Fisca Quimica Faculktad, Apuntes de Física Médica

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CIENCIA DE MATERIALES I

MOVIMIENTOS DE ÁTOMOS

Y DE IONES EN LOS

MATERIALES

Introducción

• “Los átomos y los iones tienen una tendencia a

moverse de manera predecible (de mayor a menor

potencial) para eliminar las diferencias en las

concentraciones y producir composiciones

homogéneas que hacen al material más estable de

manera termodinámica”. Askeland, Donald. Ciencia e Ingeniería de materiales. 6 ta edición.

• Los átomos y los iones suelen difundirse o moverse

dentro de un material, con lo cual se minimizan las

diferencias en sus concentraciones.

• El objetivo en esta unidad será: estudiar los principios y

las aplicaciones de la difusión en los materiales.

APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN

• Muchos procesos tecnológicos actuales dependen del incremento o limitación de la difusión.
• La difusión es un proceso muy importante y crucial en: el tratamiento térmico de metales, la solidificación de materiales, la fabricación de transistores (con dopantes), de celdas solares, en la conductividad eléctrica de cerámicos, entre otros.
• Por tanto, al comprender el mecanismo de transferencia de masa que se realiza mediante la difusión, podremos manipular o diseñar técnicas de procesamiento de materiales que mejoren las propiedades de los materiales, así como mejorar procesos de manufactura.

APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN

La difusión es importante para el procesamiento de los materiales. Algunos ejemplos de procesos donde la difusión juega un papel protagónico son los siguientes: → El crecimiento de los granos en los metales depende de la difusión. → El estado de equilibrio teórico de un metal consiste en estar formado por un sólo cristal. → Por la forma cómo funciona el proceso de solidificación, los metales poseen muchos cristales o granos. → Las fronteras de los granos incrementan la energía guardada en el material, por tanto, el material busca reducir esa energía haciendo que sus granos crezcan tratando que las fronteras entre ellos desaparezcan o se reduzcan. → Se requiere una temperatura mínima para que exista el proceso de difusión, por tanto, si el metal no está a una temperatura suficientemente alta, la estructura del metal no puede cambiar ya que los átomos no tienen movilidad. Sin embargo, si se calienta el metal a una temperatura adecuada, sus granos comienzan a crecer buscando formar un solo cristal. → A consecuencia del crecimiento de los granos, la resistencia del material disminuye.

APLICACIONES DE LA DIFUSIÓN

• Metalurgia de polvos. Proceso de fabricación mediante el cual se fabrica una pieza sólida a partir de materia prima que se encuentra en polvo. El polvo se compacta y luego se calienta, dejando que la difusión se encargue de unir las partículas formando al sólido. Este proceso es conocido como sinterizado.

MECANISMO DE DIFUSIÓN EN ESTADO SÓLIDO

• Los materiales están formados por átomos, iones, electrones, etc. Para explicar el mecanismo del proceso de difusión, consideraremos inicialmente los átomos.
• Sabemos que en los materiales, los átomos se encuentran agrupados formando un conjunto que puede estar ordenado en una estructura cristalina.
• Debemos añadir el hecho de que los átomos que forman al material no están estáticos, sino que vibran y pueden desplazarse en la estructura del material.

• En un material, los átomos vibran alrededor de su posición de equilibrio. En la analogía de los depósitos, esto es equivalente a agitar el depósito con los átomos. Estos comenzarán a oscilar hacia arriba y abajo en su respectivo depósito, desplazándose una distancia igual en ambas direcciones de su posición de equilibrio.
• Para poder oscilar, los átomos necesitan tener energía.
• En los materiales la energía requerida para causar la oscilación es proporcional a la temperatura absoluta del material. Cuando la temperatura es 0 K, no existe ninguna vibración y por tanto los átomos están en reposo en su posición de equilibrio. A medida que la temperatura aumenta, la vibración de los átomos aumenta.
• Algunos átomos pueden llegar a vibrar más violentamente que otros, dando lugar a temperaturas no uniformes en partes localizadas del material.

• Cuando en un material existen vacancias y además ocurre que alguno de los átomos en las cercanías de la vacancia vibra más que el resto, puede suceder que el átomo se mueva al punto de red vacante.
• En el modelo de depósitos y esferas, esto es equivalente a que una de las esferas del depósito se mueva bruscamente y se pase al depósito contiguo. A este movimiento de los átomos en la estructura del material se le llama difusión por vacancias.

Los átomos tienen guardada cierta cantidad de energía, la cual los mantiene oscilando alrededor de su posición de equilibrio. Cuando los átomos intentan moverse, se topan con una barrera energética que intenta obligarlos a quedarse en su posición de equilibrio. La energía de activación es la energía que el átomo necesita recibir para vencer esa barrera y dejar su posición inicial para llegar hasta la posición final, la cual puede ser una vacancia (difusión por vacancia) cercana o un sitio intersticial (difusión intersticial). Energía de activación

TIPOS DE DIFUSIÓN

Básicamente hay 2 tipos:  Difusión intersticial. Los átomos se mueven saltando hacia los espacios intersticiales cercanos.  Difusión por vacancia. Los átomos se mueven saltando hacia las vacancias cercanas. Los átomos intersticiales requieren de menos energía para moverse entre los intersticios que los átomos que se mueven por vacancias. Por esa razón, la energía de activación para la difusión intersticial es menor que la energía de activación para la difusión por vacancias.

MECANISMOS DE DIFUSIÓN

DIFUSIÓN INTERSTICIAL DIFUSIÓN POR VACANCIAS

• Para estimar la rapidez del movimiento de los átomos en la difusión, se necesita introducir un nuevo término: flujo.
• En la difusión, el flujo es el número de átomos que pasan por una superficie imaginaria de área unitaria en la unidad de tiempo. Flujo de átomos en un material

Leyes de Fick

• Fick (médico y fisiólogo alemán Adolf Fick) modeló el flujo de átomos en un material por medio de la siguiente ecuación: Donde: J = Flujo de átomos á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑐𝑚^2 ∙ 𝑠 . D = Coeficiente de difusión o también difusividad 𝑐𝑚 2 𝑠 . ΔC/ΔX = Gradiente de concentración á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑐𝑚^3 ∙ 𝑐𝑚 .
• El valor del coeficiente de difusión depende de la temperatura según la ecuación de Arrhenius. D 0 es una constante para un sistema de difusión dado. Al incrementar la temperatura, el coeficiente de difusión aumenta, incrementándose el flujo de átomos.