Experimental Techniques in Materials and Mechanics – C. Suryanarayana – 1st Edition

Descripción

Los materiales son omnipresentes y todo el mundo tiene que lidiar con algún tipo de material u otro. La mayoría de los estudiantes de pregrado de ingeniería (aeronáutica, química, eléctrica, de materiales, mecánica, etc.) realizan un primer curso sobre materiales, generalmente titulado “Estructura y propiedades de los materiales”, para que puedan apreciar los principios básicos y aplicaciones de diferentes tipos de materiales: metales, cerámica, polímeros y compuestos.

Actualmente, el mercado está inundado con una gran cantidad de libros de texto que tratan diferentes aspectos de los materiales y en diferentes niveles. Sin embargo, el énfasis en la mayoría de estos libros de texto ha sido “cargar” al estudiante con información teórica. Muy rara vez, si acaso, se incluye un componente de laboratorio como parte de este curso, en el que será posible determinar experimentalmente las propiedades y relacionarlas con la estructura y el comportamiento de procesamiento de los materiales. Además, el contenido del curso para este curso elemental es tan pesado que es casi imposible cubrir el texto completo, y mucho menos tener un componente de laboratorio.

El ingeniero de materiales a menudo es llamado para diseñar, seleccionar y recomendar el uso de materiales para diversas aplicaciones. También se le puede pedir a uno que investigue las razones de la falla de los materiales. Para todos estos propósitos, es esencial un conocimiento profundo de los principios básicos de la ciencia e ingeniería de materiales. Aunque los ingenieros de materiales y, de hecho, algunos ingenieros mecánicos e ingenieros aeroespaciales, toman cursos adicionales sobre materiales, se considera muy necesario un conocimiento práctico de las correlaciones entre la estructura cristalina, la microestructura y las propiedades.

Este libro ha evolucionado desde la enseñanza de un curso de teoría y laboratorio, Técnicas Experimentales en Mecánica y Materiales, hasta estudiantes de pregrado de ingeniería mecánica y de materiales en la Universidad de Florida Central.

Los temas elegidos para su inclusión en el libro se basan en la posibilidad de completarlos en un curso de un semestre. Se hace hincapié en los aspectos prácticos de la determinación de la estructura cristalina, la observación microestructural, el tratamiento térmico y las pruebas mecánicas. Como se daría cuenta un instructor experimentado, la microestructura, el tratamiento térmico y las propiedades mecánicas están completamente interrelacionados. Por lo tanto, las muestras utilizadas en un experimento serían útiles en otro experimento. Por ejemplo, los especímenes preparados para observación microscópica podrían usarse para pruebas de dureza.

De manera similar, las muestras utilizadas para pruebas de tracción o impacto podrían usarse para el examen con microscopio electrónico de barrido para determinar el tipo de falla. Aunque se dispone de un gran número de libros de texto sobre la estructura y las propiedades de los materiales y estos explican los fenómenos básicos con cierto detalle, no explican los aspectos prácticos con suficiente detalle para permitir que el estudiante vaya al laboratorio y realice el experimento. Así, por ejemplo, aunque se conozcan los antecedentes teóricos, es posible que se tenga poca comprensión de cómo preparar una muestra en el laboratorio para el examen con microscopio óptico y cómo derivar información útil de las microestructuras.

El objetivo principal de este libro es permitir a los estudiantes comprender los aspectos prácticos de las diferentes técnicas discutidas aquí y obtener la máxima información posible de los resultados obtenidos. El autor ha puesto énfasis en las técnicas que están comúnmente disponibles en la mayoría de los laboratorios y aquellas que son accesibles para los estudiantes de pregrado.

Contiene 12 capítulos que tratan sobre la determinación de la estructura cristalina, microscopía óptica y electrónica de barrido, diagramas de fase y tratamiento térmico, y diferentes tipos de métodos de prueba mecánicos. El formato de los capítulos es bastante uniforme, pero no idéntico. Se han introducido algunas variaciones según el contenido del capítulo.

Primero se introduce la importancia de la técnica. A esto le sigue información básica razonablemente detallada para proporcionar al estudiante la teoría necesaria para comprender completamente el experimento. En este sentido, el libro es autónomo y el estudiante no necesita ir a otro libro para obtener los antecedentes teóricos requeridos.

En cada capítulo se han elaborado una serie de ejemplos para aclarar aún más los conceptos explicados. A esto le sigue una descripción detallada del experimento que se llevará a cabo y cómo se pueden tabular e interpretar los datos. Una característica especial del libro es que en cada capítulo se ha incluido un gran número de ilustraciones, figuras y micrografías, siempre que ha sido posible. Al final del capítulo, se proporcionan una serie de ejercicios, al responder, el estudiante se dará cuenta de hasta qué punto el tema fue claro.

Si algún estudiante está interesado en saber mucho más sobre los temas tratados en cualquier capítulo, también se dan referencias para lecturas adicionales. Este libro está destinado principalmente a estudiantes universitarios que se especializan en ciencia e ingeniería de materiales o ingeniería mecánica

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  • Preface
    Acknowledgments
    Author
    Chapter 1 Introduction
    1.1 Materials Science and Engineering1
    1.2 Structure
    1.2.1 Crystal Structure
    1.2.2 Microstructure
    1.3 Properties
    1.4 Outline of the Book
    References
    Chapter 2 X-Ray Diffraction
    2.1 Introduction
    2.2 Crystal Structure
    2.2.1 Bravais Lattices
    2.2.2 Lattice Planes
    2.2.2.1 Indexing of Planes in Hexagonal Crystals
    2.2.3 Lattice Directions
    2.2.4 Conversion from Three-Index to Four-Index System
    2.2.5 Structure Determination
    2.3 Production of X-Rays
    2.3.1 Continuous Radiation
    2.3.2 Characteristic Radiation
    2.4 Absorption of X-Rays
    2.5 Bragg Equation
    2.6 Diffraction Angles
    2.7 Intensities of Diffracted Beams
    2.7.1 Atomic Scattering Factor
    2.7.2 Structure Factor
    2.8 XRD Equipment
    2.8.1 X-Ray Source
    2.8.2 The Specimen
    2.8.3 X-Ray Detector
    2.9 Examination of a Typical XRD Pattern
    2.10 Crystal Structure Determination
    2.11 Indexing the XRD Pattern
    2.11.1 Comparison with a Calculated or Standard XRD Pattern
    2.11.2 Relationship between sin2 ? and hk? Values
    2.11.3 Analytical Approach
    2.11.4 Identification of the Bravais Lattice
    2.12 Differentiation between SC and BCC Lattices
    2.13. .Comparison with Electron and Neutron Diffraction
    2.13.1 Electron Diffraction
    2.13.2 Neutron Diffraction
    2.14 Experimental Procedure
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 3 Optical Microscopy
    3.1 Introduction
    3.2 Principle of the Optical Microscope
    3.3 Components of the Microscope
    3.3.1 Light Source
    3.3.1.1 Tungsten-Filament Lamp
    3.3.1.2 Quartz–Halogen Lamp
    3.3.1.3 Xenon Lamp
    3.3.1.4 D.C. Carbon Arc
    3.3.2 Lens Aberrations
    3.3.3 Objective Lens
    3.3.3.1 Types of Objective Lenses
    3.3.3.2 Properties of Objective Lenses
    3.3.4 Eyepiece
    3.4 Microscopic Observation
    3.5 Information Derivable from the Microstructure
    3.5.1 Number of Phases
    3.5.2 Grain Shape
    3.5.3 Grain Size
    3.5.4 Volume Fraction of Phases
    3.5.5 Chemical Composition
    3.6 Specimen Preparation for Microscopic Examination
    3.6.1 Sectioning and Mounting
    3.6.1.1 Sectioning
    3.6.1.2 Mounting
    3.6.2 Grinding
    3.6.3 Polishing
    3.6.4 Etching
    3.7 Some Typical Microstructures
    3.7.1 Nonferrous Alloy Samples
    3.7.2 Ferrous Alloy Samples
    3.8 Precautions
    3.9 Experimental Procedure
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 4 Scanning Electron Microscopy
    4.1 Introduction
    4.2 Basic Design of the SEM
    4.3 Electron Source
    4.4 Electron Beam–Specimen Interactions
    4.4.1 Secondary Electrons
    4.4.2 Backscattered Electrons
    4.4.3 X-Rays
    4.5 Specimen Preparation
    4.6 Applications
    4.6.1 Fractography
    4.6.2 Microstructural Features
    4.7 Experimental Procedure
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 5 The Iron–Carbon Phase Diagram and Microstructures of Steels
    5.1 Introduction
    5.2 Phase Diagrams
    5.3 Representation of Phase Diagrams
    5.4 The Phase Rule
    5.5 Application of the Phase Rule
    5.5.1 Determination of Compositions of Phases
    5.5.2 Determination of Amounts of Phases
    5.6 Derivation of Lever Rule
    5.7 The Iron–Carbon Phase Diagram
    5.7.1 Solid Solubility Limits
    5.7.2 Special Features of the Fe–C Phase Diagram
    5.7.3 Invariant Reactions
    5.8 Cooling Behavior and Microstructural Development
    5.8.1 Hypoeutectoid (0.2 wt% C) Steel
    5.8.2 Eutectoid (0.76 wt% C) Steel
    5.8.3 Hypereutectoid (1.1 wt% C) Steel
    5.9 Differentiation between Proeutectoid Ferrite and Proeutectoid Cementite
    5.10 Microstructural Observation
    5.11 Experimental Procedure
    Exercises
    Further Reading

    Chapter 6 Heat Treatment of Steels
    6.1 Introduction
    6.2 Reaction Rates
    6.2.1 Rate of Nucleation
    6.2.2 Rate of Growth and Rate of Transformation
    6.3 Isothermal Transformation Diagrams
    6.4 Transformation Products
    6.4.1 Pearlite
    6.4.2 Bainite
    6.4.3 Martensite
    6.4.4 Morphology of Martensite
    6.4.5 Mechanism of Martensite Formation
    6.5 Retained Austenite
    6.6 Isothermal Treatments
    6.7 Effect of Alloying Elements on the T–T–T Diagram
    6.8 Continuous Cooling Transformation Diagrams
    6.9 Types of Heat Treatment
    6.9.1 Annealing
    6.9.2 Normalizing
    6.9.3 Quenching
    6.9.4 Tempering
    6.10 Temper Embrittlement
    6.11 Properties of Heat-Treated Steels
    6.12 Experimental Procedure
    Exercise
    Further Reading
    Chapter 7 Hardenability of Steels
    7.1 Introduction
    7.2 Definition of Hardenability
    7.3 Distribution of Hardness
    7.4 Severity of Quench
    7.5 Grossmann Test
    7.6 Jominy End-Quench Test
    7.7 Parameters Affecting Hardenability
    7.7.1 Austenitic Grain Size
    7.7.2 Carbon Content
    7.7.3 Alloying Elements
    7.7.4 Use of Multiplying Factors
    7.8 Jominy Tests and Continuous Cooling Transformation Diagrams
    7.9 Hardness Tester to Be Used
    7.10 Jominy Test for Nonferrous Alloys
    7.11 Some Comments
    7.12 Experimental Procedure
    7.13 Results
    7.14 Additional Experiment
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 8 Hardness Testing
    8.1 Introduction
    8.2 Types of Hardness Measurements
    8.3 Scratch Hardness Measurement
    8.4 Rebound Hardness Measurement
    8.5 The Durometer Test
    8.6 Indentation Hardness Measurement
    8.7 Brinell Hardness Testing
    8.7.1 Principle
    8.7.2 Indenters and Loads
    8.7.3 Hardness Designation
    8.7.4 Advantages and Disadvantages
    8.7.5 Precautions
    8.7.6 General Observations
    8.8 Rockwell Hardness Testing
    8.8.1 Principle
    8.8.2 Indenters and Loads
    8.8.3 Rockwell Scales
    8.8.4 Superficial Testing
    8.8.5 Hardness Designation
    8.8.6 Anvils
    8.8.7 Precautions
    8.8.8 Advantages and Disadvantages
    8.9 Vickers Hardness Testing
    8.9.1 Principle
    8.9.2 Indenter
    8.9.3 The Test
    8.9.4 Hardness Designation
    8.9.5 Precautions
    8.9.6 Advantages and Disadvantages
    8.10 Microhardness Testing
    8.10.1 Principle
    8.10.2 Indenters
    8.10.3 The Test
    8.10.4 Hardness Designation
    8.10.5 Comparison between Vickers and Knoop Microindentation Tests
    8.10.6 Precautions
    8.11 Nanoindentation Testing
    8.11.1 Indenters and Loads
    8.11.2 The Test
    8.11.3 Analysis of Data
    8.12 General Observations
    8.12.1 Reproducibility
    8.12.2 Surface Preparation
    8.12.3 Minimum Thickness of Test Section
    8.12.4 Minimum Spacing between Indentations
    8.13 Correlations
    8.13.1 Brinell versus Vickers Hardness Numbers
    8.13.2 Relationship between Strength and Hardness
    8.14 Experimental Procedure
    8.15 Observations
    8.16 Additional Experiments
    8.16.1 Influence of Cold Working
    8.16.2 Influence of Annealing on a Cold-Worked Metal.
    8.16.3 Influence of Alloying Additions
    8.16.4 Microhardness of Different Phases.
    8.16.5 Influence of Aging on the Hardness of a Supersaturated Solid Solution Alloy
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 9 Tensile Testing
    9.1 Introduction
    9.2 Measurement of Strength
    9.3 Basic Definitions
    9.3.1 Stress
    9.3.2 Strain
    9.3.3 True Stress and True Strain
    9.4 Deformation Behavior
    9.4.1 Elastic Deformation
    9.4.2 Plastic Deformation
    9.4.3 Elastic Strain Recovery
    9.4.4 Strain Hardening
    9.4.5 Anelasticity
    9.5 The Tensile Test
    9.6 Properties Obtained from the Tensile Test
    9.6.1 Proportional Limit
    9.6.2 Yield Strength
    9.6.3 Young’s Modulus
    9.6.4 Poisson’s Ratio
    9.6.5 Ultimate Tensile Strength
    9.6.6 Necking
    9.6.7 Fracture Strength
    9.6.8 Ductility
    9.6.9 Toughness
    9.6.10 Resilience
    9.7 True Stress versus True Strain Curve
    9.8 General Observations
    9.9 Influence of Variables on Tensile Properties
    9.9.1 Chemical Composition
    9.9.2 Microstructure
    9.9.3 Temperature
    9.9.4 Heat Treatment
    9.9.5 Prior History of Plastic Deformation
    9.9.6 Strain Rate
    9.9.7 Anisotropy
    9.10 Experimental Procedure
    9.11 Observations
    9.12 Results
    9.13 Additional Experiment
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 10 Impact Testing
    10.1 Introduction
    10.2 Impact-Testing Techniques
    10.2.1 Charpy Impact Test
    10.2.2 Izod Impact Test
    10.3 Ductile–Brittle Transition.
    10.4 Determination of Ductile–Brittle Transition Temperature
    10.5 Effect of Variables on Impact Energy
    10.5.1 Notch Sensitivity
    10.5.2 Configuration of the Notch
    10.5.3 Size of Specimen
    10.5.4 Rate of Application of Energy
    10.5.5 Crystal Structure of Material
    10.5.6 Chemical Composition
    10.5.7 Grain Size
    10.5.8 Irradiation
    10.5.9 Heat Treatment
    10.6 Precautions
    10.7 Correlations with Other Mechanical Properties
    10.8 DBTT in Nonmetallic Materials
    10.9 Experimental Procedure
    10.10 Observations
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 11 Fatigue Testing
    11.1 Introduction
    11.2 Definitions
    11.3 Fatigue Testing
    11.4 Some Typical Examples of Fatigue Failure
    11.5 Fatigue Failure Mechanism
    11.6 Factors Affecting the Fatigue Strength of Materials396
    11.6.1 Stress Concentrators
    11.6.2 Rough Surfaces
    11.6.3 Surface Condition
    11.6.4 Corrosion and Environmental Effects
    11.7 Fracture Mechanics Approach
    11.8 Correlations between Fatigue Strength and Other Mechanical Properties.
    11.9 Precautions
    11.10 Experimental Procedure
    11.11 Additional Experiments
    Exercises
    Further Reading
    Chapter 12 Creep Testing
    12.1 Introduction
    12.2 The Creep Test
    12.3 The Creep Curve
    12.3.1 Primary or Stage I Creep
    12.3.2 Secondary or Stage II Creep
    12.3.3 The Tertiary or Stage III Creep
    12.4 Effect of Stress and Temperature
    2.5 Creep-Rupture Test
    12.6 Creep Resistance Criteria
    12.7 Larson–Miller Parameter
    12.8 Creep in Ceramic Materials
    12.9 Creep in Polymeric Materials
    12.10 Experimental Procedure
    Exercises
    Further Reading
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