Mecanismos de difusión en materiales metálicos, Esquemas y mapas conceptuales de Ciencia de materiales

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESIME AZCAPOTZALCO

DIFUSIÓN DE METALES

OBJETIVO

El objetivo de este trabajo es entender, enumerar y profundizar en los diferentes mecanismos de difusión en materiales metálicos. INTRODUCCION ¿Qué es la difusión? La gran parte de los procesos y reacciones más importantes del tratamiento de materiales se basan en la transferencia de masa. La difusión se puede definir como el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de ella misma en un fenómeno de transporte por movimiento atómico por la acción de fuerzas del tipo físico o químico. Los átomos de gases, líquidos y sólidos están siempre movimiento y se desplazan en el espacio con el transcurso del tiempo. En los sólidos, estos movimientos están restringidos, debido a los enlaces que mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio. Sin embargo, las vibraciones térmicas permiten que algunos de ellos se muevan. La difusión atómica en metales y aleaciones es particularmente importante considerando el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos. Algunos ejemplos son, la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida, y la formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la re-cristalización de un metal trabajado en frío.

 Características de los mecanismos de difusión A nivel atómico, la difusión consiste en la emigración de los átomos de un sitio a otro. En los sólidos, los átomos están en continuo movimiento y cambian rápidamente de posición. La movilidad atómica exige dos condiciones:

1. Un lugar vecino vacío
2. El átomo debe tener suficiente energía como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. La energía es de naturaleza vibratoria. A una temperatura determinada alguna pequeña fracción del número total de átomos es capaz de difundir, debido a la magnitud de su energía vibratoria. Esta fracción aumenta al aumentar la temperatura. Como hemos visto en la anterior figura.

Los átomos pueden desplazarse por el interior de la red cristalina del material si la energía de activación ( vibración térmica ) es suficiente y si existen defectos de red del tipo vacantes o intersticiales para establecer el camino de la difusión. En el caso de los metales, las vacantes siempre están presentes y dispuestas a facilitar la difusión por sustitución de los átomos, aumentado su número ( n ) a medida que se eleva la temperatura, a más temperatura más vacantes. Cómo hemos visto la difusión es un proceso térmicamente activado, ya que la velocidad del proceso aumenta de modo exponencial con la temperatura. Formula de la velocidad de difusión La energía de activación Q es la barrera energética que hay que superar para que la difusión pueda producirse. Debido a esto la difusión solo tendrá lugar cuando la activación térmica del sistema ( consecuencia de la temperatura aplicada ), supere dicha barrera.  Clasificación de los mecanismos de difusión Existen 4 mecanismos de difusión:

• Difusión por intercambio directo Este mecanismo es muy improbable, por la fuerte repulsión de corto alcance de los átomos, lo que prohíbe la ocupación de la posición intermedia donde los dos átomos deberían estar a mitad de camino. donde: D, es una constante independiente de la temperatura Q, es la energía de activación R, es la constante de los gases T, es la temperatura absoluta

El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos ( C, H, N y O ) que tienen átomos pequeños. Los solutos sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo. Esta difusión ocurre más rápidamente que la difusión por vacantes ( más movilidad)  Difusión por vacantes o sustitucional En este mecanismo los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay suficiente energía de activación proporcionada por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacancias u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacancias en metales y aleaciones son defectos en equilibrio, siempre existe una cierta cantidad de estos defectos, lo que facilita la difusión sustitucional de los átomos. A medida que aumenta la temperatura del metal, se producen más vacancias y habrá más energía térmica disponible, por tanto, la velocidad de difusión es mayor a temperaturas elevadas, como hemos visto en el apartado de las características de los mecanismos de difusión.

En la imagen anterior se ilustra el ejemplo de difusión por vacancias del cobre en un plano compacto en la estructura cristalina del mismo metal. Si un átomo cercano a la vacancia posee suficiente energía de activación, podrá moverse hacia esa posición y contribuirá a la difusión propia de los átomos de cobre en la estructura. Esa energía de activación para la autodifusión es igual a la suma de la energía de activación necesaria para formar la vacancia y la necesaria para moverla. Sus valores los podemos encontrar en la siguiente tabla. En general, al incrementarse el punto de fusión del metal, la energía de activación también aumenta debido a que son mayores las energías de enlace entre sus átomos. La difusión por vacancias también puede darse en soluciones sólidas. En este caso, la velocidad de difusión depende de las diferencias en los tamaños de los átomos y las energías de enlace.  Difusión intersticial Este mecanismo implica que los átomos van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada siempre que alcancen la energía de activación suficiente. El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos como el hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno, ya que presentan radios átomicos pequeños y son idóneos para ocupar posiciones intersticiales. Los átomos de soluto sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no se difunden por este mecanismo.

porque esto genera una mayor cantidad de vacantes, por otro lado, el aumento de difusividad en el caso del proceso intersticial se debe al aumento de la energía de los átomos, facilitando el cambio de posición. Asimismo, es más probable el proceso intersticial que el proceso por vacantes, ya que generalmente a una misma temperatura hay más espacios intersticiales vacíos en la red cristalina que espacios vacantes.  Leyes que rigen el proceso de la difusión Cuando hablamos de los mecanismos de difusión también tenemos que hablar sobre las leyes que rigen estos mecanismos. Entonces es cuando tenemos que hablar de Fick. Estas leyes fueron deducidas por Adolf Fick en 1855. Primera ley de Fick La primera ley de Fick determina el flujo neto de átomos: la velocidad de transferencia de materia de un componente en una mezcla de dos componentes 1 y 2, estará determinada por la velocidad de difusión del componente 1 y el comportamiento del componente 2. La velocidad molar de transferencia del componente 1 por unidad de área debida al movimiento molecular viene dada por: D = difusividad o coeficiente de difusión El coeficiente de difusión D depende: a) Tipo de mecanismo de difusión ( sustitucional o intersticial ) b) Temperatura c) 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 = Gradiente de concentración · Durante la difusión hay varios factores que afectan al flujo de los átomos: El gradiente de concentración muestra la forma en que la composición del material varía con la distancia. El gradiente de concentración puede crearse al poner en contacto dos materiales de composición distinta cuando un gas o un líquido entran en contacto con un material sólido.

∆c es la diferencia de concentración a lo largo de una distancia ∆x. Cuando se incrementa la temperatura de un material, el coeficiente de difusión y el flujo neto de átomos se incrementan. Segunda ley de Fick La segunda ley de Fick se utiliza en la difusión no constante es decir cuando la difusión es en estado no estacionario, en los que el coeficiente de difusión es independiente del tiempo. La difusión en régimen no permanente se aplica a muchos métodos experimentales en donde se determina el coeficiente de difusión, y en las teorías de transferencia de masa, así como en la teoría de penetración. Establece que: 𝑑𝐶 𝑑 𝑑𝐶 = 𝐷 𝑑𝑡 𝑑𝑥 𝑑𝑥 Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual al coeficiente de difusión por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. Solución de la segunda ley de Fick: 𝐶 − 𝐶𝑥 = 𝑓𝑒𝑟 𝐶 − 𝐶2√𝐷𝑡 Donde: Cs = Concentración superficial del elemento en el gas que difunde dentro de la superficie C 0 = Concentración inicial uniforme del elemento en el sólido Cx = Concentración del elemento a la distancia x de la superficie en el tiempo t x = Distancia desde la superficie D = Coeficiente de difusión del elemento soluto que difunde t = Tiempo fer = Significa la función error, es una función matemática y puede encontrarse en tablas normalizadas o en una gráfica y se usa para las soluciones de la segunda

aceros carburizados son de bajo contenido de carbono, es decir, se conforman de entre 0,10 y 0,25% de carbono. No obstante, su contenido de elementos aleantes en los aceros carburizados varía dependiendo de la aplicación que se le dará a la pieza. En la carburización con gas, la primera parte del proceso consta en introducir los componentes de acero en un horno, mientras son expuestos a gases que contienen metano (CH4) u otros hidrocarburos gaseosos a 927 °C. Por ejemplo, en un caso donde se busca carburizar con gas unos engranajes en un horno se usa una mezcla de nitrógeno-metanol como atmósfera. El carbono de dicha atmósfera se difunde a través de la pieza, comenzando por su superficie y penetrando hasta tener un cierto espesor controlado a partir del tiempo que se deja la pieza dentro de esta atmósfera. Posterior a un tratamiento térmico, estos engranajes poseen superficies endurecidas de alto contenido de carbono. Es importante recalcar que el tiempo de carburización está directamente relacionado con la penetración del contenido de carbono respecto a la superficie. Difusión de impurezas en obleas de silicio para circuitos integrados Es un proceso de difusión que se realiza con la finalidad de cambiar las características de conductividad eléctrica de los circuitos electrónicos integrados. El método aquí expuesto es aquel, en el que el disco de silicio, se expone al vapor de una impureza a una cierta temperatura (aproximadamente 1100 °C) dentro de un horno de tubo de cuarzo. Es necesario que se proteja la parte de la superficie de silicio no expuesta a la difusión, es decir, que la impureza difusora solo actúe en aquellas secciones donde se desea el cambio en la conductividad eléctrica. De manera similar al proceso de carburización, la concentración de las impurezas difundidas en la superficie disminuye conforme se aumenta la profundidad de penetración. Esto es, al cambiar el tiempo de difusión, cambiará la concentración de las impurezas respecto a la profundidad de penetración. Cabe añadir que las profundidades típicas de la difusión en obleas de silicio son del orden de pocos micrómetros, siendo que el espesor de las obleas es de varios cientos de micrómetros. Oblea de silicio con un espesor exagerado y con una concentración que disminuye desde la superficie ( cara izquierda ) hacia el interior.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

https://blogs.ugto.mx/rea/wp-content/uploads/sites/71/2022/01/Ciencia-e- Ingenieria-de-Los-Materiales-Callister-103-119.pdf https://www.ck12.org/book/ck-12-conceptos-biolog%c3%ada/section/2.12/ http://www.revistareduca.es/index.php/reduca/article/viewFile/940/ http://www.punta.unam.mx/fi_papime_pe1000720/pdfs/difusion1.pdf William F. Smith “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”. Tercera Edición. Ed. Mc-Graw Hill James F. Shackerlford “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”. Cuarta edición. Ed. Prentice Hall (1998)