Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales

1210 Pages·2006·48.14 MB·Spanish

by  Smith, William F., Hashemi, Javad

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Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 4th Edition
Troud
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Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales
Cuarta edición
William F. Smith
Profesor Emérito de Ingeniería
University of Central Florida
Javad Hashemi, PhD.
Profesor de Ingeniería Mecánica
Texas Tech University
Traducción
Gabriel Nagore Cázares
Pedro Alejandro González Caver
Traductores profesionales
Revisión técnica
Leonarda Carrillo Avilés
Profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales
Universidad Iberoamericana, Ciudad de México
José A. Bellido Velasco
Doctorado en Química Macromolecular
Escuela Politécnica Federal de Zurich, Suiza
9701056388
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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos
Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón
Editor sponsor: Pablo Eduardo Roig Vázquez
Editora de desarrollo: Paula Montaño González
Supervisor de producción: Zeferino García García
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Cuarta edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,
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por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS © 2006 respecto de la primera edición en español por
McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S. A. DE C.V.
A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.
Edificio Punta Santa Fe
Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A
Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,
Delegación Álvaro Obregón
C.P. 01376, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736.
Imagen de portada: Kelly Fassbinder/Imagine Design Studio
En un momento de descanso, el diseño innovador del palo de golf que aparece en la portada
permite que la pelota descanse en un punto de 8 mm a partir del centro del palo, hacia el lado de
golpeo. De esta forma el pivote golpea la pelota una fracción de segundo antes de que golpee al
palo, lo que implica que este último no afecte la trayectoria. Makrolon © 2405 fue seleccionado
como el material para este palo debido a su excelente fluidez y a que ofrece fuerza suficiente para
que en la mayor parte de los casos los palos no se rompan cuando golpeen al pivote. En lugar de
esto, simplemente salen volando, como se ilustra en la portada.
Bayer MaterialScience produce una amplia gama de materiales probados e innovadores,
incluyendo policarbonatos, poliuretanos, poliuretanos termoplásticos, coberturas, adhesivos y
selladores. Los materiales y soluciones de Bayer se emplean para diseñar la siguiente generación
de productos en las industrias propias del automóvil, la construcción, las tecnologías de
información, los electrodomésticos, el mobiliario, los deportes y el entretenimiento. Para obtener
más información acerca de Bayer MaterialScience visite www. Bayermaterialsciencenafta. c om, bien
llame al 01-800-662-2927.
Library of Congress Cataloging-in Publication Data
ISBN 970-10-5638-8
Traducido de la cuarta edición de FOUNDATIONS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
Copyright © MMVI by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.
Previous editions © 1986, 1990, 1993, and 2004.
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CAPÍTULO 1 : Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales
C APÍTULO 2 : Estructura atómica y enlace
C APÍTULO 3 : Estructuras cristalinas y amorfas en los materiales
C APÍTULO 4 : Solidificación e imperfecciones cristalinas
C APÍTULO 5 : Procesos activados por temperatura y difusión en los sólidos
C APÍTULO 6 : Propiedades mecánicas de metales I
C APÍTULO 7 : Propiedades mecánicas de metales II
C APÍTULO 8 : Diagramas de fase
C APÍTULO 9 : Aleaciones para ingeniería
C APÍTULO 10 : Materiales poliméricos
C APÍTULO 11 : Cerámicas
CAPÍTULO 12 : Materiales compuestos
C APÍTULO 13 : Corrosión
C APÍTULO 14 : Propiedades eléctricas de materiales
C APÍTULO 15 : Propiedades ópticas y materiales superconductores
C APÍTULO 16 : Propiedades magnéticas
A PENDICE I : P ropiedades importantes de materiales de ingeniería
seleccionados
APÉNDICE II : Algunas propiedades de elementos seleccionados
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A PÉNDICE III : Radios iónicos de los elementos
APÉNDICE IV : Cantidades físicas selectas y sus unidades
R EFERENCIAS PARA ESTUDIOS ADICIONALES POR CAPÍTULO
GLOSARIO
RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS
ÍNDICE ANALÍTICO
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ACERCA DE LOS AUTORES
William F. Smith es profesor emérito de ingeniería en el Mechanical and Aerospace Engineering
Department de la University of Central Florida en Orlando, Florida. Realizó sus estudios en
ingeniería metalúrgica y obtuvo una maestría en ciencias de la Universidad de Purdue y un
doctorado en ciencias en metalurgia en el Massachusetts Institute of Technology. El doctor Smith
es ingeniero profesional registrado en los estados de California y Florida y ha estado impartiendo
cursos de posgrado de ciencia e ingeniería de materiales, y escribiendo libros de texto durante
varios años. Es el autor de Structure and Properties of Engineering Alloys, segunda edición
(McGraw-Hill, 1993).
Javad Hashemi es profesor de ingeniería mecánica en la Texas Tech University, donde ha
enseñado introducción a la ciencia de materiales desde 1991. Obtuvo un doctorado en filosofía
en ingeniería mecánica por la Universidad de Drexel en 1988. El doctor Hashemi ha estado
impartiendo cursos de posgrado de materiales y mecánica, y también de laboratorios en la Texas
Tech University. Además, es el creador principal de los módulos de laboratorio virtuales que
acompañan a este libro como parte de un proyecto piloto realizado con fondos de la National
Science Foundation. El enfoque de las investigaciones actuales del doctor Hashemi está en el
campo de materiales, biomecánica y educación para ingenieros.
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PREFACIO
La cuarta edición de Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales está diseñada para un
primer curso en ciencia e ingeniería de materiales de estudiantes de esta especialidad. Tomando
en cuenta que esta podría ser la primera exposición de la ciencia de materiales a los estudiantes,
el libro presenta los temas esenciales de manera clara y concisa, sin detalles extraños que
agobien a los recién llegados. Se recurre a ejemplos industriales y fotografías a lo largo del libro
para dar a los estudiantes una visión relativa a las muy diversas maneras en que la ciencia e
ingeniería de materiales se aplica en el mundo real.
NUEVAS CARACTERÍSTICAS DE LA CUARTA EDICIÓN
Además de su ya renombrado estilo de redacción amigable para los estudiantes y de las
aplicaciones industriales, la cuarta edición ofrece nuevas características que incluyen una
cobertura completa de los temas de la moderna ciencia de materiales que preparan a los
estudiantes para la vida fuera del aula.
Las nuevas secciones son:
▪ Nuevas referencias a materiales/dispositivos inteligentes, SMEM y nanomateriales (1.1)
▪ Nueva referencia a superaleaciones y sus aplicaciones biomédicas (1.3)
▪ Discusión añadida de plásticos de ingeniería y aplicaciones en automóviles (1.3.2)
▪ Discusión añadida de cerámicas de ingeniería y aplicaciones (1.3.3)
▪ Discusión añadida de materiales compuestos (1.3.4)
▪ Nueva cobertura de materiales inteligentes y nanomateriales (1.5)
▪ Nueva sección acerca de un estudio de caso simplificado de selección de materiales para
el armazón y la horquilla de una bicicleta (1.6)
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▪ Se agregó una nueva cobertura de materiales amorfos en el capítulo 3
▪ Referencias añadidas de orden de alcance largo y corto (SRO conocidos también como
materials amorfos) (3.1)
▪ El capítulo 4 se dividó en los capítulos 4 y 5 en la cuarta edición para que la difusión
pudiera cubrirse en un solo capítulo
▪ Se agregó una cobertura de microscopios al final del capítulo 4
▪ Se agregó una cobertura sobre defectos planos y fronteras gemelas (4.4.3)
▪ Nueva sección acerca de defectos de volumen (4.4.4)
▪ Nueva sección acerca de técnicas experimentales para la identificación de
microestructura y defectos (4.5)
▪ Cobertura añadida de metales de grano fino y la ecuación de Hall-Petch en el capítulo 6
▪ Nuevo estudio de caso en fallas y cobertura de avances reciente en el mejoramimento del
despeño mecánico en el capítulo 7
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▪ Cobertura añadida de fallas y fractura de metales (7.1)
▪ Nueva sección acerca de la temperatura de transición de dúctil a quebradizo (7.1.4)
▪ Nueva sección acerca de avances recientes y direcciones futuras en el mejoramiento del
desempeño mecánico de metales (7.7)
▪ Nueva cobertura de curvas de enfriamiento en el capítulo 8
▪ Cobertura agregada de compuestos intermedios (8.11.1)
▪ Se han agregado en el capítulo 9 tres nuevas secciones dedicadas a aleaciones
avanzadas y sus aplicaciones en ingeniería biomédica
▪ Se agregó al capítulo 10 una nueva sección dedicada a aplicaciones biomédicas de
materiales poliméricos
▪ Nueva sección con cobertura de balones de fulerenos y nanotubos de carbono (11.2.12)
▪ Nueva sección acerca de recubrimientos cerámicos e ingeniería de superficies (11.9)
▪ Nueva sección sobre cerámicas en aplicaciones biomédicas (11.10)
▪ Nueva sección sobre nanotecnología y cerámicas (11.11)
▪ Nueva sección sobre huesos: un material compuesto natural (12.11)
▪ Nueva sección sobre daño por hidrógeno (13.5.11)
▪ Nueva sección sobre nanoelectrónica (14.9)
▪ Nuevos apéndices que destacan amplias referencias de propiedades de materiales
Otras nuevas características:
▪ Se han agregado objetivos de aprendizaje a cada capítulo
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▪ Se han añadido íconos para destacar los recursos de medios suplementarios
▪ Se incluyeron muchas nuevas fotos de inicio de capítulo e interiores
Características mantenidas:
▪ Se ofrecen más de 1 200 problemas de fin de capítulo y más de 180 problemas de
selección de materiales y diseño
▪ Mas de 140 problemas de ejemplo
▪ Aplicaciones modernas de materiales
▪ A través de todo el libro se utiliza un estilo legible y conciso; a los lectores se les
proporcionan explicaciones comprensibles sin detalles excesivos
SUPLEMENTOS
Esta obra cuenta con interesantes suplementos que fortalecen los procesos de
enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de éstos, mismos que se otorgan a profesores
que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más información y conocer la política de
entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill o envíe un correo
electrónico a [email protected].
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CD-ROM del estudiante
Hay un nuevo CD-ROM del estudiante que acompaña a la cuarta edición de Fundamentos de
la ciencia e ingeniería de materiales que muestra una gran cantidad de materiales de
visualización y estudio.
▪ Se incluyen tres Laboratorios Virtuales, con videos, preguntas interactivas y procesos
detallados de la vida real (con posibles trampas) para preparar mejor a los estudiantes
en el laboratorio o servir como una simulación de una experiencia de laboratorio real
para los estudiantes. Temas de laboratorio: medición de dureza utilizando la prueba de
dureza Rockwell, metalografía, prueba de tensión.
▪ Un amplio manual de laboratorio en formatos PDF y Word
▪ MatVis es un software de visualización de cristales 2.0 que permite a los estudiantes
crear diferentes estructuras y moléculas cristalinas, así como observar estructuras ya
creadas.
▪ El software de diagramas de fase ICENine permite a los estudiantes investigar una lista
de diagramas de fase y encontrar la composición a cualquier temperatura dada.
▪ El software computacional EES (Engineering Equation Solver) ofrece a los estudiantes
la capacidad de resolver problemas de la ciencia de materiales.
▪ Las animaciones abarcan enlaces, fuerzas de enlace, cristales rotatorios, arreglos de
empaques atómicos, planos cristalinos diferentes y miembros de coordinación, entre
otros temas. Del mismo modo, se incluyen tutoriales con sonido.
▪ Amplias e investigables bases de datos de propiedades de materiales.
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▪ Capítulos de bonificación sobre “materiales para SMEM y microsistemas,” un capítulo
de MEMS and Microsystems: Design and Manufacture de Tai-Ran Hsu.
▪ Numerosos enlaces web a sitios profesionales y materiales de referencia.
Centro de aprendizaje en línea
El apoyo Web se proporciona para el libro en el sitio Web www . mhhe .c om / catalogs /r ep/ .
Visite este sitio para información sobre el libro y sus suplementos, erratas, información del
autor y recursos para estudios posteriores o referencia.
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RECONOCIMIENTOS
El coautor, Javad Hashemi, desearía agradecer el eterno amor, apoyo, estímulo y guía de su
madre, Sedigheh, a través del curso de su vida y carrera. Dedica este libro a ella, así como a
Eva, el amor de su vida, el más precioso regalo que le ha dado la vida, a Evan y Jonathon, sus
hermanos y por último, pero no menos importante, a la memoria de su padre.
Los autores desean dar las gracias a los numerosos y valiosos comentarios, sugerencias,
críticas constructivas y elogios de los siguientes evaluadores y revisores:
Raul Bargiola, University of Virginia
Deepak Bhat, University of Arkansas
Nigel Browning, University of California, Davis
David Cann, Iowa State University
Nikhilesh Chawla, Arizona State University
Deborah D.L. Chung, University at Buffalo, The State University of New York
James H. Edgar, Kansas State University
Jeffrey W. Fergus, Auburn University
Raymond A. Fournelle, Marquette University
Randall M. German, Penn State University
Stacy Gleixner, San Jose State University
Brian P. Grady, University of Oklahoma
Richard B. Griffin, Texas A&M University
Masanori Hara, Rutgers University
Lee Hornberger, Santa Clara University
Osman T. Inal, New Mexico Tech
Stephen Kampe, Virginia Tech
Ibrahim Karaman, Texas A&M University
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Steve Krause, Arizona State University
David Kunz, University of Wisconsin, Platteville
Gladius Lewis, University of Memphis
Robert W. Messler, Jr., Renesselaer Polytechnic Institute
John Mirth, University of Wisconsin, Platteville
Devesh Misra, University of Louisiana at Lafayette
Kay Mortensen, Brigham Young University
David Niebuhr, California Polytechnic State University
Kanji Ono, University of California, Los Angeles
Martin Pugh, Concordia University, Canada
Susil Putatunda, Wayne State University
Lew Rabenberg, University of Texas at Austin
Wayne Reitz, North Dakota State University
James Michael Rigsbee, North Carolina State University
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Jay M. Samuel, University of Wisconsin
John Schlup, Kansas State University
Yu-Lin Shen, University of New Mexico
Scott Short, Northern Illinois University
Susan B. Sinnott, University of Florida
Thomas Staley, Virginia Tech
Christopher Steinbruchel, Renesselaer Polytechnic Institute
Alexey Sverdlin, Bradley University
David S. Wilkinson, McMaster University, Canada
Chris Wise, New Mexico State University
Henry Daniel Young, Wright State University
Jiaxon Zhao, Indiana University—Purdue University Fort Wayne
Naveen Chandrashekar—Texas Tech University
Javad Hashemi
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Visita guiada
Se han añadido temas de la moderna ciencia de materiales a lo largo del texto que incluyen:
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