La difusión

14.- El fenómeno de difusión.

La difusión es un fenómeno físico en el cual los átomos de un determinado material, los iones o las moléculas (en el caso de los líquidos), se desplazan dentro de las redes cristalinas o moléculas de otros elementos, en tal forma que con el tiempo se logra una coexistencia de los dos tipos de materiales en una sola masa homogenea, formando materiales compuestosconocidos como aleaciones, o soluciones.

Este movimiento o desplazamiento de átomos, iones o moléculas, se conoce con el nombre de “Difusión”. Es el movimiento que estos elementos presentan dentro del otro material. Este movimiento es predecible, y obedece a la tendencia, que conforme a la segunda ley de la termodinámica, la materia tiende a encontrar condiciones de equilibrio en el espacio en elque se encuentra. Los elementos de mayor energía tienden hacia los espacios con menor cantidad de energía.

En esa forma el desplazamiento volumétrico de los átomos, trata de eliminar las diferencias de concentración que existen en la masa metálica para producir una composición homogénea y uniforme.

Como un ejemplo ilustrativo se cita el de una gota de tinta que se agrega a un recipiente conagua, observando la forma en que con el tiempo se difunde la tinta, hasta que alcanza una tonalidad uniforme en toda la masa de agua. Obviamente el tiempo necesario para que se logre el fenómeno de difusión en una masa metálica es mucho mayor que el observado en el recipiente de agua.

Se ha definido a los sólidos como aquellos materiales cuyos átomos están ordenados en forma fija y regular,con una energía relativa mínima en una estructura llamada “red cristalina”. Aún siendo regulares, las redes cristalinas presentan imperfecciones. La descripción y el control de las imperfecciones, y aún la creación de imperfecciones en una red cristalina, son un aspecto importante en la ingeniería de los materiales.

Las imperfecciones de la red pueden consistir en la ausencia de uno o más átomosen sus puntos correspondientes (Vacancias) o en la aparición de un átomo diferente (de mayor o menor radio que los del metal base), lo que provoca tensiones y distorsiones en la red. Los átomos más pequeños pueden acomodarse en los huecos dejados por el espaciamiento natural de los átomos grandes (sitios intersticiales), constituyendo esto otro tipo de imperfección.

Los átomos que están enforma ordenada en la red, pueden tener la energía suficiente para desplazarse de un punto a otro, intercambiando posiciones con otro átomo idéntico, siguiendo el principio de la termodinámica ya mencionado. En este fenómeno la probabilidad que tiene un átomo de intercambiar posiciones es una función de la energía que tiene, lo cual se mide indirectamente por la temperatura.

Como ya se vioanteriormente, los dos mecanismos importantes mediante los cuales ocurren estos procesos de difusión son; La difusión por vacancia (sustitucional), y la difusión intersticial.

1. Difusión por vacancia.- Un átomo puede abandonar su sitio en la red cristalina para llenar una vacancia cercana. Pero al mismo tiempo se crea una vacancia en el sitio antes ocupado por él. Al progresar la difusión seobserva un flujo de átomos y de vacancias en sentidos opuestos. Este fenómeno se conoce como “Difusión por vacancia”.

2. Difusión intersticial.- Si en la estructura cristalina está presente un átomo o ión pequeño en un espacio intersticial, este pasará de un sitio intersticial a otro sin la necesidad de que existan vacancias. Este mecanismo es mucho más rápido que el anterior, ya que el número deespacios intersticiales es mucho mayor que el de vacancias.

Cuando se incrementa la temperatura de un material, se incrementa el coeficiente de difusión (D), y por lo tanto el flujo de átomos. Por esta razón el tratamiento térmico de metales y el proceso de cocimiento de los materiales cerámicos se hacen a temperaturas elevadas, desplazándose así los átomos más rápidamente para encontrar las...