shackelford james f - introduccion a la ciencia de materiales para ingenieros - 6 ed

/ O u O lncLuVe 2 CD-ROM e d i c i ^

Introduccin a La ciencia de materiales para ingenieros

James F. Shackelford

CONSTANTES Y FACTORES DE CONVERSIN

Constantes Factores de conversinNmero de Avogadro, NA 0.6023 x 1024 m o r ' Longitud 1 metro = 1010 = 109 nmUnidad de masa atmica (amu) 1.661 x 10~24 g = 3.281 ftPermitividad elctrica 8.854 x 1012 C/V-m) = 39.37 in.

del vaco, Sq Masa 1 kilogramo = 2.205 lbOTMasa del electrn 0.9110 x 10"27 g Fuerza 1 newton = 0.2248 lbyCarga elemental, e 0.1602 x 10-,8 C Presin 1 pascal = 1 N/m2Constante de los gases, R 8.314 J/(mol K) = 0.1019 x 106 kg^/mm2

1.987 cal/(molK) = 9.869 x 10-6 atmConstante de Boltzmann, k 13.81 x 1024 J/K = 0.1450 x 10"3 lby/in.2

86.20 x 10-6 eV/K Viscosidad 1 Pa* s = 10 poiseConstante de Planck, h 0.6626 x 10 - J s Energa 1 julio = 1 W sVelocidad de la luz 0.2998 x 109 m/s = 1 N m

(en el vaco), c = 1 V CMagnetn de Bohr, fiB 9.274 x 1024 A m 2 = 0.2389 cal

= 6.242 x 1018 eVPrefijos SI = 0.7377 ft ltygiga, G 109 Temperatura C = K 273mega, M 106 = (F - 32)/1.8kilo, k 103 Corriente 1 amperio = 1 C/smilli, m 10~3 elctrica = 1 V/Qmicro, n 10~6nano, n 10~9pico, p o - 12

TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOS

iii

1.008 II A

IV B V B VI B VII BVIII

1 B

111 A IV A V A VI A VII A

2He

4.0033Li

6.941

4Be

9.012

III B II B

5B

10.81

6C

12.01

7N

14.01

8O

16.00

9F

19.00

10Ne

20.18IINa

22.99

12Mg

24.31

13Al

26.98

14Si

28.09

15P

30.97

16S

32.06

17Cl

35.45

18Ar

39.9519 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu /.n Ga Ce As Se Br Kr

39.10 40.08 44.96 47.90 50.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.71 63.55 65.38 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.8037 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rb Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Kr

85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 98.91 101.07 102.91 106.4 107.87 112.4 114.82 118.69 121.75 127.60 126.90 131.355 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86Cs Ba La iir Ta \Y Re Os Ir It Au Hg TI Pb Bi Po At Rn

132.91 137.33 138.91 178.49 180.95 183.85 186.2 190.2 192.22 195.09 197.97 200.59 204.37 207.2 208.98 (210) (210) (222)87 88 89 104 105 106Fr Ra Ac Rf I)b Sg

(223) 226.03 (227) (261) (262) (266)

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71Ce Pr Nd Pm Sm Ku

RADIO ATMICO Y RADIO INICO DE LOS ELEMENTOS QUMICOS3

Nmero atmico Smbolo Radio atmico (nm) IonRadio inico

(nm)3 Li 0.152 Li+ 0.0784 Be 0.114 Be2+ 0.0545 B 0.097 b 3+ 0.026 C 0.077 C4+ < 0.027 N 0.071 Ns + 0.01-0.028 O 0.060 0 2 + 0.1329 F F 0.13311 Na 0.186 Na + 0.09812 Mg 0.160 Mg2+ 0.07813 Al 0.143 Al 0.05714 Si 0.117 Si4+ 0.03915 P 0.109 P5 + 0.03-0.0416 S 0.106 S2' 0.17417 C1 0.107 c r 0.18119 K 0.231 K + 0.13320 Ca 0.197 Ca2+ 0.10621 Se 0.160 Sc2 + 0.08322 Ti 0.147 T 4+ 0.06423 V 0.132 v 4+ 0.06124 Cr 0.125 Cr3 + 0.06425 Mn 0.112 Mn2 + 0.09126 Fe 0.124 Fe2 + 0.08727 Co 0.125 Co2 + 0.08228 Ni 0.125 Ni2 + 0.07829 Cu 0.128 Cu+ 0.09630 Zn 0.133 Zn2+ 0.08331 Ga 0.135 Ga3 + 0.06232 Ge 0.122 Ge4+ 0.04435 Br 0.119 B r- 0.19639 Y 0.181 y 3+ 0.10640 Zr 0.158 Zr4+ 0.08741 Nb 0.143 Nb4 + 0.07442 Mo 0.136 Mo4+ 0.06846 Pd 0.137 Pd2 + 0.05047 Ag 0.144 Ag+ 0.11348 Cd 0.150 Cd 0.10350 Sn 0.158 Sn4- 0.07453 I 0.136 I" 0.22055 Cs 0.265 Cs+ 0.16556 Ba 0.217 Ba2 + 0.14374 W 0.137 W4+ 0.06878 Pt 0.138 pt2 + 0.05279 Au 0.144 Au+ 0.13780 Hg 0.150

Pb0.112

82 Pb 0.175 0.13292 U 0.138 u 4+ 0.105

a Rara completar la lista, vase d Apndice 2.

Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros

Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros

Sexta edicin

JAMES F. SHACKELFORDUniversity o f California, Davis

Traduccin, adaptacin y revisin tcnicaAlfredo Gemes

Nuria MartnETSI Aeronuticos

Universidad Politcnica de Madrid

P E A R S O N

Madrid Mxico Santaf de Bogot Buenos Aires Caracas Lima Montevideo San Juan San Jos Santiago Sk> Paulo White Plains

_____________________________ y / Datos de catalogacin bibliogrfica

INTRODUCCIN A LA CIENCIA DE MATERIALES PARA INGENIEROS Jam es F. Shackelford

PEARSON EDUCACIN, SA., Madrid, 2005

ISBN: 978-84-205-4451-9 Materia: Ingeniera, 62

Formato 195 X 250 mm Kginas: 872

Todos los derechos reservados.Queda prohibida, salvo excepcin prevista en la Ley, cualquier forma de reproduccin, distribucin, comunicacin pblica y transformacin de esta obra sin contar con autorizacin de los titulares de propiedad intelectual. La infraccin de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Cdigo Penal).

DERECHOS RESERVADOS 2005 por PEARSON EDUCACIN, S.A.Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (Espaa)

INTRODUCCIN A LA CIENCIA DE MATERIALES PARA INGENIEROS James F. Shackelford

ISBN: 978-84-205-4451-9Depsito legal: M-15.391-2007

ltima reimpresin: 2007

PEARSON PRENTICE HALL es un sello editorial autorizado de PEARSON EDUCACIN, S.A.

Authorized translation from the English language edition, entitled INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS, 6* Edition by SHACKERLFORD, JAMES, F., published by Pearson Education, Inc, publishing as Prentice Hall, Copyright 2005.ISBN 0-13-142486-6All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission form Pearson Education, Inc.

Equipo editorial:Editor: Miguel Martn-Romo Tcnico editorial: Marta Caicoya

Equipo de produccin:Director: Jos Antonio Clares Tcnico: Jos Antonio Hernn

Diseo de cubierta: Equipo de diseo de Pearson Educacin, S.A.Composicin: COPIBOOK, S.L.

IMPRESO EN MXICO - PRINTED IN MEXICOEste libro ha sido impreso con papel y tintas ecolgicos

Dedicado a Penelope y Scott

Prefacio ......................................................................................................................................................... xvii

Captulo 1. Materiales para in g e n ie ra .............................................................................................. 11.1. El mundo de m aterial......................................................................................................... 21.2. Ciencia e ingeniera de m ateriales.................................................................................. 41.3. Tipos de m ateriales............................................................................................................. 4

Metales .................................................................................................................................. 4Cermicos y v id rio s............................................................................................................ 6Polmeros .............................................................................................................................. 10Materiales compuestos......................................................................................................... 11Semiconductores .................................................................................................................. 12

1.4. De la estructura a las propiedades.................................................................................... 141.5. Procesado de m ateriales.................................................................................................... 161.3. Seleccin de m ateriales...................................................................................................... 17Resumen .......................................................................................................................................... 19Trminos c la v e ................................................................................................................................ 19Referencias....................................................................................................................................... 20

P a r t e I

FUNDAMENTOS

Captulo 2. El enlace a t m ic o ............................................................................................................. 232.1. Estructura atm ica............................................................................................................... 24

v i i i CONTENIDO

22. El enlace i n ico .................................................................................................................. 30Nmero de coordinacin..................................................................................................... 35

23. El enlace covalente............................................................................................................. 4124. El enlace m etlico............................................................................................................... 4725. El enlace secundario o de Van der W aals ...................................................................... 5026. Materiales: Clasificacin en funcin del tipo de en lace ............................................... 53Resumen .......................................................................................................................................... 54Trminos c la v e ................................................................................................................................ 55Referencias....................................................................................................................................... 56Problemas ......................................................................................................................................... 56

Captulo 3. Estructura cristalina: p erfeccin ................................................................................... 613.1. Siete sistemas y catorce redes............................................................................................ 623.2. Estructuras metlicas .......................................................................................................... 663.3. Estructuras cerm icas.......................................................................................................... 703.4. Estructuras polimricas ...................................................................................................... 793.5. Estructuras semiconductoras ............................................................................................. 823.6. Posiciones, direcciones y planos de la r e d ...................................................................... 863.7. Difraccin de rayos X ........................................................................................................ 98Resumen .......................................................................................................................................... 106Trminos c la v e ................................................................................................................................ 107Referencias....................................................................................................................................... 108Problemas ......................................................................................................................................... 108

Captulo 4. Defectos cristalinos y estructura no cristalina: im perfeccin................................. 1134.1. La solucin slida: imperfeccin qum ica...................................................................... 1144.2. Defectos puntuales: imperfecciones de dimensin c e ro ................................................. 1194.3. Defectos lineales o dislocaciones: imperfecciones unidimensionales........................... 1214.4. Defectos de superficie: imperfecciones bidimensionales............................................. 1244.5. Slidos no cristalinos: imperfecciones tridimensionales............................................... 1314.6. Microscopa .......................................................................................................................... 134Resumen .......................................................................................................................................... 143Trminos c la v e ................................................................................................................................ 144Referencias....................................................................................................................................... 144Problemas ......................................................................................................................................... 145

Captulo 5. Difusin ................................................................................................................................ 1495.1. Procesos trmicamente activados...................................................................................... 1505.2. Produccin trmica de defectos puntuales...................................................................... 1545.3. Defectos puntuales y difusin en estado s lido ............................................................. 1565.4. Difusin en estado estacionario........................................................................................ 1665.5. Caminos alternativos para la difusin............................................................................. 169Resumen .......................................................................................................................................... 172Trminos c la v e ................................................................................................................................ 172

CONTENIDO X

Referencias....................................................................................................................................... 173Problemas ......................................................................................................................................... 173

Captulo 6 . Propiedades m e c n ic a s .................................................................................................. 1776.1. Tensin frente a deformacin............................................................................................ 178

Metales .................................................................................................................................. 178Cermicos y v id rio s ............................................................................................................ 192Polmeros .............................................................................................................................. 196

6.2. Deformacin elstica .......................................................................................................... 2016.3. Deformacin plstica .......................................................................................................... 2026.4. Dureza ................................................................................................................................... 2096.5. Fluencia y relajacin de esfuerzos..................................................................................... 2136.6 . Deformacin viscoelstica ................................................................................................. 221

Vidrios inorgnicos.............................................................................................................. 222Polmeros orgnicos ............................................................................................................ 224Elastmeros .......................................................................................................................... 228

Resumen .......................................................................................................................................... 231Trminos c la v e ................................................................................................................................ 232Referencias....................................................................................................................................... 232Problemas ......................................................................................................................................... 232

Captulo 7. P ropiedades t rm ic a s ....................................................................................................... 239

7.1. Capacidad calorfica............................................................................................................ 2407.2. Dilatacin trm ica ............................................................................................................... 2437.3. Conductividad trm ica........................................................................................................ 2467.4. Choque trmico ................................................................................................................... 251Resumen .......................................................................................................................................... 255Trminos c la v e ................................................................................................................................ 256Referencias....................................................................................................................................... 256Problemas ......................................................................................................................................... 256

Captulo 8 . Anlisis y prevencin de fa l lo s ..................................................................................... 2598.1. Energa de im pacto ............................................................................................................. 2608.2. Tenacidad de fractura.......................................................................................................... 2668.3. Fatiga .................................................................................................................................... 2708.4. Ensayos no destructivos..................................................................................................... 279

Radiografas de rayos X ..................................................................................................... 279Ensayo de ultrasonidos....................................................................................................... 280Otros ensayos no destructivos............................................................................................ 281

8.5. Anlisis y prevencin de fa llo s .......................................................................................... 284Resumen .......................................................................................................................................... 288Trminos c la v e ................................................................................................................................ 288Referencias....................................................................................................................................... 289Problemas ......................................................................................................................................... 289

X CONTENIDO

Captulo 9. Diagram as de fases: evolucin del equilibrio m icroestructural................................ 293

9.1. La regla de las fases ............................................................................................................ 2949.2. El diagrama de fa s e s .......................................................................................................... 298

Solubilidad total en estado s lido ..................................................................................... 299Diagrama eutctico con insolubilidad total en estado slido............................................ 302Diagrama eutctico con solubilidad parcial en estado s lido ......................................... 304Diagrama eutectoide............................................................................................................ 307Diagrama peritctico ........................................................................................................... 309Diagramas binarios generales............................................................................................ 312

9.3. La regla de la palanca......................................................................................................... 3179.4. Evolucin de la microestructura durante el enfriamiento len to ..................................... 323Resumen .......................................................................................................................................... 336Trminos c la v e ................................................................................................................................ 337Referencias....................................................................................................................................... 337Problemas ......................................................................................................................................... 337

Captulo 10. Cintica: tratamiento t rm ico ....................................................................................... 34310.1. El tiempo: la tercera dim ensin....................................................................................... 34410.2. El diagrama T T T ............................................................................................................... 349

Transformaciones con difusin ....................................................................................... 350Transformaciones sin difusin (martensticas).............................................................. 352Tratamientos trmicos del a ce ro ..................................................................................... 357

10.3. Templabilidad...................................................................................................................... 36410.4. Endurecimiento por precipitacin................................................................................... 36810.5. Recocido............................................................................................................................. 371

Acritud ................................................................................................................................ 371Restauracin ....................................................................................................................... 372Recristalizacin .................................................................................................................. 373Crecimiento de g rano ......................................................................................................... 375

10.6. Cintica de las transformaciones de fase de los no m etales........................................ 377Resumen .......................................................................................................................................... 383Trminos c la v e ................................................................................................................................ 384Referencias....................................................................................................................................... 384Problemas ......................................................................................................................................... 384

Parte IILOS MATERIALES ESTRUCTURALES

Captulo 11. M etales .............................................................................................................................. 39111.1. Aleaciones frreas.............................................................................................................. 392

Aceros al carbono y de baja aleacin............................................................................ 393Aceros de alta aleacin..................................................................................................... 398Fundiciones ......................................................................................................................... 400Aleaciones frreas de solidificacin rp ida..................................................................... 402

CONTENIDO X

11.2. Aleaciones no frreas.......................................................................................................... 406Cobre y aleaciones de co b re ............................................................................................ 406Nquel y aleaciones base n q u e l..................................................................................... 409Aleaciones de cinc, plomo y estao ................................................................................ 410Metales refractarios ........................................................................................................... 412Otros metales ..................................................................................................................... 413

11.3. Aleaciones ligeras............................................................................................................... 414Aluminio y aleaciones de alum inio ................................................................................ 415Magnesio y aleaciones de m agnesio.............................................................................. 424Titanio y aleaciones de titan io ......................................................................................... 426Berilio .................................................................................................................................. 432

11.4. Materiales compuestos de matriz m etlica.................................................................... 43311.5. Procesado de materiales m etlicos................................................................................... 433Resumen .......................................................................................................................................... 443Trminos c la v e ................................................................................................................................ 444Referencias....................................................................................................................................... 444Problemas ......................................................................................................................................... 444

Captulo 12. Cermicos y v id rios.......................................................................................................... 447

12.1. Cermicos: materiales cristalinos .................................................................................... 44812.2. Vidrios: materiales no cristalinos.................................................................................... 45312.3. Vitrocermicas .................................................................................................................... 45612.4. Procesado de los cermicos y los vidrios........................................................................ 458Resumen .......................................................................................................................................... 466Trminos c la v e ................................................................................................................................ 467Referencias....................................................................................................................................... 467Problemas ......................................................................................................................................... 467

Captulo 13. P o lm ero s ............................................................................................................................ 471

13.1. Definicin y clasificacin................................................................................................. 47213.2. Sntesis de polm eros.......................................................................................................... 47513.3. Peso molecular. Medida, influencia en propiedades...................................................... 47813.4. Solubilidad y estabilidad qum ica.................................................................................... 47913.5. Cristalinidad ........................................................................................................................ 481

Factores que influyen en la cristalinidad de un polm ero........................................... 48313.6. Comportamiento trmico ................................................................................................... 48413.7. Comportamiento mecnico ............................................................................................... 48613.8. La reticulacin de termoestables y elastmeros............................................................. 48813.9. Plsticos com erciales.......................................................................................................... 49213.10. Adhesivos............................................................................................................................. 494

Humectacin ....................................................................................................................... 495Espesamiento ..................................................................................................................... 496Adherencia.......................................................................................................................... 497

x i i CONTENIDO

C ohesin.............................................................................................................................. 498Tratamiento de preparacin superficial........................................................................... 499

13.11. Familia de adhesivos y criterios de seleccin............................................................... 50013.12. Procesado de polmeros ................................................................................................... 501Resumen .......................................................................................................................................... 502Trminos c la v e ................................................................................................................................ 503Referencias....................................................................................................................................... 503Problemas ......................................................................................................................................... 503

Captulo 14. Materiales c o m p u e s to s .................................................................................................. 50514.1. Materiales compuestos. Clasificacin y seleccin........................................................ 50714.2. Funcin de la fibra en el material compuesto............................................................. 50814.3. Funcin de la matriz en el material conpuesto ........................................................... 51214.4. La anisotropa del material compuesto.......................................................................... 51514.5. Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos........................................ 517Resumen .......................................................................................................................................... 518Trminos c la v e ................................................................................................................................ 519Referencias....................................................................................................................................... 519Problemas ......................................................................................................................................... 519

Parte IIIMATERIALES ELECTRNICOS Y MAGNTICOS

Captulo 15. Conduccin e l c tr ic a ..................................................................................................... 52315.1. Portadores de carga y conduccin................................................................................... 52415.2. Niveles y bandas de energ a ........................................................................................... 52815.3. Conductores........................................................................................................................ 535

Termopares ......................................................................................................................... 538Superconductores................................................................................................................ 541

15.4. Aislantes ............................................................................................................................. 547Ferroelctricos ................................................................................................................... 549Piezoelctricos ................................................................................................................... 551

15.5. Semiconductores ............................................................................................................... 55515.6. Materiales compuestos .................................................................................................... 55715.7. Materiales: clasificacin elctrica................................................................................... 558Resumen .......................................................................................................................................... 558Trminos c la v e ................................................................................................................................ 560Referencias....................................................................................................................................... 560Problemas ......................................................................................................................................... 560

Captulo 16. Comportamiento p tico ................................................................................................. 56516.1. Luz v isib le .......................................................................................................................... 56616.2. Propiedades pticas .......................................................................................................... 568

Indice de refraccin........................................................................................................... 568

CONTENIDO X iii

Reflectividad ....................................................................................................................... 570Transparencia, materiales translcidos, opacidad......................................................... 572Color ................................................................................................................................... 573Luminiscencia..................................................................................................................... 575Reflectividad y opacidad de m etales.............................................................................. 575

16.3. Sistemas y dispositivos p ticos....................................................................................... 579Lseres ................................................................................................................................ 579Fibras pticas ..................................................................................................................... 582Pantallas de cristal lquido................................................................................................ 585Fotoconductores.................................................................................................................. 585


Captulo 17. S em ico n d u c to res ............................................................................................................. 591

17.1. Semiconductores elementales intrnsecos........................................................................ 59217.2. Semiconductores elementales extrnsecos....................................................................... 597

Semiconductores tipo n ..................................................................................................... 598Semiconductores tipo p ..................................................................................................... 600

17.3. Compuestos semiconductores.......................................................................................... 61117.4. Semiconductores am orfos................................................................................................. 61417.5. Procesado de semiconductores........................................................................................ 61617.6. Dispositivos semiconductores.......................................................................................... 621Resumen .......................................................................................................................................... 629Trminos c la v e ................................................................................................................................ 631Referencias....................................................................................................................................... 631Problemas ......................................................................................................................................... 631

Captulo 18. M ateriales m ag n tic o s ................................................................................................... 63718.1. M agnetism o........................................................................................................................ 63818.2. Ferrromagnetismo ............................................................................................................. 64218.3. Ferrimagnetismo ............................................................................................................... 64918.4. Imanes m etlicos............................................................................................................... 652

Imanes b landos................................................................................................................... 653Imanes d u ro s ....................................................................................................................... 655Imanes superconductores .................................................................................................. 655

18.5. Imanes cermicos ............................................................................................................. 658Imanes de baja conductividad......................................................................................... 658Imanes superconductores .................................................................................................. 661


XV CONTENIDO

P a r t e IVMATERIALES EN DISEOS DE INGENIERA

Captulo 19. Degradacin a m b ie n ta l................................................................................................... 67119.1. Oxidacin: ataque atmosfrico d irec to ........................................................................... 67319.2. Corrosin acuosa: ataque electroqumico........................................................................ 67819.3. Corrosin galvnica de dos m etales................................................................................. 68019.4. Corrosin por reduccin gaseosa...................................................................................... 68519.5. Efecto de la tensin mecnica en la corrosin............................................................... 68919.6. Mtodos de prevencin de la corrosin.......................................................................... 69019.7. Curvas de polarizacin...................................................................................................... 69419.8. Degradacin qumica de cermicos y polm eros........................................................... 69719.9. Dao por radiacin............................................................................................................. 69719.10. Desgaste ............................................................................................................................... 70019.11. Anlisis superficial............................................................................................................. 704Resumen .......................................................................................................................................... 709Trminos c la v e ................................................................................................................................ 710Referencias....................................................................................................................................... 711Problemas ......................................................................................................................................... 711

Captulo 20. Seleccin de m a te ria le s ................................................................................................. 715

20.1. Propiedades de los materiales: parmetros de diseo en ingeniera........................... 71620.2. Seleccin de materiales estructurales: estudio de caso s ............................................... 722

Materiales para mstiles de w indsurf.............................................................................. 722Sustitucin de un metal por un polm ero....................................................................... 725Sustitucin de un metal por un material com puesto.................................................... 727Estructura de panal de a b e ja ............................................................................................ 727Materiales para la sustitucin de una articulacin de cadera ..................................... 729

20.3. Seleccin de materiales electrnicos y magnticos: estudio de caso s ......................... 733Metal amorfo para la distribucin de energa elctrica................................................ 734Sustitucin de un polmero termoestable por un termoplstico.................................. 738Soldadura de aleacin metlica para la tecnologa flip-chip.................................. 738Diodos luminosos .............................................................................................................. 740Polmeros como conductores elctricos......................................................................... 742

20.4. Materiales y medio am biente........................................................................................... 744Aspectos ambientales del d iseo..................................................................................... 744Reciclado ............................................................................................................................ 747


Apndice 1. Datos fsicos y qumicos de los elem entos qu m icos........................................... 756

Apndice 2. Radio atmico y radio inico de los elem entos q u m ico s .................................... 759

CONTENIDO XV

Apndice 3. Constantes y factores de c o n v e rs i n .......................................................................... 763

Apndice 4. Propiedades de los materiales e s tru c tu ra le s ............................................................ 764

Apndice 5. Propiedades electrnicas, pticas y magnticas de los m a te ria le s ................... 773

Apndice 6. Ensayos de caracterizacin de m a te ria le s ............................................................... 79

Glosario ......................................................................................................................................................... 781

Soluciones a los Problemas Prcticos (PP) y a los Problemas Numricos Impares.................... 811

ndice ............................................................................................................................................................ 821

Este libro est diseado para un primer curso de ingeniera de materiales. El campo comprendido por este rea de la profesin del ingeniero se conoce como ciencia e ingeniera de materiales. Para m, esta denominacin realiza dos funciones importantes. En primer lugar, se trata de una descripcin exacta del equilibrio entre los principios cientficos y la ingeniera prctica que se precisa al seleccionar los materiales apropiados en la tecnologa moderna. En segundo lugar, sirve de gua para organizar este libro. Cada palabra define una parte distinta. Tras un breve captulo introductorio, la palabra ciencia califica a la Parte I, sobre Los fundamentos. Los Captulos 2 a 6 tratan diversos temas de fsica y qumica aplicada. Son la base para comprender los principios de la ciencia de materiales. Supongo que algunos estudiantes seguirn este curso sin haber adquirido todava los conocimientos de fsica y qumica requeridos. Por ello, se ha intentado que la Parte I sea independiente. Un curso previo de qumica o fsica sera til, pero no tiene por qu ser necesario. Si todo el grupo ha superado un curso de introduccin a la qumica, puede dejarse el Captulo 2 (acerca del enlace atmico), como un tema de lectura opcional, pero es importante no pasar por alto el papel del enlace a la hora de definir los tipos bsicos de materiales de ingeniera. Los restantes captulos de la Parte I no pueden ser opcionales, pues en ellos se describen los temas clave de la ciencia de materiales. En el Captulo 3 se estudian las estructuras cristalinas ideales de los materiales importantes. El Captulo 4 introduce las imperfecciones estructurales que se pueden encontrar en los materiales reales. Estos defectos estructurales son la base de la difusin en estado slido (Captulo 5) y de la deformacin plstica en los metales (Captulo 6). El Captulo 6 tambin incluye un amplio estudio sobre el comportamiento

x v i i i PREFACIO

mecnico de varios tipos de materiales en ingeniera. Igualmente, el Captulo 7 estudia el comportamiento trmico de estos materiales. Las cargas mecnicas o trmicas sobre los materiales pueden provocar su fallo, tema que se trata en el Captulo 8. Adems, el anlisis sistemtico de fallos en servicio puede ayudar en la prevencin de futuras catstrofes. Los Captulos 9 y 10 son especialmente importantes, ya que son un puente entre la ciencia de materiales y la ingeniera de materiales. Los diagramas de fase (Captulo 9) son una herramienta efectiva en la descripcin de las microestructuras de equilibrio de los materiales utilizados en la prctica ingenieril. Los profesores notarn que este tema se presenta de una forma descriptiva y emprica. Debido a que algunos estudiantes en este curso an no dispondrn de conocimientos de termodinmica, he evitado el uso de la energa libre en la descripcin. (El CD adjunto incluye un Captulo de Termodinmica, para los profesores que quieran ensear los diagramas de fases con una perspectiva de Termodinmica). La cintica (Captulo 10) es la base del tratamiento trmico de los materiales para ingeniera.

La palabra materiales sirve de ttulo a la Parte II del libro. Se identificarn las cuatro categoras de materiales estructurales. Los metales (Captulo 11), cermicos (Captulo 12) y polmeros (Captulo 13) se identifican tradicionalmente como los tres tipos de materiales para ingeniera. He titulado el Captulo 12 Cermicos y vidrios para resaltar el distinto carcter de los vidrios no cristalinos, que son qumicamente similares a los cermicos cristalinos. El Captulo 14 aade los materiales compuestos como una cuarta categora que implica una combinacin de los tres tipos bsicos. La fibra de vidrio, la madera y el hormign son algunos ejemplos tpicos. Los materiales compuestos avanzados, como el sistema grafito/ epoxy, representan algunos de los ms importantes desarrollos en el campo de los materiales estructurales. En la Parte II cada captulo cataloga una serie de ejemplos de cada tipo de material estructural, y describe su procesado, las tcnicas empleadas para producir los materiales.

La palabra materiales tambin describe la Parte III. Los materiales utilizados en aplicaciones electrnicas y magnticas pueden clasificarse generalmente en una de las categoras correspondientes a los materiales estructurales. Pero un anlisis cuidadoso de la conduccin elctrica (Captulo 15) muestra que puede definirse una nueva categora, los semiconductores. Los metales son normalmente buenos conductores elctricos, mientras los cermicos y polmeros suelen ser buenos aislantes, y los semiconductores tienen un comportamiento intermedio. El descubrimiento de superconductividad en ciertos materiales cermicos a temperaturas relativamente elevadas ha generado mucho inters. Esto aumenta el uso ya establecido de la superconductividad en ciertos metales a muy baja temperatura.

El Captulo 16 se dedica a las propiedades pticas, que son importantes en muchas aplicaciones, del tradicional vidrio de ventana a los ltimos avances en telecomunicaciones. El Captulo 17 est dedicado a un grupo importante de materiales semiconductores, que son la base de la industria electrnica de estado slido. En el Captulo 18 se trata una amplia variedad de materiales magnticos. Los imanes metlicos y cermicos tradicionales se estn sustituyendo por metales y cermicos superconductores, que pueden tener aplicaciones interesantes, con diseos basados en su comportamiento magntico.

PREFACIO XX

La ingeniera en la ciencia e ingeniera de materiales describe la Parte IV, Materiales en ingeniera de diseo, que trata del papel de los materiales en las aplicaciones ingenieriles. En el Captulo 19 (Degradacin por efectos ambientales) se abordan las limitaciones impuestas por el ambiente. La degradacin qumica, el daado por radiacin o el desgaste deben considerarse al pronunciar un juicio definitivo sobre la aplicacin de un material. Adems, el anlisis sistemtico del fallo de los materiales puede permitir la prevencin de futuras catstrofes. Finalmente, en el Captulo 20 (Seleccin de materiales), se ve que los estudios previos acerca de las propiedades han conducido a una serie de parmetros de diseo. Aqu se proporciona un puente final entre los principios de la ciencia de materiales y el empleo de estos materiales en los modernos diseos en ingeniera.

Espero que tanto estudiantes como profesores sean capaces de ver lo que he tratado de obtener un libro de texto claro y fcil de leer, organizado en tomo al ttulo de esta importante rama de la ingeniera. Tambin es importante destacar que los materiales desempean un papel central dentro del amplio espectro de la ciencia y tecnologa contemporneas. En el artculo del National Research Council Materials Science and Engineering fo r the 1990s: Maintaining Competitiveness in the Age o f Materials, se estimaba que aproximadamente un tercio de todos los fsicos y qumicos empleados trabaja en el campo de los materiales. En el artculo Science: The End o f the Frontier?, de la American Association for the Advance- ment o f Science, 10 de las 26 tecnologas identificadas al fente del crecimiento econmico correspondan a diversos tipos de materiales avanzados.

En la presentacin de este libro he intentado ser generoso con los ejemplos y los problemas expuestos dentro de cada captulo, y he tratado de ser an ms generoso con los problemas para trabajo individual propuestos al final de cada captulo (en los que se indica claramente el nivel de dificultad). Una de las fases ms entretenidas al escribir este libro fue la preparacin de las notas biogrficas al pie de pgina, en aquellos casos en que el nombre de una persona ha quedado ntimamente asociado a un concepto bsico en la ciencia e ingeniera de materiales. Sospecho que la mayora de los lectores compartirn mi fascinacin con estos grandes contribuyentes a la ciencia y la ingeniera desde un pasado distante y no tan distante. Adems de un sustancial conjunto de datos tiles, los Apndices proporcionan una conveniente localizacin de las propiedades de los materiales, herramientas de caracterizacin y definiciones de los trminos clave.

Las distintas ediciones de este libro se han llevado a cabo en un perodo de cambios fundamentales en el rea de la ciencia e ingeniera de materiales. Esto puede verse incluso en el cambio de nombre, en otoo de 1986, de la American Society for Metals a ASM International, una sociedad para materiales, no slo para metales. Una introduccin adecuada a la ciencia de materiales ya no puede reducirse a una descripcin tradicional de la metalurgia fsica con introducciones suplementarias a los materiales no metlicos. La primera edicin estaba basada en un tratamiento equilibrado de todo el conjunto de materiales para ingeniera. Las siguientes ediciones reforzaron esta aproximacin con la adicin de nuevos materiales, destinados a desempear un papel relevante en la economa del siglo xxi: aleaciones de metales ligeros, cermicos de alta tecnologa para aplicaciones estructurales avanzadas, polmeros ingenieriles para sustituir metales, materiales

XX PREFACIO

compuestos avanzados para aplicaciones aeroespaciales, semiconductores para dispositivos electrnicos cada vez ms sofisticados, cermicos superconductores de alta temperatura y biomateriales. Desde la primera edicin se han producido avances notables en la caracterizacin de materiales, tales como el microscopio de fuerza atmica (AFM), y en la produccin de materiales, como la sntesis autopro- pagada a alta temperatura (SHS). Una reorganizacin importante del libro se hizo en la quinta edicin, al aadir captulos independientes para las propiedades mecnicas, trmicas y pticas, as como para la difusin y la prevencin y anlisis de fallos.

C A M B IO S EN LA S E X T A ED IC I N

En la sexta edicin se emplea una nueva estructura organizativa, ya usada en la anterior edicin. Cada captulo ha sido revisado y actualizado. Algunos temas avanzados, como los cuasicristales, se han trasladado al disco CD suplementario, que se describe en el prximo apartado, manteniendo el libro en un nivel genera- lista ms uniforme. Al igual que en ediciones anteriores, se incluyen ms de cien problemas, nuevos o revisados. Finalmente, se incluye en cada captulo un prrafo de una o dos pginas titulado el mundo de los materiales con algunos de los fenmenos ms fascinantes del mundo de los materiales; estos comentarios, que ya aparecan en la edicin anterior, han sido ampliados.

M A TE R IA L S U P L E M E N T A R IO

Un complemento importante para este libro es el CD que lo acompaa. Debe reconocerse a su autor, Michael L. Meier, el enorme trabajo para reunir distintos materiales: programas, datos, artculos, imgenes y otros productos que enriquecen el libro. El CD incluye algunos programas desarrollados por Meier, as como ejemplos de software comercial en el rea de Ciencia e Ingeniera de Materiales. Hay muchos experimentos de laboratorio hechos en nuestra Universidad de California, Davis, asi como una abundante librera de imgenes. Meier hizo una cuidadosa bsqueda de centros con docencia en materiales, las direcciones de contacto deben facilitar la colaboracin entre estos centros. Meier y el autor consideran el CD como un proyecto en curso, y agradecen las sugerencias.

El captulo suplementario Temas estructurales avanzados incluido en el CD puede utilizarse por maestros que quieran presentar el tema de cuasicristales y fractales. Esta discusin contina el tema presentado en los Captulos 3 y 4. Hay un Captulo sobre termodinmica tambin en el CD que puede emplearse como los fundamentos de los aspectos de diagramas de fase y cintica que se dan el los Captulos 9 y 10.

Pearson Prentice Hall tiene una conexin de internet para este libro, que proporciona medios para la gestin de las clases y exmenes. Adems proporciona para los estudiantes y profesores una revisin de matemticas, qumica, y una tabla peridica interactiva.

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A G R A D E C IM IE N T O S

Por ltimo, quiero agradecer a varias personas su gran ayuda, que ha hecho posible la realizacin de este libro. Mi familia ha sido ms paciente y comprensiva de lo normal. Ellos constituyen un recordatorio constante de la riqueza de la vida ms all del plano material. Peter Gordon (primera edicin), David Johnstone (segunda y tercera edicin), Bill Stenquist (cuarta y quinta edicin) y Doroty Marrero (sexta edicin) son apreciados mucho ms que como simples editores. Estoy especialmente en deuda con Pearson Prentice-Hall por proporcionarme a Deena Cloud como Development Editor para la cuarta y quinta edicin. Su guiado experto fue excepcionalmente til y efectivo. Lilian Davila produjo con destreza las imgenes de la estructura cristalina generadas por ordenador. Debo un aprecio especial a mis colegas de la Universidad de Califomia-Davis, as como a todos los que han revisado el texto a lo largo de las distintas ediciones, especialmente a D. J. Montgo- mery, John M. Roberts, D. R. Rossington, R. D. Daniels, R. A. Johnson, D. H. Morris, J. P. Mathers, Richard Fleming, Ralph Graff, Ian W. Hall, John J. Kramer, Enayat Mahajerin, Carolyn W. Meyers, Emest F. Nippes, Richard L. Porter, Eric C. Skaar, E. G. Schwartz, William N. Weins, M. Robert Baren, John Botsis, D. L. Douglass, Robert W. Hendricks, J. J. Hren, Sam Hruska, I. W. Hull, David B. Knoor, Harold Koellong, John McLaughlin, Alvin H. Meyer, M. Natarajan, Jay Samuel, John R. Schlup, Theodore D. Taylor, Ronald Kander, Alan Lawley y Joanna McKittrick.

Quiero agradecer especialmente a los revisores de la sexta edicin: Yu-Lin Shen, Universidad de New Mxico; Kathleen R. Rohr, VA Tech; Jeffrey W. Fer- gus, Aubum University; James R. Chelikowsky, University of Minnesota; Chris- toph Steinbruchel, Rennselaer Polytechnic Institute; and James F. Fitz-Gerald, University o f Virginia.

J a m e s F . S h a c k e l f o r d Davis, California

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S O B R E EL A U TO R

James F. Shackelford se gradu en ingeniera cermica en la Universidad de Washington, obteniendo posteriormente el ttulo de Doctor en Ciencia e Ingeniera de Materiales por la Univeresidad de Berkeley, California. Es actualemente catedrtico del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniera Qumica, en la Universidad de Davis, California, y director del programa de estudios integrados. Ensea y dirige investigacin en el rea de ciencia de los materiales, estructura de los materiales, ensayos no destructivos y biomateriales. Es socio de ASM y de la American Ceramic Society, sociedad que le distingui con el ttulo de educador sobresaliente en 1996. En el ao 2003, su Universidad le dio el premio a la excelencia acadmica. Ha publicado ms de un centenar de artculos, incluyendo el Manual CRC de Ciencia e Ingeniera de Materiales, ya en su tercera edicin.

Prlogo a la edicin ven espaol.

En casi todas las titulaciones de ingeniera de Espaa se ha introducido, si no lo estaba anteriormente, una asignatura de primer ciclo denominada Ciencia e Ingeniera de Materiales, que reconoce la necesidad de desarrollar en el futuro ingeniero habilidades para la seleccin y utilizacin racional de todo tipo de materiales. La competitividad de cualquier producto industrial slo se consigue con una ptima seleccin de los materiales con que se hizo. Esta funcin de seleccin se basa en el conocimiento de las relaciones entre propiedades y microestructura interna, y de la influencia de la composicin qumica y del procesado del material sobre ellas. Conocer y comprender estas relaciones, distintas de unos materiales a otros, pero existentes en todos ellos, ser el objeto principal de esa asignatura, como lo ha sido en la redaccin de este libro. En la traduccin-adaptacin de este texto se ha respetado estrictamente el contenido original de la obra, a excepcin de los Captulos 11, 13 y 14, Metales, Polmeros y Materiales Compuestos, que han sido modificados en su totalidad. El captulo de Metales ha sido escrito por Nuria Martn Piris, ingeniero aeronutico e ingeniero de Materiales, y actualmente profesora en ambas titulaciones dentro de la UPM; los otros dos captulos fueron escritos por Alfredo Gemes, Dr. ingeniero aeronutico y catedrtico de la ETS ingenieros aeronuticos. En el texto original, se da una formacin muy abreviada y descriptiva sobre estos materiales. Para esta versin en espaol se ha aumentado su extensin, y sobre todo, se ha cambiado el enfoque didctico, omitiendo la parte descriptiva para insistir en la relacin estructura-propiedades, cuyo conocimiento permite la comprensin de estos materiales y su futuro desarrollo.

Materiales para ingeniera

1 . 1 . El mundo material1.2. Ciencia e ingeniera de materiales1.3. Tipos de materiales

MetalesCermicos y vidrios PolmerosMateriales compuestos Semiconductores

1.4. De la estructura a las propiedades1.5. Procesado de materiales1.6. Seleccin de materiales

1.1. EL MUNDO MATERIAL

2 INTRODUCCIN A LA CIENCIA DE MATERIALES PARA INGENIEROS

Vivimos en un mundo de posesiones materiales que define en gran medida nuestras relaciones sociales y nuestra calidad de vida. Las posesiones materiales de nuestros primeros ancestros eran probablemente sus herramientas y sus armas. De hecho, el modo ms comn de denominacin de cada era en las primeras civilizaciones humanas es en trminos de los materiales con los que se hacan esas herramientas y armas. La Edad de Piedra se ha remontado hasta unos 2,5 millones de aos atrs, cuando los primeros homnidos cortaban piedras con el fin de utilizarlas como armas de caza. La Edad de Bronce, que corresponde aproximadamente al periodo comprendido entre los aos 2000 a.C. y 1000 a.C., representa el inicio de la metalurgia, con el descubrimiento de aleaciones de cobre y estao para producir mejores armas y herramientas (una aleacin es un metal compuesto de ms de un elemento).

Los arquelogos contemporneos apuntan que existi en Europa una etapa anterior, aunque menos conocida, la Edad del Cobre, aproximadamente entre los aos 4000 a.C. y 3000 a.C., durante la cual se emple cobre relativamente puro antes de que se dispusiera de estao. La limitada utilidad de estos productos de cobre proporcion una primera leccin acerca de la importancia de la adicin de aleantes adecuados. La Edad del Hierro define al periodo comprendido entre los aos 1000 a.C. y 1 a.C. Hacia el ao 500 a.C. las aleaciones de hierro haban reemplazado ampliamente al bronce en las herramientas y armas realizadas en Europa.

Aunque los arquelogos no hacen referencia a una Edad del Barro o de la alfarera, la realidad es que la presencia de vasijas para uso domstico hechas a partir de arcilla cocida ha proporcionado algunas de las mejores descripciones de las culturas humanas durante miles de aos. De forma similar, se han descubierto objetos de vidrio que se remontan al ao 4000 a.C. en Mesopotamia.

Algunas veces se denomina la cultura moderna en la segunda mitad del siglo XX como la del plstico, en una referencia, no totalmente de alabanza, a los materiales polimricos, de poco peso y econmicos, con los que se hacen tantos productos. Algunos observadores, en cambio, han sugerido que este mismo periodo de tiempo debera designarse como la edad del silicio dado el gran impacto de los equipos electrnicos modernos, basados fundamentalmente en la tecnologa del silicio.

En la Figura 1.1 se ilustra un curioso resumen visual de la importancia relativa de los materiales para ingeniera en el transcurso de la historia humana. Aunque la escala temporal no es lineal debido a la cada vez ms rpida evolucin de la tecnologa en los ltimos tiempos, puede comprobarse que el papel cada vez ms dominante de las aleaciones metlicas alcanz un mximo tras la Segunda Guerra Mundial. Desde la dcada de los 60, las presiones por el ahorro de costes y peso han llevado a una creciente demanda de nuevos y sofisticados materiales no metlicos. En la Figura 1.1 la importancia relativa en las edades de piedra y de bronce est basada en las hiptesis de los arquelogos, la de la dcada de los 60 en la docencia en las Universidades sealadas de Estados Unidos e Inglaterra, y la de 2020 en predicciones de los fabricantes de automviles.

MATERIALES PARA INGENIERA 3

10 000a.c. 5000 a.c. 0 10001500 1800 1___I

2020

10 000a.c. 5000 aC.i r0 10001500 1800 1900 1940 1960

Fecha1980 1990 2000 2010 2020

Figura 1.1. La evolucin de la ingeniera de materiales con el tiempo. Ntese que la escala no es lineal (M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 2nd ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999.)

EL MUNDO MATERIALUn retrato de familia

Desde que los humanos se reunieron para formar unidades familiares, han dependido de toda una serie de posesiones materiales para desempear sus funciones en el seno de la familia y para definir la naturaleza de su interaccin con el mundo que los rodea. El fotgrafo Peter Menzel ha capturado este mundo material de las familias contemporneas de pases de todo el mundo. En cada caso, hall una familia que se ajustara al mximo a la media estadstica de su pas de origen y obtuvo su cooperacin para reunir todas sus posesiones materiales y ser fotografiados con ellas fuera de su vivienda. El libro resultante es Material WorldA Global Family Portrait (Sierra Club Books, San Francisco, 1994). Aqu se muestra el retrato resultante de una familia tpica de los Estados Unidos.

Esta familia americana representativa tiene dos hijos (prxima a la media nacional de 2 ,1) y vive en una casa de 148,6 m2. Las posesiones distribui-

Fosesiones materiales de una familia media estadounidense. (De Peter Menzel, Material WorldA Global Family Portrait, Sierra Club Books, San Francisco, 1994.)

das en la calle en frente de la casa familiar incluyen tres radios, dos televisores (con un vdeo), tres estreos, cinco telfonos, un ordenador personal y tres vehculos. Aunque la riqueza material de esta familia media es claramente voluminosa, en el momento de realizar esta publicacin la familia


americana slo ocupaba el noveno puesto del ran- king de opulencia entre 183 pases miembros de las Naciones Unidas. A lo largo del libro se podra ir haciendo de nuevo referencia a esta foto como recordatorio de que los resultados de nuestros es

fuerzos como ingenieros en la seleccin de los materiales adecuados para los diseos tcnicos pueden jugar un importante papel en las vidas de los individuos y sus familias. Y, cada vez ms, esas familias son miembros de la economa global.

1.2. CIENCIA E INGENIERA DE MATERIALES

Desde la dcada de 1960, la denominacin que ha venido a designar a la rama de la ingeniera concerniente a los materiales es ciencia e ingeniera de materiales. Esta denominacin es precisa debido a que este campo es una verdadera combinacin de estudios cientficos, bsicos, y de prctica ingenieril. Este mismo campo ha ido creciendo para incluir contribuciones de otros ms tradicionales, entre los que se incluyen la metalurgia, la ingeniera de los cermicos, la qumica de los polmeros, la fsica del estado slido y la fsica qumica.

La denominacin ciencia e ingeniera de materiales realiza una funcin especial en este libro introductorio, ya que proporciona la base para la organizacin del texto. En primer lugar, la palabra ciencia describe la Parte I (Captulos 2 a 10), que trata de los fundamentos y clasificacin de las estructuras. En segundo lugar, la palabra materiales describe la Parte II (Captulos 11 a 14), donde se habla de los cuatro tipos de materiales estructurales, y la Parte III (Captulos 15 a 18), donde se describen diversos materiales elctricos y magnticos, adems de los semiconductores, considerados como una categora aparte. Finalmente la palabra ingeniera describe la Parte IV (Captulos 19 y 20), en la que se analiza el comportamiento de los materiales en una serie de aspectos clave referentes a la degradacin, procesado y seleccin de los mismos.

1.3. TIPOS DE MATERIALES

La pregunta ms obvia que formular el estudiante al comenzar un curso de introduccin a los materiales es: Cules son los materiales de los que se dispone?. Para contestar a esta pregunta con generalidad es posible dar varias clasificaciones. En este libro se distinguirn cinco categoras que abarcan los materiales disponibles por los ingenieros en su prctica profesional: metales, cermicos y vidrios, polmeros, compuestos y semiconductores.

M E TA LE S

Si existe un material caracterstico que el pblico en general asocia con la ingeniera es el acero estructural. Este verstil material de construccin posee varias caractersticas, o propiedades, consideradas como metlicas: en primer lugar es


Figura 1.2. Estos ejemplos de piezas metlicas comunes, como diversos muelles y

grapas, son caractersticos del amplio abanico de aplicaciones tcnicas. (Cortesa de Elgiloy

Company.)

resistente y puede ser conformado fcilmente. En segundo lugar, su gran capacidad de deformacin permanente, o ductilidad, es un factor importante que le permite deformarse poco frente a cargas sbitas y elevadas. Por ejemplo, muchos ca- lifomianos han podido observar, durante sesmos moderados, que las ventanas de vidrio, que es relativamente frgil (esto es, sin ductilidad), se rompen, mientras que sus marcos de acero continan funcionando con normalidad. En tercer lugar, la superficie recin cortada del acero muestra un brillo metlico caracterstico, y en cuarto lugar, una barra de acero comparte una caracterstica fundamental con otros metales: es una buena conductora de la corriente elctrica. Si bien el acero estructural es un ejemplo muy comn de los metales para la ingeniera, es fcil recordar muchos ms pensando un poco (Figura 1.2).

En el Captulo 2 se definir la naturaleza de los metales y se encuadrar en relacin con la de las dems categoras. Es bastante til examinar el comportamiento metlico de los elementos qumicos conocidos. La Figura 1.3 muestra los

Figura 1.3. Tabla peridica de los elementos, en la que se han sombreado aquellos

elementos inherentemente metlicos.

IA1H IIA

IV B VB VIB VIIB /VIII

' IB

IIIA IVA VA VIA VIIA2

He3Li

4Be

III B II B

5B

6c

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16s

17ci

18Ar

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe55 56 57 72 73 74 75 76 TI 78 79 80 81 82 83 84 85 86Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn87 88 89 104 105 106Fr Ra Ac Rf Db Sg

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tin Yb Lu90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw


Figura 1.4. Distintas piezas de aluminio fabricadas mediante deformacin superplstica. La capacidad de deformacin excepcionalmente alta de estas aleaciones es posible gracias a una microestructura de grano fino, cuidadosamente controlada. El conformado superplstico emplea aire a presin para estirar una chapa metlica sobre una preforma metlica. (Cortesa de Superform USA.)

elementos qumicos de la tabla peridica que son inherentemente metlicos. Como se ve, se trata de una familia bastante amplia. Los elementos que aparecen sombreados en la figura constituyen la base de las diversas aleaciones para ingeniera, incluyendo los hierros y los aceros (base hierro), las aleaciones de aluminio (Al), las de magnesio (Mg), las de titanio (Ti), las de nquel (Ni), las de cinc (Zn) y las de cobre (Cu) [incluyendo los latones (Cu-Zn)]. La Figura 1.4 muestra un ejemplo del estado del arte del trabajo con metales, concretamente, piezas conformadas mediante deformacin superplstica, de las que se hablar ms adelante en el Captulo 11.

C E R M IC O S Y V ID R IO S

El aluminio (Al) es un metal comn, pero el xido de aluminio, un compuesto de aluminio y oxgeno (A120 3), es caracterstico de una familia completamente distinta de materiales para ingeniera: los materiales cermicos. El xido de aluminio tiene dos ventajas principales sobre el aluminio metlico. La primera es que el A120 3 es qumicamente estable en una gran variedad de ambientes severos, en los que el aluminio metlico se oxidara (trmino que se describir con detalle en el Captulo 19). De hecho, un producto normal de reaccin en la degradacin qumica del aluminio es el xido, con una mayor estabilidad qumica. La segunda ventaja es que el cermico A120 3 tiene una temperatura de fusin significativamente mayor (2020 C) que el aluminio metlico (660 Q . Esto hace del A120 3 un refractario bastante comn (esto es, un material resistente a las altas temperaturas, ampliamente utilizado en la construccin de hornos industriales).

Puesto que tiene mejores propiedades qumicas y mayor resistencia a altas temperaturas, por qu no se utiliza el A120 3 en ciertas aplicaciones, como por ejemplo en motores de automviles, en lugar del aluminio metlico? La respuesta a esta pregunta se encuentra en la propiedad ms desfavorable de los cermicos: su fragilidad. El aluminio y otros metales tienen alta ductilidad, una propiedad deseable que les permite soportar cargas de impacto relativamente severas sin romper, mientras que el xido de aluminio y otros cermicos no pueden hacerlo. Esta fragilidad elimina a los cermicos de la seleccin en muchas aplicaciones estructurales.

Los recientes desarrollos en la tecnologa de los cermicos estn haciendo aumentar la utilizacin de estos materiales en aplicaciones estructurales, no por eliminar su inherente fragilidad, sino incrementando su resistencia hasta valores lo suficientemente elevados y aumentando su resistencia a la fractura. (El importante


concepto de tenacidad de fractura ser introducido en el Captulo 8.) En el Captulo 6 se analizar la causa de la fragilidad de los materiales cermicos as como las expectativas de los nuevos cermicos estructurales de alta resistencia. Un ejemplo de estos nuevos materiales es el nitruro de silicio (Si3N4), como principal candidato para la fabricacin de motores de alta temperatura y alta eficiencia energtica, una aplicacin impensable para los cermicos tradicionales.

El xido de aluminio es un cermico tradicional caracterstico, siendo otros buenos ejemplos el xido de magnesio (MgO) y la slice (S i02). Adems, el S i02 constituye la base de la amplia y compleja familia de los silicatos, que incluye las arcillas y los materiales arcillosos. El nitruro de silicio (Si3N4), mencionado anteriormente, es un importante cermico no oxdico empleado en toda una serie de aplicaciones estructurales. La mayor parte de los cermicos con importancia comercial son compuestos qumicos constituidos por al menos un elemento metlico (vase la Figura 1.3) y uno de los cinco elementos no metlicos que se indican (C, N, O, P o S). En la Figura 1.5 se muestra la enorme variedad de materiales cermicos que es posible producir combinando metales (en color claro) con los cinco elementos no metlicos (en color oscuro). Hay que tener en cuenta que muchos cermicos comerciales incluyen compuestos con ms de dos elementos, al igual que una aleacin metlica comercial est constituida por muchos elementos. En la Figura 1.6 se ven algunos artculos fabricados con cermicos comerciales tradicionales. En la Figura 1.7 se presenta un ejemplo de un cermico avanzado, el superconductor para alta temperatura que aparece en la cubierta del libro.

Los metales y cermicos que se muestran en las Figuras 1.2, 1.4, 1.6 y 1.7 tienen una caracterstica estructural similar a escala atmica: son cristalinos, lo que significa que los tomos que los constituyen estn dispuestos segn una distribucin regular y repetitiva. Una diferencia entre los materiales metlicos y los cermicos es que, mediante tcnicas de procesado bastante simples, muchos cermicos pueden fabricarse en forma no cristalina, es decir, con sus tomos dispuestos

Figura 1.5. Tabla peridica de los elementos en la que se

indican los compuestos oermlcos formados por

combinacin de uno o ms elementos metlicos

(sombreado claro), con uno o ms elementos no metlicos (sombreado oscuro). Ntese

que los elementos silicio (Si) y germanio (Ge) se han incluido en los metales en esta figura,

pero no en la Figura 1.3, debido a que en forma elemental esos

dos elementos se comportan como semiconductores (Figura 1.16). El estao elemental (Sn)

puede comportarse como un metal o como un

semiconductor, en funcin de su estructura cristalina.

IA1H II A

IV B VB VIB VIIBVIII

* 'I B


He3Li

4Be

DIB IIB

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16s

17c i

18Ar

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Pb At Rn87 88 89 104 105 106Fr Ra Ac Rf Db Sg

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw


Figura 1.6. Algunos cermicos comunes para aplicaciones tcnicas tradicionales. Estas piezas, con una resistencia caracterstica a las altas temperaturas y a los ambientes corrosivos, se utilizan en diferentes hornos y sistemas qumicos de procesado. (Cortesa de Duramic Products, Inc.)

Figura 1.7. Como se indica en la portada del libro, los superconductores cermicos de alta temperatura estn entre los descubrimientos ms interesantes de las ltimas dcadas. La naturaleza de este xido cermico de trio-bario-cobre, que se muestra flotando sobre un imn de nitrgeno lquido, se estudia con detalle en el Captulo 15 (acerca del comportamiento elctrico) y en el Captulo 18 (sobre el comportamiento magntico). La temperatura criognica del nitrgeno liquido (77 K) es relativamente alta respecto a las temperaturas prximas al cero absoluto a las que los metales tienden a mostrar superconductividad.

de forma irregular y aleatoria, lo cual se ilustra en la Figura 1.8. El trmino general para denominar a los slidos no cristalinos con composiciones comparables a las de los cermicos cristalinos es vidrio (Figura 1.9). La mayora de los vidrios comunes son silicatos; el vidrio ordinario de ventana est compuesto por aproximadamente un 72 por ciento en peso de slice (S i02), siendo el resto principalmente xido de sodio (Na20 ) y xido de calcio (CaO). Los vidrios y los cermicos cristalinos tienen en comn la fragilidad. La importancia de los vidrios en la ingeniera reside en otras propiedades, como su capacidad para transmitir la luz visible (as como la radiacin ultravioleta e infrarroja) y su inercia qumica.

Un material menos tradicional lo constituye una tercera categora, las vitrocermicas. Algunas formulaciones de vidrio (como los alumino silicatos de litio) se


Figura 1.8. Esquema comparativo de la estructura a escala atmica de (a) un

cermico (cristalino) y (b) un vidrio (no cristalino). Los crculos blancos

representan un tomo no metlico y los crculos negros representan un tomo

metlico.

(a) (b)

Figura 1.10. Utensilios de cocina hechos de vitrocermica, lo que les proporciona buenas propiedades trmicas y mecnicas. La cacerola es capaz de resistir el choque trmico que supone estar en contacto simultneamente con la llama del soplete (alta temperatura) y el bloque de hielo (baja temperatura). (Cortesa de Corning Glass Works.)

Figura 1.9. Vidrios comunes de silicato para aplicaciones tcnicas. Estos materiales combinan dos importantes propiedades: transmiten con claridad imgenes visuales y resisten ambientes qumicamente agresivos. (Cortesa de Corning Glass Works.)

pueden desvitrificar totalmente (esto es, experimentan una transformacin desde el estado vitreo al estado cristalino) mediante un tratamiento trmico adecuado. Si se conforma la pieza mientras el material est en su forma vitrea pueden obtenerse formas complicadas. La estructura microscpica de alta calidad (con un tamao de grano fino y sin porosidad) proporciona un producto con una resistencia mecnica superior a la de muchos cermicos cristalinos tradicionales. Una ventaja adicional es que los compuestos de aluminosilicato de litio suelen tener bajos coeficientes de expansin trmica, lo que los hace resistentes a la fractura por cambios rpidos de temperatura. sta es una ventaja importante en aplicaciones como utensilios de cocina (Figura 1.10).

1 0 INTRODUCCIN A LA CIENCIA DE MATERIALES PARA INGENIEROS

Figura 1.11. Diversas piezas internas de un parqumetro, fabricadas con un polmero de acetal. Los polmeros para ingeniera se caracterizan por ser tpicamente baratos, fciles de procesar y poseer unas propiedades estructurales adecuadas. (Cortesa de Du Pont Company, Engineering Polymers Divisin.)

P O LIM E R O S

El mayor impacto de la moderna tecnologa sobre la vida cotidiana ha sido realizado por la categora de materiales denominados p o lm e ro s . Un nombre alternativo para esta categora es el de p l s tic o s , que describe la gran conformabilidad de muchos polmeros durante su fabricacin. Estos materiales artificiales o sintticos constituyen una rama especial de la qumica orgnica. Es fcil encontrar ejemplos de productos baratos y funcionales fabricados con polmeros (Figura 1.11). El monmero en un polmero es una molcula individual de hidrocarburo, como por ejemplo el etileno (C2H4). Los polmeros son molculas de cadena larga formadas por muchos monmeros unidos entre s. El polmero comercial ms comn es el p o lie t i le n o -(- C2H4-)-/J, donde n puede variar entre 100 y 1000. En la Figura 1.12 se ve la zona relativamente limitada de la tabla peridica que se halla asociada a los polmeros comerciales. Muchos polmeros importantes, incluido el polietileno, son simplemente compuestos de carbono e hidrgeno. Otros contienen oxgeno (como los acrlicos), nitrgeno (como los ny- lons), flor (como los plsticos fluorados), o silicio (como las silico- nas). Como su nombre indica, los plsticos comparten, normalmente, con los metales la propiedad mecnica de la ductilidad. A diferencia de los cermicos frgiles, los polmeros son a menudo una

alternativa de bajo coste o de baja densidad frente a los metales en aplicaciones estructurales. En el Captulo 2 se abordar la naturaleza del enlace qumico en los materiales polimricos. Entre las propiedades importantes relacionadas con el enlace qumico estn la menor resistencia en comparacin con los metales, y la menor temperatura de fusin y mayor reactividad qumica que los cermicos y vidrios. A pesar de sus limitaciones, los polmeros son materiales muy tiles y verstiles. En la pasada dcada se ha experimentado un progreso en el desarrollo de

IA1H HA

IV B VB VIB VII BVIII_A_ ' I B


He3Li

4Be

III B IIB

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16s

17C1

18Ar

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86es Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn87 88 89 104 105 106Fr Ra Ac Rf Db Sg

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw

Figura 1.12. Tabla peridica en la que se han sombreado los elementos asociados a los principales polmeros comerciales.

MATERIALES PARA INGENIERA 1 1

Figura 1 .13. El guardabarros trasero de este automvil deportivo

fue una utilizacin pionera de un polmero en una aplicacin

estructural tradicionalmente metlica. El polmero es un nylon

moldeado por inyeccin. (Cortesa de Du Pont Company, Engineering

Polymers Divisin).

polmeros para ingeniera, con resistencia y rigidez suficientemente altas para permitir que sustituyan a ciertos metales tradicionalmente estructurales. Un buen ejemplo es el panel de la carrocera de un automvil de la Figura 1.13.

M A TE R IA LE S C O M P U E S T O S

Las tres categoras anteriores de materiales estructurales para ingeniera (metales, cermicos y polmeros) contienen varios elementos y compuestos que pueden ser clasificados por su enlace qumico. Tal clasificacin aparece en el Captulo 2. Existe adems un importante conjunto de materiales obtenidos por una combinacin de materiales individuales pertenecientes a las categoras previas. Este cuarto grupo es

shackelford james f - introduccion a la ciencia de materiales para ingenieros - 6 ed

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