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LABORATORIO METALURGIA FISICA 2 INFORME Nº 001-2010 A: DE: ASUNTO: FECHA: I.

Ing. Germán Rodríguez José Ogusco Ogusko Curvas de enfriamiento del Pb-Sn 10-05-2010

OBJETIVOS Determinar mediante un diagrama las curvas de enfriamiento del Pb, Sn y sus aleaciones. Conocer el los puntos críticos del comportamiento de las aleaciones Pb-Sn durante un cambio de temperatura constante.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO El diagrama de fases al equilibrio del sistema Pb-Sn, ver figura 1, presenta una transformación eutéctica, L↔α+β. Las coordenadas invariantes de esta transformación eutéctica son: TE =183ºC y WE = 61,9%p.Sn. Las fases α y β del diagrama Pb-Sn son soluciones sólidas terminales basadas en Pb y en Sn, respectivamente. Terminales quiere decir que están en los extremos de composición del respectivo diagrama. Específicamente, ambas soluciones son de sustitución, con estructuras correspondientes a la del Pb puro y a la del Sn puro, respectivamente. En un diagrama eutéctico, una aleación de composición W0 experimentará la transformación eutéctica, total o parcialmente, sólo si la línea vertical de isocomposición W0 cruza el segmento dibujado de la isoterma de la transformación eutéctica respectiva, T= TE. Para el diagrama Pb-Sn, dicho segmento se extiende entre 19,2 %p.Sn y 97,5%p.Sn, ver figura 1. Las aleaciones con composiciones entre 19,2%p.Sn y 61,9%p.Sn (la del eutéctico) se llaman aleaciones hipoeutécticas. Similarmente, aquellas con composiciones entre 61,9%p.Sn y 97,5%p.Sn se llaman hipereutécticas. Téngase presente la definición de fase: es una región de materia homogénea cuyas propiedades varían en forma continua con las variables intensivas del sistema (presión, temperatura y composición). Los diagramas de enfriamiento continuo se obtienen de experiencias donde el material, inicialmente caliente y contenido, por ejemplo, en un crisol cerámico, se expone a un medio de menor temperatura, la que podría ser la ambiente. De manera que la acción del medio sobre el material es extraer calor continuamente. Se busca obtener información de la respuesta del material a esta acción; para esto, durante el enfriamiento se mide la temperatura del material en función del tiempo. La respuesta se relaciona con los cambios de fase y no sólo con el hecho de que una fase cualquiera se debe normalmente enfriar. Por lo tanto, los diagramas de enfriamiento continuo son una herramienta para estudiar los cambios de fase. De la anterior definición de fase se desprende que, al variar alguna variable intensiva, como lo es la temperatura, si se detecta una

discontinuidad en las propiedades del material, es porque se ha producido un cambio de fases. Particularmente, cada fase tiene, en términos de sus propiedades térmicas, sus propios coeficientes de transferencias de calor (capacidad térmica y conductividad térmica); por ello, al haber cambios de fase, habrá cambios en la curva Temperatura versus Tiempo. También hay que considerar los calores de las transformaciones de fase. Algunas de estas últimas son isotérmicas (solidificación del agua pura, del Cu puro, Ni puro, etc.) y otras no (solidificación de aleaciones Cu-Ni, etc.).

Fig. Nº 1 Diagrama de fases en equilibrio de la aleación Pb-Sn.

III.

PROCEDIMIENTO Para poder determinar el diagrama de enfriamiento del Pb, Sn y sus respectivas aleaciones, se realizó el siguiente procedimiento: 1. Calentar en una cocina eléctrica el crisol para fundir metales. 2. Colocar el Pb puro 50 gr.

3. Una vez fundido, retirar de la cocina (en un lugar donde no haya corrientes de aire). 4. Introducir el sensor del pirómetro, dentro del metal fundido teniendo cuidado de que no toque el fondo del crisol. 5. Tomar las temperaturas cada 15 segundos, para construir la gráfica TEMPERATURA VS TIEMPO, hasta observar los puntos críticos que se caracterizan por la repetición de la misma temperatura durante varias lecturas.

6. Una vez terminada la toma de datos, volver a colocar en la cocina para fundir el metal y poder retirar el sensor del pirómetro. 7. Repetir el procedimiento para el Sn puro, la aleación eutéctica Pb-Sn, una aleación hipoeutéctica, y una aleación hipereutéctica (las cantidades de Pb y Sn para las aleaciones deben ser preparadas con anterioridad a la ejecución de este procedimiento, y se debe fundir primero el metal con más alto punto de fusión). 8. Construir las gráficas con los datos obtenidos y hacer la evaluación de los resultados.

RESULTADOS En las tablas a continuación se muestran los datos obtenidos, de las temperaturas tomadas durante el enfriamiento del metal fundido. 9. Estaño puro. 10. Plomo puro. 11. Aleación Hipoeutéctica Pb-Sn. 12. Aleación Eutéctica Pb-Sn. 13. Aleación Hipereutéctica Pb-Sn.

Estaño (Sn)

Plomo (Pb)

Tiempo Temperatura ( seg ) ( ºC )

Tiempo Temperatura ( seg ) ( ºC )

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390

429 392 355 319 290 262 239 221 221 221 221 221 221 221 221 221 221 221 221 196 186 182 172 172 172 164 156

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390

396 356 322 314 314 314 313 291 265 243 226 206 192 179 168

Hipoeutéctico (16 g Pb, 4 g Sn) Tiempo Temperatura ( seg ) ( ºC ) 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390

358 337 318 301 287 269 249 245 243 240 239 233 225 213 210 200 193 186 180 169 169 164 161 160 158 149 144

Eutéctico Tiempo Temperatura ( seg ) ( ºC ) 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390

400 335 268 227 195 173 173 174 174 174 152 130 113 98 87

Hipereutéctico (4 g Pb, 16 g Sn) Tiempo Temperatura ( seg ) ( ºC ) 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390 405 420 435 450 465 480

405 384 366 352 337 324 313 301 291 280 271 263 254 247 241 235 226 217 210 204 199 194 193 193 191 185 179 170 169 139 120 105 92

Gráfica 1.- Curvas de enfriamiento obtenidas experimentalmente. IV.

CONCLUSIONES De la realización de la práctica, obtuvimos las curvas de enfriamiento del Pb, Sn y sus respectivas aleaciones eutéctica, hipoeutéctica e hipereutéctica, en las curvas podemos observar claramente los puntos críticos del enfriamiento, que se manifiestan como tramos horizontales lo que representa que hay perdida de calor si cambio de temperatura, debido a las transformaciones alotrópicas o cambios de fase que experimenta el metal o aleación. Los resultados que podemos extraer de la Gráfica 1, son los siguientes:

Metal o aleación Plomo Pb Estaño Sn Hipoeutéctica Eutéctica Hipereutéctica

Temperatura ºC Cambio de fase Cambio alotrópico 313 221 172 240 169 174 193 169

Se aprecia una diferencia ente estos datos y los datos teóricos, que se conocen de estos metales y aleaciones, ello según lo observado es, principalmente, producto de un error de calibración en el instrumento y algunas otras causas que tienen que ver con el método de realización del ensayo.