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Diagramas de fase
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
3
Examen

Dado el diagrama de equilibrio para el sistema Pb-Sn de la figura, responda razonadamente a las siguientes cuestiones.

Imagen del ejercicio
a) Indique si alguno de los elementos puros del diagrama presenta cambios alotrópicos. Indique cuál sería la solubilidad máxima del estaño en el plomo.b) Calcule el porcentaje de fases α\alpha y β\beta presentes a 100C100 ^\circ\text{C} en una aleación con un 30%30\% de Sn.c) Describa el proceso de enfriamiento desde 300C300 ^\circ\text{C} hasta 180C180 ^\circ\text{C} para una aleación con un 61,9%61,9\% de Sn.d) Sabiendo que la aleación con un 61,9%61,9\% de Sn se puede utilizar para fabricar piezas mediante moldeo, explique tres ventajas y tres inconvenientes de obtener una pieza mediante fabricación aditiva en lugar de mediante moldeo convencional.
Sistema Pb-SnDiagrama de equilibrioRegla de la palanca+1
a) Indique si alguno de los elementos puros del diagrama presenta cambios alotrópicos. Indique cuál sería la solubilidad máxima del estaño en el plomo.

Observando el diagrama de equilibrio Pb-Sn:Ninguno de los elementos puros del diagrama (Pb al 0%0\% de Sn y Sn al 100%100\% de Sn) presenta cambios alotrópicos en el rango de temperaturas mostrado, ya que no hay transiciones de fase en estado sólido para el plomo puro (solo la fase α\alpha) ni para el estaño puro (solo la fase β\beta) antes de su fusión.La solubilidad máxima del estaño en el plomo (en la fase α\alpha) se encuentra en el límite de la región de fase α\alpha. Este punto se da a la temperatura eutéctica.

b) Calcule el porcentaje de fases α\alpha y β\beta presentes a 100C100 ^\circ\text{C} en una aleación con un 30%30\% de Sn.

A 100C100 ^\circ\text{C} y 30% de Sn30\% \text{ de Sn}, la aleación se encuentra en la región de dos fases α+β\alpha + \beta. Para determinar las composiciones de cada fase, trazamos una línea de reparto (isotérmica) a 100C100 ^\circ\text{C}.

c) Describa el proceso de enfriamiento desde 300C300 ^\circ\text{C} hasta 180C180 ^\circ\text{C} para una aleación con un 61,9%61,9\% de Sn.

La aleación con 61,9%61,9\% de Sn corresponde a la composición eutéctica del sistema Pb-Sn. El proceso de enfriamiento se describe por tramos de temperatura:1. Desde 300C300 ^\circ\text{C} hasta 183C183 ^\circ\text{C} (temperatura eutéctica): A 300C300 ^\circ\text{C}, la aleación se encuentra completamente en estado líquido (región 'Líquido'). Durante el enfriamiento hasta los 183C183 ^\circ\text{C}, la aleación permanece totalmente en estado líquido, ya que la línea de liquidus para esta composición es la temperatura eutéctica misma.2. En 183C183 ^\circ\text{C} (temperatura eutéctica): * Se produce la reacción eutéctica. El líquido solidifica isotérmicamente, transformándose completamente en una microestructura sólida compuesta por una mezcla de fases α\alpha y β\beta. Esta microestructura eutéctica es una combinación finamente dispersa de ambas fases.3. Desde 183C183 ^\circ\text{C} hasta 180C180 ^\circ\text{C}: * La aleación se encuentra completamente en estado sólido, formada por la microestructura eutéctica α+β\alpha + \beta. Durante este rango de temperaturas, se produce un enfriamiento del sólido sin cambios de fase adicionales.

d) Sabiendo que la aleación con un 61,9%61,9\% de Sn se puede utilizar para fabricar piezas mediante moldeo, explique tres ventajas y tres inconvenientes de obtener una pieza mediante fabricación aditiva en lugar de mediante moldeo convencional.

La fabricación aditiva (impresión 3D) ofrece una alternativa al moldeo convencional. A continuación, se detallan tres ventajas y tres inconvenientes de la fabricación aditiva en comparación con el moldeo:Ventajas de la fabricación aditiva: 1. Libertad de diseño y complejidad geométrica: Permite la creación de piezas con geometrías internas complejas, estructuras ligeras y diseños optimizados que serían imposibles o muy costosos de lograr mediante moldeo, ya que no requiere herramientas ni moldes específicos.2. Personalización y prototipado rápido: Facilita la producción de piezas únicas, series cortas o prototipos funcionales de manera rápida y eficiente. Esto reduce el tiempo de desarrollo y los costes asociados a la fabricación de moldes para cada iteración o diseño personalizado.3. Reducción de residuos de material: Al construir la pieza capa a capa, la fabricación aditiva es un proceso de adición de material que minimiza el desperdicio. Se utiliza solo el material necesario, a diferencia del moldeo donde se generan residuos en bebederos, mazarotas o rebabas.Inconvenientes de la fabricación aditiva: 1. Menor velocidad de producción para grandes volúmenes: Para la fabricación en masa, el moldeo convencional es significativamente más rápido y rentable, ya que puede producir grandes cantidades de piezas idénticas en ciclos cortos. La fabricación aditiva es más lenta y su rentabilidad disminuye con el volumen.2. Coste inicial de equipos y materiales específicos: Los sistemas de fabricación aditiva de calidad industrial tienen un coste de adquisición elevado. Además, los materiales en formato de polvo, filamento o resina, específicos para estos procesos, suelen ser más caros que los materiales en bruto utilizados en moldeo.3. Limitaciones en las propiedades mecánicas y acabado superficial: Las piezas aditivas pueden presentar anisotropía en sus propiedades mecánicas (debido a la dirección de construcción por capas) y un acabado superficial rugoso que a menudo requiere procesos de post-procesado adicionales (lijado, pulido). El moldeo, en general, ofrece propiedades más isotrópicas y acabados superficiales superiores directamente de molde.