Soldadura de estaño suave – Densidad – Resistencia – Dureza – Punto de fusión

Acerca de la soldadura de estaño suave

El estaño es un metal de post-transición en el grupo 14 de la tabla periódica. Se obtiene principalmente del mineral casiterita, que contiene dióxido de estaño. La primera aleación utilizada a gran escala fue el bronce , hecho de estaño y cobre, desde 3000 a. C. El estaño es uno de los primeros metales conocidos por los seres humanos, no es tóxico, es blando y maleable, y es adecuado para la laminación en frío. El estaño resiste la corrosión, lo que lo convierte en un recubrimiento ideal para otros metales. El estaño tiene un bajo coeficiente de fricción y la adición de elementos de aleación como cobre, antimonio, bismuto, cadmio y plata aumentan su dureza. El estaño se ha utilizado durante mucho tiempo en aleaciones con plomo como soldadura. El estaño en sí tiene un punto de fusión muy bajo , el estaño aleado con plomo forma una mezcla eutécticaen la proporción en peso de 61,9% de estaño y 38,1% de plomo con una temperatura de fusión de 183 ° C (361,4 ° F). Tales soldaduras se utilizan principalmente para unir tuberías o circuitos eléctricos.

La soldadura es una técnica para unir metales utilizando una aleación de metal de relleno que tiene una temperatura de fusión inferior a aproximadamente 425 ° C (800 ° F). Debido a esta temperatura más baja y a las diferentes aleaciones que se utilizan como cargas, la reacción metalúrgica entre la carga y la pieza de trabajo es mínima, lo que da como resultado una unión más débil. En el montaje de componentes electrónicos, la aleación eutéctica con 63% de estaño y 37% de plomo (o 60/40, que es casi idéntico en punto de fusión) ha sido la aleación elegida. Esta aleación eutéctica tiene un punto de fusión más bajo que los del estaño o el plomo.

El estaño es un componente importante en las soldaduras porque humedece y se adhiere a muchos metales básicos comunes a temperaturas considerablemente por debajo de sus puntos de fusión. Se agregan pequeñas cantidades de varios metales, en particular antimonio y plata, a las soldaduras de estaño-plomo para aumentar su resistencia. La soldadura 60-40 proporciona uniones fuertes y confiables en una variedad de condiciones ambientales. También hay soldaduras con alto contenido de estaño, que se utilizan para unir partes de aparatos eléctricos porque su conductividad eléctrica es más alta que la de las soldaduras con alto contenido de plomo. Estas soldaduras también se utilizan cuando el plomo puede ser un peligro, por ejemplo, en contacto con agua potable o alimentos.

Resumen

Nombre	Soldadura de estaño suave
Fase en STP	sólido
Densidad	8600 kg / m3
Resistencia a la tracción	56 MPa
Límite de elastacidad	N / A
Módulo de Young	30 GPa
Dureza Brinell	16 BHN
Punto de fusion	183 ° C
Conductividad térmica	50 W / mK
Capacidad calorífica	167 J / g K
Precio	70 $ / kg

Densidad de la soldadura de estaño suave

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad de la soldadura blanda de estaño es de 8600 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de soldadura blanda de estaño, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,488 m .

Propiedades mecánicas de la soldadura de estaño suave

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia de la soldadura de estaño suave

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción de la soldadura blanda: la soldadura de 60-40 depende en gran medida de la temperatura, pero para 19 ° C es de aproximadamente 56 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

Módulo de Young de la soldadura blanda: la soldadura 60-40 es de aproximadamente 30 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta un esfuerzo limitante, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke , la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young.. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de la soldadura de estaño suave

Dureza Brinell de soldadura blanda – soldadura 60-40 aproximadamente 16 HB.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 ° ) y una carga mayor de 150 kg.

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de soldadura blanda de estaño. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción de este material, que es: UTS = 56 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 56 x 10 ⁶ x 0,0001 = 5600 N

Propiedades térmicas de la soldadura de estaño suave

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor . A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente .

La capacidad calorífica , la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de la soldadura blanda: soldadura 60-40

Punto de fusión de la soldadura blanda: la soldadura 60-40 es de alrededor de 183 ° C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de la soldadura blanda – Soldadura 60-40

La conductividad térmica de la soldadura blanda – soldadura 60-40 es 50 W / (mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo que también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Soldadura de Estaño Suave con una conductividad térmica  de k ₁ = 50 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor total  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 50 + 1/30) = 7,33 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,33 [W / m ² K] x 30 [K] = 220,05 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 220,05 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6601,47 W