UNIDAD 5 DIFUSION ciencia de los materiales

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30/03/2016
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UNIDAD 5
DIFUSIÓN
DIFUSIÓN
• Objetivo: Explicar los diferentes fenómenos
relacionados con la difusión en materiales.
• Difusión: mecanismo por el que la materia se
transporta a través de la materia.
• El movimiento de los átomos es necesario para muchos
de los tratamientos llevados a cabo sobre los
materiales.
• Tratamiento térmico de metales
• Manufactura de cerámicos
• Solidificación de los metales
• Fabricación de celdas solares, etc
MOVIMIENTO DE LOS ÁTOMOS EN LOS 
MATERIALES: DIFUSIÓN
Difusión: mecanismo por el cual la materia se transporta a través de
la materia
• En una disolución, las partículas de líquido chocan y empujan al
sólido en todas direcciones
• Los sólidos, como el permanganato de potasio, se difunden
debido al movimiento de las partículas de agua, que chocan y
empujan a las partículas del sólido en todas direcciones.
Difusión de permanganato de 
potasio en agua
Mecanismos de 
difusión:
- Autodifusión
- Difusión por vacancias
- Difusión intersticial
(a y b) Difusión por vacancias en cristales FCC
(c) Difusión intersticial en la red FCC
Mecanismos de difusión en 
los materiales. 
(A) Difusión por vacancia o 
por sustitución de 
átomos
(B) Difusión intersticial
(C)Difusión intersticial 
desajustada
(D)Difusión por intercambio y 
anillo.
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Autodifusión
En los materiales puros, los
átomos se mueven o saltan
de una posición a otra en la
red (se detecta mediante
trazadores radioactivos).
La autodifusión ocurre de
manera continua en todos los
materiales
No se aprecia su efecto sobre
el comportamiento del
material
Difusión por vacancias
Mecanismo de difusión que
implica el cambio de un átomo
desde una posición reticular
normal a uno vacante
Proceso necesita
presencia de vacantes y la
posibilidad de difusión es
función del numero de
defectos que existan (T º)
El movimiento de los
átomos van en sentido
opuesto al de las
vacantes
Difusión de átomos 
de cobre en níquel
DIFUSIÓN INTERSTICIAL
 Mecanismo de difusión que implica átomos que van desde
una posición intersticial a otra vecina desocupada.
El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos (C,H,N
y O) que tiene átomos pequeños.
Los solutos sustitucionales raramente ocupan posiciones
intersticiales y no difunden por este mecanismo.
• Energía de activación para la difusión:
 Un átomo que se difunde debe moverse entre los átomos
circundantes para ocupar su nueva posición.
 El átomo debe atravesar una barrera de energía potencial
que requiere una energía de activación Q. El calor
proporciona al átomo la energía para vencer esta barrera.
 Normalmente se necesita menos energía para forzar un
átomo intersticial a que pase entre los átomos
circundantes; en consecuencia, la energía de activación es
menor en la difusión intersticial que en la difusión por
vacancias
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Los átomos son forzados o deformados al pasar entre otros
átomos durante la difusión. Se requiere de una energía de
activación para este proceso.
LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN Y EL MECANISMO DE 
DIFUSIÓN:
La energía de activación es usualmente menor en átomos que
difunden a través de estructuras cristalinas abiertas, en
comparación con átomos que difunden en estructuras
cristalinas compactas.
La energía de activación es menor para la difusión de átomos
en los materiales que tienen bajas temperaturas de fusión
La energía de activación es menor para átomos sustitucionales
pequeños comparados con átomos de mayor tamaño.
ECUACIÓN DE FLUJO
Adolf Fick (1829-1901): Médico alemán que en 1855
derivó la ley de difusión , que se refiere a la difusión y
osmosis de un gas a través de una membrana.
dZ
dCDJ 111 
Los átomos se mueven de manera ordenada, tendiendo a eliminar
las diferencias de concentración y producir una composición
homogénea en el material.
Ilustración gradiente
de concentración
ECUACIÓN DE FLUJO (PRIMERA LEY DE FICK)
La velocidad a la cual los átomos se difunden en un material se mide
por la densidad de flujo (J), la cual se define como el número de
átomos que pasa a través de un plano de área unitaria por unidad de
tiempo.
J es negativa porque la dirección de movimiento de átomos es de 
alta hacia baja concentración
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Empíricamente se ha encontrado que D varía
exponencialmente con la temperatura
TR
QexpDD 0


Donde:
Q : energía de activación (cal/mol)
R : constante del gas ideal (1.987 cal/mol • K)
T : temperatura absoluta (K).
Do : constante para un sistema de difusión dado.
Tipo de mecanismo de difusión; intersticial (C en 
Fe) o sustitucional (Cu el Al)
Temperatura
Estructura cristalina del disolvente; C en Fe BCC 
o FCC (factor de empaquetamiento 0,68 o 0,74)
Tipo de defectos cristalinos (bordes de grano, 
vacancias)
Concentración de las especies que difunden
D
Coeficiente de 
difusión D en 
función de la inversa 
de la temperatura 
de diversos metales
ECUACIÓN DE FLUJO ESTADO ESTACIONARIO
De esta forma, el gradiente en estado estacionario
puede ser aproximado:
El caso más simple de difusión que se puede analizar,
es en el cual la concentración de cada punto no cambia
con el tiempo, por ejemplo la difusión de un gas a través
de la pared de un cañería.
dXdCiónConcentracdeGradiente /
BBA XXCCdXdC A //
APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS 
PROCESOS DE DIFUSIÓN
Ej. Endurecimiento del acero 
por gas carburizante.
Objetivo: superficie dura, 
interior resistente
Material base: acero 0,10 –
0,25 % de C
Atmosfera: CH4 ó 
hidrocarburos gaseosos
Temperatura 927 ºC
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DIFUSIÓN EN ESTADO NO ESTACIONARIO
Para tratar casos mas generales, donde un estado estacionario no es
alcanzado, una nueva ecuación se necesita, la cual describa como la
concentración varía con la posición y el tiempo .
Segunda Ley de Fick
En muchos fenómenos 
estudiados, la difusión
ocurre en régimen 
transitorio.
En este caso, tanto el 
flujo como la 
concentración varían 
con el tiempo
Soluciones para la segunda ley de FicK
Sistema infinitos: cementación
CS : concentración superficial del elemento
del gas que difunde en la superficie.
uniforme
Co : concentración inicial 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.
t : tiempo.
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1st Qtr
2nd Qtr
3rd Qtr
4th Qtr
South
North
West
East