Scarica Eserciziario Diffusione - Tecnologia dei materiali e più Esercizi in PDF di Tecnologia Dei Materiali Metallici solo su Docsity! Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Anno Accademico: 2015/2016 Tecnologia generale dei Materiali - Corso B Esercitazione n. 2 Pagina 1 di 4 Diffusione Tipo di flusso Legge Schema Stazionario I legge di Fick )( )( 12 12 xx CC DJ x C C o n c e n tr a z io n e , A to m i/ m 3 g /m 3 Distanza, m X 2 X 1 C 1 C 2 Atomo A Atomo B Non Stazionario II legge di Fick ) 2 ( )( )( 0 tD x erf CC CC s xs C o n c e n tr a z io n e , % a to m ic a % p e s o Distanza, m C s C 0 Tempo = 0 C o n c e n tr a z io n e , % a to m ic a % p e s o Distanza, m X C s C 0 C x Tempo = t Coefficiente di Diffusione: )exp(0 TR Q DD d ; R=8.31 J/mole K; T temperature in K Specie Diffondente Metallo ospitante Costante di Diffusione D0 [m 2 /s] Energia di Attivazione Qd Intervallo di temperature [°C] [kJ/mole] [eV/atom] Min Max Fe -Fe (CCC) 2.8x10 -4 251 2.6 500 900 Fe -Fe (CFC) 5.0x10 -5 284 2.94 900 1100 C -Fe (CCC) 6.2x10 -7 80 0.83 500 900 C -Fe (CFC) 2.3x10 -5 148 1.53 900 1200 Cu i 2.7x10 -5 256 2.65 500 1000 Cu l 6.5x10 -5 136 1.41 400 600 Tabella Funzione Errore z erf(z) z erf(z) z erf(z) z erf(z) z erf(z) z erf(z) 0.0 0.0 0.25 0.2763 0.55 0.5633 0.85 0.7707 1.30 0.9340 1.90 0.9928 0.025 0.0282 0.30 0.3286 0.60 0.6039 0.90 0.7970 1.40 0.9523 2.00 0.9953 0.05 0.0564 0.35 0.3794 0.65 0.6420 0.95 0.8209 1.50 0.9661 2.20 0.9981 0.10 0.1125 0.40 0.4284 0.70 0.6778 1.00 0.8427 1.60 0.9763 2.40 0.9993 0.15 0.1680 0.45 0.4755 0.75 0.7112 1.10 0.8802 1.70 0.9838 2.60 0.9998 0.20 0.2227 0.50 0.5205 0.80 0.7421 1.20 0.9103 1.80 0.9891 2.80 0.9999 Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Anno Accademico: 2015/2016 Tecnologia generale dei Materiali - Corso B Esercitazione n. 2 Pagina 2 di 4 1. Le diffusività (o coefficienti di diffusione) dell’argento nel rame sono 5.5x10-16 m2/s e 5.5x10-13 m 2 /s rispettivamente alle temperature di 620 °C e 900 °C. Determinare i valori della costante di diffusione D0 e dell’energia di attivazione della diffusione Qd. Calcolare inoltre la diffusività dell’argento nel rame a 875 °C. (D0=2.03x10 -3 m 2 /s; Qd=214748 J/mole; D(875°C)=3.40x10 -13 m 2 /s) 2. Calcolare la massa di idrogeno che passa per ora a 500 °C attraverso una lamina di palladio di 5 mm di spessore e 0.2 m 2 di superficie. Assumere una diffusività dell’idrogeno nel palladio di 1x10 -8 m 2 /s, che le concentrazioni di idrogeno ad alta e bassa pressione sono rispettivamente 2.4 e 0.6 chilogrammi di idrogeno per m 3 di palladio e che si possono ritenere valide le condizioni di flusso stazionario. (2.592x10 -3 kg/h) 3. Il flusso stazionario di un elemento attraverso una piastra metallica è di 5.4x10-10 kg/(m2 s) ad una temperatura di 727 °C e quando il gradiente di concentrazione è di –350 kg/m 4 . Calcolare il flusso a 1027 °C per lo stesso gradiente di concentrazione ed assumendo un energia di attivazione per la diffusione di 125 J/mole. (J=5.419x10 -10 kg/(m 2 s)) 4. Le superfici inferiori e superiore di una piastra di acciaio di 15 mm di spessore sono mantenute ad una concentrazione di carbonio costante e pari a 0.65 e 0.30 chilogrammi di carbonio per m 3 di ferro. Se la costante di diffusione Do e l’energia di attivazione sono rispettivamente 6.2x10 -7 m 2 /s e 80 kJ/mole, calcolare la temperatura in cui il flusso di atomi di carbonio è di 1.43x10 -9 kg/(m 2 s). (771 °C) 5. Calcolare la diffusività del rame nell’alluminio a 500 °C ed il tempo necessario per produrre a 600 °C, gli stessi risultati della diffusione (in termini di concentrazione in un certo punto) realizzata a 500 °C per 10 ore (D0 e Qd da tabelle). (D=4.15x10 -14 m 2 /s; t=0.885 h) 6. A che temperatura si dovrebbe carbo-cementare per 2 ore un provino di acciaio allo stato CFC, per produrre gli stessi risultati di diffusione del caso del trattamento a 900 °C per 15 ore. (T=1079 °C) 7. Per un acciaio è stato determinato che un trattamento di carburazione della durata di 10 ore incrementa la concentrazione di carbonio dello 0.45% in peso nella posizione a 2.5 mm dalla superficie. Calcolare il tempo necessario per ottenere alla stessa temperatura di trattamento, la stessa concentrazione di carbonio a 5 mm dalla superficie. (t=40 h) 8. Calcolare il tempo di cementazione necessario per ottenere una concentrazione di carbonio dello 0.45% in peso a 2 mm dalla superficie di un acciaio che ha una concentrazione di carbonio iniziale pari allo 0.2% in peso. La concentrazione di carbonio superficiale è mantenuta allo 1.3% in peso ed il trattamento è realizzato a 1000 °C in cui il materiale ha una struttura CFC. (t=19.73 h) 9. Un acciaio contenetene lo 0.35% in peso di carbonio è esposto a 1127°C ad una atmosfera ricca di ossigeno e teoricamente priva di carbonio. A quella temperatura il materiale ha una struttura CFC. Il carbonio diffonde dalla lega e reagisce sulla superficie con l’ossigeno, garantendo una concentrazione superficiale nulla (0.0 % in peso di carbonio, processo di decarburazione). A che posizione la concentrazione di carbonio sarà dello 0.15% in peso dopo 10 ore di trattamento, ipotizzando che la diffusività a 1127°C sia di 6.9x10 -11 m 2 /s. (x=1.26mm) 10. Una ruota dentata in acciaio con lo 0.2% in peso di carbonio è sottoposta ad un processo di cementazione che garantisce sulla superficie una concentrazione di carbonio superficiale costante e pari a 1.00% in peso. Le condizioni di progetto richiedono una concentrazione di carbonio dello 0.6% in peso a 0.75 mm dalla superficie. Progettare il trattamento termochimico di diffusione in termini di temperatura e tempo, per temperature comprese tra 900°C e 1050°C. (Coppie [Temperatura °C – tempo h]: [900, 29.30]; [950, 15.70]; [1000, 8.90]; [1050, 5.24])