CAPITULO 3. DIFUSION DE METALES

Difusión. Mecanismo por el cual la materia es transportada a través de la materia. Simplemente movimiento de átomos.

En gases: rápida (gases y olores)En líquidos: más lenta (tinta en agua)En sólidos: las vibraciones térmicas permiten el movimiento

En sólidos la difusión permite las reacciones en estado sólido: precipitación de una segunda fase(TT), crecimiento de nuevos granos en la recristalización de metales trabajados en frío, manufactura de cerámicos y cambios alotrópicos.

Los mecanismos de difusión pueden ser:Mecanismos de vacancias o sustitucional. Los átomos se mueven en la red cristalina desde una posición a otra, si hay suficiente energía de activación (vibración térmica y vacancias)

Mecanismo intersticial. Los átomos se trasladan de un intersticio a otro, sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina (el tamaño de los átomos que se difunden debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz)

Energía de activación para la difusión

Los átomos se mueven de manera ordenada, tendiendo a eliminar las diferencias de concentración y producir una composición homogenea en el material.

El átomo esta originalmente en un sitio de baja energía, relativamente estable. Para desplazarse a otro lugar, el átomo de atravesar una barrera de energía potencial que requiere una energía de activación Q. El calor proporciona al átomo la energía para vencer esta barrera.

La energía de activación es menor en la difusión intersticial que en la difusión por vacantes (o sustitucional).

Difusión en estado estacionarioCuando con el tiempo no existen cambios en la concentración de átomos en estos planos.

Leyes que rigen el proceso de la difusión

La primera ley de Fick determina el flujo neto de átomos J.Cuando se incrementa la temperatura de un material, el coeficiente de difusión y el flujo neto de átomos se incrementan.

El coeficiente de difusión D depende:

a. Tipo de mecanismo de difusión (Intersticial o sustitucional)b. Temperaturac. Estructura cristalina del disolvente (factor de

empaquetamiento).d. Tipo de imperfecciones en la red cristalina (bordes de grano y vacantes)e. Concentración de la especie que se difunde.

La siguiente tabla presenta la relación de algunas energías de activación para la autodifusión en metales puros.

Difusión en estado no estacionario. La concentración del soluto varia de un punto a otro del material con el tiempo.

Cs = Concentración superficial del elemento que se difundeCo = Concentración inicial en el sólidoCx = Concentración del elemento a una distancia x de la superficie en un tiempo tx = distancia desde la superficieD = Difusividad del elemento que se difundet = Tiempo

La segunda ley de Fick, describe la difusión dinámica o no estable de los átomos .

Permite calcular la concentración de muestras cercanas a la superficie del material como una función del tiempo y la distancia, siempre y cuando el coeficiente de difusión D permanezca constante y las concentraciones de átomos difundidos en la superficie Cs y Co permanezca sin cambios.

Tabla de la función error

x erf x x erf x x erf x x erf x

0 0 0,40 0,4284 0,85 0,7707 1,6 0,9763

0,025 0,0282 0,45 0,4755 0,90 0,7970 1,7 0,9838

0,05 0,0564 0,50 0,5205 0,95 0,8209 1,8 0,9891

0,10 0,1125 0,55 0,5633 1,0 0,8427 1,9 0,9928

0,15 0,1680 0,60 0,6039 1,1 0,8802 2,0 0,9953

0,20 0,2227 0,65 0,6420 1,2 0,9103 2,2 0,9981

0,25 0,2763 0,70 0,6778 1,3 0,9340 2,4 0,9993

0,30 0,3286 0,75 0,7112 1,4 0,9523 2,6 0,9998

0,35 0,3794 0,80 0,7421 1,5 0,9661 2,8 0,9999

Capas de difusión después de 1, 4, 15 y 28 horas

APLICACIONES INDUSTRIALES

a. Endurecimiento del acero por cementación gaseosab. Difusión de impurezas en obleas de silicio.cc.

Otras aplicaciones: Soldadura por difusión y sinterizado en metalurgia de polvos