Difusión

DIFUSIÓN EN SÓLIDOS
Objetivos de la lección...
• ¿Cómo ocurre la difusión? • ¿Por qué es un concepto importante para la fabricación? • ¿Cómo pueden predecirse los parámetros del proceso? • ¿Cómo depende la difusión de la estructura y la temperatura?
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Índice
• Fenómeno de difusión: •Interdifusión •Autodifusión • Mecanismos: •Por vacantes
•Por intersticios • Modelomatemático •Difusión estacionaria •Difusión no estacionaria • Influencia de la temperatura
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Interdifusión
• Interdifusión (difusión de impurezas): En una aleación,
los átomos del soluto tienden a desplazarse desde la zona de alta concentración hacia las de menor concentración o disolvente ( a nivel macroscópico, cambio de concentración).
Inicialmente Par difusor Evolución100%
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Cu

Ni

100%
Difusión 3 0 Concentration Profiles

0

Concentration Profiles

Autodifusión
• Autodifusión: En elementos sólidos (p.ej. Metales)
los átomos del disolvente también se desplazan y distribuyen mediante la difusión.

• No puede detectarse mediante cambios de composición
como en el caso de la interdifusión.

C A D B
Marcamos algunos átomos3/31/2008 Difusión

C A B
Después de algún tiempo
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D

Mecanismos de difusión
• A nivel atómico, la difusión consiste en la emigración de átomos entre puntos de la red: la difusión trata de homogeneizar zonas con distinta composición atómica. • El desplazamiento atómico exige: - un lugar vacío al que desplazarse - suficiente energía (romper enlaces, distorsionar la red). • Consecuentemente, alaumentar la temperatura aumenta el número de átomos capaces de emigrar.
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Mecanismo de difusión por vacantes
• El átomo se desplaza a una vacante vecina • Fenómeno de impurezas o átomos sustitucionales • Las vacantes se mueven en sentido opuesto a los átomos desplazados • Número de vacantes aumenta con la temperatura, facilitando la difusión • Ocurre en la autodifusión yen la interdifusión.

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increasing elapsed time
Difusión

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Mecanismo de difusión por vacantes
• Simulación de interdifusión a través de la interface (par difusor): • La concentración de difusión por vacantes depende de:
--concentración de vacantes --cantidad de vibraciones (energía atómica).
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Mecanismo de difusiónintersticial
• Impurezas intersticiales (atomos pequeños) que se desplazan entre huecos intersticiales (p.ej. H,C,N,O). • Más rápido que la difusión por vacantes. - más intersticios - átomos más pequeños • Normalmente, sólo en interdifusión.
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Difusión en fabicración
• Carburación:
--Difusión de carbono en la superficie del acero. --Ejemplo dedifusión intersticial en un engranaje.

• Resultado:
-- es más dificil de deformar y romper; el C impide los deslizamientos interplanares.
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Modelo matemático
• Flujo de difusión (DEFINICIÓN): 1 dM  kg  ⇒ J=  or A dt m2s 
 atoms  2   m s 

• Es vectorial (direccional): y J y Jz Jx x

x-direction Unit area A through which atoms move.
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z • Se puedemedir el flujo de:
-- vacantes -- atomos de soluto -- atomos de impurezas

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Difusión

Modelo matemático
• Primera ley de Fick (LEY GENÉRICA): :
Depende de soluto y disolvente Diffusion coefficient [m2/s]

flux in x-dir. [kg/m2-s]

dC Jx = − D dx

concentration gradient [kg/m4]

• A mayor gradiente de concentración, mayor flujo de difusión (fuerza impulsora).3/31/2008

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Modelo matemático
dx • C(x,t); depende de la posición y el tiempo.
J(left) J(right) Concentration, C, in the box

• Ecuación de continuidad: J(right) − J(left) = dx
−

dC dt dC

J = −D

dC

dJ = − dt dx

dJ = − not vary D dx dx2 with x)

dx d2 C (if D does

or

equate • Segunda ley de Fick:
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∂C ∂ 2C =D 2 ∂t ∂x

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Modelo...