Fundamentos de Ingenieria y Ciencia de Materiales 2ed Askeland

 

Fundamentos de ingeniería  y ciencia de materiales Segunda edición

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Fundamentos de ingeniería   y ciencia de  

 

 

 

 

materiales  

Segunda edición, SI

 

Donald E. Askeland Askeland

 

Universidad de Missouri-Rolla, emérito

 

Pradeep Prad eep P. Fulay Fulay

 

Edición SI preparada por

 

D. K. Bhattacharya

   

Laboratorios de Física del estado sólido Nueva Delhi

 

Universidad de Pittsburgh

Traducción:

Ing. Jorge profesional Hernández Lanto Traductor Revisión técnica:

Ing. Javier León Cárdenas Escuela Superior de Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional

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Fundamentos Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales Segunda edición Donald R. Askeland y Pradeep P. Fulay

© D.R. 2010 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe

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Contenido Prefacio xv Acerca de los autores xix Capítulo 1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales 1   1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6

Introducción 1 ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? 2 Clasificación de materiales 5 Clasificación funcional de los materiales 9 Clasificación de los materiales con base base en su estructura estructura 11 Efectos ambientales y de otra índole 12 Diseño y selección de materiales 14

RESUMEN 17

  GLOSARIO 18

■

  PROBLEMAS 19

■

Capítulo 2 Estructura atómica 21   2-1 2-2

Introducció n 21 Introducción Estructura Estructur a de materiales: relevancia tecnológica 22 Estructura Estructur a del átomo 23

2-3 2-4 2-5 2-6

Estructura electrónica del átomo 28 Estructura Tabla periódic periódica a 30 Enlaces atómicos 32 Energía de enlace y espaciado interatómico 40

RESUMEN 44

  GLOSARIO 45

■

  PROBLEMAS 48

■

Capítulo 3 Arreglos atómicos y iónicos 51   3-1 3-2

Introducció n 51 Introducción Orden de corto corto alcance contra orden de largo alcance 52 Materiales amorfos: principios y aplicaciones tecnológicas 54

3-3

Redes, celdas unitarias, bases y estructuras estructuras cristalinas 55 vii

 

viii   viii

CONTENIDO 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9

Transformac ransformaciones iones alotrópi alotrópicas cas o polimórfic polimórficas as 63 Puntos, direcciones y planos en la celda celda unitaria unitaria 64 Sitios intersticiales 74 Estructuras cristalinas de materiales iónicos 76 Estructuras covalentes 79 Técnicas de difracción para el análisis de estructuras cristalinas 80 ■

RESUMEN 82

■

  GLOSARIO 83

  PROBLEMAS 86

Capítulo 4 Imperfecciones en los arreglos atómicos y iónicos 90   4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6

Introducción 90 Defectos puntuales 91 Otros defectos puntuales 97 Dislocaciones 98 Importancia de las dislocaciones 105 Ley de Schmid 105 Influencia de la estructura cristalina 108

4-7 4-8

Defectos superficiales 109 Importancia de los defectos 114

RESUMEN 116

  GLOSARIO 117

■

  PROBLEMAS 119

■

Capítulo 5 Movimientos de átomos y iones en materiales 122   5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5-9

Introducción 122 Aplicaciones de la difusión 123 Estabilidad de átomos y iones 125 Mecanismos de la difusión 127 Energía de activación en la difusión 129 Velocidad de difusión (primera ley de Fick) Fick) 130 Factores que afectan la difusión 133 Permeabilidad de los polímeros 141 Perfil de composición (segunda ley de de Fick) 142 Difusión y procesamiento de materiales 146

RESUMEN 147

  GLOSARIO 148

■

  PROBLEMAS 149

■

Capítulo 6 Propiedades mecánicas: fundamentos y pruebas de tensión, dureza e impacto 153   6-1

 

Introducción 153 Importancia tecnológica 154

 

CONTENIDO 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9

Terminología de las propiedades mecánicas 155 El ensayo de tensión: tensión: uso del diagrama diagrama esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación unitaria 159 Propiedades obtenidas a partir partir del ensayo de de tensión tensión 163 Esfuerzo real y deformación real 169 Ensayo de flexión para materiales frágiles 171 Dureza de materiales 174 Efectos de la velocidad de de deformación deformación y comportamiento al impacto 176 Propiedades obtenidas a partir partir del ensayo de de impacto impacto 177

RESUMEN 180

  GLOSARIO 181

■

  PROBLEMAS 183

■

Capítulo 7 Mecánica de la fractura, fatiga y comportamiento de la termo󿬂uencia 187   7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 7-6 7-7 7-8 7-9 7-10

Introducción 187 Mecánica de la fractura 188 Importancia de la mecánica mecánica de fractura 191 Características microestructurales microestructurales de la fractura en los materiales metálicos 194 Características microestructurales microestructurales de fractura en cerámicas, vidrios y materiales compuestos 198 Estadística de Weibull Weibull para para el análisis análisis de la resistencia resistencia a la falla 200 Fatiga 206 Resultados del ensayo de fatiga 209 Aplicación de los ensayos de fatiga 212 Termofluenci ermofluencia, a, ruptura por esfuerzo y corrosió corrosión n con esfuerzo 215 Evaluación del comportamient comportamiento o de la termofluencia 217

RESUMEN 220

  GLOSARIO 220

■

  PROBLEMAS 222

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Capítulo 8 Endurecimiento por deformación y recocido 225   8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9

Introducción 225 Relación entre el trabajo en frío y la curva esfuerzo-deformación unitaria 226 Mecanismos del endurecimiento por deformación 231 Propiedades en función función del porcentaje de trabajo trabajo en frío 232 Microestructura, Microestructu ra, endurecimiento endurecimiento por textura textura y esfuerzos esfuerzos residuales residuales 235 Características del trabajo en frío 239 Las tres etapas del recocido 241 Control del recocido 244 Recocido y procesamiento de materiales 246 Trabajo en caliente 248

RESUMEN 250

 

  GLOSARIO 250

■

  PROBLEMAS 252

■

ix

x 

CONTENIDO

Capítulo 9 Principios y aplicaciones de la solidi󿬁cación 257   9-1 9-2 9-3

Introducción 257 Importancia tecnológica 258 Nucleación 259 Mecanismos de crecimiento 264

9-4 9-5 9-6 9-7 9-8

Curvas de enfriamiento 269 Estructura de una pieza colada 271 Defectos de solidificación 272 Procesos de vaciado vaciado para la fabricación fabricación de de componentes componentes 274 Colada continua, vaciado de lingotes y crecimiento de monocristales 276 Solidificación de polímeros y vidrios inorgánicos 278 Unión de materiales metálicos 279 Vidrios metálicos voluminosos (VMV) 280

9-9 9-10 9-11

RESUMEN 282

  GLOSARIO 283

■

  PROBLEMAS 286

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Capítulo 10 Soluciones sólidas y equilibrio de fases 291   10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

Introducción 291 Fases y diagrama de fases 292 Solubilidad y soluciones sólidas 296 Condiciones para la solubilidad solubilidad sólida ilimitada 299 Reforzamiento por solución sólida 301 Diagramas de fases isomorfos 303 Relación entre entre las propiedades y el diagrama de fases fases 312 Solidificación de una aleación de solución sólida 314

RESUMEN 317

  GLOSARIO 318

■

  PROBLEMAS 319

■

Capítulo 11 Reforzamiento por dispersión y diagramas de fases eutécticos 324   11-1 11-2 11-3 11-4 11-5 11-6 11-7

Introducción 324 Principios y ejemplos ejemplos del reforzamiento reforzamiento por dispersión 325 Compuestos intermetálicos 326 Diagramas de fases que contienen reacciones entre tres fases 328 Diagrama de fases eutécticas 331 Resistencia de las aleaciones eutécticas 341 Eutécticos y procesamiento de materiales 347 Solidifacación sin equilibrio equilibrio en el sistema sistema eutéctico 349

RESUMEN 350

 

  GLOSARIO 350

■

  PROBLEMAS 352

■

 

CONTENIDO

Capítulo 12 Reforzamiento por dispersión por medio de transformaciones de fase y tratamiento térmico 357   12-1 12-2

Introducción 357 Nucleación y crecimiento crecimiento en las reacciones reacciones en estado sólido 358 Aleaciones reforzadas excediendo el límite límite de de solubilidad solubilidad 362

12-3 12-4 12-5

Endurecimiento por Endurecimiento por envejecimiento o por por precipitación precipitación 364 Aplicaciones de las aleaciones endurecidas por envejecimiento 364 Evolución microestructural en el endurecimiento por envejecimiento o por precipitación 365 Efecto de la temperatura y del tiempo de envejecimiento envejecimiento 367 Requerimientos para el endurecimiento endurecimiento por envejecimiento 369 Uso de aleaciones endurecibles por envejecimiento a altas temperaturas 369 Reacción eutectoide 370 Control de la reacción eutectoide 375 Reacción martensítica y revenido 380

12-6 12-7 12-8 12-9 12-10 12-11

RESUMEN 384

  GLOSARIO 385

■

  PROBLEMAS 387

■

Capítulo 13 Tratamiento térmico de aceros y hierros fundidos 391   13-1 13-2 13-3 13-4 13-5 13-6 13-7

Introducción 391 Designaciones y clasificación de los aceros 392 Tratamiento ratamientoss térmicos simples 396 Tratamiento ratamientoss térmicos isotérmi isotérmicos cos 398 Tratamiento ratamientoss térmicos de templado y revenido 401 Efecto de los elementos de aleación 406 Aplicación de la templabilidad 409 Aceros especiales 412

13-8 13-9 13-10 13-11

Tratamiento ratamientoss superficial superficiales es 415 Soldabilidad del acero 417 Aceros inoxidables 418 Hierros fundidos 422

RESUMEN 428

  GLOSARIO 428

■

  PROBLEMAS 431

■

Capítulo 14 Aleaciones no ferrosas 436

 

  14-1

Introducción 436 Aleaciones de aluminio 438

14-2 14-3 14-4

Aleaciones de magnesio y berilio 444 Aleaciones de cobre 447 Aleaciones de níquel y cobalto 451

xi

xii   xii

CONTENIDO 14-5 14-6

Aleaciones de titanio 454 Metales refractarios y preciosos 462

RESUMEN 463

  GLOSARIO 463

■

  PROBLEMAS 464

■

Capítulo 15 Materiales cerámicos 468   15-1 15-2 15-3 15-4 15-5 15-6 15-7 15-8 15-9

Introducción 468 Aplicaciones de las cerámicas 469 Propiedades de las cerámicas 471 Síntesis y procesamiento de polvos cerámicos 472 Características de las cerámicas sinterizadas 477 Vidrios inorgánicos 479 Vitrocerámicas 485 Procesamiento y aplicaciones aplicaciones de productos de arcilla Refractarios 488 Otros materiales cerámicos 490

RESUMEN 492

  GLOSARIO 493

■

487

  PROBLEMAS 495

■

Capítulo 16 Polímeros 496   16-1 16-2 16-3 16-4 16-5 16-6 16-7 16-8 16-9 16-10 16-11

Introducción 496 Clasificación de los polímeros 497 Polimerización por adición y por condensación 501 Grado de polimerización 504 Termoplás ermoplásticos ticos comunes 506 Relaciones estructuraestructura-propiedades propiedades en los termoplásticos 509 Efecto de la temperatura temperatura sobre los termoplásticos termoplásticos 512 Propiedades mecánicas de los termoplásticos 518 Elastómeros (cauchos) 523 Polímeros termoestables 528 Adhesivos 530 Procesamiento y reciclaje de polímeros 531

RESUMEN 537

  GLOSARIO 538

■

  PROBLEMAS 540

■

Capítulo 17 Compuestos: trabajo en equipo y sinergia en los materiales 543

 

  17-1 17-2

Introducción 543 Materiales compuestos endurecidos por dispersión 545 Materiales compuestos particulados 547

17-3 17-4

Materiales compuestos reforzados con fibras 553 Características de los materiales compuestos reforzados con fibras fibras

557

 

CONTENIDO 17-5 17-6 17-7 17-8 17-9

Fabricación de fibras y materiales compuestos 564 Sistemas reforzados con fibras fibras y sus sus aplicaciones aplicaciones 568 Materiales compuestos laminares 575 Ejemplos y aplicaciones aplicaciones de materiales materiales compuestos laminares 577 Estructuras Estructur as tipo emparedado 578

RESUMEN 579

  GLOSARIO 580

■

  PROBLEMAS 582

■

Apéndice A. Propiedades físicas seleccionadas de algunos elementos 585 Apéndice B. Radios atómicos y iónicos de elementos seleccionados 587 Respuestas a problemas seleccionados 589  Índice 592

xiii

 

1 Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

¿Se ha preguntado alguna vez? ■

¿Por qué los joyeros añaden cobre al oro?

■

¿Cómo puede procesarse una lámina de acero para producir un material muy resistente, ligero, absorbente de energía y maleable utilizado en la fabricación del chasis de automóviles?

■

¿Pueden fabricarse circuitos electrónicos flexibles y ligeros utilizando plásticos?

■

¿Qué es un “material inteligente”?

■

¿Qué es un superconducto superconductor? r?

En este capítulo, se le introducirá al campo de la ciencia e ingeniería de materiales (CIM) utilizando diferentes ejemplos en el mundo real. Después se proveerá una introducción a la clasificación de materiales. La ciencia de materiales es la base de la mayoría de los avances tecnológicos. La comprensión de los conceptos básicos de los materiales y sus aplicaciones no sólo lo harán un mejor ingeniero,

también lo ayudarán durante el proceso de diseño. Para ser un buen diseñador, debe aprender qué materiales serán apropiados emplear en distintas aplicaciones. El aspecto más importante de los materiales es que son permisibles ; hacen que las cosas sucedan. Por Por ejemplo, en la historia de la civilización, los materiales como la piedra, el hierro y el bronce desempeñaron una función clave en el desarrollo 1

 

2 

CAPÍTULO 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

de la humanidad. En el mundo vertiginoso actual, el descubrimiento de los monocristales de silicio y la comprensión de sus propiedades han permitido la era de la información. En este capítulo y a lo largo del libro, se proveerán ejemplos convincentes de aplicaciones en el mundo real de los materiales de diseño. La diversidad de aplicaciones y los usos únicos de los mate-

1-1

riales ilustran el porqué un ingeniero necesita comprender a profundidad y conocer cómo aplicar los principios de la ciencia e ingeniería de materiales. En cada capítulo, se inicia con una sección titulada ¿Se ha preguntado alguna vez?  Estas  Estas preguntas están diseñadas para despertar su curiosidad, poner las cosas en perspectiva y formar un marco para lo que aprenderá en ese capítulo.

¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales? La ciencia e ingeniería de materiales  (CIM) es un campo interdisciplinario que trata con la invención de nuevos materiales y el mejoramiento de materiales conocidos anteriormente desarrollando una comprensión más profunda de las relaciones de la microestructura-composición-síntesis-procesamiento. El término composición se refiere a la constitución química de un material. El término t érmino estructura se refiere a la descripción de los arreglos de los átomos, como se observan en los diferentes niveles de detalle. Los científicos e ingenieros de materiales no sólo tratan con el desarrollo de materiales, también con la síntesis y procesamiento  de materiales y los procesos de fabricación relacionados con la producción de componentes. El término “síntesis” se refiere a cómo se fabrican materiales a partir de sustancias químicas de estado natural o hechos por el hombre. El término “procesamiento” se refiere a cómo se transforman los materiales en componentes útiles. Una de las funciones más importantes de los científicos e ingenieros de materiales es establecer las relaciones entre las propiedades de un material y su desempeño. En la ciencia de materiales, el énfasis está en las relaciones básicas entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales. En la ingeniería de materiales, el enfoque está en cómo convertir o transformar materiales en dispositivos o estructuras útiles. Uno de los aspectos más fascinantes de la ciencia de materiales involucra la investigación de la estructura de un material. La estructura de los materiales tiene una in󿬂uencia profunda sobre muchas propiedades de los materiales, ¡aun si la composición general no cambia! Por ejemplo, si toma un alambre de cobre puro y lo dobla de manera repetida, ¡el alambre no sólo se vuelve más duro sino también se vuelve cada vez más quebradizo! Con el tiempo, el alambre de cobre puro se vuelve tan duro y quebradizo que se romperá con bastante facilidad. La resistencia eléctrica del alambre también aumentará a medida que se doble de manera repetida. En este ejemplo sencillo, observe que no se cambió la composición del material (es decir, su constitución química). Los cambios en las propiedades del material se deben con frecuencia a un cambio en su estructura interna. Si examina el alambre después de doblarse utilizando un microscopio óptico, observará lo mismo que antes (aparte de los dobleces, por supuesto). Sin embargo, su estructura ha cambiado a una escala muy pequeña o microscópica. La estructura ahaesta escala microscópica se le conoce como microestructura . Si se puede comprender lo que cambiado a un nivel micrométrico, se comenzarán a descubrir maneras de controlar las propiedades de los materiales.

 

 

1-1  ¿Qué es la ciencia e ingeniería de materiales?  

Desempeño Costo

3

¿Cuál es la capacidad de conducción de corriente? ¿Cuál es el costo de enfriamiento y fabricación?

: Composición YBa2Cu3O7-X TIBa2Ca3Cu4O11 Bi2Sr2Ca2Cu3O10

 A

: Síntesis y procesamiento ¿Cómo pueden prepararse polvos puros, homogéneos, finos, de estequiometría bien definida? ¿Cómo se fabrican grandes longitudes de alambre?

C 

: Microestructura ¿Qué características de la estructura limitan la capacidad de conducción de corriente? ¿Cuál es la textura del material?

 B

Aplicación del tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales a los superconductores cerámicos. Observe que la microestructura-síntesis y el procesamiento-composición están interconectadas y afectan la razón desempeño-costo. Figura 1-1

Se pone en perspectiva el tetraedro de la ciencia e ingeniería de materiales  examinando un producto de muestra de superconductores cerámicos inventada en 1986 (figura 1-1). Puede saber que los materiales cerámicos por lo regular no conducen electricidad. Los científicos encontraron, por accidente, que ciertos compuestos cerámicos basados en óxidos de itrio, bario y cobre (conocidos como OIBC ) pueden en realidad conducir corriente eléctrica sin ninguna resistencia bajo ciertas condiciones. condiciones. Con base en lo que se conocía entonces acerca de los superconductores metálicos y las propiedades eléctricas de las cerámicas, el comportamiento superconductor en las cerámicas no se consideraba como una gran posibilidad. Por tanto, la primera etapa en este caso fue el descubrimiento del comportamien comportamiento to superconductor en materiales cerámicos. Estos Estos materiales fueron descubiertos a través de investigación experimental. Una limitación de estos materiales es que sólo pueden superconducir a bajas temperaturas (