Diagrama Plomo -estaño PDF

Preview

Summary

SE MUESTRA EN LA PRESENTE LA CURVA DE ENFRIAMENTO DE LA ALECACION PLOMO ESTAÑO AL 61.9% con datos tomados cada 10 segundos hasta que la aleacion alcanza una temperatura continua osea cuando termina de solidificarse ....

Description

FACULTAD DE PROCESOS PROGRAMA DE INGENIERÍA METALÚRGICA DIAGRAMA Pb-Sn CURSO: METALURGICA FISICA DOCENTE: DR.ING. GERMAN RODRIGUEZ VELARDE INTEGRANTES:

Introducción

Un diagrama de equilibrio es la representación gráfica de la temperatura en función de la composición química (normalmente en% en peso) de una aleación binaria. De manera práctica indica qué fases predominan en cada una de las temperaturas en función de la composición. Da mucha información de la microestructura de una aleación cuando se enfría lentamente (en equilibrio) a temperatura ambiente. Además, en un diagrama de fase se pueden observar los cambios que se producen en la microestructura y en las fases cuando varía la temperatura. Hay que recordar de nuevo que la microestructura final afecta notablemente las propiedades mecánicas. Los diagramas de fase 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 (Los diagramas de equilibrio de fases se determinan mediante la aplicación de condiciones de enfriamiento lento), y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. La calificación de metales y aleaciones es uno de los procesos que más identifica a la Metalurgia. Los procesos de solidificación implican el conocimiento y control de las variables involucradas (por ejemplo, temperatura, composición, Velocidad de flujo, etc.) en el procesamiento de los materiales metálicos para obtener la estructura, la composición y la forma deseada de ellas.

Contenido 1.OBJETIVOS.......................................................................................................................................4 1.1ONJETIVOS GENERALES.............................................................................................................4 1.2OBJETIVOS ESPECIFICOS............................................................................................................4 2.VARIABLES.......................................................................................................................................4 2.1VARIABLES INDEPENDIENTES....................................................................................................4 2.2VARIABLES DEPENDIENTES........................................................................................................4 3. MARCO TEORICO............................................................................................................................4 3.1 Definiciones..............................................................................................................................4 4. Diagrama de equilibrio...................................................................................................................5 4.1.Diagrama de Fases....................................................................................................................5 4.2 Tipos de Reacciones Invariantes:............................................................................................10 4.3 Clasificación simplificada de los diagramas de fases en metales............................................11 Solubilidad total en estado sólido................................................................................................11 4.4 Solidificación de los metales...................................................................................................12 4.5 Solidificación monofásica de aleaciones o mezclas................................................................16 4.6 Diagramas, regla de la palanca y ley de fases de Gibbs..........................................................17 4.7 Curvas de enfriamiento..........................................................................................................27 4.8. Diagrama plomo estaño........................................................................................................28 4.9. Anexos...................................................................................................................................29 5.PARTE EXPERIMENTAL...................................................................................................................33 6.CONCLUCIONES.............................................................................................................................36

1.OBJETIVOS 1.1ONJETIVOS GENERALES Analizar experimentalmente el comportamiento de un material de aleacio Pb –Sn al ser fundido

1.2OBJETIVOS ESPECIFICOS Evaluar el comportamiento de enfriamiento de una pieza de aleación Pb-Sn al 61.9 Pb y 39.1 de Sn después de haber sido expuesto a un tratamiento de fundición .,a pieza tendrá que alcanzar una temperatuara de 320 °C yde ahí se tomara su temperatura cada 10 segundos con un

2.VARIABLES 2.1VARIABLES INDEPENDIENTES Tiempo Temperatura

2.2VARIABLES DEPENDIENTES Dureza Resistencia.

3. MARCO TEORICO 3.1 Definiciones. Diagrama de fases de equilibrio: representación gráfica de temperaturas y composiciones para las cuales varias fases son estables en el equilibrio. En la ciencia de materiales, los diagramas de fases más comunes describen a la temperatura versus composición. Equilibrio: un sistema está en equilibrio si no tiene lugar cambios microscópicos con el tiempo. Fase: una porción física homogénea y diferente de un sistema material. Grados de libertad F: número de variables (temperatura composición y presión) que se pueden variar independientemente sin cambiar la fase o fases del sistema. Isoterma: línea horizontal trazada en una región bifásica de un diagrama de fases, para ayudar a determinar las composiciones de ambas fases.

Líquidus: temperatura a la cual el líquido empieza a solidificarse bajo condiciones de equilibrio. Matriz: por lo general, fase sólida continúa en una microestructura compleja. Dentro de la matriz se pueden formar precipitados sólidos. Número de componentes de un diagrama de fases: número de elementos que constituyen el sistema del diagrama de fases. Por ejemplo Fe-Ni un sistema de dos componentes. Precipitado: fase solida que se forma de la fase matriz original cuando se excede el límite de solubilidad. En la mayoría de los casos, se trata de controlar la formación del precipitado para producir el endurecimiento por dispersión óptimo. Punto triple: presión y temperatura a las cuales las tres fases de un solo material están en equilibrio. Reacciones invariantes: transformaciones de fase en equilibrio que se suponen cero grados de libertad. Regla de la palanca: los porcentajes en pesos de las fases en cualquier región de un diagrama de fases binarios se pueden calcular usando esta regla si prevalecen las condiciones de equilibrio. Regla de las fases de Gibbs: establece que en el equilibrio del número de fases más los grados de libertad es igual al número de componentes más 2, P + F = C + 2. De forma abreviada, con la presión 1= atm, P + F = C + 1. Sistema isomorfo: un diagrama de fases en el cual solo existe una única fase sólida, esto es, hay solo una estructura en estado sólido. Sistema: una porción del universo que ha sido aislada de tal modo que sus propiedades pueden ser estudiadas. Sólidus: temperatura durante la solidificación de una aleación a la cual la última parte de la fase liquida se solidifica. Solubilidad limitada: condición referente a que sólo se puede disolver una cantidad máxima de un material soluto en un material solvente. Solubilidad: cantidad de material que se disolverá completamente en un segundo material, sin crear una segunda fase. Solvus: línea de solubilidad que separa una región que tiene una fase solida de una región que tiene dos fases solidas en el diagrama de fases.

4. Diagrama de equilibrio. 4.1.Diagrama 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. Micro-estructura: las propiedades mecánicas y físicas de un material dependen de su micro-estructura. Esta puede consistir en una “simple” estructura de granos

iguales en un metal o cerámica pura, o en una mezcla más compleja de distintas fases. Un ejemplo de micro-estructura puede ser: ferrita y perlita. Fase: tres (3) características: 1) una fase tiene una misma estructura o arreglo atómico en todo el material 2) una fase tiene aproximadamente una misma composición y propiedades 3) hay una interface definida entre una fase y cualquier otra que la rodea o que sea su vecina. Ejemplo: un bloque de hielo en una cámara de vacío, en estas condiciones, se tendrán en coexistencia tres fases: H2O líquido, H2O sólido Y H2O gaseoso, cada una siendo una fase diferente, con arreglos atómicos únicos, propiedades únicas y límites definidos entre ellas. Componente: se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Un ejemplo muy sencillo: Mezcla agua hielo 0°C: Tienen un componente: Agua y dos fases: sólido y líquido. Solución Sólida: Mezcla de átomos de dos tipos diferentes: uno mayoritario, que es el disolvente y otro minoritario, que es el soluto. Los átomos del soluto ocupan posiciones sustitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la estructura cristalina del disolvente puro. Un ejemplo seria:

FIGURA 2. Solución Sólida. Límite de Solubilidad: en muchas aleaciones y para una temperatura específica, existe una concentración máxima de átomos de soluto. La adición de un exceso de soluto a este límite de solubilidad forma otra disolución sólida o compuesto con una composición totalmente diferente.

Ejemplo:

Agua

+Azúcar

Figura 3. Diagrama de límite de solubilidad.

Diagramas de Fase de Equilibrio: los diagramas de equilibrio de fase son mapas (por ejemplo, en el espacio temperatura-presión o temperaturacomposición) de las fases estables de un material en función de las condiciones de P, T y composición. Ejemplo diagrama de fase (Agua).

Figura 4. Diagrama de fase del H2O

Diagrama de Fase Binarios: forma del diagrama de fases en el cual solo hay dos componentes. Su mayor aplicabilidad es en las áreas de la metalurgia, química y física. Como ejemplo se -tiene el diagrama Cu-Ni y el diagrama Ag-Cu:

Figura 5. Diagrama de Fase binario Cu-Ni.

Figura 6. Diagrama de fase binario Ag-Cu.

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular -el más sencillo-, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: • Sólido puro o disolución sólida. • Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide). • Mezcla Sólido – Líquido. • Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión) o sea un líquido completamente homogéneo. • Mezcla líquido – gas. • Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones de altitud). Hay puntos y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización: • Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas. • Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. • Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente. • Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).

4.2 Tipos de Reacciones Invariantes:

Figura 7. Reacciones invariantes. Definición de otros tipos de reacciones: • Punto de fusión congruente: Un compuesto sólido al ser calentado mantiene su composición hasta el punto de fusión. • Punto de fusión incongruente: Un compuesto sólido al ser calentado sufre reacciones peritécticas en un liquido y en una fase solida. 4.3 Clasificación simplificada de los diagramas de fases en metales. Solubilidad total en estado sólido Presentan únicamente líneas de líquidus y sólidus, forman soluciones sólidas substitucionales

Figura 8. Diagrama de solubilidad total. Este diagrama presenta tres zonas diferentes: Dos regiones monofásicas • L (Liquido): Única fase liquida (A Y B son totalmente solubles). • α: Única fase sólida: Solución sólida con una estructura cristalina definida (A y B son completamente solubles). Región bifásica: Coexistencia de dos fases: líquida +sólida. (L + α). Solubilidad parcial En el sistema binario de solubilidad parcial habrá solubilidad total hasta un determinado porcentaje de cada elemento (límite de solubilidad), y luego de este límite habrá un estado de insolubilidad. Dejando aparte el caso en la región donde coexisten líquido y sólido (caso anterior) en estos gráficos, en la región del sólido se puede determinar el porcentaje (%) de β y de α usando la regla de la palanca. Así mismo se puede determinar también la composición química de estas dos fases (no indicada en los gráficos) que van variando debido a la presencia de la curva solvus. En forma aproximada se puede determinar también el porcentaje de los constituyentes: en el caso de la figura de la derecha estos son 1) solución sólida β y 2) eutéctico (formado por α+β).

Figura 9. Diagrama de solubilidad parcial. 4.4 Solidificación de los metales. Cuando un metal puro en estado líquido sometido a un proceso de enfriamiento alcanza su temperatura de solidificación, se inicia un proceso de formación de embriones o núcleos sobre los que van agregándose átomos, conformando así la estructura cristalina. La solidificación de los metales y aleaciones es un importante proceso industrial, dado que la mayoría de los metales se funden para modelarlos como productos semiacabados o acabados. 1. Proceso de Solidificación En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas. 1. La formación de núcleos estables en el fundido (nucleación). 2. El crecimiento de núcleos para formar cristales y la formación de una estructura granular. La ilustración muestra las diversas etapas de solidificación de los metales:

a) Formación de núcleos. b) Crecimiento de los núcleos hasta formar metales y c) Unión de cristales para formar granos y límite de granos asociados.

Figura 10. Proceso general de solidificación. 2. Solidificación de Metales Puros Cuando un metal puro solidifica bajo condiciones cercanas al equilibrio, toda la masa se cristaliza a una misma temperatura, conocida como temperatura de solidificación, Tf, que es constante y que se mantiene constante mientras se libera todo el calor latente de transformación; una vez que el metal ha solidificado ocurre el enfriamiento. Sin embargo, cuando el metal puro considerado anteriormente se solidifica bajo condiciones de no equilibrio, los cristales sólidos no se forman a la temperatura de solidificación, sino que ocurre a una temperatura T menor que Tf, lo que implica el requerimiento de un subenfriamiento cinético. ΔTk = (Tf – T) definido e ilustrado mediante una curva de enfriamiento en la siguiente figura:

Figura 11. Curva de enfriamiento. Se observa que, luego del subenfriamiento representado por el material, sufre un leve aumento de temperatura hasta llegar a la temperatura de fusión. Esto ocurre ya que, cuando existe suficiente sólido formado, éste libera una cantidad apreciable de calor latente de transformación, lo que eleva la temperatura del material hasta. Una vez alcanzada, la temperatura permanece constante durante la solidificación. El fenómeno de aumento de temperatura después del subenfriamiento recibe el nombre de recalescencia. Los granos de un metal idealmente puro crecen en forma columnar plana –es decir, como un grano alargado- en las zonas inmediatamente aledañas a las paredes de los moldes, en la dirección principal de la transferencia de calor. En las zonas centrales, donde la formación de sólido metálico en las paredes disminuye la conductividad del calor, los granos suelen ser equiaxiales, como se muestra en la figura 12.

Figura 12. Crecimiento planar. Tanto la solidificación como la fusión son transformaciones entre los estados cristalográficos y no cristalográficos de un metal o aleación; estas transformaciones, por supuesto, constituyen el fundamento de las aplicaciones tecnológicas al vaciado de lingotes, al vaciado de piezas, a la colada continua de metales y aleaciones, al crecimiento mono-cristalino de semiconductores, al crecimiento unidireccional de aleaciones mixtas (composite alloys), y a los procesos de soldadura. Para que ocurra la solidificación del metal, sólo es necesario disipar el calor latente de solidificación, ΔH, que se puede lograr mediante las siguientes formas: a) Por conducción desde el sólido, hacia un sumidero de calor. b) Por conducción hacia el líquido, cuando está subenfriado a una temperatura inferior a Tf c) Por aplicación de una fuerza electromotriz, o diferencia de potencial al existir un gradiente de temperatura (Efecto Peltier) cuando la corriente fluye a través de la intercara sólido-líquido en dirección hacia el líquido.

4.5 Solidificación monofásica de aleaciones o mezclas.

4.6 Diagramas, regla de la palanca y ley de fases de Gibbs. 4.6.1 Diagrama cobre-níquel. Para llegar al diagrama de cobre níquel, es importante recordar qué es un diagrama de Equilibrio. Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forman diagramas que se componen de aleaciones, estas aleaciones son una mezcla sólida homogénea, de uno o más metales con algunos elementos no metálicos que pueden darse a diferentes temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase liquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido. Los elementos como el cobre y níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido. Aplicaciones • Utilizados en tuberías o como conductores (calor y electricidad) • bujes, entre otras aplicaciones. • Adicional a esto Las aleaciones de base cobre con níquel, ampliamente usadas en la operación de plantas y equipos en ambientes marinos, constituyen las aleaciones más adecuadas para la fabricación de piezas expuestas a la acción agresiva de los iones cloruros presentes en el agua de mar.

Figura 13. Diagrama Cobre-Níquel.

En el diagrama de la figura 13 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 abscisas) 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. Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en fase sólida, en fase (sólida + líquida) y en fase totalmente líquida según la proporc...