Difusión

DIFUSIÓN

1. INTRODUCCIÓN

La mayor parte de los procesos y reacciones más importantes del tratamiento de materiales se basa en la transferencia de masa, bien dentro de un determinado sólido (generalmente a nivel microscópico), o bien desde un liquido, un gas u otro sólido. Esta transferencia va acompañada inseparablemente por la difusión, un fenómeno de transporte por movimiento atómico.En este capítulo se discuten los mecanismos atómicos de la difusión, los desarrollos matemáticos de la difusión y la influencia de la temperatura y de la naturaleza de las substancias difusivas en la velocidad de difusión. El fenómeno de la difusión se puede demostrar mediante el par difusor formado por la unión de dos metales puestos en contacto a través de las dos caras, como está ilustrado parael cobre y el níquel en la Figura 1, donde se ha esquematizado la posición de los átomos y la composición a través de la intercara. Este par se calienta a elevada temperatura (por debajo de la temperatura de fusión de ambos metales) durante un largo período de tiempo y luego se enfría a temperatura ambiente. El análisis químico revela una condición parecida a la registrada en la Figura 2 cobre yníquel puros en los extremos del par, separados por una región de aleación. La composición de ambos metales varía con la distancia, como ilustra la Figura 2c. Este resultado indica que los átomos de cobre han emigrado o difundido dentro del níquel y que el níquel ha difundido dentro del cobre. Este proceso, en que los átomos de un metal difunden en el otro, se denomina interdifusión o difusiónde impurezas. Desde el punto de vista macroscópico, la interdifusión se interpreta como los cambios de concentración que ocurren con el tiempo, como en el par de difusión Cu-Ni. Existe un claro transporte de átomos desde las regiones de elevada concentración a las de baja concentración. También ocurre difusión en metales puros, donde los átomos del mismo tipo intercambian posiciones y se denominaautodifusión. La autodifusión no se puede observar por los cambios de composición, evidentemente.





Figura 1
(a) Un par difusor cobre-níquel antes del tratamiento térmico a elevada temperatura. (b) Representación esquemática de las localizaciones de los átomos de Cu (círculos coloreados) y Ni (círculos grises) dentro del par difusor. (c)Concentraciones de cobre y de níquel en función dela distancia a la intercara del par.



Figura 2
(a) Zona de aleación por difusión del par difusivo cobre-níquel después de tratado térmicamente a elevada temperatura. (b) Representación esquemática de las localizaciones de los átomos de Cu (círculos coloreados) y Ni (círculos grises) dentro del par difusor. (c) Concentraciones de cobre y de níquel en función de la distancia en el par.2. MECANISMOS DE DIFUSIÓN

A nivel atómico, la difusión consiste en la emigración de los átomos de un sitio de la red a otro sitio. En los materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento, cambian rápidamente de posición. La movilidad atómica exige dos condiciones:
1) un lugar vecino vacío, y
2) el átomo debe tener suficiente energía como para romper los enlaces con los átomosvecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. Esta 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 ascender la temperatura.

2.1 Difusión por vacantes

En la Figura 3a se ha esquematizado un mecanismo de difusión queimplica el cambio de un átomo desde una posición reticular normal a una vacante o lugar reticular vecino vacío. Este mecanismo recibe el nombre de difusión por vacantes. Por descontado que este proceso necesita la presencia de vacantes, y las posibilidades de la difusión de las vacantes es función del número de estos defectos que existan. A elevada temperatura el número de vacantes de un metal es...