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CIENCIAS DE LOS MATERIALES
INGENIERIA CIVIL MECANICA
Profesor JOSÉ LUIS VALIN RIVERA
E-mail: jose.valin@pucv.cl
Escuelade Ingeniería Mecánica
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Chile, 2017
ConferenciaNo 2.
Difusión. Leyes que la rigen. Factores influyentes.
Objetivos
Conocer fenómenosqueen estos ocurren como sonla
solidificación yla difusión.
Bibliografía
Callister, pp 66-111
Smith, pp 76-112
Palabras claves
 Intersticial (Insterstitial)
 Gradiente de concentración (Concentration gradient)
 Perfil de concentración (Concentration profile)
 Flujo (Flux)
 Vacancia (Vacancy)
Solidificación
 Proceso desdeel estado fundido (líquido) aun
estado sólido.Es un importante proceso industrial
ya que muchos metalesse funden para moldearlos
hasta darlesunaformaacabadao semiacabada.
Etapas de la Solidificación
NUCLEACIÓN ⇒ Formación de núcleos/semillas
(partículas sólidas) establesen elfundido.
CRECIMIENTO ⇒ hastala formaciónde cristales y
la formaciónde unaestructura granular.
Mecanismos de Nucleación
Nucleación Homogénea
• Cuandosejuntan varios átomos y formanun núcleo
completamente rodeadodelíquido
Nucleación Heterogénea
• Cuandoel núcleose forma sobre impurezasen las
paredes que contienen líquido.El núcleo no se
encuentra totalmente rodeadodelíquido.
Normalmente los procesos de 
solidificación reales comienzan debido a 
una nucleación heterogénea.
La nucleación homogénea raras veces se 
da en la vida real.
• Cuandoel material es puro, es decir cuando está
formado por átomosde la misma naturaleza
química, todos los granos queseforman durantela
solidificación poseenla misma estructura cristalina.
• Cuando el material posee impurezas (átomosde
diferente naturaleza química), pueden formarse
granoscondiferente estructura cristalina.
La microestructuradel material no es más queel
conjunto de granos (ya sean iguales o diferentes)
observadospormediode unmicroscopio óptico.
• En la microestructuradel material,al conjuntode
granos que poseenla misma estructura cristalina y
las mismas propiedadessele llama fase.
• En la microestructura mostrada,el material está
formadopor dosfases:la fase clara yla fase oscura.
• Cada fase está formadapormuchos granos.
• Todos los granosque pertenecen ala misma fase
tienen la misma estructura cristalina y las mismas
propiedades.
• En estado sólido,un material puede poseer varias
fases sólidas.
• La combinación de estas fases define las
propiedadesdelmaterial.
Materiales Sólidos
Policristalinos
Estructura Granular
Granos ordenados atómicamente“in situ”
Diferente orientación entre granos 
“Límite de grano”
En muchos puntos de 
nucleación y límites de grano.
Metales y aleaciones con
aplicacionesenIngeniería.
Grano fino
Grano Grueso
En pocos puntos de nucleación
Peores propiedades
mecánicas
DIFUSIÓN
El desplazamientode los átomos en el cuerpo
cristalino a distancias que superan las medidas
interatómicasdela sustanciadada.
La difusión de átomos en metales y aleacioneses
particularmente importante,ya que la mayor partede
reaccionesen estado sólido involucran movimientos
atómicos.
DIFUSIÓN
EJEMPLOS PRÁCTICOS DE PROCESOS 
BASADOS EN LA DIFUSIÓN
• Las transformaciones de fase en el estado sólido. 
• Cementación y nitruraciónde los aceros para
endurecimiento superficial.
• Otros tratamientos térmicos como recristalización,
alivio detensiones, normalización.
• Sinterizado.
• Algunos procesosdesoldadura.
Mecanismos de Difusión
DIFUSIÓN: movimientode átomode un sitio de la
red a otro.
¿ocurrirá siempre y cuando:
 Posición reticular próxima vacía.
 Átomo debe tener suficiente“Energía
vibratoria” como para romper enlaces
con sus átomos vecinos y distorsionar
la red duranteel desplazamiento.
Mecanismos de difusión
Difusión por vacancias
 Intercambiode un átomode una posición reticular
normal a una vacancia o lugar reticular vecino
vacío.
La tasa depende de:
• número de vacancias
• la energía de activación para el intercambio
Difusión intersticial
 Átomos que van desdeuna posición intersticial a
otra vecina desocupada.
• Tiene lugar por interdifusiónde solutos que tiene
átomospequeños(comoH, C, N, O) .
Posición del 
átomo 
intersticial 
antes de la 
difusión
Posición del 
átomo 
intersticial 
después de 
la difusión
La difusión por intersticios es más rápida.
• Mayor cantidad de sitios intersticiales.
• Mayor movilidad de los átomos.
En ambos casos deben cumplirse las siguientes
condiciones.
 Espacio vacío hacia donde saltar (vacancia o
intersticio vacío).
 Energía suficiente para romper enlaces y
distorsionarla red, llegando ala nuevaposición.
 Variando la temperatura se incrementa el
movimiento del átomo, aumentandola energía
térmicadelsistema.
 Temperatura.
Qué eslo que se necesita cuantificar cuando
hablamosde difusión?
Leyes de Difusión o Leyes de Fick
Difusión en estado estacionario: 1ª Ley de Fick
D = Difusividad o coeficiente de difusión (m2/s)
C: masade la sustancia onº de átomos por unidadde volumen del sólido (Kg/m3)
(atm/m3).
El signo negativo indicaque la dirección de difusión es contraria al gradientede
concentración (desde elevada concentración a baja concentración).
Difusión en estado estacionario: 2ª Ley de Fick
Mayoría materiales ⇒ difusión Estado NO
Estacionario⇒ la concentracióndeátomosdesoluto
enun puntodel material cambia conel tiempo⇒ flujo
dedifusión yel gradientedeconcentracióndeátomos
cambiancon eltiempo.
Ejemplo: difusión de un gas (cuya concentración
superficialseconsidera constante);enel interior deun
sólido ( difusióndecarbonoenun acero, saturaciónde
unmetalcongases atmosféricos, etc…)
VELOCIDAD DE DIFUSIÓN
ECUACIÓN DE ARRHENIUS
V = c (e -Q/RT)
c = constante 
Q = energíade activación (cal/mol),es proporcional
al númerode sitios disponibles parael movimiento
atómico.
R = Constante de los Gases = 1,987 cal/mol.k
T = Temperatura en Kelvin
Aplicación en procesos industriales
1. Endurecimiento superficialdel acero (engranajes o
ejes): procesosde Carburación o Cementación:
↑↑contenido enCarbono.
2. Fabricación de circuitos electrónicos integrados
con obleasde Si dopadoscon impurezas para
modificar las característicasde la conductividad
térmica.
3. NitruracióndepolvodeSi: Si3N4
DIFUSIÓN Y EL PROCESADO DE 
MATERIALES
1. Endurecimiento superficial del acero (engranajes o
ejes): procesosde Carburación o Cementación:↑↑
contenido en C superficie y Nitruración ↑↑
contenidoenN superficie.
2. Fabricación de circuitos electrónicos integrados
con obleasde Si dopados con impurezas para
modificar las características dela conductividad
eléctrica.
3. Descarburación: perdida de carbono
superficialmenteenlos aceros.
4. Sinterización.
5. Soldadura por difusión.
Cementación
Endurecimiento Superficial:
Superficie: fase martensítica
(muy dura) 
Interior: estructura bainítica
y perlítica (dúctiles y 
tenaces)
Orientaciones Seminario No 1 y No 2
Evaluación Seminario 1
1. Mencione las partes fundamentales del Alto Horno. Describa una 
de ellas.
2. Qué productos se obtienen en el Alto Horno? Describa uno de 
ellos.
3. Mencione los tipos de Hornos Martin según el tipo de 
revestimiento.
4. Cómo está compuesta la mezcla que se funde en el Horno de Arco 
Eléctrico?
Evaluación Seminario 2
1. En qué consiste el proceso de Laminado?. Describa brevemente 
este proceso.
2. Cómo definimos el proceso de Trefilado?. Cuáles son sus 
objetivos?
3. En qué consiste la preparación metalográfica?, para qué se 
realiza?