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Difusión.
► Mecanismo de difusión.
► Primera Ley de Fick.
► Efecto Kirkendall
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Es el movimiento de los átomos de un material. Los átomos se mueven de una manera predecible, tratando de eliminar diferencias de concentración y de producir una composición homogénea y uniforme.
La difusión en sólidos es una forma de transporte de masa, consiste en que los átomos de un sólido saltan continuamente de una posición en la estructura a otra.
Difusión
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El movimiento de los átomos es necesario para muchos de los tratamientos que llevamos a cabo sobre los materiales
Importancia de la difusión
Es un proceso elemental. Se realiza un desplazamiento de partículas ( átomos, iones y moléculas), con ellos contribuye a la investigación de la estructura de los metales, defectos en la red cristalina, etc.
Es un proceso determinante. En la estructura y propiedades de los materiales cristalinos, como la cristalización, transformaciones de fase, formación de soluciones sólidas y precipitados. También es fundamental en la deformación plástica.
Es un proceso común. Se produce en metales puros, aleaciones, en óxidos, en intermetálicos y en semiconductores.
4Mecanismos de la difusión
► Autodifusión.
► Mecanismo por vacancias o sustitucional.
► Mecanismo intersticial.
► Otros mecanismos.
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Autodifusión.
En materiales puros, los átomos se mueven de una posición en la red a otra. Puede detectarse utilizando trazadores radioactivos.
Movilidad atómica:1.-Un lugar vecino vacío2.- El átomo debe tener suficiente energía (vibratoria) como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red en su desplazamiento.
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Mecanismo por sustitución o vacancia.
Intercambio de un átomo de una posición reticular normal a una vacancia o lugar vecino vacío.
Esta depende del numero de vacancias y de la energía de activación para el intercambio.
Cuando se aumenta la temperatura del metal, hay más vacantes y más energía térmica disponible y por tanto la velocidad de difusión es superior a temperaturas más elevadas.
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Mecanismo intersticial.
Los átomos se trasladan de un intersticio a otro, sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina.
El tamaño de los átomos que se difunden debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz, generalmente son átomos de H, C, N, y O.
8Otros mecanismos
Intercambio simple.
Anillo de zener o intercambio cíclico.
Intersticial de desplazamiento.
Craudiónico.
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Los átomos siempre realizan saltos pero a distancias próximas, en su primera esfera de coordinación, los saltos a distancias largas o a una segunda esfera de coordinación son casi imposibles.
Los defectos cristalinos tienen un papel decisivo.
En materiales con estructura cristalina de alta simetría la velocidad en los tres ejes cristalográficos es la misma, a diferencia de la hexagonal.
10Primera Ley de Fick.
Flujo de difusión J (Kg/m2 s o átomos/m2 s ):
Donde: M: Masa o número de átomos.A: Área donde ocurre la difusión.t: Tiempo que tarda la difusión.
La condición para que exista un estado estacionario es que el flujo de difusión no cambie con el tiempo.
11 Al presentar la concentración C frente a la distancia dentro del sólido x, la grafica resultante se denomina, Perfil de Concentración.
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La primera ley de Fick determina el flujo neto de átomos J.Cuando se incrementa la temperatura de un material, el coeficiente de difusión y el flujo neto de átomos se incrementan.
13 El experimento Kirkendall se basa en un par de sólidos que se introducen en un mufla con la temperatura necesaria para promover la difusión.Además se agrega un tercer sólido entre ellos que no difunde como marcador de la interfase entre los sólidos.
Lo que se observa después de un tiempo t y una temperatura T además de haberse presentado la difusión los marcadores de Mo se movieron hacia el centro donde se encuentra el Zn.
Efecto Kirkendall.
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Observando detenidamente la interfase entre Cu y Zn se observa lo siguiente:
Revisando los puntos de fusión se nota que el Zn difunde más rápido que el Cu dejando vacancias que el Cu no puede llenar.Cu Tm = 1085°CZn Tm = 420°C
15Otra cosa interesante es lo que sucede con los marcadores que se mueven hacia el sólido de Zn.
Los marcadores no son arrastrados por el paso del Zn. Se podría pensar que sucede como un arrastre, pero en este caso los átomos de Zn forman nuevos planos en el sólido de Cu empujando a los marcadores hacia el sólido de Zn.
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Ejemplo:
El cloruro de metileno es un ingrediente común para remover pintura. Además de ser irritante, puede absorberse por la piel. Cuando se utiliza este removedor de pintura se deben de usar guantes protectores.Si se utilizan guantes de caucho butílico (.04cm de espesor), ¿cuál es la concentración de superficie 1 (C1) del cloruro de metileno a través del guante?
Datos:Coeficiente de difusión en caucho butílico:D= 110x10-8 cm2/sConcentraciones en superficies:C2=.02g/cm3
Flujo de difusión:J= 1.16x10-5 g/cm2*s
𝑱=−𝑫 𝒅𝑪𝒅𝒙
=−𝑫𝑪𝟐−𝑪𝟏
𝑿𝟐−𝑿𝟏
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𝑱=−𝑫 𝒅𝑪𝒅𝒙
=−𝑫𝑪𝟐−𝑪𝟏
𝑿𝟐−𝑿𝟏
Datos:D= 110x10-8 cm2/sC1=
C2=.02g/cm3
J= 1.16x10-5 g/cm2*s= 0.04cm
= [ )] -
Despeje:
19
= [
=
=
Resultado.
