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Ciencia de materiales para ingenieros Aldo A. Vallejo

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Ciencia de materiales para ingenieros Alfredo Güemes Gordo Nuria Martín Piris

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Ciencia de materiales para ingenieros

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Ciencia de materiales para ingenieros Autores coordinadores Alfredo Güemes G ord o Nuria Martín Piris Doctores en Ingeniería Aeronáutica Universkfod Politécnica de M adrid

C o au to res C arm e n A rrib as A rrib as Doctoro en Gentíos Químicos José M aría Badia Pérez Doctor en Ingeniería Aeronáutico A n to n io Fernández L óp e z D octor en Ingeniería A eronáutica

Margarita G on zá le z P rolongo Doctoro en Gentíos Químicos José M aría Pintado Sanjuanbenito Doctor en Ingenierío Aeronáutica Catalina Salom C oll Doctoro en Gentíos Químicos Universidad Politécnica de M odríd

PEARSON http://fullengineeringbook.blogspot.com 5 of 503.

j ________ D a to s de catalogación bibfeogrifica Ciencia d e materiales para ingenieros

Nfrvóo Gúcmcs Gordo y Ñuño Martín Píris P E A R S O N E D U C A C I Ó N . S A . Madrid. 2 0 1 2 ISBN : 9 7 8 -8 4 -8 3 2 2 -7 1 9 -0 Materia: 620. Materiales Formato: 195 x 2 5 0 m m

Páginas: 50 4

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o trasformación de esta obra solo puede ser utilizada con la ajtortzación de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a C E D R O (Centro Español de Derechos Re prográficos) si necesita foto copiar o escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com: 9 1 702 19 70/93 272 04 47). Todos los derechos reservados. © 2 0 1 2 P E A R S O N E D U C A C IÓ N , S.A, d

Ribera del Loira, 28

28042 Madrid (España) ISBN: 978-84-8322-719-0 Depósito Legal: Equipo de edición: Editor: Miguel Martin-Romo Técnico editorial: Esther Martín Diseñadora: Elena Jaramilkj Equipo de producción: Directora: Marta lileseas Coordinadora: Tini Cardo so Diseño de cubierta: Copibook, S.L Composición: Copibook, S.L. Impreso por: IMPRESO EN E SP A Ñ A • PRJN T ED IN SPAIN

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1.

2.

In tro d u c c ió n a la C ie n c ia d e lo s m a t e r i a l e s .....................................................................

I

1.1. Tipos de materiales estructurales................................................................................................. 1.2. Los elementos químicos y el enlacequímico............................................................................... 1.3. Materiales y medio ambiente.......................................................................................................

2 4 6

P r o p ie d a d e s d e lo s m a t e r i a l e s ................................................................................................

9

2.1. Conceptos básicos....................................................................................................................... 2.1.1. Propiedades de los materiales........................................................................................ 2.1.2. Conceptos de tensión y deformación............................................................................. 2.2. Propiedades mecánicas: comportamientoen tracción................................................................ 2.2.1. El ensayo de tracción...................................................................................................... 2.2.2. Curva tensión-deformación ingenieril............................................................................ 2.2.3. Curva tensión-deformación verdadera......................................................................... 2.2.4. Deformación elástica. Módulo elástico......................................................................... Otras constantes clásticas............................................................................................................. 2.2.5. Límite elástico................................................................................................................. 2.2.6. Resistencia a tracción..................................................................................................... 2.2.7. Plasticidad y ductilidad.................................................................................................. 2.2.8. Fractura .......................................................................................................................... 2.2.8. a. Rotura d ú c til............................................................................................. 2.2.8. b. Rotura frágil............................................................................................... 2.3. Dureza ........................................................................................................................................ 2.3.1. Definiciones..................................................................................................................... 2.3.2. Escalas de dureza............................................................................................................. 2.3.2. a. Método Brinell........................................................................................... 2.3.2. b. Método Vickers......................................................................................... 2.3.2. C. Método Rockw ell ............................................................................................................. 2.4. Tenacidad .......................................................................................................................... 2.4.1. Definición....................................................................................................................... 2.4.2. Ensayos de impacto......................................................................................................... 2.4.3. Transición dúctil-frágil...................................................................................................

10 10 10 11 11 13 14 15 16 17 20 21 21 22 23 24 24 25 25 26 26 28 28 29 29

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VI ■ Contenido

2.5. Tenacidad de fractura................................................................................................................... 2.6. Propiedades físicas....................................................................................................................... 2.6.1. Densidad......................................................................................................................... 2.6.2. Capacidad calorífica...................................................................................................... 2.6.3. Conductividad térmica.................................................................................................... 2.6.4. Coeficiente de dilatación................................................................................................ 3.

E s tr u c tu r a c r i s t a l i n a .................................................................................................................... 3.1. 3.2.

30 32 32 32 33 34 37

Sistemas cristalinos y redes de Bravais...................................................................................... Notación de Millcr de direcciones y planos cristalinos............................................................. 3.2.1. Notación de Miller para puntos reticulares.................................................................... 3.2.2. Notación de Millcr para direcciones cristalinas........................................................... 3.2.3. Notación de Miller para planos cristalinos................................................................... 3.2.4. Notación de Millcr-Bravais para el sistema hexagonal................................................ Empaquetamiento en redes cristalinas........................................................................................ 3.3.1. índice (o número) de coordinación................................................................................ 3.3.2. Factor de empaquetamiento............................................................................................ 3.3.3. Densidad atómica lineal y densidad atómica superficial.............................................. 3.3.4. Densidad volumétrica..................................................................................................... Redes cristalinas metálicas........................................................................................................... 3.4.1. Red cúbica centrada en las caras (FCC )....................................................................... 3.4.2. Red hexagonal compacta (H C P).................................................................................... 3.4.3. Red cúbica centrada en el cuerpo (B C C )..................................................................... Redes cristalinas en materiales cerámicos.................................................................................. 3.5.1. Sólidos covalentes........................................................................................................... 3.5.2. Sólidos iónicos................................................................................................................. 3.5.2. a. Sólidos iónicos tipo M X .......................................................................... 3.5.2. b. Otras estructuras iónicas.......................................................................... Difracción de rayos X................................................................................................................... 3.6.1. Naturaleza de la radiación X .......................................................................................... 3.6.2. Ley de Bragg................................................................................................................... 3.6.3. Técnicas de difracción....................................................................................................

38 42 42 43 45 48 50 50 50 51 53 54 55 57 59 61 61 63 65 66 68 68 69 71

U . I m p e rf e c c io n e s d e la e s t r u c t u r a c r i s t a l i n a .......................................................................

75

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

4.1.

Defectos puntuales....................................................................................................................... 4.1.1. Origen de los defectos puntuales.................................................................................... 4.1.2. Defectos puntuales en redes metálicas......................................................................... 4.1.2. a. Vacantes..................................................................................................... Concentración de vacantes en equilibrio...................................................... 4.1.2. b. Átomos autointcrsticialcs.......................................................................... Dañado por irradiación.................................................................................. 4.1.3. Defectos puntuales en cristales iónicos........................................................................... 4.1.3. a. Defectos de Frenkel.................................................................................. 4.1.3. b. Defectos de Schottky................................................................................ 4.1.3.c. Formación de defectos por disolución de elementos.................................... 4.1.3.d. Formación de defectos por fallos cstcquiométricos...................................... 4.2. Defectos lineales: dislocaciones..................................................................................................

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76 76 77 78 79 81 82 83 83 84 85 85 86

Contenido ■

4.2.1. 4.2.2. 4.2.3.

4.2.4.

4.2.5.

4.2.6.

4.2.7.

4.2.8. 4.2.9.

Vil

Introducción..................................................................................................................... 86 Definiciones..................................................................................................................... 90 Movimiento de las dislocaciones.................................................................................... 93 4.2.3. a. Deslizamiento de las dislocaciones a través de la red cristalina........... 93 4.2.3. b. Movimiento conservativo y movimiento no conservativo de dislocaciones 95 Movimiento conservativo............................................................................. 95 Movimiento no conservativo......................................................................... % Velocidad de las dislocaciones....................................................................... 97 4.2.3. C. Ley de Schmid........................................................................................... 97 4.2.3. d. Leyes que rigen el deslizamiento de las dislocaciones.......................... 98 Propiedades clásticas de las dislocaciones................................................................... 99 4.2.4. a. Campo de tensiones asociado a una dislocación.................................... 99 Campo de tensiones generado por una dislocación helicoidal................... 101 Campo de tensiones generado por una dislocación en arista....................... 102 Campo de tensiones generado por una dislocación mixta........................... 103 4.2.4. b. Energía asociada a una dislocación......................................................... 103 Recombinación y disociación de dislocaciones............................................ 104 4.2.4. C. Fuerza que actúa sobre una dislocación................................................... 104 4.2.4. d. Tensión de línea que actúa a lo largo de una dislocación..................... 105 Interacción entre dislocaciones...................................................................................... 106 4.2.5. a. Fuerzas de interacción entre dislocaciones............................................. 106 Caso 1. Dislocaciones paralelas situadas en el mismo p la n o ..................... 106 Caso 2. Dislocaciones paralelas situadas en planos paralelos..................... 107 Dislocaciones en a ris ta .................................................................................. 107 Dislocaciones helicoidales............................................................................. 109 Caso 3. Caso general: dislocaciones que se cruzan...................................... 109 4.2.5. b. Intersección de dislocaciones.................................................................. 110 Influencia de los codos y escalones en el movimiento de las dislocaciones 111 Origen y multiplicación de dislocaciones..................................................................... 113 4.2.6. a. Origen de las dislocaciones..................................................................... 113 4.2.6. b. Mecanismos de multiplicación de dislocaciones.................................... 113 Primer mecanismo: fuente de Frank-Read con un punto de anclaje.......... 114 Segundo mecanismo: fuente de Frank-Read con dos puntos de anclaje. . . 114 Tercer mecanismo: deslizamiento cruzado múltiple.................................... 115 4.2.6. C. Algunas consecuencias de la multiplicación de dislocaciones............. 116 Bucles de dislocación.................................................................................... 116 Apilamiento de dislocaciones....................................................................... 117 Deformación plástica producida por movimiento de dislocaciones........................... 117 4.2.7. a. Relación entre la deformación plástica y la densidad de dislocaciones . . . 118 4.2.7. b. Sistemas de deslizamiento y capacidad de deformación en monocristalcs metálicos......................................................................................................... 119 Núcleo de las dislocaciones............................................................................................ 121 Dislocaciones en redes m etálicas.................................................................................. 121 4.2.9. a. Definiciones............................................................................................... 121 Dislocaciones perfectas y dislocaciones parciales........................................ 122 Defectos de apilam iento................................................................................ 122 4.2.9. b. Dislocaciones en redes cúbicas centradas en las c a ra s.......................... 122 4.2.9. C. Dislocaciones en redes cúbicas centradas en el cuerpo.......................... 125 4.2.9. d. Dislocaciones en estructuras ordenadas................................................... 126

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VIII ■ Contenido

5.

4.2.10. Dislocaciones en materiales cerámicos......................................................................... 4.2.10. a. Cristales iónicos........................................................................................ 4.2. lO.b. Cristales covalentes....................................................................................... 4.2.11. Variación de Tq ^ s con la temperatura y la velocidad de deformación....................... 4.2.11. a. Variación de Tcrss con la temperatura.................................................. 4.2.11 .b. Variación de Tcrss con la velocidad de deformación........................... 4.3. Defectos bidimensionales: defectos de superficie..................................................................... 4.3.1. Superficie cristalina...........................................................................