PRACTICA N° 1 CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE FASES PB-SN I: OBJETIVO 1.1: Objetivo General Construir experimentalmente el diagrama de transformación de fases Pb-Sn mediante el método térmico. 1.2: Objetivos Específicos:
Aplicar los conocimientos adquiridos en clase y poder aplicarlos en la práctica Caracterización de las fases cristalográficas de las aleaciones Pb-Sn en el punto eutéctico, hipoeutéctico e hípereutéctico. Realizar la comparación teórica del diagrama Pb-Sn presentada en libros con los resultados experimentales de laboratorio.
II: FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1: Diagramas de Fases Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición.
Información que podemos obtener de los diagramas de fase: Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.
2.2: Aleación Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, 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. Las aleaciones se pueden clasificar en dos grandes grupos: aleaciones ferrosas y aleaciones no ferrosas. 2.3: Plomo: PROPIEDADES FÍSICAS Estado ordinario sólido Densidad 11340 kg/m3 Punto de fusión 600,61 k (327 °C) Punto de ebullición 2022 k (1749 °C) Entalpía de vaporización 177,7 kJ/mol Entalpía de fusión 4,799 kJ/mol Presión de vapor 4,21 × 10-7 Pa a 600 k Temperatura crítica 7,196 k (-266 °C) Módulo de 46 Gpa compresibilidad VARIOS cúbica centrada en las Estructura cristalina caras N° cas 7439-92-1 Calor específico 129 j/(kg) Conductividad eléctrica 4,81 × 106 s/m Conductividad térmica 35,3 w/(k·m) Módulo elástico 16 Gpa Módulo de cizalladura 5.6 Gpa Coeficiente de poisson 0.44 1260 m/s a 293,15 k Velocidad del sonido (20 °C) El plomo es un elemento químico de la tabla periódica, cuyo símbolo es Pb (del latín plumbum) y su número atómico es 82 según la tabla actual, ya que n o formaba parte en la tabla de Dmitri Mendeléyev. Este químico no lo reconocía como un elemento metálico
común por su gran elasticidad molecular. Cabe destacar que la elasticidad de este elemento depende de la temperatura ambiente, la cual distiende sus átomos, o los extiende. El plomo es un metal pesado de densidad relativa o gravedad específica 11,4 a 16 °C, de color plateado con tono azulado, que se empaña para adquirir un color gris mate. Es flexible, inelástico y se funde con facilidad. Su fusión se produce a 327,4 °C y hierve a 1725 °C. Las valencias químicas normales son 2 y 4. Es relativamente resistente al ataque del ácido sulfúrico y del ácido clorhídrico, aunque se disuelve con lentitud en ácido nítrico y ante la presencia de bases nitrogenadas. El plomo es anfótero, ya que forma sales de plomo de los ácidos, así como sales metálicas del ácido plúmbico. Tiene la capacidad de formar muchas sales, óxidos y compuestos organometálicos.
Características generales
Los compuestos de plomo más utilizados en la industria son los óxidos de plomo, el tetraetilo de plomo y los silicatos de plomo. El plomo forma aleaciones con muchos metales, y, en general, se emplea en esta forma en la mayor parte de sus aplicaciones. Es un metal pesado y tóxico, y la intoxicación por plomo se denomina saturnismo o plumbosis. 2.4: Estaño: PROPIEDADES FÍSICAS Estado ordinario sólido Densidad 7365 kg/m3 Punto de fusión 505,08 k (232 °C) Punto de ebullición 2875 k (2602 °C) Entalpía de 295,8 KJ/mol vaporización Entalpía de fusión 7,029 KJ/mol Presión de vapor 5,78·10-21 Pa a 505 k Varios Estructura cristalina tetragonal N° cas 7440-31-5 N° einecs 231-141-8 Calor específico 228 j/(kg) Conductividad eléctrica 9,17·106 s/m Conductividad térmica 66,6 w/(k·m) 2500 m/s a 293,15 k Velocidad del sonido (20 C)
El estaño es un elemento químico de símbolo Sn (del latín stannum y número atómico 50). Está situado en el grupo 14 de la tabla periódica de los elementos. Se conocen 10 isótopos estables. Su principal mena es la casiterita.
Características del estaño
Es un metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente y es resistente a la corrosión. Se encuentra en muchas aleaciones y se usa para recubrir otros metales protegiéndolos de la corrosión. Una de sus características más llamativas es que bajo determinadas condiciones sufre la peste del estaño. Al doblar una barra de este metal se produce un sonido característico llamado grito del estaño, producido por la fricción de los cristales que la componen. El estaño puro tiene dos variantes alotrópicas: el estaño gris, polvo no metálico, semiconductor, de estructura cúbica y estable a temperaturas inferiores a 13,2 °C, que es muy frágil y tiene un peso específico más bajo que el blanco. El estaño blanco, el normal, metálico, conductor eléctrico, de estructura tetragonal y estable a temperaturas por encima de 13,2 °C. 2.5: DIAGRAMA DE FASES PLOMO - ESTAÑO Los diagramas de fases son representaciones gráficas, de las fases que existen en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio, y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. A continuación hablaremos de algunos diagramas de fase de sustancias puras. Muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes que presentan solubilidad solida limitada de un elemento en otro, como lo es por ejemplo, el sistema plomo-estaño (Pb-Sn).
III: PARTE EXPERIMENTAL 3.1: Material Y Equipo
Pb en hilo Estaño Crisol de grafito Cocinilla Guantes para fundición Calculadora Balanza digital. Cronometro Termocupla
Moldes de yeso Alúmina para el pulido Lijar de agua de 400, 800, 1000,1200 Simonix Reactivo químico Microscopio Metalográfico Cámara digital para tomar fotos de los procedimientos
3.2: Procedimiento Y Metodología De Trabajo 3.2.1: Preparación De Los Materiales a) Se tendrá que comprar el estaño y el plomo con las características requeridas para el experimento, estos deben ser puros y sin aleantes porque si no, no serán útiles en el experimento. b) Se tomara como guía un diagrama de fases de Pb-Sn de un libro para poder tomar como referencia los puntos (hipoeutectico, eutéctico y hipereutectico) y poder así calcular los porcentajes tanto del estaño como del plomo. para ello se hará uso de una regla de tres con una cantidad de masa de referencia (40g en nuestro experimento). c) Haciendo uso de una balanza digital y con los datos obtenidos anteriormente de los porcentajes y concentraciones de plomo y estaño en cada punto se preparan las muestras a fundir. 3.2.2: Fundición Y Toma De Datos Haciendo uso de una cocinilla y del crisol se procederá a fundir las muestras: a) Se comenzara con la concentración para el punto hipoeutéctoide, con el uso adecuado de los materiales y equipos para la seguridad en el experimento como guantes, cocinilla y crisol. b) Se esperara a que el plomo y el estaño se fundan y se produzca la aleación de los elementos antes solidos ahora líquidos. c) Con la aleación en estado líquido se procederá a la toma de datos, se sacara el crisol de la cocinilla y con la ayuda de la termocupla se tomaran la temperaturas en función del tiempo este tomado y controlado por un cronometro (10 segundos en nuestro experimento).
d) Con los datos ya tomados se volverá a fundir la aleación para luego echarla en un molde de yeso y poder obtener una pastilla la cual nos servirá para poder reconocerlo en el microscopio metalográfico. e) Este proceso se repetirá para la muestra del punto eutéctico y hipereutectico.
3.2.3: Reconocimiento De Las Aleaciones a) Las pastillas obtenidas en laboratorio tendrán que ser lijadas con lijas de agua de 400, 800,1000 para poder pulir las muestras, en este procedimiento también será uso de un polidor de metales (Brasso brilla metal en nuestro caso) para terminar con una muestra lista para ser atacada. b) Con un reactivo químico (reactivo de ataque): Tres partes de ácido acético Cuatro partes de HNO3 Dieciséis partes de H2O destilada c) Bañaremos la parte pulida de nuestra pastilla y le echaremos agua para poder limpiarla ya que el reactivo puede llegar a quemar la muestra. d) Con la muestra lista pasaremos a ponerla en el microscopio y observar, con la ayuda de una cámara tomaremos imágenes de lo observado.
3.2.4: Presentación De Resultados Y Datos a) Con los datos obtenidos en laboratorio de las aleaciones y de su enfriamiento se procederá a dibujar las gráficas de enfriamiento para poder obtener nuestro propio diagrama de fases de Pb-Sn. b) Con estos resultados de la gráfica de enfriamiento se construirá el diagrama Pb-Sn y se realizara las comparaciones con la muestra original. c) Finalmente se presentaran las conclusiones y resultados del trabajo. IV: RESULTADOS
Los resultados se muestran a continuación mediante las gráficas de las curvas de enfriamiento para cada punto con una muestra de 40 gramos como el 100%: 4.1: Punto Hipoeutéctico Composición 30% de estaño:
Estaño: 12 gramos Plomo: 28 gramos
300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 0
100
200
300
400
4.2: Punto Eutéctico Composición 61.9% de estaño:
Estaño: 24.76 gramos Plomo: 15.24 gramos
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170 0
100
200
300
400
4.3: Punto Hipereutéctico Composición 70% de estaño:
Estaño: 28 gramos Plomo: 12 gramos
250
240
230
220
210
200
190
180
170 0
100
200
300
400
4.4: Curvas de Enfriamiento: 250 245 240 235 230 225 ) 220 C ° ( A215 R U T 210 A R E P 205 M E 200 T
T.HIPOEUTÉCTICO T. EUTÉCTICO T. HIPEREUTÉCTICO
195 190 185 180 175 170 0
50
100
150
200
250
300
TIEMPO (SEGUNDOS)
350
400
450
500
