3er Laboratorio de Fisicoquimica - Diagrama de Fases

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA y METALURGICA

INTRODUCCIÓN Los diagramas de fase son sumamente importantes en áreas como la metalurgia o la química-física, porque agrupan gran cantidad de información sobre el comportamiento de las aleaciones a diferentes condiciones, una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, se hace para conseguir características muy difíciles de hallar en los metales puros, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan.

Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles elementos

se

encuentran

presentes

en

mayor

proporción,

denominándose a estos elementos componentes base de la aleación. Los elementos que se encuentran en menor proporción serán componentes secundarios o componentes traza.

3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICA

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OBJETIVOS  Conocer

cómo construir un diagrama de fases

 El punto eutéctico  Curva de sólido

y liquido.


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OBJETIVOS  Conocer

cómo construir un diagrama de fases

 El punto eutéctico  Curva de sólido

y liquido.


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MARCO TEÓRICO Los diagramas de fases son representaciones gráficas –a varias temperaturas, presiones y composiciones- de las fases que están presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir m uchos aspectos

del

comportamiento

de

los

materiales.

Parte de la información información que se puede puede obtener a partir de ellos es la siguiente:



Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas.



Solubilidad de un elemento o compuesto en otro.



Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificación.



Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases.

La figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del agua. Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida o gaseosa en función de las condiciones de presión y temperatura. En el diagrama se observa un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en el que coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las fases líquida y sólida existen a lo largo de la línea de solidificación. Estas líneas son líneas de equilibrio entre las dos fases.

A presión constante con stante y a medida que aumenta la temperatura el agua pasa de la fase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que tiene lugar este cambio de fase es la temperatura de fusión. Si continua aumentando la temperatura habrá un segundo cambio de fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es la


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temperatura de vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincide para

varias

presiones

con

la

línea

de

solidificación

y

vaporización

respectivamente.

Figura 2.1 Diagrama de equilibrio de fases para el agua pura

La figura 2.2 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del hierro puro. El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor,

Fe

δ

y

Fe

γ;

y

(3)

vapor,

Fe

γ

y

Fe

α.

Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe δ a la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase producirá la transformación de


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la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A 910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a temperatura ambiente.

Figura 2.2 Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro.

Aleaciones metálicas. Los metales se caracterizan, en general, por tener una elevada conductividad (eléctrica y térmica), resistencia mecánica, por ser opacos, fundir a temperaturas elevadas, etc. Estas y otras propiedades hacen de los metales los materiales más comúnmente utilizados en la industria. No obstante, pocas veces se utilizan los metales en estado puro, normalmente se mezclan con otros metales o elementos no metálicos formando aleaciones.

Las aplicaciones técnicas de los metales exigen frecuentemente que se les otorguen unas propiedades diferentes de las originarias. A veces se desea obtener una dureza y una resistencia mecánica mayor; otras veces, una mayor plasticidad que facilite la conformación; algunas veces se desea una mayor resistencia a la corrosión, etc. La formación de aleaciones permite modificar las propiedades de los metales: la resistencia mecánica de los metales mejora


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cuando son aleados. Una aleación metálica es un producto obtenido a partir de la unión de dos o más elementos químicos (como mínimo uno de los dos debe ser un metal) y que, una vez formado, presenta las características propias de un metal. La fabricación de aleaciones puede llegar a ser un proceso complejo dependiendo del número de constituyentes de la aleación que deban de añadirse al metal base (componente mayoritario) y de su proporción. Para conocer el comportamiento de la mezcla de acuerdo con las proporciones de los constituyentes de la aleación presentes, se utilizan los diagramas de equilibrio o diagramas de fase. Cuando se estudian aleaciones binarias (mezcla de dos metales) se construyen diagramas temperatura-composición en los que la presión se mantiene constante, normalmente a 1 atm. En dichos diagramas se representa la temperatura en el eje de ordenadas y la composición de la aleación, en tanto por ciento, en el de abcisas. La constitución de una aleación a una determinada temperatura queda determinada por las fases presentes, la fracción en peso de cada una de ellas y por su composición. La estructura de la aleación se describe por el tamaño y forma de las fases presentes. ¿Qué es un sistema de aleación isomorfa binaria? Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico de una aleación se considera como un componente. El cobre puro es un sistema de un solo componente mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema de dos componentes. En algunos sistemas binarios metálicos, los dos elementos son completamente solubles entre sí tanto en estado sólido como líquido. En estos sistemas sólo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se les denomina sistemas isomorfos.


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Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema cobre-níquel. El cobre y el níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido. En el diagrama de la figura 2.3 se muestra el diagrama de fases de este sistema en el que se representa la composición química de la aleación en tanto por ciento en peso en abcisas y la temperatura en °C en ordenadas. Este diagrama se ha determinado bajo condiciones de enfriamiento lento y a presión atmosférica y no tienen aplicación para aleaciones que sufren un proceso de enfriamiento rápido. El área sobre la línea superior del diagrama, línea de líquidus, corresponde a la región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la línea inferior, línea sólidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.

Figura 2.3 Diagrama de fases del cobre-níquel


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Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en fase sólida, en fase sólida+líquida y en fase totalmente líquida según la proporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinada proporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cual toda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en donde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperatura a partir de la cual toda la aleación esté líquida. Proceso de construcción de un diagrama de fases isomorfo binario. Los diagramas de equilibrio para componentes que son completamente solubles entre sí en estado sólido se construyen después de realizar una serie de curvas de enfriamiento para distintas composiciones de la aleación. Tomaremos como ejemplo el sistema Cu-Ni, y el proceso se muestra en la figura 2.4.

Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran un valor fijo de temperatura de fusión: cuando se enfría un metal puro y pasa del estado líquido al sólido, la temperatura se mantiene constante mientras dura la solidificación (ver línea AB para el Cu puro y CD para el Ni puro de la figura 2.4a). Una vez solidificado el metal la temperatura continuará bajando, si nada se lo impide, hasta llegar a temperatura ambiente. La temperatura de fusión de una aleación binaria, en cambio, no es fija: depende de las proporciones de cada componente, compon ente, y no tienen un único valor sino que se representa mediante un intervalo. intervalo. En la figura 2.4a, 2.4a, L1, L2, L3 y S1, S2, S3 representan el principio y el final respectivamente de la solidificación de una aleación de proporciones 80%Cu-20%Ni; %50%Cu-50%Ni y 20%Cu80%Ni. Todas las composiciones de aleaciones intermedias muestran curvas de enfriamiento similar. Cuántas más curvas de enfriamiento intermedias se calculen mayor exactitud tendrá el diagrama de fases que se construya. El sentido del diagrama de fases se obtiene al dibujar una línea que relacione


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todos los puntos que corresponden al principio de la solidificación (L1, L2, L3 …) y otra que una todos los puntos en los que se s e produce el final de la solidificación (S1, S2, S3 …). El diagrama de fases real se determina representando gráficamente la temperatura frente a la composición. Los puntos a representar se toman de la serie de curvas de enfriamiento y se llevan al nuevo diagrama, que resulta tal como se presenta en la figura 2.4b

Figura 2.4 Construcción del diagrama de fases en equilibrio del Cu-Ni a partir de las curvas de enfriamiento líquido-sólido. a) Curvas de enfriamiento b) Diagrama de fases en equilibrio


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DIAGRAMA DE FASES EN SISTEMAS BINARIOS En sistemas binarios el potencial de Gibbs molar µ es función de T, P y la fracción molar X1 de uno de los componentes químicos. En el caso de soluciones llamadas regulares existen dos composiciones que lo minimizan a T y P fijos. En la figura se muestra un ejemplo típico para el cual se ha fijado la presión y se estudia el equilibrio para

varias

temperaturas.

Eligiendo un valor particular de X1se puede tener al sistema en estado líquido o gaseoso con esta composición para temperaturas suficientemente respectivamente.

bajas La

o

altas región

termodinámicamente inestable es

la

sombreada,

y

los

estados

representados allí no son de equilibrio. Por ejemplo para la fracción molar elegida, cuando la temperatura es T b, el sistema se separa en una fase gaseosa con fracción molar X1(g) y una fase líquida con X1(l). De esta manera, aunque los puntos comprendidos en el área sombreada no representan ningún estado en particular, se sobreentiende que el sistema en ese caso se separa en las dos fases mencionadas, por lo que suele indicarse a esta región como `líquido-gas'. Si se eleva la temperatura del sistema cuando está totalmente en estado líquido, vemos que para cierto valor de temperatura se intercepta la curva inferior de la región sombreada. Allí comienza a coexistir la fase líquida con una fase gaseosa cuya fracción molar está dada por la abscisa para la cual la curva superior provee ese mismo valor de temperatura. A medida que la temperatura se eleva, la fase líquida recorre las composiciones dadas por la curva inferior y la fase gaseosa los correspondientes en la curva superior. Esto sucede hasta que la temperatura supera el valor de la intersección con la curva superior y el sistema ha pasado completamente al estado gaseoso.


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Siguiendo un razonamiento análogo al desarrollado para el fluido de Van der Waals puede mostrarse que para determinar la porción de sistema en la fase líquida o gaseosa es válida también aquí la regla de la palanca. Si se modifica la presión el diagrama resultante es similar, y la región sombreada puede desplazarse, en general hacia arriba a medida que aumenta la presión. En el caso de la coexistencia de fases sólidas y líquidas, los sistemas binarios se representan típicamente mediante un diagrama como el de la figura. Para temperaturas altas, el sistema se halla en estado líquido, pero cuando se reduce la temperatura, puede cristalizar en dos fases sólidas que aquí se han señalado como α y β. En este caso la fase α es rica en el elemento 1 y la β es rica en la otra componente. Como en el caso anterior, cuando se cruza una de las curvas el sistema se separa en dos fases, cada una con la fracción molar determinada por las curvas correspondientes. En este diagrama aparece el llamado punto eutéctico, que se ha representado en el estado E. Cuando la fase líquida posee la fracción molar eutéctica, al reducirse la temperatura arribando al estado E puede coexistir la fase líquida con las dos fases sólidas, cuyas cantidades aparecen nuevamente siguiendo la regla de la palanca. Si bien es cierto que la fase líquida Tiene la misma composición que la fracción de sistema en estado sólido, es importante notar que hay en realidad una mezcla de dos fases sólidas, cada una con su composición. El adecuado conocimiento de este tipo de diagramas de coexistencia es de fundamental importancia en metalurgia, y en particular en la elaboración de piezas que deben ser resistentes a diversos efectos. Un fenómeno particular ocurre cuando los materiales (metales, cerámicos, etc.) son sometidos a cargas, que se deforman de manera regular, independientemente del tiempo que esté trabajando. A medida que se eleva la temperatura, cargas que no causan


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deformaciones permanentes pueden ahora provocar que los materiales se aplasten, como si en lugar de un sólido rígido estuviéramos trabajando con un material plástico, provocando deformaciones lentas y continuas (Creep) que dependen del tiempo que dure el proceso.

Curva de enfriamiento de una sustancia pura Para un sistema de dos componentes, el número máximo de grados de libertad es 3. Este resultado nos indica que sería necesario construir una gráfica de tres dimensiones para hacer una representación completa de las condiciones de equilibrio (T,P,xi), donde xi es la composición de uno de los componentes. En este trabajo práctico se estudiará un sistema de fases condensadas. Para este tipo de sistemas, el efecto de la presión es mínimo y a menos que se esté


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interesado en fenómenos de presiones altas, se puede mantener la presión fija a 1atm y examinar los efectos de temperatura y composición. Además, en procesos de fusión la presión es constante. Con esta condición impuesta, los grados de libertad disminuyen en una variable y la regla de las fases se reduce a:

V =C − F +1

Fig. 1. Diagrama de fases Líquido-Sólido. La Figura 1 muestra el diagrama de fases temperatura-composición a presión constante típico de un sistema de dos líquidos totalmente miscibles que forman


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eutéctico simple. Para poder construir un diagrama de este tipo se utilizan las curvas de enfriamiento de sistemas de diferente composición.

T

(a)

(b) (c)

t

Fig.2

T

(a)

(b) (c) (d)

t

Fig. 3


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Consideremos lo que sucede al enfriar un líquido puro (Fig. 2). Para un sistema de un componente puro en la fase líquida, hay un grado de libertad, la temperatura, y usando la ecuación (2), los grados de libertad son V = 1, siendo la temperatura la variable que describe el sistema (porción (a)). Tan pronto coexisten las dos fases (sólido y líquido), P=2 y F=O y por lo tanto la temperatura es constante (b). Cuando todo el sistema se convierte en sólido la temperatura vuelve a variar (c). El cambio en pendiente se debe a la diferencia en la capacidad calorífica del líquido y el sólido. La Fig. 3 representa la curva de enfriamiento de una mezcla simple. La solución líquida comienza a enfriarse, disminuyendo su temperatura a cierta velocidad (d). A cierta temperatura comienza a separarse un sólido formado por alguno de los componentes puros. El congelamiento es un fenómeno exotérmico y por eso la velocidad de enfriamiento disminuye (e). A medida que el sólido se separa, la composición del líquido se hace más rica en el otro componente y su temperatura de fusión disminuye. Cuando la solución alcanza una cierta composición (la composición eutéctica) el sistema se congela como si se tratase de una sustancia pura y la temperatura se mantiene constante (f) Fig. 4.


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Consideremos el diagrama de fases de la Fig. 4. En este diagrama A T y B T son las temperaturas de fusión de los sólidos A y B puros. Las distintas curvas separan las regiones donde el sistema presenta una o más fases. En la Región I, cualquier punto corresponde al sistema formado por una solución homogénea. En la región II, un punto corresponde a una situación en la que el sólido A puro coexiste en equilibrio con una solución líquida de B disuelto en A. Una situación análoga corresponde a la región III, con el sólido B en equilibrio con una solución de A disuelto en B. Por debajo de la temperatura

e T ,

en la

región IV, existen los sólidos A y B y no puede observarse ninguna solución líquida. A la temperatura e T se la llama temperatura eutéctica. Las curvas “a” y “b” dan la dependencia de la composición de la solución líquida con la temperatura. En términos generales, estas curvas indican cómo varía la solubilidad de A en B o B en A en función de la temperatura. En la región I el número de grados de libertad es 2, por lo tanto, debe especificarse la temperatura y la composición para definir el estado del sistema. En las demás regiones, el número de grados de libertad se reduce a 1. Así, los puntos de diagrama de fases se obtienen preparando mezclas de los dos componentes de fracciones molares conocidas. Las mezclas se calientan hasta fundirse, se agita la solución para obtener una solución homogénea y se deja enfriar lentamente. Mientras la solución se enfría se agita continuamente y se toma la temperatura como función de tiempo. La región entre a1 y a2 representa el enfriamiento de la solución. Al llegar a la temperatura T2, se nota un cambio en la pendiente debido a que a esa temperatura empieza a separarse el sólido A puro. La precipitación del sólido A libera energía. Esto hace que la mezcla se enfríe más lentamente que la solución. T2 es el punto de fusión de la solución de composición x1. De T2 a Te hay una sucesión de equilibrios entre la solución y el sólido A. La temperatura no se mantiene constante en esta región ya que el sólido A se está precipitando y la concentración de A en la solución disminuye. Esto es, la composición de la


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solución está cambiando entre a2 y a3. A partir de Te ocurre la precipitación simultánea de dos sólidos separados en fases diferentes. Una inspección microscópica de ese sólido revela cristales de A puros mezclados con cristales de B puro. Al llegar a Te la composición de la solución ha cambiado el máximo permitido para ese sistema binario. La solución en Te tiene el punto de fusión más bajo posible. A esta temperatura y composición es donde la fase líquida esta en equilibrio con los sólidos A y B. A la temperatura Te se le llama la temperatura eutéctica y la composición de la solución cuyo punto de fusión es Te (el más bajo posible) es la composición eutéctica. La palabra eutéctica viene del griego que significa "fácilmente fundible". Para las curvas de enfriamiento de mezclas, habrá tres regiones y dos puntos de inflexión, (a las temperaturas T2 y Te ). La temperatura Te será común para todas las fracciones molares. La temperatura T2 variará según xA varíe. La única excepción ocurre cuando se logra que xA corresponda a la composición eutéctica. Para la composición eutéctica Te = T2 y la curva de enfriamiento de la solución mostrará solamente un cambio notable en la pendiente. Al graficar los valores de (T2 , xA ) y de (Te , xA) para varias composiciones, se obtiene el diagrama de fases buscado.


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Diagrama de fases plomo-estaño

Figura 2.6 Diagrama de fase en equilibrio Plomo-Estaño

Muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes que presentan solubilidad en estado sólido limitada; El sistema Pb-Sn es uno de ellos.

Las áreas sombreadas (gris) de la derecha y de la izquierda del diagrama, fase α y fase β, representan regiones de restricción de solubilidad en estado sólido de los componentes de la aleación. La fase α es una solución sólida rica en plomo que puede disolver un máximo de 19,2% en peso de estaño a 183°C. La fase β es


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una solución sólida rica en estaño que puede disolver un máximo de 2,5% en peso de plomo a 183oC. A medida que la temperatura disminuye por debajo de 183°C, la solubilidad máxima en estado sólido disminuye según indica la línea solvus del diagrama.

La región superior del diagrama (azul) corresponde a la región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la línea líquidus (verde) representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La región inferior del diagrama (amarilla) también es una región bifásica en la que coexisten dos fases sólidas. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.

La aleación 1 del diagrama, de composición 61,9% de Sn y 38,1% de Pb es una aleación específica, llamada composición eutéctica, que solidifica a temperatura más baja que todas las demás aleaciones. La temperatura a la que tienen lugar esta solidificación es la temperatura eutéctica (183°C).

Cuando una aleación de composición eutéctica, en estado líquido, se enfría lentamente hasta alcanzar la temperatura eutéctica, la fase líquida s e transforma simultáneamente en dos formas sólidas no solubles entre ellas (solución α y solución β), según la reacción:

Líquido(61,9%Sn)

=

Solución sólida α (19,2%Sn) + Solución sólida β (97,5%Sn)

En el punto eutéctico coexisten tres fases en equilibrio: fase líquido, fase α y fase β


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Una vez se ha completado la reacción eutéctica, si la mezcla continúa enfriándose hasta temperatura ambiente hay una disminución de la solubilidad en estado sólido del soluto en las soluciones sólidas α y β, de manera que la composición de estas soluciones variará con la temperatura, como también lo hará la cantidad de cada una de la fases presentes.

La aleación 2 del diagrama, de composición 40% Sn y 60% Pb, representa una aleación que se deja enfriar a partir del estado líquido a 300 °C (punto "a") hasta la temperatura ambiente. A medida que la temperatura desciende por debajo de 300°C (punto "a") la aleación permanecerá líquida hasta que la línea de liquidus resulte intersecada en el punto "b" a una temperatura aproximada de 245°C, a partir de la cual parte del líquido empezará a precipitar en forma de solución sólida α (fase sólida con un 12 % de Sn en disolución). La cantidad de fase sólida α irá aumentando en detrimento de la fase líquida a medida qu e la temperatura disminuya. En el punto "c" la solución sólida α presenta aproximadamente un 15% de Sn en disolución y la fase líquida aproximadamente un 48%. La cantidad de cada una de ellas es de 24% de fase α y 76% de fase líquida (resultados obtenidos por aplicación de la regla de la palanca). En el punto "d", justo por encima de 183°C, la cantidad de líquido que ha precipitado ya en forma de solución sólida α es del 51%, quedando aún un 49% de la aleación en forma líquida. La cantidad de Sn disuelto en la fase sólida es en este punto del 19,2% y en la fase líquida del 61,9%. Un enfriamiento posterior, justo por debajo de la temperatura eutéctica, producirá la solidificación de la fase líquida remanente según la reacción eutéctica dando lugar a una mezcla de fases sólidas α (19,2% Sn) + β (97,5% Sn), concretamente 73% de fase α y 27% de fase β. Del 73% de fase α presente en este punto, sólo un 22% es sólido formado mediante reacción eutéctica, el 51% restante es sólido α proeutéctico formado antes de la reacción. El 27 % del sólido β es eutéctico.


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EJEMPLO: Una aleación de Pb-Sn contiene un 30% en peso de beta y un 70% de alfa a 50°C. ¿Cuál es la composición media de Pb y Sn en esta aleación?

Figura 2.9 Diagrama de fases plomo-estaño


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A 50°C la cantidad de estaño disuelto en fase alfa es aproximadamente del 2% (ver figura 2.9). La fase beta es 100% de estaño, no presenta Pb en disolución.

Llamando X al % en peso de estaño y aplicando la regla de la palanca para la fase alfa:

La composición de la aleación es de 31,4% en peso de estaño y 68,6% en peso de plomo.


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PARTE EXPERIMENTAL Materiales: 

Crisol de porcelana (de 50ml de capacidad)



Horno de laboratorio a gas (parecía de cemento)



Termómetro desde -10ºC hasta 420ºC



Pinza (usado para sujetar el crisol)



Cronómetro (se toma tiempo cada 15 segundos)



Sn-Estaño y Pb-Plomo (para hacer diferentes aleaciones)



Balanza (mecánica)



Soporte universal (para sujetar la pinza con el termómetro)



Lingotera (ahí vertimos la aleación luego de sacar el termómetro)


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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1.-Pesamos las cantidades de Plomo (Pb) y Estaño (Sn) requeridas para elaborar la aleación de los metales.

PLOMO


ESTAÑO

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2.-Armamos el equipo tal como se muestra en la imagen

3.-Colocamos el Crisol con el Sn y el Pb dentro del horno.


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4.-Prendemos el Mechero y lo colocamos debajo del crisol y esperamos a que los metales se fundan.

FUNDICION

5.-Agitamos la solución con la bagueta para homogeneizarla y apagamos el mechero, introducimos el termómetro para medir la temperatura


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6.-Una vez que la temperatura ha llegado a su punto máximo y comienza el descenso comenzamos a tomar mediciones de la temperatura a intervalos de 10 segundos hasta que la solución haya solidificado por completo.

SOLIDO

7.- Calentamos una vez más hasta lograr retirar el termómetro y conseguir una solución líquida


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8.-Vertemos la solución mientras se encuentra líquida en la lingotera que ha sido previamente calentada y conseguimos un lingote de forma cónica.

ALEACION Pb - Sn 3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICA

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CUESTIONARIO 

80 % Pb – 20% Sn Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)

Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

380 376 367 355 343 332 320 313 308 304 297 282 276 266 257 248 241 233 226

0 15

220 213 207 202 196 194 190 186 182 180 178 177 175 168 163 156 152 148 144

285 300

140 136 134 131 128 125 122 119 116 115 113 109 106 105 103 101 99

570 585

30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270

315 330 345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510 525 540 555

600 615 630 645 660 675 690 705 720 735 750 765 780 795 810


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400

350

Temperatura vs Tiempo 80% Pb y 20% Sn

300

) 250 C º ( A R 200 U T A R E 150 P M E T 100

50

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

TIEMPO (SEGUNDOS)


Página 30


400

350


300

) 250 C º ( A R 200 U T A R E 150 P M E T 100

50

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

TIEMPO (SEGUNDOS)


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

60% Pb – 40% Sn Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

390 388 380 369 356 344 331 321 312 308 303 298 290 277 268 259 252 242 237 230 223 218

0 15 30

212 212 211 210 209 205 201 196 192 187 183 178 175 175 173 169 163 156 153 149 145 142

330 345 360

139 136 133 131 128 126 122 121 118 116 114 111 110 108 106 104 103 101 100 97 96

660 675 690


45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315

375 390 405 420 435 450 465 480 495 510 525 540 555 570 585 600 615 630 645

705 720 735 750 765 780 795 810 825 840 855 870 885 900 915 930 945 960

Página 31




60% Pb – 40% Sn Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

390 388 380 369 356 344 331 321 312 308 303 298 290 277 268 259 252 242 237 230 223 218

0 15 30

212 212 211 210 209 205 201 196 192 187 183 178 175 175 173 169 163 156 153 149 145 142

330 345 360

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Página 31

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA y METALURGICA 450

400


350

) C300 º ( A R250 U T A200 R E P 150 M E T 100

50

0 0

200

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1000

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TIEMPO (SEGUNDOS)


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400


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) C300 º ( A R250 U T A200 R E P 150 M E T 100

50

0 0

200

400

600

800

1000

1200

TIEMPO (SEGUNDOS)


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

85 % Pb – 15 % Sn


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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10

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620 640 650 660 670 680 690 710 720 730




85 % Pb – 15 % Sn


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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10

207 203

310

126 125

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320 340 350 360 370 380 390 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590

620 640 650 660 670 680 690 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890

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400

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300

) C º250 ( A R U200 T A R E P150 M E T 100

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100

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800

900

1000

TIEMPO (SEGUNDOS)


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

83 % Pb – 17 % Sn


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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

83 % Pb – 17 % Sn


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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10 20

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310 320

126 125 123 121 119 118 116 114 112 110 109 108 106 105 104 102 101 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89

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) C º250 ( A R U200 T A R E P150 M E T 100

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800

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TIEMPO (SEGUNDOS)


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

82 % Pb – 18 % Sn


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


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570




82 % Pb – 18 % Sn


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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210

240

151

480

289

10

206

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213

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300


250

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0 0

100

200

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400

500

600

700

800

TIEMPO (SEGUNDOS)


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

72.5 % Pb – 27.5 % Sn Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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580 590 600 610 620 630 640 650 660

440 450

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

72.5 % Pb – 27.5 % Sn Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

279

0

190

230

146

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580 590 600 610 620 630 640 650 660

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Temperatura vs Tiempo 72.5 % Pb y 27.5% Sn

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) C200 º ( A R U150 T A R E P 100 M E T 50

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300

400

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600

700

TIEMPO (SEGUNDOS)


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300

Temperatura vs Tiempo 72.5 % Pb y 27.5% Sn

250

) C200 º ( A R U150 T A R E P 100 M E T 50

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300

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700

TIEMPO (SEGUNDOS)


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

70 % Pb – 30 % Sn Temperatura T (º C )

Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

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110

145

230

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


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


Tiempo t (s)

245

0

174,5

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144

240

239

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170,5

130

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228

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167

140

141

260

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212

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160

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TIEMPO (SEGUNDOS)


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TIEMPO (SEGUNDOS)


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Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


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Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


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300

165

570

45

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155

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Temperatura vs Tiempo 50% Pb y 50% Sn 350

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Tiempo t (s)


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

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Temperatura vs Tiempo 38.1% Pb y 71.9% Sn 300

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Tiempo (s)


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

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Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


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450

178

225

234

465

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



Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


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240

229

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176

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Tiempo (s)


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300

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Tiempo (s)


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA y METALURGICA 



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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA y METALURGICA 



Tiempo t (s)


Tiempo t (s)


0

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160

216

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272

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212

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170

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168

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350

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262

200

201

360

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259

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198

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163

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255

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194,5

390

158

80

247

240

193

400

156

90

242,5

250

191

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155

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239

260

189

420

153,5

110

235,5

270

187

430

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Graficar el diagrama de fase Pb-Sn experimental y compararlo con el teórico T


Graficar el diagrama de fase Pb-Sn experimental y compararlo con el teórico T


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CONCLUSIONES 

El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir los estados que en unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. De acuerdo a esto los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refiere a las condiciones de equilibrio.

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El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra como una placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagrama experimental observamos que la línea de liquidus está por debajo de la teórica y que la línea de solidus no es exactamente una recta.



El diagrama de fase representa un caso teórico y en la práctica se utiliza para estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades de calentamiento o enfriamiento.



Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para representar las fases más estables de una aleación. En esta discusión se consideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura y la composición son variables.



El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para un producto metálico.



L a regla de fases da la dependencia cuantitativa entre el grado de libertad del sistema y el número de fase y componentes


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RECOMENDACIONES 

Introducir el termómetro dentro del crisol de modo que solo la punta metálica del termómetro pueda chocar con la aleación fundida.



Encender el horno hasta que la aleación este por lo menos 350°C por encima de su punto de fusión, agitando el baño con la bagueta.



No introducir el termómetro en la aleación si esta está a más de 420°C porque el termómetro podría estallar. Por lo cual es recomendable esperar un momento hasta que la aleación se enfríe hasta por debajo de dicha temperatura.



Calentar la lingotera antes de verter la aleación Pb - Sn pues estas se encontrará a alta temperatura.



Tomar el crisol con la pinza con mucho cuidado y manteniéndolo a cierta distancia del rostro ya que podría estallar debido al cambio de temperatura y podría dañar la vista.


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3er Laboratorio de Fisicoquimica - Diagrama de Fases

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