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Enfriamiento de metal puro o de aleaciones
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO BARQUISIMETODEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
Integrantes:
José colmenares. C.I: 18.432.814
Vanessa Rivero. C.I: 20.044.690
Arantza Manrique. C.I:20.640.994
Secc: Miércoles
BARQUISIMETO, 23/07/2014
CURVAS DE
ENFRIAMIENTO
Introducción
Las curvas de enfriamiento son representaciones graficas de la variación de la
temperatura con respecto al tiempo ya sea de un metal puro o aleación. Para el desarrollo de
la práctica se utilizaron elementos como Zn, Pb, Al en diferentes proporciones, los cuales
mediante el uso de un termopar tipo K y un graficador arrojaron distintas curvas de
enfriamiento; estas, de acuerdo a su comportamiento y con la ayuda de los factores de
corrección X en mm/seg y Y en mV/cm del registrador de temperatura se podrá estudiar e
indican si pertenecen a un metal puro o aleación El uso de estas curvas tiene por objeto
determinar las temperaturas en que se producen el cambio de estado, en esta práctica, nos
enfocaremos en la determinación del punto de solidificación, es decir, la temperatura en la
cual el metal líquido empieza el proceso de solidificación, el tiempo en que se tarda en
convertirse el metal liquido en estado sólido y su velocidad de enfriamiento. Para el caso de
aleaciones tendremos rangos de temperaturas.
La solidificación de metales puros en condiciones de equilibrio presenta una
temperatura constante durante la solidificación, y se ve representada por una línea que es
paralela con respecto al eje de las abscisas. En la práctica se trabajara en condiciones fuera
de equilibrio, gráficamente se notara una concavidad, debido a que existe un
subenfriamiento, siendo éste el que hace posible el inicio de la solidificación; justo después
en el punto de solidificación, un trozo muy pequeño de la curva se hace relativamente
horizontal (isoterma), seguidamente se tiene un cambio de pendiente hasta que culmina el
fenómeno de solidificación.
En el caso de las aleaciones se tiene otro comportamiento y se toman dos casos,
cuando las aleaciones forman una solución sólida, donde ambos componentes son
completamente solubles tanto en estado líquido como sólido, y cuando forman un eutéctico,
donde los componentes son completamente solubles en el estado líquido pero
completamente insolubles en el estado sólido.
Procedimiento:
Se realizaron tres (3) muestras mediante la combinación de algunos elementos en
diferentes proporciones como Pb, Al, Zn; las cuales fueron contenidas en tres(3)
crisoles sin identificar si contenía un metal puro o una aleación
Se calibró el registrador de voltajes, colocando la velocidad de avance en el eje X a
1 m/s para grafica 1, y X a 0,5 m/s para la gráfica 2 y 3 , y en el eje Y a 2 mv/cm a
una temperatura ambiente de 25 grados centígrados, luego, conectando dicho
registrador al termopar tipo K, cuyos extremos fueron colocados de la siguiente
manera: el extremo libre conectado al graficador y el extremo unido se introducirá
dentro del crisol con el metal líquido, sumergiendo la punta en el metal.
Con la ayuda del técnico se procedió a retirar cada una las muestras del horno
(metal líquido), introduciendo inmediatamente el termopar en una de las muestras y
graficando la curva de enfriamiento a través del registrador, repitiéndose este paso
para cada una de las muestras.
Se realizaron los cálculos, conversiones y análisis respectivos de cada una de las
curvas de enfriamiento y se concluyó al respecto.
Resultados y Análisis
Grafica n°1
X= 1mm/seg
Y= 2mv/cm
Tamb=25°C
Punto A : x= 0cm; y= 8,3cm Punto B: x=6,3cm; y=7,5cm Punto C: x=22,8cm; y=7,5cm
Punto A
y=8,3cm∗2mvcm
=16,6mv
De la tabla e interpolando se obtuvo:
Y= 404,8°C, asi
TA= (404,8 + 25) °C= 429,8 °C
x= 0mm1mm/seg
=0 seg
PA: (0seg, 429,8°C)
Punto B
y=7,5cm∗2mvcm
=15mv
De la tabla
Y= 367°C, asi
TB= (367 + 25)°C = 392°C
x= 63mm1mm/seg
=63 seg
PB: (63seg , 392°C)
Punto C
y=7,5cm∗2mvcm
=15mv
De la tabla
Y= 367°C, así
TC= (367 + 25) °C= 392 °C
x= 228mm1mm/seg
=228 seg
PC: (228seg, 392°C)
Velocidad de enfriamiento
V 1=A y−ByAx−Bx
=¿(429,8−392)° C
(0−63 ) seg=−0,6 ° c /seg
Temperatura de equilibrio
T= 392°C
TfZn= 419°C
Tiempo de solidificación
t= (228-63)seg =165seg
El comportamiento de la curva de enfriamiento obtenida es igual a la de un metal
puro, donde puede distinguirse: Tramo A-B, el cual representa el enfriamiento del metal
liquido; el punto B representa la temperatura de fusión o equilibrio (TB=392 °C ) obtenida
mediante el uso de la tabla correspondiente al termopar tipo K y la temperatura ambiente ;
seguida del tramo B-C donde la isoterma indica el tiempo de solidificación, el cual
obtenido experimentalmente arroja un tiempo de 165s, así, una vez culminada la
solidificación en el punto C comienza el enfriamiento del metal sólido.
De acuerdo a los resultados obtenidos el elemento ensayado para esta grafica es el
Zinc (Zn), debido a la similitud en cuanto a la temperatura de fusión. La pequeña variación
de la temperatura de equilibrio experimental con la teórica, es debido a que no se trabajó en
condiciones de equilibrio.
Grafica n°2
X= 0,5mm/s
Y= 2mv/cm
Tamb=25°C
Punto 0 : x= 0cm; y= 9,2cm Punto A : x= 3cm; y= 7,9cm Punto B: x=9,9cm; y=7,1cm Punto C: x=17cm; y=7,1cm
Punto 0
y=9,2cm∗2mvcm
=18,4mv
De la tabla e interpolando obtuvimos:
Y= 447,4°C, así
T0= Y + Tamb
T0= (447,4 + 25) °C= 472,4 °C
P0: (0s,472,4°C)
Punto A
y=7,9cm∗2mvcm
=15,8mv
De la tabla e interpolando obtuvimos:
Y= 386,2°C, así
TA= Y + Tamb
TA= (386,2 + 25) °C= 411,2 °C
x= 30mm0,5mm/ s
=60 s
PA: (60s,411,2°C)
Punto B
y=7,1cm∗2mvcm
=14,2mv
De la tabla e interpolando obtuvimos:
Y= 347,8°C, así
TB= Y + Tamb
TB= (347,8 + 25) °C = 372,8°C
x= 99mm0,5mm/ s
=198 s
PB: (198s, 372,8°C)
Punto C
y=7,1cm∗2mvcm
=14,2mv
De la tabla e interpolando obtuvimos:
Y= 347,8°C, así
TB= Y + Tamb
TB= (347,8 + 25) °C = 372,8°C
x= 170mm0,5mm/ s
=340 s
PC: (340s, 372,8°C)
Velocidad de enfriamiento
V 2=0y−A y0x−Ax
=(472,4−411,2)° c
(0−60 ) s=−1,02 °c / s
Rango de temperatura de solidificación
De TA 411,2 °C a Tc 372,8 °C.
Tiempo de solidificación
t= (340-60) s =280s
El comportamiento de la curva de enfriamiento obtenida representa una aleación
que forma una reacción eutéctica. Comienza el enfriamiento del líquido desde el punto P0
hasta PA , en el siguiente tramo A-B se forma una concavidad que representa la región
bifásica donde coexisten la fase líquida y sólida, en el punto PA ocurre un cambio de
pendiente producto de la liberación de calor latente por el fenómeno de subenfriamiento
constitucional, el líquido se enriquece de soluto y desciende la temperatura, para luego
llegar al punto PB donde ésta permanece constante ( Temperatura de equilibrio de la
aleación: 372,8 °C ) hasta el punto PC, momento donde ocurre la reacción eutéctica,
instantes antes de llegar al punto PB se tiene un líquido residual, el cual alcanza la
temperatura eutéctica y se transforma en una mezcla eutéctica; por esta razón el tiempo de
solidificación transcurre desde el punto PA hasta PC ( t. sol.=280seg ); por ultimo al llegar al
punto PC inicia el enfriamiento de la fase solida.
Comparando con el libro Metal Handbook podemos decir que se aproxima a una
composición de 94% Zn- 6% Al, debido a que la temperatura donde ocurre esta reacción
según el Metal HandBook es de 381°C y el punto B de la gráfica donde ocurre la
temperatura de equilibrio es de 372,8°C(según los cálculos anteriores), se tiene una
diferencia de 8,2°C y se puede aseverar que se tenga un punto eutéctico de aleación Al-Zn;
se descarta que sea Zn puro debido a que el punto de fusión representado en este caso por el
tramo B-C en la gráfica es de 372,8°C y comparando con el de la tabla periódica se tiene
que el punto de fusión del Zn es de 419.5°C, el cual difieren en las temperaturas de fusión
en 46,7 °C. Es importante acotar que también se descartó que la curva de enfriamiento
fuese Aluminio puro debido a que el punto de fusión de este es de 660.5°C.
Grafica n°3
X= 0,5mm/s
Y= 2mv/cm
Tamb=25°C
Punto A : x= 0cm; y= 8cm Punto B: x=4,6cm; y=6cm Punto C: x=9,9cm; y=6cm
Punto A
y=8cm∗2mvcm
=16mv
De la tabla:
Y= 391°C, así
Ta= Y + Tamb
Ta= (391 + 25) °C= 416 °C
Pa: (0s, 416°C)
Punto B
y=6cm∗2mvcm
=12mv
De la tabla:
Y= 295°C, así
Tb= Y + Tamb
Tb= (295 + 25) °C = 320°C
x= 46mm0,5mm/ s
=92 s
Pb: (92s, 320°C)
Punto C
y=6cm∗2mvcm
=12mv
De la tabla:
Y= 295°C, así
Tc= Y + Tamb
Tc= (295 + 25) °C = 320°C
x= 99mm0,5mm/ s
=198 s
PC: (198s, 320°C)
Velocidad de enfriamiento
V 3=Ay−B yA x−Bx
=(416−320)° c
(0−92 ) s=−1,04 ° c /s
Temperatura de equilibrio
TB= 320°C
TfPb= 327,502°C
Tiempo de solidificación
t= (198-92) s =106s
Se obtuvo, una curva de enfriamiento de un metal puro fuera de equilibrio, en el primer
tramo comprendido entre los puntos Pa y Pb se observa una pendiente que denota la
velocidad de enfriamiento del metal liquido, es importante destacar que en esta
representación grafica no se logro visualizar el subenfriamiento debido a que éste fue muy
bajo. Una vez en el punto Pb la temperatura se estabiliza hasta el punto Pc (Isoterma), a 320
°C. La Isoterma indica el tiempo que tardo en solidificar todo el metal liquido (t sol.: =
106seg); así, una vez culminada la solidificación en el punto C comienza el enfriamiento
del metal sólido. De acuerdo a los resultados obtenidos el elemento ensayado para esta
grafica es el Plomo (Pb), debido a semejanza en cuanto a la temperatura de fusión. La
pequeña variación de la temperatura de equilibrio experimental con la teórica, es debido a
que no se trabajó en condiciones de favorables.
.
ANEXO
Fig. 2 diagrama Aluminio-cinc
Fig. 3 tablas de conversión de mili voltios a grado centígrados.
Conclusiones
Por medio de las curvas de enfriamiento se tiene información de que tipo de metal
se está solidificando (metal puro, aleación o un eutéctico).Existiendo gran
diferencias entre ellas.
Los cambios de pendiente en las curvas de enfriamiento indican cambios de fase
(transformación líquido-sólido), a su vez la presencia de un metal puro o aleación.
Cuando un metal puro solidifica, en condiciones de equilibrio o cercanas a esta,
toda la masa cristaliza a la temperatura Tf, la temperatura de fusión, que se
mantiene constante mientras se libera todo el calor latente de fusión, para luego
enfriarse.
Si un metal puro solidifica en condiciones fuera del equilibrio la nucleación de la
fase sólida exige un subenfriamiento cinético para que se inicie el proceso de
solidificación, y debe estar presente una concavidad producto del subenfriamiento
térmico, pero esta concavidad no se aprecia en las curvas de enfriamientos de los
elementos utilizados en la práctica, debido a que los valores de subenfriamiento son
muy pequeños.
Las aleaciones solidifican en un rango de temperatura y pueden formar una solución
solida o un eutéctico.
En los diagramas que involucran reacciones eutécticas, las aleaciones hipoeutécticas se encuentran a la izquierda del diagrama, mientras que las aleaciones hipereutécticas se encuentran a la derecha del diagrama separadas por el punto eutéctico.
Las velocidades de enfriamiento de todas las curvas de enfriamiento son negativas