INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE LOS MATERIALES Y A SUS APLICACIONES

Este libro aborda el estudio de la estructura interna de los materiales, los diagramas de fases binarios como herramienta para la mejor comprensión de la evolución microestructural de las aleaciones metálicas, así como las propiedades mecánicas resultantes y su caracterización mediante ensayos.

ÍNDICE COMPLETO DEL LIBRO:

Tema 1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES.
1.1. Introducción .............................................................................. 19
1.2. Los materiales en la sociedad actual ....................................... 19
1.3. Propiedades de los materiales .................................................. 23
1.3.1. Propiedades físicas ......................................................... 24
1.3.2. Propiedades físico-químicas y tecnológicas ................. 26
1.4. Estructura atómica y enlaces químicos ................................... 28
1.4.1. Estructura atómica ........................................................ 29
1.4.2. Enlaces químicos ........................................................... 38
1.4.3. Tipos de enlace ............................................................... 43
1.4.3.1. Enlace metálico ................................................ 45
1.4.3.2. Enlace iónico .................................................... 48
1.4.3.3. Enlace covalente ............................................... 51
1.4.3.4. Enlaces secundarios ......................................... 55
1.4.3.5. Enlaces mixtos ................................................. 57
1.5. Clasificación de los materiales ................................................. 58
1.5.1. Materiales metálicos ...................................................... 58
1.5.2. Materiales poliméricos .................................................. 60
1.5.3. Materiales cerámicos y vidrios ...................................... 62
1.5.4. Materiales compuestos .................................................. 65
1.5.5. Otros materiales ............................................................. 67
1.6. Cuestiones y ejercicios .............................................................. 71

Tema 2. ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES. SISTEMAS CRISTALINOS.
2.1. Introducción .............................................................................. 75
2.2. Estado sólido ............................................................................. 76
2.2.1. Tipos de sólidos cristalinos ........................................... 80
2.3. Sistemas cristalinos. Red espacial ........................................... 83
2.4. Isomorfismo y alotropía ........................................................... 89
2.5. Índices de Miller ....................................................................... 91
2.6. Redes cristalinas de los metales ............................................... 106
2.6.1. Densidad teórica y parámetros de red .......................... 107
2.6.2. Radio atómico y parámetros de red ............................. 111
2.6.3. Índices de coordinación ................................................ 113
2.6.4. Factor de empaquetamiento ......................................... 114
2.6.5. Densidades atómicas y parámetros de red ................... 118
2.6.6. Distancia entre planos reticulares y parámetros de red . 122
2.7. Intersticios en las redes cristalinas .......................................... 124
2.8. Técnicas para caracterizar estructuras internas ..................... 128
2.8.1. Técnicas espectroscópicas ............................................. 129
2.8.2. Análisis térmico ............................................................. 131
2.8.3. Técnicas de difracción ................................................... 132
2.9. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 139

Tema 3. DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA. SOLIDIFICACIÓN DE METALES.
3.1. Introducción ............................................................................. 145
3.2. Imperfecciones cristalinas ....................................................... 145
3.3. Defectos de punto ..................................................................... 146
3.3.1. Defectos puntuales intrínsecos. Vacantes .................... 147
3.3.2. Defectos puntuales intrínsecos. Intersticiales .............. 148
3.3.3. Defectos puntuales extrínsecos ..................................... 149
3.4. Difusión en el estado sólido ..................................................... 152
3.4.1. Mecanismos de difusión ................................................ 152
3.4.2. Leyes de Fick .................................................................. 154
3.4.2.1. Primera ley de Fick. Flujo estacionario .......... 155
3.4.2.2. Segunda ley de Fick. Flujo no estacionario .... 156
3.4.3. Factores que influyen en la difusión ............................. 159
3.5. Defectos de línea. Dislocaciones .............................................. 163
3.5.1. Tipos de dislocaciones ................................................... 164
3.5.2. Caracterización de dislocaciones. Vector de Burgers .. 166
3.6. Deformación de cristales .......................................................... 173
3.7. Defectos de superficie ............................................................... 176
3.8. Solidificación y cristalización de metales ............................... 178
3.8.1. Proceso de solidificación/cristalización ....................... 179
3.8.2. Fronteras de grano ......................................................... 184
3.8.3. Morfología de los granos. Metalografía ........................ 187
3.9. Solidificación direccional ........................................................ 193
3.10. Solidificación rápida. Sinterización ........................................ 195
3.11. Defectos producidos durante la solidificación ........................ 197
3.12. Técnicas para la inspección de defectos .................................. 199
3.13. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 207

Tema 4. CONSTRUCCIÓN DE LAS ALEACIONES METÁLICAS. DIAGRAMA DE FASES. TRANSFORMACIONES.
4.1. Introducción ............................................................................. 213
4.2. Aleaciones metálicas ................................................................. 214
4.3. Soluciones sólidas .................................................................... 216
4.3.1. Soluciones sólidas sustitucionales ................................ 216
4.3.2. Soluciones sólidas intersticiales ................................... 221
4.4. Compuestos y soluciones intermedias .................................... 225
4.5. Soluciones sólidas ordenadas .................................................. 226
4.6. Insolubilidad ............................................................................. 227
4.7. Diagramas de fases ................................................................... 228
4.7.1. Sistemas de aleación binarios ........................................ 232
4.7.1.1. Dos metales totalmente solubles en los esta- dos líquido y sólido............... 233
4.7.1.2. Dos metales totalmente solubles en estado líquido y totalmente insolubles en el sólido. Transformación eutéctica.
4.7.1.3. Dos metales totalmente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en el sólido. Transformación eutéctica.
4.7.1.4. Diagramas de fases con compuestos y fases intermedias. Transformación peritéctica ....... 266
4.7.1.5. Dos metales parcialmente solubles en estado líquido. Transformación monotéctica ............ 279
4.7.1.6. Transformaciones en el estado sólido .............. 284
4.7.1.6.1. Alotropía .......................................... 284
4.7.1.6.2. Transformaciones orden-desorden . 285
4.7.1.6.3. Transformación eutectoide ............. 287
4.7.1.6.4. Transformación peritectoide .......... 293
4.8. Cuestiones y ejercicios ...................................... 300

Tema 5. PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES METÁLICOS. ENSAYOS.
5.1. Introducción ............................................................................. 311
5.2. Deformación dependiente y no dependiente del tiempo ........ 312
5.3. Deformación no dependiente del tiempo ................................ 316
5.3.1. Ensayo de tracción ........................................................ 316
5.3.2. Ensayo de compresión .................................................. 334
5.3.3. Ensayo de flexión ........................................................... 336
5.3.4. Ensayo de dureza ........................................................... 338
5.3.5. Ensayo de impacto ........................................................ 346
5.3.6. Ensayo de fatiga ............................................................. 349
5.4. Deformación dependiente del tiempo. Fluencia ..................... 351
5.5. Deformación de materiales policristalinos ............................. 354
5.5.1. Efecto del trabajo en frío ............................................... 355
5.6. Mecanismos de endurecimiento y reforzamiento .................. 357
5.6.1. Endurecimiento por deformación plástica .................. 358
5.6.2. Reforzamiento por solución sólida ............................... 360
5.6.3. Reforzamiento por dispersión de partículas ................ 361
5.7. Fenómenos de restauración ..................................................... 362
5.7.1. Recuperación ................................................................. 363
5.7.2. Recristalización ............................................................. 363
5.7.3. Crecimiento de grano .................................................... 365
5.8. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 368

Tema 6. ALEACIONES FÉRREAS DE INTERÉS INDUSTRIAL. TRATAMIENTOS Y CARACTERÍSTICAS.
6.1. Introducción ............................................................................. 375
6.2. Diagrama hierro - carburo de hierro ....................................... 376
6.3. Enfriamiento lento del acero. Evolución microestructural ... 382
6.3.1. Aceros hipoeutectoides .................................................. 382
6.3.2. Acero eutectoide ............................................................ 384
6.3.3. Aceros hipereutectoides ................................................ 385
6.4. Transformaciones isotérmicas de la austenita ........................ 390
6.4.1. Diagramas TTT .............................................................. 392
6.5. Tratamientos térmicos de los aceros ....................................... 395
6.5.1. Recocido ......................................................................... 397
6.5.1.1. De homogeneización ........................................ 397
6.5.1.2. De regeneración ............................................... 398
6.5.1.3. De globulización .............................................. 399
6.5.1.4. De estabilización .............................................. 400
6.5.1.5. Isotérmico ......................................................... 400
6.5.2. Normalizado .................................................................. 401
6.5.3. Temple ............................................................................ 402
6.5.4. Revenido ......................................................................... 405
6.5.5. Martempering y austempering ...................................... 406
6.5.6. Templabilidad. Ensayo Jominy ..................................... 407
6.6. Tratamientos superficiales ....................................................... 409
6.6.1. Sin alteración de la composición superficial ............... 410
6.6.2. Con alteración de la composición superficial .............. 411
6.6.2.1. Tratamientos termoquímicos .......................... 411
6.6.2.2. Implantación iónica ......................................... 413
6.6.3. Con formación de una capa diferente .......................... 414
6.7. Conformado de metales ........................................................... 416
6.8. Aleaciones férreas ..................................................................... 420
6.8.1. Aceros ............................................................................. 420
6.8.1.1. Aceros al carbono ............................................. 423
6.8.1.2. Aceros aleados .................................................. 425
6.8.1.2.1. Aceros de baja aleación .................. 429
6.8.1.2.2. Aceros de alta aleación ................... 431
6.8.2. Fundiciones .................................................................... 434
6.8.2.1. Clasificación de las fundiciones ...................... 437
6.8.2.1.1. Fundiciones blancas ....................... 438
6.8.2.1.2. Fundiciones grises .......................... 440
6.8.2.1.3. Fundiciones dúctiles ....................... 442
6.8.2.1.4. Fundiciones maleables ................... 444
6.9. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 449

Tema 7. ALEACIONES NO FÉRREAS DE INTERÉS INDUSTRIAL. TRATAMIENTOS Y CARACTERÍSTICAS.
7.1. Introducción ............................................................................. 455
7.2. Aleaciones no férreas ................................................................ 456
7.2.1. Aleaciones ligeras ........................................................... 457
7.2.1.1. Aleaciones de aluminio .................................... 457
7.2.1.1.1. Endurecimiento por precipitación . 460
7.2.1.1.2. Clasificación de las aleaciones de Al . 465
7.2.1.2. Aleaciones de magnesio ................................... 469
7.2.1.2.1. Clasificación de las aleaciones de Mg 470
7.2.1.3. Aleaciones de titanio ........................................ 472
7.2.1.3.1. Clasificación de las aleaciones de Ti . 476
7.2.1.4. Aleaciones de berilio ........................................ 477
7.2.2. Aleaciones según el componente mayoritario ............. 478
7.2.2.1. Aleaciones de cobre ......................................... 479
7.2.2.1.1. Latones ............................................ 480
7.2.2.1.2. Bronces ............................................ 486
7.2.2.1.3. Cuproaluminios ............................... 488
7.2.2.1.4. Cuproníqueles ................................. 491
7.2.2.1.5. Alpacas ............................................. 492
7.2.2.1.6. Aleaciones endurecibles .................. 493
7.2.2.1.7. Otras aleaciones .............................. 494
7.2.2.2. Aleaciones de níquel ........................................ 495
7.2.2.3. Aleaciones de cobalto ...................................... 502
7.2.3. Aleaciones de metales refractarios ............................... 504
7.2.4. Aleaciones de metales blancos ...................................... 506
7.3. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 512

Tema 8. MATERIALES POLIMÉRICOS DE INTERÉS INDUSTRIAL.
8.1. Introducción ............................................................................. 517
8.2. Moléculas de polímeros ............................................................ 518
8.3. Estructuras moleculares de polímeros .................................... 522
8.4. Estructuras cristalinas de polímeros ....................................... 529
8.5. Clasificación de los polímeros ................................................. 532
8.6. Funcionalidad de aditivos en plásticos ................................... 537
8.7. Comportamiento de los plásticos ............................................ 540
8.7.1. Comportamiento térmico .............................................. 541
8.7.2. Comportamiento mecánico ........................................... 543
8.8. Conformado de polímeros ....................................................... 546
8.8.1. Moldeo ............................................................................ 548
8.8.2. Otros procesos de conformado ..................................... 552
8.8.3. Transformación de elastómeros .................................... 554
8.9. Ensayos de polímeros ............................................................... 555
8.9.1. Ensayos mecánicos ........................................................ 555
8.9.2. Otros tipos de ensayos ................................................... 568
8.10. Termoplásticos de interés industrial ....................................... 571
8.11. Termoestables de interés industrial ......................................... 582
8.12. Elastómeros de interés industrial ............................................ 584
8.13. Otras formas de polímeros y sus aplicaciones ........................ 586
8.14. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 591

Tema 9. MATERIALES CERÁMICOS DE INTERÉS INDUSTRIAL.
9.1. Introducción ............................................................................. 595
9.2. Estructuras de los materiales cerámicos ................................. 596
9.2.1. Estructuras cristalinas de cerámicas iónicas ............... 598
9.2.2. Estructuras cristalinas de cerámicas covalentes ......... 605
9.2.2.1. Estructuras del tipo sulfuro de cinc ................ 605
9.2.2.2. Estructuras del carbono .................................. 606
9.2.3. Estructuras cristalinas de silicatos ............................... 609
9.3. Defectos en cerámicas .............................................................. 613
9.4. Diagramas de fases de cerámicas ............................................ 614
9.5. Propiedades mecánicas de cerámicas ..................................... 617
9.6. Propiedades térmicas de cerámicas ........................................ 621
9.7. Propiedades eléctricas y magnéticas de cerámicas ................ 622
9.8. Conformado de cerámicas ....................................................... 624
9.9. Clasificación de los materiales cerámicos ............................... 628
9.9.1. Vidrios ............................................................................ 628
9.9.1.1. Estructura y composición de los vidrios ........ 629
9.9.1.2. Temperatura de transición vítrea .................... 631
9.9.1.3. Viscosidad de los vidrios .................................. 632
9.9.1.4. Conformado de los vidrios .............................. 634
9.9.1.5. Tratamientos de los vidrios ............................. 636
9.9.2. Materiales cerámicos tradicionales .............................. 638
9.9.3. Materiales cerámicos refractarios ................................ 638
9.9.4. Materiales cerámicos abrasivos .................................... 639
9.9.5. Cementos ........................................................................ 639
9.9.6. Cerámicas vítreas ........................................................... 642
9.9.7. Cerámicas técnicas ........................................................ 642
9.9.8. Otras cerámicas de interés ............................................ 644
9.10. Cuestiones y ejercicios ............................................................. 647

Tema 10. MATERIALES COMPUESTOS DE INTERÉS INDUSTRIAL.
10.1. Introducción ............................................................................. 651
10.2. Formación de materiales compuestos ..................................... 652
10.2.1. Matrices ....................................................................... 653
10.2.1.1. Tipos de matrices ......................................... 654
10.2.2. Refuerzos ...................................................................... 662
10.2.2.1. Tipos de refuerzos ........................................ 666
10.2.3. Cargas y aditivos .......................................................... 674
10.3. Consideraciones sobre elección de constituyentes ................. 676
10.4. Materiales compuestos reforzados con fibras ........................ 681
10.4.1. Fibras continuas y alineadas ....................................... 681
10.4.2. Fibras discontinuas ..................................................... 687
10.5. Materiales compuestos reforzados con partículas ................. 690
10.5.1. Hormigón ..................................................................... 691
10.6. Procesos de transformación de materiales compuestos de matriz polimérica.
10.6.1. Por contacto a mano .................................................... 694
10.6.2. Por proyección simultánea .......................................... 696
10.6.3. Por inyección ............................................................... 698
10.6.4. Por compresión ............................................................ 700
10.6.5. Por centrifugación ....................................................... 702
10.6.6. Por enrollamiento ....................................................... 703
10.6.7. Por pultrusión .............................................................. 705
10.6.8. Procesos de transformación de termoplásticos reforzados.
10.7. Otros materiales compuestos ................................................... 708
10.8. Aplicaciones de los materiales compuestos ........................... 714
10.9. Cuestiones y ejercicios ......................................................... 716

BIBLIOGRAFÍA