Estudio de materiales

Prácticas de Ciencia de
los Materiales
Francisco José Martín Rodríguez
Grupo M3 - Laboratorio
2014/2015

1. Diagrama de fases de una aleación Sn/Pb
En esta práctica llevaremos a cabo el estudio de cuatro piezas metálicas compuestas
de estaño y plomo, con el fin de construir parte del diagrama de fases de la misma aleación y
realizar ensayos de dureza de los elementos puros frente a susaleaciones. Finalmente
podremos observar las muestras al microscopio y conocer los cambios producidos.

1) Construcción del diagrama de fases
En primer lugar, prepararemos cuatro fundidos de 6 gramos de metal con
composiciones diferentes en una placa-molde y con ayuda del mechero Bunsen. Los fundidos a
preparar son de los dos metales puros y de dos aleaciones (61’9% Sn – 38’1% Pb y 30% Sn –
70% Pb).
Elobjetivo será medir el tiempo que tarda cada fundido en solidificarse, por lo que
deberemos prestar atención al diagrama de fases Sn/Pb y saber el orden aproximado en el que
solidificará cada fundido.

El orden por tanto será: Pb (puro), Sn (30%), Sn (puro), Sn (61’9%). Anotaremos el
tiempo que tarda cada uno en enfriar, y supondremos que el tiempo de enfriamiento está
directamente relacionado con latemperatura, ya que medir esta última resulta muy
complicado.
Fundido

tiempo (s)

1 / t (s-1)

Sn (puro)

240

4,17E-03

Pb (puro)
Sn (30%)

98
150

1,02E-02
6,67E-03

Sn (61’9%)

288

3,47E-03

Al representar la inversa del tiempo frente a la composición de cada fundido,
obtenemos algo similar a la línea liquidus del diagrama de fases, que sería la que nos
proporciona la temperatura a la queaparece la primera porción de liquido en la muestra.
0,012

1 / t (s-1)

0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
0

20

40

60

80

100

% Sn

2) Medida de la dureza. Ensayo de Brinell
Ahora mediremos la dureza en dos de nuestras muestras para comparar los cambios
producidos entre los fundidos, por lo que deberemos escoger una pieza pura y una aleación
cualquiera. La preparación de ambas se realizaráempleando papel de lija de grano grueso para
rebajar ambos lados de la pieza y luego con lija de grano fino para asegurar el alisado de las
caras. Ambos lados de la muestra deberán quedan perfectamente lisos y paralelos entre sí.
Para el ensayo de Brinell se utiliza un penetrador de bola de acero de 5 mm de
diámetro y una carga de 31’3 Kp. Una vez realizado el ensayo, se examina el impacto de labola
en las muestras y se calcula el diámetro de la huella usando el pie de rey y una lupa.
El valor de la dureza se expresa mediante la fórmula de Brinell. El parámetro BHN
(Brinell Hardness Number) viene dado por la siguiente expresión:
Fuerza aplicada
Diámetro de la bola

D
Di
Diámetro de la huella

Así, para las muestras que hemos seleccionado, los valores de dureza serán:

3) Observación en elmicroscopio

Muestra eutéctica (61’9 wt% Sn) x100

Aleación Sn-Pb (30 wt% Sn-70 wt% Pb) x100

Aleación (50 wt% Sn-50 wt% Pb) x500

Aleación Sn-Pb (90wt% Sn-10 wt% Pb) x100

-

En la muestra eutéctica, la limitación existente en el tiempo disponible para la transformación
evita una difusión significativa. La segregación de los átomos de A y B (que se encontraban
mezclados de forma aleatoria en elestado líquido) en fases sólidas distintas debe llevarse a
cabo, por consiguiente, a corta escala. Aparecerán en general distintas morfologías para los
distintos sistemas eutécticos, pero siempre que sean estables, por lo general, tendrán tamaño
de grano fino.

-

En la imagen de la derecha, aleación al 30% en peso de Sn, puede observarse la presencia de
un constituyente primario oscuro que es,precisamente, la solución sólida de Sn en Pb.
Cristaliza en el sistema FCC, al igual que el Pb; y este constituyente primario se halla embebido
en una matriz, que es precisamente la eutéctica de este sistema. Eutéctica de 61’9% de Sn, que
está constituida por solución sólida de Sn en el Pb, de 19 %, y solución sólida de Pb en el Sn,
hasta un contenido del 2,2% en Pb.

-

La siguiente aleación,...