INDICE 2. Estructura Cristalinas: Ideales y Reales

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1 INDICE Prefacio XII Parte I. Estructuras y Propiedades 1 1. Estructura Atómica y Enlaces en los Sólidos Introducción El átomo aislado Estructura Número atómico Masa atómica Partículas elementales Disposición de los electrones en los átomos: configuración 5 electrónica Niveles energéticos de los electrones y número cuántico principal Subcapas y otros números cuánticos: estados cuánticos de los 6 electrones Configuración electrónica Disposición (Tabla) periódica de los materiales y sus características 10 químicas 1.5. Emisiones de rayos X característicos y análisis químico Enlazamiento de átomos para formar moléculas, líquidos o sólidos Fuerza y energía de enlace Principales mecanismos de formación de enlaces y propiedades 16 que se derivan de ellos Enlaces iónicos y covalentes mixtos: electronegatividad Enlaces secundarios: enlace de van der Waals Tamaño de los átomos y iones 22 Resumen 26 Referencias 26 Términos y conceptos 26 Preguntas y problemas de práctica Estructura Cristalinas: Ideales y Reales Introducción Materiales cristalinos y amorfos (no cristalinos) Celda unitaria, sistemas cristalinas y redes puntuales o espaciales Estructuras metálicas comunes Estructura cúbica centrada en el cuerpo (CCC) Estructura cúbica centrada en las caras (CC) Estructura hexagonal compacta (HC) Intersticios o huecos en la estructuras cristalinas Estructura covalente: la estructura cúbica de diamante Estructuras cristalinas iónicas: materiales cerámicos Estructura de CsCl Estructura de NACl Estructura de blenda de zinc Estructura de sílice Cristalinidad en los polímeros Alotropía o polimorfismo Fracción de empaquetamiento y densidad 47

2 2.10. Direcciones y planos en los cristales: índices de Miller Direcciones Planos Planos y direcciones HC Sistemas de deslizamiento en los metales y deformabilidad Direcciones de deslizamiento Número de sistemas de deslizamiento y deformabilidad Imperfecciones en las estructuras cristalinas: estructuras reales de 63 los materiales Estructuras de superficie Imperfecciones dentro de un grano o monocristal Determinación de la estructura cristalina y del parámetro reticular: 70 difracción de rayos X Interferencia constructiva e interferencia destructiva Ley de Bragg Separación entre planos, d Ángulo o dirección de difracción Intensidad de haz refractado Factores estructurales de las estructura cúbicas Determinación de la estructura cristalina y del parámetro de la 74 red Resumen 78 Términos y conceptos 78 Referencias 78 Preguntas y problemas de práctica Propiedades Eléctricas de los Materiales Introducción Metales y no metales (aisladores) Relación con los enlaces y las bandas de energía Transición de no metal a metal y viceversa Conductividad eléctrica Conducción electrónica en metales y aleaciones Superconductividad y sus características Propiedades críticas Movimiento e interacción de electrones en los materiales SAT Teoría de los materiales SAT Función de trabajo y potencial de contacto Semiconductividad Semiconductores intrínsecos Densidad de estados y función de Fermi Dirac Nie y Nih intrínsecos Semiconductores extrínsecos Conductividad de semiconductores extrínsecos Semiconductores compuestos Interdependencia de Ne y Nh Dispositivos semiconductores con base en uniones p n 114 Resumen 118 Referencias 119 Términos y conceptos 119

3 Preguntas y problemas de práctica Propiedades de los Materiales para el Diseño de Estructuras y 122 Componentes 4.1. Introducción Propiedades físicas, insensibles ala microestructura Densidad Punto de fusión Temperatura de transición vítrea Coeficiente de expansión térmica lineal Conductividad térmica Conceptos de esfuerzo, deformaciones y módulo de Young Concepto de esfuerzo Cambios de forma y concepto de deformación Módulo de Young y enlaces interatómicos [2] Propiedades mecánicas de los materiales y métodos de ensayo Resistencia de materiales Reforzamiento de materiales metálicos a. Reforzamiento por solución sólida b. Reforzamiento por tamaño de grano c. Reforzamiento por dislocaciones d. Reforzamiento por fases dispersas o partículas Ductilidad Ensayo de tensión: el E-8 de la ASTM y propiedades derivadas de 140 él a. Curva de esfuerzo y no uniforme del espécimen de ensayo b. Deformación uniforme y no uniforme del espécimen de ensayo c. Medidas de la ductibilidad d. Curva de esfuerzo verdadero - deformación verdadera Prueba de tensión de los plásticos ASTM D Factor de seguridad y esfuerzo de diseño permisible Mecánica de fractura y tenacidad a la fractura [5] Ensayo de la tenacidad a la fractura Diseño con tenacidad a la fractura Propiedades de fatiga y ensayo de la fatiga a. Ensayo de esfuerzo con amplitud constante b. Ensayo de deformación con amplitud constante Termofluencia y ensayo de termofluencia Diseño con termofluencia: parámetros de tiempo/temperatura a. Parámetros de Sherby Dorn b. parámetros de Larson Miller Propiedades y ensayos de impacto 171 Resumen 175 Referencias 176 Términos y conceptos 177 Preguntas y problemas de práctica 178 Parte II. Procesos Diagramas de Fases en Equilibrio Introducción Conceptos y términos fundamentales 185

4 5.3. Solubilidad total en el estado sólido Regla de las fases de Gibbs Regla de la palanca Reacciones de tres fases Sistemas eutécticos Insolubilidad total en el estado sólido Solubilidad parcial en un componente Solubilidad parciales en ambos componentes Formación y regulación de las microestructuras en los sistemas 195 estéticos 5.8. El sistema hierro carbono El sistema metaestable Fe Fe3C El sistema estable Fe C (grafito) Compuestos intermetálicos y soluciones sólidas secundarias Diagramas de fases más complicados: otras reacciones invariantes 208 de tres fases Determinación de las curvas de líquidos y de solidus del diagrama 211 de fases Curvas de enfriamiento y curvas de liquidus Curvas de calentamiento y curvas de solidus 213 Resumen 215 Referencias 215 Términos y conceptos 215 Preguntas y problemas de práctica Difusión en Sólidos Introducción Movimientos macroscópicos de los átomos: leyes de difusión de Fick Primera ley de Fick Coeficientes de difusión Segunda ley de Fick Aplicaciones de la segunda ley de Fick en los procesos a. Homogeneización (Ref. 1) b. Procesos de carburización y nitruración [Ref. 2] c. Descarburación [Ref. 1] d. Dopado (impurificación) de silicio puro Procesamiento de microcircuitos electrónicos Movimientos atómicos microscópicos: mecanismos de difusión Naturaleza del coeficiente de difusión, D Mecanismos de difusión, energía de activación y T Difusión a lo largo de defectos y en superficies 238 Resumen 239 Referencias 239 Términos y conceptos 240 Preguntas y problemas de práctica Fusión, Solidificación y Colado Introducción Procesamiento de las fundiciones Procesamiento primario Procesamiento secundario o metalurgia de olla o cuchara 246

5 Refusión Características del estado líquido Solidificación: un proceso de nucleación y crecimiento Nucleación homogénea Nucleación heterogénea Crecimiento de núcleos Colado y control de la estructura de las piezas fundidas Posibles defectos macroscópicos en piezas fundidas y longotes Estructura de piezas fundidas y segregación Colada continua Vidrios metálicos o metales amorfos [6c] Monocristales Homogeneización 266 Resumen 266 Referencias 267 Términos y conceptos 267 Preguntas y problemas de práctica Deformación Plástica y Recocido Introducción Procesos de deformación Deformación plástica de monocristales Existencia e indicios de dislocaciones Esfuerzo cortante resuelto crítico (ECRC) de Schmid para el 275 deslizamiento Rotación de planos cristalinos y efectos de las restricciones 277 durante la deformación 8.4. Trabajado en frío y en tibio Reforzamiento por el trabajo en frío Especificación de la condición de trabajo en frío Textura de deformación (cristalográfica) Propiedades de las láminas para una buena formalidad a. Embutición y propiedades para una buena embutibilidad b. Estirado y propiedades para la estirabilidad c. Operaciones reales de formado Esfuerzos residuales Trabajo plástico y energía almacenada por el trabajo en frío a. Trabajo plástico en una probeta en un ensayo de tensión b. Extrusión y estirado de alambres Recocido: Calentamiento para Ablandar Materiales Recuperación: primera etapa Recristalización o recristalización primaria: segunda etapa a. Cinética de la recristalización b. Textura de recristalización o de recicido Crecimiento del grano: tercera etapa Trabajado en caliente Recuperación dinámica y recristalización Recristalización estática Procesamiento controlado mecánica térmico: diseño de un 306 proceso

6 8.7. Superplasticidad y formato superplástico Formato de cerámica, vidrio, plástico/plásticos reforzados 310 (materiales compuestos Resumen 311 Referencias 312 Términos y conceptos 312 Preguntas y problemas de práctica Procesos Térmicos: Tratamiento Térmico Introducción Procesos térmicos no endurecedores Alivio térmico de esfuerzos residuales Recocido Normalización Procesos de endurecimiento (tratamiento térmico): principios 323 generales Curvas en C de trasformaciones y sus implicaciones Transformaciones martensítica: una transformación por 328 desplazamiento 9.4. Endurecimiento por precipitación Aleaciones de aluminio Tratamiento térmico de aleaciones de titanio [6] Endurecimiento debido a transformación espinodal y de orden Tratamiento térmico e aceros Diagramas de proceso fuera del equilibrio a. Diagramas de transformación isotérmica (I - T) (Curvas en C) de 343 aceros b. Revenido y predicción de la condición de revenido c. Endurecimiento y ensayo Jominy d. Bandas de endurecimiento e. Severidad del temple f. Diámetros críticos ideales y reales g. Procesos especiales con base en los diagramas I T Precauciones para el tratamiento y utilización de aceros 369 endurecidos completamente a. Austencita homogénea y retenida b. Procesos con cambio en la composición superficial 377 Resumen 384 Referencias 385 Términos y conceptos 386 Preguntas y problemas de práctica 387 Parte III. Comportamiento y Selección de Materiales para Diseños 389 de Ingeniería 10. Corrosión y Control de la Corrosión Introducción Formas de corrosión y ambientes Corrosión electroquímica acuosa Reacciones electroquímicas en el ánodo y el cátodo Voltaje de celda y potencial de electrodo Termodinámica y voltaje de celda 394

7 Dependencia de los voltajes de celda de equilibrio y los 396 potenciales de electrodo respecto a la concentración: ecuación de Nernst Tipos de celdas electroquímicas de corrosión a. Celdas de concentración de electrólitos b. Celdas de concentración de electrólitos c. Celdas de temperatura diferencial d. Celdas de trabajo en frío o de esfuerzo diferencial Diagrama de Pourbaix Cantidad y velocidad de corrosión Corriente de corrosión y cambio en los potenciales de electrodo Algunos factores que influyen en la rapidez de la corrosión acuosa Presencia de oxígeno en el electrólito: soluciones aeradas Agua dura y agua blanda Presencia de iones más nobles en el agua Efecto del electrólito en movimiento Efecto de la corrosión en la propiedades mecánicas Diseño para el control de la corrosión Eliminación de los electrodos Elimine o evite el contacto de los electrodos Elimine o controle el electrólito Protección catódica Protección anódica Detalles de diseño y montaje de componentes para reducir la 424 corrosión al mínimo Resumen 426 Referencias 426 Términos y conceptos 426 Preguntas y problemas de práctica Diseño, Selección y Falla de Materiales Introducción Metodología general del diseño Fases del diseño Actividades de diseño Selección de materiales Factores que intervienen en la selección de materiales Restricciones relacionadas entre sí a. Factores físicos b. Factores mecánicos c. Procesamiento y fabricabilidad d. Factores de duración de los componentes e. Costos y disponibilidad f. Códigos, factores estatutarios y otros factores Criterios y herramientas para la selección de materiales [2] Rendimiento y eficiencia de los materiales Diagramas de materiales [3,5] Factores de forma [4,5] Eficiencia de las secciones de perfil Influencia de las características internas de forma regular Aspectos prácticos del diseño de ingeniería 451

8 Aspectos de riesgo Rendimiento y costo Fallas de materiales y de componentes como fuentes de 422 experiencia de ingeniería [10] Deficiencias de diseño Deficiencias en la selección de materiales Imperfecciones del material Fallas derivadas del tratamiento y la fabricación Fallas debidas a errores de manejo y montaje Fallas debidas a las condiciones de servicio Fuentes de información y especificaciones 456 Resumen 457 Referencias 458 Términos y conceptos 458 Preguntas y problemas de práctica Selección de Materiales Ferrosos Introducción Clasificación, designaciones y especificaciones de los aceros Clasificación según su composición Clasificación según su resistencia Clasificación según la forma del producto, el tratamiento de 469 acabado y los descriptores de calidad Obtención y especificaciones Selección de aceros estructurales al carbono y de baja aleación 479 [4a] Soldabilidad, formabilidad y maquinabilidad de los aceros al 480 carbono y de baja aleación Aceros al carbono y de baja aleación termotratables Aceros al carbono Aceros aleados Selección de aceros para herramientas [5,6] Aceros de alta velocidad Aceros para herramientas de trabajo en caliente, Grupo H Aceros para herramientas para trabajo en frío Aceros resistentes al impacto, Grupo S Aceros de baja aleación para usos especiales, Grupo L Aceros de herramientas para moldes Grupo P Aceros para herramientas endurecibles en agua, Grupo W Guía de selección y resumen de propiedades de los aceros para 502 herramientas Selección de aceros inoxidables [7] Designaciones, clases y propiedades de los aceros inoxidables 503 (AI) Selección de aceros inoxidables Selección de hierros de función Tipos y características de las fundiciones de hierro Especificaciones, calidades y propiedades de hiero a. Fundiciones de hierro gris b. Fundición de hierro dúctil 525

9 c. Fundición de hierro con gráfico compactado (CG) d. Fundiciones de hierro maleable Diseño de piezas fundidas de hierro [8] Conceptos especiales de diseño en el uso de hierro gris 534 Resumen 535 Referencias 536 Términos y conceptos 537 Preguntas y problemas de práctica Selección de Metales no Ferrosos Introducción Aluminio y aleaciones aluminio [1,2] Designación de las aleaciones a. Aluminio y aleaciones de aluminio forjados b. Aluminio y aleaciones de aluminio Designaciones de temple a. Designaciones de temple básicas b. Designaciones por grado de trabajo en frío o de endurecimiento 544 por deformación c. Designaciones por condiciones de tratamiento térmico d. Otras variantes del temple T e. Productos recocidos Selección y aplicaciones de aluminio y aleaciones de aluminio 547 forjadas [2] a. Aleaciones no termotratables b. Aleaciones termotratables Selección de piezas fundidas de aluminio y de aleaciones de 557 aluminio [2] Titanio y aleaciones de titanio [5] Titanio comercialmente puro y modificado Aleaciones de titanio a. Clasificaciones y designaciones de las aleaciones b. Propiedades mecánicas a temperatura ambiente c. Selección de aleaciones de titanio forjadas d. Piezas fundidas de titanio Magnesio y aleaciones de magnesio [6] Aleaciones de magnesio y sus designaciones Aplicaciones del magnesio Cobre y aleaciones de cobre Designaciones de aleación y temple del cobre y sus aleaciones Propiedades y criterios de selección del cobre y sus aleaciones Aplicaciones del cobre y sus aleaciones Níquel y Aleaciones de Níquel [6] Aleaciones: sus designaciones u características 593 Resumen 601 Referencias 601 Términos y conceptos 602 Preguntas y problemas de práctica Materiales Inorgánicos: Cerámicas y Vidrios Introducción 604

10 14.2. Cerámicas Estructuras cristalinas Diagramas de fases de las cerámicas Elaboración de cerámicas a. Preparación de lotes y de polvos b. Conformado c. Secado y coacción d. Formado y acabado de superficies Propiedades de las cerámicas estructurales a. Porosidad o contenido de huecos b. Resistencia a la tensión uniaxial c. Resistencia a la compresión uniaxial Tenacidad a la fractura de las cerámicas y de la zirconia a. ZrO2 en otra matriz cerámica b. Zirconia parcialmente estabilizada (CPE) c. Polocristales de zirconia tetragonal (PCT ) Vidrios Formación y tratamiento primario del vidrio a. Manufactura de recipientes b. Vidrio plano: Láminas y placas c. Tubos d. Fibras de vidrio Silicatos y estructura vítreas a. Estructuras insulares b. Estructuras de grupos aislados c. Estructura en cadena d. Estructuras laminares e. Estructuras de armazón o reticulares f. Módulo de Young E, y razón de Poisson Propiedades mecánicas Cerámica vítrea y tratamiento secundario Cerámicas vítreas a. Proceso de templado b. Intercambio de iones Diseño y selección de cerámicas y vidrios Metodología de diseño Selección de cerámicas estructurales Selección de refractarios 655 Resumen 662 Referencias 663 Términos y conceptos 664 Preguntas y problemas de práctica Plástico y Plástico Reforzados Introducción Procesos de polimerización Polimerización por adición Polimerización por condensación Polimerización combinada 668

11 15.3. Características estructurales u propiedades fundamentales de los 669 polímeros Peso molecular (PM) Distribución de pesos moleculares Moléculas lineales y ramificadas Moléculas con enlaces transversales Polímeros cristalinos y amorfos Composición química intramolecular Copolimeración Polímeros de esqueleto no carbono Tipos de plásticos y su clasificación Clasificación de los termoplásticos a. Termoplásticos comerciales b. Termoplásticos de ingeniería Termofijos Formulación de polímeros Aleación y mezcla Plásticos reforzados a. Fibras b. Matrices Propiedades de los plásticos que se utilizan en el diseño Densidad Absorción y transmisión de agua Propiedades térmicas Propiedades mecánicas a. Propiedades de corto plazo b. Propiedades de largo plazo Propiedades de los plásticos reforzados y de los materiales 719 compuestos Tipos de materiales compuestos Propiedades de loa plásticos reforzados con fibras a. Aplicación de esfuerzos en dirección lñongitudinal a un material 721 compuesto con fibra unidireccional b. Aplicación de esfuerzos al material compuesto en dirección 722 transversal a la fibra c. Fracción volumétrica crítica de fibra Laminados Orientación de las fibras Códigos para laminados [5] Propiedades de los laminados Fabricación de Plásticos Extrusión Moldeo por inyección Moldeo por soplado Procesos de conformado Otros procesos Fabricación de plásticos reforzados Métodos de moldeo por contacto Método de molde hermanado 735

12 Otros métodos Diseño con plásticos y plásticos reforzados Diseño de plásticos reforzados/materiales compuestos de fibra 738 continua, materiales con ingeniería Selección de plásticos Guías para la selección de plásticos Selección de matrices para plásticos reforzados / materiales 740 compuestos Metodología de selección de materiales compuestos D 4000 Line Callout de la ASTM para materiales plásticos 749 Resumen 750 Referencias 751 Términos y conceptos 751 Preguntas y problemas de práctica Estudios de Casos de Selección de Materiales Introducción Aceros Aceros estructurales a. Estructuras con carga estática [1a] b. Estructuras con carga dinámica [1a.c] c. Uso de aceros de microaleación en automóviles y en vehículos 764 y equipo todo terreno d. Ventajas de la adopción de aceros de alto rendimiento: un 765 ejemplo El acero inoxidable como material estructural viable (1g) a. Estudio de caso: aceros inoxidables para el reforzamiento de 766 concreto en puentes de carreteras Selección de aceros con tratamiento térmico [4] Aleaciones de aluminio Justificación del uso de aluminio en los forros de las aeronaves 771 [5] Selección de materiales para la industria del automóvil Cerámicas estructurales pata componentes de motores a. Cámara de remolino [9b, 10] b. Rotor de turboalimentador [9b, c, d] c. Selección del material cerámico Aplicación de la ingeniería concurrentes en la creación de 787 productos [11] Selección con base en el análisis de ciclo de uso [ACU] [12,13] Selección de materiales para recipientes de bebidas [12] Selección de materiales para defensas (guardabarros) de 795 automóvil [13] Selección de plásticos reforzados con vidrio [14] Aplicación de la mecánica de fractura a la selección de materiales 797 Referencias 802 Apéndice 803 Índice 818