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Mecanismos de Difusión > Propiedades de Materiales I
Erika Nohemí Delgadillo Bañales
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Contenido
> Difusión
> Mecanismos
• Difusión por intercambios directos
• Difusión por vacancias
• Difusión intersticial
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Arreglo de átomos en
un material en una red
repetitiva regular.
Fig.1. Representación Esquemática de
una estructura cristalina
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Donde
Nv: Número de vacantes
N: Número de sitios
Qv: Energía de activación
(energía vibracional requerida
para la formación de una
vacancia)
K: Cte de Boltzman o de los gases
(1.38 10-23 J/átomos-K)
T: Temperatura absoluta
Nv/N: 10-4 (T=Tm)
1 vacancia cada 10000 lugares
ocupados
Se produce cuando un
átomo o ion esta ausente de
su sitio normal en la
estructura cristalina
Fig.2. Representación Esquemática de
una vacancia
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Se produce cuando se
inserta un átomo o ion
adicional en la estructura
cristalina en una posición
por lo general desocupada
Fig.3. Representación Esquemática de
espacios intersticiales
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• Flujo neto de átomos, iones u otras especies dentro de
un material causado por gradiente de temperatura y
concentración.
Es un mecanismo por el que la materia se transporta a través de la
materia.
Gases ⇒ movimiento de átomos/moléculas muy rápido
Líquidos ⇒ movimientos más lentos ⇒ ↑↑Interacciones atómicas
Sólidos ⇒ SÓLO vibraciones térmicas en posiciones equilibrio
Difusión en sólidos ⇒ movimientos de átomos dentro de la red cristalina
Fig.4.
Representación
de una difusión
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> El fenómeno de difusión se puede demostrar mediante el par
difusor formado por la unión de dos metales puestos en
contacto (Cu-Ni).
> Transporte de átomos desde las regiones de elevada
concentración a baja concentración. Este par se calienta a
elevada temperatura durante un largo período de tiempo y
luego se enfría.
Fig.5. Simulación de una difusión atómica
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Fig.6. Mechanisms of diffusion in crystals, after ADDA and F’HILIBERT [1966]:
(1) direct exchange, (2) cyclicexchange, (3) vacancy, (4) interstitial, (5) interstitialcy,
(6) crowdion.
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Átomos del mismo tipo intercambian posiciones.
Fig.7. Representación gráfica de un
intercambio directo
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Cada átomo “empujando” a su vecino en el curso de
una permutación circular. Sin embargo este mecanismo
requiere la coordinación de varios saltos atómicos, lo
que hace que su ocurrencia sea improbable.
Fig.8. Representación gráfica de un
intercambio directo en forma de anillo
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> Un átomo deja si sitio de red y llena una
vacancia cercana, al continuar con la
difusión se forman flujos de átomos.
> El numero de vacancias aumenta con la
temperatura.
> El movimiento de los átomos van en
sentido opuesto al de las vacantes.
Fig.9. Representación gráfica de mecanismos de
difusión por vacancias
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• Mínima cantidad de energía para iniciar una reacción
• El átomo debe tener suficiente energía como para
romper los enlaces con átomos vecinos y distorsionar la
red durante el desplazamiento.
• La rapidez del movimiento de un átomo en relación con
la temperatura se expresa con la ecuación de Arrhenius.
𝐷 = 𝐶 𝑒−
𝑄𝑅𝑇
Donde Q Energía de Activación J/mol R Constante molar de los gases
8.314 J/(mol· K) T Temperatura K C Constante de velocidad,
independiente de la temperatura.
Fig.10. Energía de activación requerida para desplazar un átomo
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> Consiste en trasladar de un espacio intersticial a otro. Estos
átomos suelen ser pequeños (C,H,N y O), difundiéndose
mediante este mecanismo.
> Es generalmente más rápido debido a la vinculación de
espacios intersticiales dentro de la red; el enlace
normalmente es más débil existiendo muchos más
sitios intersticiales de los sitios vacantes para saltar.
Fig.11. Representación gráfica de mecanismos de difusión por espacios
intersticiales
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Se requiere mas energía para un átomo
sustitucional que para uno intersticial.
Fig.12. Esquema de energía de activación entre un
especio intersticial y una vacancia.
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Endurecimiento superficial del acero
Engranajes o ejes
Fabricación de circuitos electrónicos integrados
Descarburación
Sinterización
Soldadura por difusión