Fundamentos de Metalurgia Fisica-John D. Verhoeven

Fundamentos de Metalurgia Fisica-John D. Verhoeven

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¡; , a: , L ! y~ LIMU 5J.1 ta obra comprende los siguientes Gas:

Descripción de los cristales Determinación de la estructura

Deformación plástica de los cristales metálicos

Dislocaciones Vacancias Difusión Intercaras Nucleación Solidificación

Recuperación y recristalización

Precipitación a partir de soluciones sólidas

:recimiento controlado por difusión de los precipitados en equilibrio fransformaciones martens¡'ticas

I\lgunas aplicaciones de la metalurgia física

Joho D. Verhoeven

Departamento de Metalurgia

Iowa State University Ames, Iowa

Versión autorizada en español de la obra publicada en inglés por John Wiley & Sons, Inc., con el título: FUNDAMENTALS OF PHYSICAL METALLURGY © John Wiley & Son s, Inc. ISBN 0-471-90616-6

Versión española:

Químico Industrial de la Universidad Autónoma de Nuevo León.

Maestría en Ciencias de Materiales del Instituto Politécnico Nacional de México.

Revisión:

GUILLERMO SALAS BANUET Ingeniero Químico Metalúrgico y Profesor de Carrera de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México. Especialidad en Fundición obtenida en el Curso Panamericano de Metalurgia, OEA.

Tipografía: SISTEMAS EDITORIALES TECNICOS, SAo de C. V

La presentación y disposición en conjunto de FUNDAMENTOS DE METALURGIA FISICA son propiedad del editor. Ninguna parte de esta obra puede ser reproducida o transmitida, mediante ningún sistema o método, electrónico o mecánico (incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de recuperación yalmacenamier:ro de información), sin consentimiento por escrito del editor.

Derechos reservados:

© 1987, EDITORIAL LIMUSA, S. A. de C. V.

Balderas 95, Primer piso, 06040 México l. D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial. Registro Núm. 121.

Primera edición 1987. Impreso en México

(3954)

ISBN 968-18-1943-8

A Liz

Prólogo

Este libro ha sido el resultado de un curso para los primeros niveles sobre metalurgia física que yo he enseñado durante varios años. El objetivo del libro es pre- sentar una sólida introducción a los fundamentos de metalurgia física para los estudiantes que han llevado un curso introductorio de metalurgia o ciencia de ma· teriales usando libros como el de Van Vlack o la serie de Wulff y otros (véase la lista de referencias para el capítulo 1). Nuestra experiencia en el estado de Iowa ha sido, y yo creo que es bastante común en los Estados Unidos, que un gran número de estudiantes que inician estudios de posgrado en metalurgia vienen de las carreras de física, química, ingeniería mecánica o ingeniería química. Se espe· ra que este libro sea útil para estos estudiantes en un curso introductorio o para los autodidactas y,también, que sea útil en la preparación de los que aún no se gradúan en metalurgia al ofrecerle al estudiante una firme comprensión de los fundamentos de la metalurgia física en los primeros cursos.

La meta principal del libro es proporcionar una base teórica para la compren· sión de cómo controlar la estructura; también, se explica cómo la estructura a su vez controla las propiedades mecánicas. Consecuentemente, el libro servirá como una base para un enfoque más teórico que práctico de la metalurgia física. Sin embargo, los tratamientos teóricos han sido dirigidos hacia la presentación de métodos simples de primer orden en la forma más clara y sencilla que sea posible; en los últimos capítulos se han incluido algunas aplicaciones de las ideas enfoca- das al control de las propiedades mecánicas.

EI1ibro intenta presentar el tema de la metalurgia física de una manera más estructurada que los libros de texto sobre el mismo tema. Mi experien· cia indica que este olanteamiento es una ayuda pedagógica muy útil. La primera mitad del libro (capítulos 1-8) se dedica 1 las ideas básicas de física y de química sobre las cuales se sostiene la metalurgia física. El primer capítulo presenta algu-

Prólogo nos conceptos sobre empaquetamiento atómico que se desarrollan en capítulos posteriores. Se incluye·la proyección estereográfica con el objeto' de utilizar des- pués esta importante herramienta y para dar al estudiante alguna experiencia en su uso. La mayoría de los estudiantes no aprenden este tema hasta que estudian difracción de rayos X, lo cual es a menudo en una época posterior. El capítulo sobre determinación estructural enfatiza la técnica de Laue ilustrando ideas concernientes a la orientación de un cristal, un tema que con frecuencia es importante en las aplicaciones de la metalurgia física. Se incluye una introducción a los microscopios electrónicos de transmisión y de barrido debido a su creciente importancia en la evaluación estructural de los metales. El capítulo sobre dislocaciones ha sido precedido por un capítulo sobre plasticidad de monocristales debido a que he hallado que un estudio de las dislocaciones es más importante para el estudiante si puede ver primero un fenómeno macroscópico en el que intervengan estos defectos. Por razones similares, el capítulo sobre difusión va desde la concepción fenomenológica hasta la atomística. Se ha incluido un capítulo sobre zonas interfaciales con el objeto de destacar la importancia de este tópico. Las ideas de este capítulo están usualmente dispersas entre la mayor parte de los libros de texto sobre metalurgia física. Siento que tratarlas como un tópico distinto ayuda al estudiante a ver su amplia aplicabilidad en todas las transformaciones de fase. La segunda parte del libro (los últimos 6 capítulos) se dedican a las transformaciones de fase, con énfasis en cómo éstas pueden ser utilizadas para el control de las propiedades mecánicas de los metales.

Los muy importantes temas de la descripción de la estructura cristalina y los diagramas de fase no se han cubierto en los primeros capítulos debido a que es- tos temas son generalmente un tópico principal de los libros introductorios en los que esta obra se basa. Sin embargo, he encontrado que los estudiantes no dominan generalmente estos temas después de un curso introductorio, pero que se capaci- tan r4pidamente para hacerlo trabajando con ejercicios. En los primeros cuatro capítulos se ha incluido cierto número de problemas que implican el uso de números direccionales, índices de Miller, planos y direcciones de una forma, y en los capítulos 6, 9, 1 Y 12 se incorporan varios problemas sobre diagramas de fase. Recomiendo en gran medida que los estudiantes que no tengan bases sobre dichos temas, los estudien en los libros in troductorios como de referencias 1 y 2 del capítulo uno_

Al final de cada capítulo se encuentran algunos problemas porque he hallado que la resolución de problemas es esencial para que el estudiante alcance un absoluto dominio del tema. En varios capítulos (por ejemplo capítulo 6) he utilizado los problemas para presentar las aplicaciones prácticas de las ideas expresadas en el capítulo (por ejemplo, capítulo 6). El número de problemas original se redujo a la mitad con el objeto de bajar los costos de publicación, pero los problemas adicionales se enviarán sobre pedido. Por el mismo motivo se minimizó el número de fotografías utilizadas en el libro. Consecuentemente, se usaron esquemas donde fueron adecuados, remitiéndose al estudiante a una o más referencias para las fotografías reales.

Prólogo 9

No se incluyó un capítulo sobre física de los metales como se hace a menudo en libros de texto sobre metalurgia física debido a que siento que es imposible hacer justicia a este tema tan complejo en un simple capítulo. No se intenta desanimar al estudiante indagador presentando este material demasiado breve como para que él logre una sólida comprensión, se omite para animarlo a tomar un curso introductorio a la física del estado sólido. En relación con esto se notará que he hecho énfasis en la aplicación de la metalurgia física al control de las propiedades mecánicas y muy poco sobre el de las propiedades electromagnéticas. Esta limitación se indica en la Introducción (página 2), y se justifica parcialmente aquí. También es resultado de algunas de m is inclinaciones al creer que las principales contribuciones al desarrollo del control de las propiedades mecánicas por aquellos que han estudiado en los Estados Unidos han sido hechas por los que se han especializado en el área de metalurgia tradicional, mien tras que los avances más im- portantes en el control de las propiedades electromagnéticas de los metales las han hecho individuos que han estudiado física.

Parece evidente ahora que las asociaciones cien tíficas y tecnológicas lograrán la adopción de un sistema uniforme de unidades. Estas son las del Sistema Inter- nacional de Unidades (Systeme InternfltiOnfll d' Unites), a las cuales se refiere comúnmente como unidades SI. En el apéndice A se presenta un breve análisis de las unidades SI encontradas comúnmente en metalurgia física.

Estoy particularmente agradecido a la Universidad del Estado de lowa y su departamento de Metalurgia por haberme dado la oportunidad de enseñar metalurgia física a los estudiantes de nivel de licenciatura por varios años, oportunidad que condujo al desarrollo de este libro. Me gustaría agradecer también a algunos de mis colegas la revisión de diferentes capítulos, DI'. Tom Scott, Dr. Rohit Trivedi, Dr. Ken Kinsman, Dr. Frank Kayser, Dr. Monroe Wechsler y Dr. John Pat- terson. Además, me gustaría asimismo agradecer a tres de mis primeros profesores en la Universidad de Michigan quienes motivaron mi interés en la metalurgia física, Dr. Edward E. Hucke, Dr. David Y. Ragone y Dr. Maurice J. Sinnott. Finalmente, le estoy muy agradecido a mi excJlente secretaria, Miss Yerna Thompson por la preparación y arreglo para la publicación del manuscrito mecanografiado, y a Mr. Harlan Baker por la preparación ¡de varias de las fotomicrografías que aparecen en el libro.

Ames,lowa Octubre de 1974

John D. Verhoeven

Contenido

Introducción

Capítulo 1 Descripción de los cristales

1.1 Empaquetamiento atómico en cristales ccca y ehc 1.2 La proyección estereográfica

Capítulo 2 Detenninación de la estructura

2.1 Difracción de rayos X 2.2 Microscopio electrónico de transmisión (MET) 2.3 Microscopio electrónico de barrido (MEB)

Capítulo 3 Defonnación plástica de los cristales métalicos

3.1 Sistemas de deslizamiento 3.2 Esfuerzo cortante resuelto (factor de Schmid)

3.3 Pruebas de tensión en monocristales (ccca )

3.4 Relación con la deformacion policristalina 3.5 Resistencia teórica de los metales

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