Tratamientos termoquimicos en los aceros

Apuntes de Ingeniería de Materiales- ESIME Ticomán IPN
Autores: Ing. Antonio Mosqueda Sánchez, Ing. Alfonso Espinosa Picazo

UNIDAD V
TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Y SUPERFICIALES DE LOS ACEROS
5.1

DIFUSIÓN Y AUTODIFUSIÓN

Los distintos tipos de átomos o iones de una aleación metálica, por lo general se mueven dentro del material. La difusión se refiere a un flujo
neto de átomos, iones omoléculas; la velocidad de difusión es función del gradiente de concentración y de la temperatura.
5.2

VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSIÓN

La temperatura es uno de los principales parámetros que influyen en la difusión ya que a mayor temperatura, se acelera el proceso de la
cinética de la difusión; también la diferencia en las concentraciones contribuye al flujo neto total de ladifusión de los átomos, iones o
moléculas.
5.3

PRIMERA LEY DE FICK

La primera Ley de Fick describe un proceso cuantitativo de la difusión. La velocidad a la que los átomos, iones, partículas u otras
substancias se difunden en un material, puede medirse por medio del flujo ( J ).
El flujo ( J ), se define como el número de átomos que pasan a través de un plano por unidad de Área y por unidad detiempo, como se
muestra en la siguiente figura:

Figura 5.1 Flujo de átomos a través de un plano de área unitaria
por unidad de tiempo.

La primera ley de Fick explica el flujo neto de los átomos:

Donde:

J = Flujo
D = Difusividad o coeficiente de difusión (cm2/s)
dc/dx = Gradiente de concentración (átomos/cm3.cm)
El signo (-) indica que la especie que se está difundiendo es deconcentraciones mayores a menores, por lo que si el término dc/dx es
negativo, J será positivo.
5.4

MECANISMO DE LA DIFUSIÓN

Para que un átomo se mueva a una nueva posición, debe aplicarse energía de activación. Por lo general se requiere más energía para
mover un átomo sustitucional que para un átomo intersticial. Ver figura siguiente:

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Figura 5.2 Difusión de átomos en una estructura cristalina. Los átomos
pequeños requieren menos energía para la difusión en comparación a los
átomos más grandes.

En la tabla siguiente se muestran los valores comunes para las energías de activación para la difusión de distintos átomos en diferentesmateriales; se utiliza el término “PAR DE DIFUSIÓN” para indicar una combinación de un átomo de un elemento dado que se difunde en un
material (Ejemplo: C en hierro CCCa). VER TABLA SIGUIENTE:
Tabla 5.1 Datos de difusión para materiales seleccionados

Par de difusión
Difusión intersticial
C en Hierro CCCa
C en Hierro CCCu
N en Hierro CCCa
N en Hierro CCCu
H en Hierro CCCa
H en Hierro CCCu

Q(Cal/mol)

D0 (cm3/s)

32 900
20 900
34 600
18 300
10 300
3 600

0.23
0.011
0.0034
0.0047
0.0063
0.0012

Autodifusión (difusión por vacancia)
Pb en Pb CCCa
Al en Al CCCa
Cu en CuCCa
Fe en Fe CCCa
Zn en Zn CH
Mg en Mg CH
Fe en Fe CCCu
W en w CCCu
Si en Si Covalente
C en C Covalente

25 900
32 200
49 300
66 700
21 800
32 200
58 900
143 300
110 000
163 0001.27
0.10
0.36
0.65
0.1
1.0
4.1
1.88
1800.0
5.0

Difusión heterogénea (difusión por
vacancia)
Ni en Cu
Cu en Ni
Zn en Cu
Ni en Fe CCCa
Au en Ag
Ag en Au
Al en Cu
Al en Al2O3
O en Al2O3
Mg en MgO
O en MgO

57 900
61 500
43 900
64 000
45 500
40 200
39 500
114 000
152 000
79 000
82 100

2.3
0.65
0.78
4.1
0.26
0.072
0.045
28.0
1900.0
0.249
0.000043
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5.5

SEGUNDA LEY DE FICK (FUNCION ERROR)

La segunda Ley de Fick describe la difusión dinámica, o de estado estacionario de átomos:

Si se supone que el coeficiente de difusión D no es una función de la localización
difundiendo, se puede escribir una versión...