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1 de 19
Difusión.
►Mecanismo de difusión.
►Primera Ley de Fick.
►Efecto Kirkendall
1
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.
Difusión2
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.
3
Mecanismos de la difusión4
► Autodifusión.
► Mecanismo por vacancias
o sustitucional.
► Mecanismo intersticial.
► Otros mecanismos.
5
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 vacío
2.- El átomo debe tener suficiente energía (vibratoria) como para romper
los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red en su
desplazamiento.
6
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.
7
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.
8
Otros mecanismos
Intercambio simple.
Anillo de zener o intercambio cíclico.
Intersticial de desplazamiento.
Craudiónico.
9
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.
10
Primera Ley de Fick.
Flujo de difusión J (Kg/m2 s o átomos/m2 s ):
𝐽 =
𝑀
𝐴𝑡
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.
12
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.
14
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°C
Zn Tm = 420°C
15
Otra 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.
16
17
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/s
Concentraciones en superficies:
C2=.02g/cm3
Flujo de difusión:
J= 1.16x10-5 g/cm2*s
𝑱 = −𝑫
𝒅𝑪
𝒅𝒙
= −𝑫
𝑪 𝟐 − 𝑪 𝟏
𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏
18
𝑱 = −𝑫
𝒅𝑪
𝒅𝒙
= −𝑫
𝑪 𝟐 − 𝑪 𝟏
𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏
Datos:
D= 110x10-8 cm2/s
C1=
C2=.02g/cm3
J= 1.16x10-5 g/cm2*s
𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏= 0.04cm
−𝑪 𝟏 = [−
𝑱
𝑫
(𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏)] -𝑪 𝟐
Despeje:
19
−𝑪 𝟏 = [−
1.16x10−5 g/cm2∗s
110x10−8 cm2/s
(0.04cm)] −
.02g/cm3
−𝑪 𝟏 = −𝟎. 𝟒𝟒g/cm3
𝑪 𝟏 = 𝟎. 𝟒𝟒g/cm3
Resultado.

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Difusión en sólidos

  • 1. Difusión. ►Mecanismo de difusión. ►Primera Ley de Fick. ►Efecto Kirkendall 1
  • 2. 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. Difusión2
  • 3. 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. 3
  • 4. Mecanismos de la difusión4 ► Autodifusión. ► Mecanismo por vacancias o sustitucional. ► Mecanismo intersticial. ► Otros mecanismos.
  • 5. 5 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 vacío 2.- El átomo debe tener suficiente energía (vibratoria) como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red en su desplazamiento.
  • 6. 6 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.
  • 7. 7 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.
  • 8. 8 Otros mecanismos Intercambio simple. Anillo de zener o intercambio cíclico. Intersticial de desplazamiento. Craudiónico.
  • 9. 9 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.
  • 10. 10 Primera Ley de Fick. Flujo de difusión J (Kg/m2 s o átomos/m2 s ): 𝐽 = 𝑀 𝐴𝑡 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. 11 Al presentar la concentración C frente a la distancia dentro del sólido x, la grafica resultante se denomina, Perfil de Concentración.
  • 12. 12 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. 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.
  • 14. 14 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°C Zn Tm = 420°C
  • 15. 15 Otra 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.
  • 16. 16
  • 17. 17 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/s Concentraciones en superficies: C2=.02g/cm3 Flujo de difusión: J= 1.16x10-5 g/cm2*s 𝑱 = −𝑫 𝒅𝑪 𝒅𝒙 = −𝑫 𝑪 𝟐 − 𝑪 𝟏 𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏
  • 18. 18 𝑱 = −𝑫 𝒅𝑪 𝒅𝒙 = −𝑫 𝑪 𝟐 − 𝑪 𝟏 𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏 Datos: D= 110x10-8 cm2/s C1= C2=.02g/cm3 J= 1.16x10-5 g/cm2*s 𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏= 0.04cm −𝑪 𝟏 = [− 𝑱 𝑫 (𝑿 𝟐 − 𝑿 𝟏)] -𝑪 𝟐 Despeje:
  • 19. 19 −𝑪 𝟏 = [− 1.16x10−5 g/cm2∗s 110x10−8 cm2/s (0.04cm)] − .02g/cm3 −𝑪 𝟏 = −𝟎. 𝟒𝟒g/cm3 𝑪 𝟏 = 𝟎. 𝟒𝟒g/cm3 Resultado.