9 DIAGRAMAS DE FASES 251 9.1 Introduccin 252 DEFINICIONES Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES 252 9.2 Lmite de solubilidad 252 9.3 Fases 253 168 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 Diagramas de equilibrio con fases o compuestos intermedios 274 9.9 Reacciones eutectoide y peritctica 277 9.10 Transformaciones de fases congruentes 277 9.11 Cermica y diagramas de fases ternarios 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-Fe3C) 281 9.14 Desarrollo de microestructuras en aleaciones hierro-carbono 285 9.15 Influencia de otros elementos de aleacin 292 www.FreeLibros.org 5. NDICE ANALTICO Resumen 293 ^ Trminos y conceptos importantes 294 Bibliografa 295 Problemas y cuestiones 295 C aptulo 10 TRANSFORMACIONES DE FASE EN LOS METALES 303 10.1 Introduccin 304 TRANSFORMACIONES DE FASES 304 10.2 Conceptos fundamentales 304 10.3 Cintica de reacciones en estado slido 304 10.4 Transformaciones multifase 306 CAMBIOS MICROESTRUCTURALES Y DE PROPIE DADES EN ALEACIONES 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 ^ Trminos y conceptos importantes 331 Problemas y cuestiones 331 Captulo 1 TRATAMIENTOS TRMICOS DE ALEACIONES METLICAS 337 11.1 Introduccin 338 RECOCIDO 338 11.2 Proceso de recocido 338 11.3 Eliminacin de tensiones 339 11.4 Recocido de aleaciones frreas 339 TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS 340 11.5 Templabilidad 341 11.6 Influencia del medio de temple, tamao y geometra de la muestra 346 ENDURECIMIENTO 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 356 Captulo 12 ALEACIONES METLICAS 359 12.1 Introduccin 360 CONFORMACIN METLICA 360 12.2 Hechurado 361 12.3 Moldeo 362 12.4 Otras tcnicas 363 ALEACIONES FRREAS 364 12.5 Aceros 364 12.6 Fundicin 370 ALEACIONES NO FRREAS 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 ,, Trminos y conceptos importantes 384 Bibliografa 384 Problemas y cuestiones 384 Captulo 13 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS CERMICAS 13.1 Introduccin 388 ESTRUCTURAS CERMICAS 388 13.2 Estructuras cristalinas ,3_88~ 13.3 Cermicas formadas por silicatos 399 13.4 Carbono 404 13.5 Imperfecciones de las cermicas 408 13.6 Diagramas de fases cermicos 412 PROPIEDADES MECNICAS 416 13.7 La fractura frgil de las cermicas 416 13.8 Comportamiento tensin-deformacin 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 426 Captulo 14 APLICACIONES Y CONFORMADO DE LAS CERMICAS 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 vitreas 439 PRODUCTOS DE ARCILLA 440 14.6 Caractersticas de la arcilla 440 14.7 Composiciones de los productos de arcilla 441 XIII 387 431 www.FreeLibros.org 6. XIV ND ICE ANALTICO 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 APLICACIONES Y MTODOS 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 ^ Bibliografa 456 Cuestiones y problemas 457 Apndice A SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) A-t Apndice B CONFIGURACIONES ELECTRNICAS DE LOS ELEMENTOS A-3 Apndice C PROPIEDADES DE MATERIALES PARA INGENIERA SELECCIONADOS A-7 RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS R-1 NDICE ALFABTICO 1-1 www.FreeLibros.org 7. LISTA DE SMBOLOS E ntre parntesis se indica el nm ero de la seccin donde se introduce un smbolo A = rea = unidad angstrom A t = peso atmico del elem ento i (2.2) % A R = ductilidad, en porcentaje de reduccin de rea (6.6) a - parm etro de red: longitud de la arista del ejex de la celdilla unidad (3.4) a = longitud de una grieta superficial (8.5) % at = porcentaje atmico (4.3) B = densidad de flujo magntico (induccin) (21.2) B r = rem anencia magntica (21.7) BCC = estructura cristalina cbica centrada en el cuerpo (3.4) b = parm etro de red: longitud de la arista del ejey de la celdilla unidad (3.7) b = vector de Burgers C = capacidad (19.17) C = concentracin del com ponente i Cv, Cp = capacidad calorfica a volumen constante , capacidad calorfica a presin constante (20.2) VPC = velocidad