1. OBJETIVOS: 1.1. Objetivos generales Obtener de los datos un diagrama de fases plomo- estaño atreves de la curva de enfriamiento .Realizando tres aleaciones (hipoeutéctica, eutéctica e hipereutéctica ) Visualizar el comportamiento comportamiento a nivel microscópico de las aleaciones, haciendo uso del microscopio metalografico. Analizar la microestructura y poder reconocer las diferentes fases que se presentan en las aleaciones. Comparación de granos en las tres aleaciones tanto en la hipoeutéctica , eutéctica e hipereutéctica
1.2 Objetivos específicos: Preparar adecuadamente una muestra para ser sometida a observación metalografica. Conocer los equipos involucrados en un estudio metalografico. Adquirir algunas nociones acerca de las propiedades de de en las aleaciones Plomo Estaño. Establecer diferencias visuales entre entre cada una de las fases en bases a las imágenes observadas por medio del microscopio óptico. Estimar en base a las l as fotografías captadas las composiciones de plomos y estaño. Elaborar un informe presentando todos los resultados y análisis derivados de la práctica desarrollada.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO:
Aleación: Una aleación mecánica es un material con enlace metálico, producto de la mezcla de un metal con otro. Existen otros tipos de aleaciones entre un metal y un no metal e incluso los cerámicos pueden mezclarse para dar aleaciones. El conjunto de todas las aleaciones que se puedan forman con dos o más metales, variando su concentración, dan lugar a los sistemas metálicos, produciéndose entre ellos transformaciones químicas químicas y físicas, etc. La aleación se describe por las fases presentes, por el porcentaje e peso o cantidad relativa de cada una de ellas y por la composición química de cada una de ellas.
Plomo: El plomo es un elemento químico de la tabla periódica, cuyo símbolo es Pb y su número atómico es 82 según la tabla actual, ya que no formaba parte en la tabla de Dimitri Mendeléyev.
Símbolo: Pb Punto de fusión: 327,5 °C Configuración electrónica: [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2 Número atómico: 82 Descubrimiento: 7000 a.C. Masa atómica: 207,2 ± 0,1 u Radio Atómico: 0,1750 Nm
Estaño: El estaño es un elemento químico de símbolo Sn. Está situado en el grupo 14 de la tabla periódica de los elementos. Se conocen 10 isótopos estables. Su principal mena es la casiterita.
Símbolo: Sn Punto de fusión: 231,9 °C Configuración electrónica: Kr 4d10 5s2 5p2 Número atómico: 50 Descubrimiento: 3500 a.C. Masa atómica: 118,71 u
Diagrama de fases plomo-estaño: Casi todos los metales y aleaciones, en cierto momento de su procesado se encuentran en estado líquido, el cual se solidifica cuando se enfría a una temperatura inferior a la de solidificación. El material obtenido puede ser utilizado tal como solidifica o procesarse para su uso posterior mediante trabajo mecánico. Las estructuras obtenidas durante el proceso de solidificación afectan al comportamiento mecánico del material obtenido e influyen en el tipo de procesado al que debe ser sometido para lograr las propiedades finales. En este sentido resulta interesante conocer el diagrama de fases del metal o aleación. Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación están presentes sólo dos componentes se puede construir un diagrama de fases binario. El diagrama de fases que vamos a estudiar en esta práctica es el correspondiente a la aleación Sn-Pb. Es un diagrama binario eutéctico completamente soluble en estado liquido y completamente insoluble en solido. El diagrama de fases Pb-Sn obtenido de la bibliografía se muestra a continuación.
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Aleación hipoeutéctica, eutéctica e hipereutéctica
ALEACIÓN EUTECTICA
ALEACIÓN
ALEACIÓN
HIPOEUTECTICA
HIPEREUTECTICA
ANÁLISIS MICROSCÓPICO Aquel tipo de análisis que no se puede realizar a simple vista, (menor a 10-3m). Observar las estructuras microscópicas en materiales ayuda a comprender el comportamiento de los mismos. El análisis microscópico se puede usar en: • Tamaño de grano. • Límites de grano y dislocaciones. • Análisis micro estructural. • Distribución de fases en aleaciones.
Para comprender el análisis microscópico es necesario tener claridad sobre el concepto de grano y el funcionamiento del microscopio metalográfico. 3. Parte experimental
Materiales Los materiales como mencionamos será la aleación de plomo-estaño o conocido como “estaño para soldado”
Carrete de plomo comercial en forma de alambre. Barras de estaño casi puro el cual fue adquirido por peso. Un crisol de grafito que servirá para la aleación cuando llegue en su punto de fusión.
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Reactivo químico Alúmina para el pulido Moldes de yeso
Equipo Para llevar a cabo los procedimientos necesitamos los siguientes equipos: Cocina eléctrica que llevará a la aleación a la temperatura de fusión y a una temperatura mucho mayor Lijar de agua de 220,400,800,1000 Simonix para pulir las probetas Microscopio metalografico para observar los granos de la muestra Cámara digital para tomar fotos de los procedimientos Controlador de temperatura que contiene una termocupla que nos indica la variación de la temperatura. Balanza digital. Procedimiento El método utilizado será el análisis de datos por medio de tablas, y una ayuda será la metalografía que nos ayudaran ver la estructura del material a nivel microscópico y así comparar resultados; los datos serán obtenidos en intervalos de temperatura al transcurrir el tiempo desde un estado sólido hasta llegar el punto de fusión de ambos materiales. Los datos empezaran cuando la aleación empieza a solidificar, eso serán puntos claves para nuestras conclusiones. La masa total de la aleación será de 30 gr del cual se verá su porcentaje de peso. Para comenzar los aleantes se cortaron para empezar la fusión de estos, para ello se eligieron 3 porcentajes de aleación que son las siguientes y se describe en cada uno lo que ocurrió desde su punto de fusión hasta llegar al punto eutéctico. En los siguientes cuadros se ven las composiciones que elegimos para el análisis, son 3 las aleaciones que veremos:
Composición Peso T de fusión + 15 °C
Composición Peso T de fusión + 15°C
Composición Peso T de fusión + 15°C
Hipoeutectica 30%estaño 9 gr
70%plomo 21gr 280°C
Eutéctico 61.9% estaño 18.60 gr
38.9%plomo 11.40 gr 208°C
Hipereutectico 70%estaño 21 gr
30%plomo 9 gr 268°C
Las 3 aleaciones se fundieron hasta su respectivas T de fusión + 15°C, en el cual empieza la toma de datos en intervalos de 5 segundos, son medidos sumergiendo la termocupla conectada al medidor de temperatura la cual nos indica las
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temperaturas. Las anotamos y posteriormente las llevaremos a una tabla para su análisis y por ende su comparación. Al finalizar la toma de datos se recalienta para luego colocarlos en un molde de yeso en forma de cilindro, así tendremos una muestra de esta aleación para luego llevarlo a microscopia para observar las fases que se presentan y así ver si la teoría es correcta. Las muestras al ver que ya están secas se proceden a un lijado de forma ascendente, comenzando por la lijar más gruesa hasta la más fina, en este caso la de 1000, para desgastar las partes que no sirve para llevarlo al microscopio. Las muestras fueron limpiadas y luego les toca ser pulidas, para esto usamos una crema pulidora llamada “SIMONIX”, para tener un pulido fino.
Al llegar al pulido exacto para llevarlo al microscopio; antes de eso, la muestra es atacada por el reactivo de ataque el cual es una solución liquida que está compuesto por: ACIDO ACÉTICO------0.65 ml ÁCIDO NÍTRICO------0.87 ml AGUA DESTILADA----3.48 ml El cual revelara la metalografía, hará notar los granos del metal aleado y será más fácil la observación. Se gotea el reactivo de ataque sobre la muestra solo por 15 segundos y luego se limpia con agua y se seca con sumo cuidado y luego este es llevado al microscopio para su análisis metalográfico. La muestra está lista para la metalografía y ver los granos del metal los cuales serán útiles para comparar. El procedimiento es el mismo para las 3 muestras trabajadas.
4. RESULTADOS: De los datos tomados en cada aleación se construyen las siguientes graficas:
5
6
7
MICROGRAFIAS Hipereutectico
EUTECTICO
Hipoeutéctico
500X
500X
8
0 6
0 5
0 4
0 3
0 2
0 1
0 5 2
o c i t c e t u e n o i c a e l a
e d i o t c e t u e o p i h n o i c a e l a
e d i o t c e t u e r e p i h n o i c a e l a
0 0 2
n S b P E D S E N O I C A E L A S A L E D O T N E I M A I R F N E E D S A V R U C
0 5 1
0 0 1
0 5
0 3 2
0 2 2
0 1 2
0 0 2
9
0 9 1
0 8 1
0 0 7 1
5. CONCLUSIONES
El calor latente alcanzado no es uniforme durante la solidificación de las aleaciones Plomo. Estaño, mostrando una disminución del calor alcanzado según progresa la solidificación. Para poder hacer visible la microestructura de cada muestra, se le hizo un ataque químico el cual se basa en la corrosión que actúa en las partes más blandas de cada aleación. Los puntos planos presentes en cada micro estructura son fases, si la cantidad de fases es mayor para una determinada concentración se llama matriz es así como se puede ver en la muestra de 70%de Sn y 30% de Pb donde la matriz seria el Sn por que representa la mayor cantidad de fases en la aleación. En la experiencia observamos que las micro estructuras son distintas debido a que las concentraciones de las muestras y las lecturas de temperatura son diferentes. Algo al resaltar son que la mayoría de las propiedades obtenidas de una mezcla se parecen mayormente alas de la fase continua “la propiedades del material están
relacionadas con la micro estructura del mismo es decir la fase que forma la matriz en la cual la partículas del otro están incrustadas. La micro estructura de la composición eutéctico se observa capas alternadas de fase alfa de disolución solida rica en plomo (capa oscura) y la de fase beta de disolución solida (capa clara). En la composición del punto eutéctico encontramos una microestructura casi uniforme que es debido a la presencia de la isoterma. En la muestra del punto eutéctico que hace referencia a la composición 61,9%Sn y 39,1%Pb se ve una coloración amarillenta esta es debido al Pb que junto al Sn forman estañato de plomo (Pb2SnO4)esto se debe a la aleación y temperatura en la que se encuentra . En el caso de la solidificación eutéctica, se observa que al bajar la temperatura no se aprecian cambios hasta llegar a la temperatura de 184º C por debajo de 182°C transformándose en fases alfa y beta, donde estas son composiciones que se aprecian en los extremos de la isoterma eutéctica, esta composición se acompaña por una difusión atómica. El poco tiempo disponible para transformarse del estado líquido al solido en el punto eutéctico evita una difusión significativa y esto conduce en la naturaleza de un grano fino o laminar en su micro estructura. En los datos obtenidos a través de la experiencia y la comparación de las curvas de enfriamientos obtenidos se puede observar claramente la diferencia de velocidad de solidificación que presentan las composiciones seleccionadas siendo el punto eutéctico el de menor valor esto debido a la menor diferencia de concentración en el porcentaje de la aleación. Los dos metales son parcialmente solubles en estado sólido, entonces se concluye que cuando el enfriamiento empieza, el único sólido que se puede formar es un metal puro, también cuando cada aleación está completamente solidificada debe ser una mezcla de los dos metales puros. A temperatura constante el líquido solidifica alternativamente Pb y Sn puros, resultando una mezcla muy fina, visible solo bajo el microscopio, como la solidificación de la aleación eutéctica se presenta a temperatura constante, su curva de enfriamiento seria la misma que la de un metal puro o cualquier aleación de fusión congruente; sin embargo, la solidificación eutéctica es incongruente, ya que hay una diferencia en composición entre el líquido y las fases sólidas individuales.
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