monografia difusion

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Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria” TEMA CATEDRATICO : CATEDRA : DOCTRINA POLICIAL INTEGRANTE(S) : CICLO : CARRERA PROF. : 1 DIFUSIÓN

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Page 1: MONOGRAFIA DIFUSION

“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”

TEMA

CATEDRATICO :

CATEDRA : DOCTRINA POLICIAL

INTEGRANTE(S) :

CICLO :

CARRERA PROF. :

HUANCAYO - 2013

1

DIFUSIÓN

Page 2: MONOGRAFIA DIFUSION

2

A Dios por permitirme un día más de vida,

a mis padres por el apoyo incondicional para

lograr mis objetivos, a mis maestros por

brindarme los conocimientos e instruirnos para

ser un gran profesional.

Page 3: MONOGRAFIA DIFUSION

INDICE

CARATULA

DEDICATORIA

INDICE

INTRODUCCION

CAPITULO IDIFUSION

1.1. CONCEPTO DE DIFUSIÓN……………………………………………………….

1.2. MECANISMOS DE DIFUSIÓN……………………………………………………

1.2.1. MECANISMO DE DIFUSIÓN POR VACANTES O SUSTITUCIONAL……

1.2.2. MECANISMO DE DIFUSIÓN INTERSTICIAL………………………………..

1.2.3. DIFUSIÓN EN ESTADO NO ESTACIONARIO………………………………

1.3. VALORES DE DIFUSIVIDAD……………………………………………………..

1.3.1. EL TIPO DE MECANISMO DE DIFUSIÓN……………………………………

1.3.2. LA TEMPERATURA A LA CUAL OCURRE LA DIFUSIÓN……………….

1.3.3. EL TIPO DE ESTRUCTURA CRISTALINA DE LA RED MATRIZ………...

1.3.4. EL TIPO DE IMPERFECCIONES CRISTALINAS……………………………

1.3.5. LA CONCENTRACIÓN DE LAS ESPECIES QUE SE DIFUNDEN……….

1.4. EFECTOS DE DIFUSIÓN………………………………………………………….

1.4.1. EFECTO DE KIRKENDALL…………………………………………………….

1.4.2. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA DIFUSIÓN…………………

1.4.3. DIFUSIÓN INTERFACIAL………………………………………………………

1.4.4. EL EFECTO SNOEK…………………………………………………………….

CONCLUSIONES………………………………………………………………………..

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………….

ANEXOS………………………………………………………………………………….

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Page 4: MONOGRAFIA DIFUSION

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Page 5: MONOGRAFIA DIFUSION

CAPITULO I

DIFUSION

1.1. CONCEPTO DE DIFUSIÓN

La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es

transportada por la materia. Los átomos de gases, líquidos y sólidos están

en constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un período de

tiempo. En los gases, el movimiento de los átomos es relativamente veloz,

tal efecto se puede apreciar por el rápido avance de los olores

desprendidos al cocinar o el de las partículas de humo. En los líquidos, los

átomos poseen un movimiento más lento, esto se pone en evidencia en el

movimiento de las tintas que se disuelven en agua líquida.

El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente debido

a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión. En los

sólidos, estos movimientos atómicos quedan restringidos (no existe

convección), debido a los enlaces que mantienen los átomos en las

posiciones de equilibrio, por lo cual el único mecanismo de transporte de

masa es la difusión.

Sin embargo las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos permiten

que algunos átomos se muevan. difusión de éstos en metales y aleaciones

es particularmente importante si consideramos el hecho de que la mayor

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Page 6: MONOGRAFIA DIFUSION

parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos

atómicos; como ejemplo se pueden citar la formación de núcleos y

crecimiento de nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado

en frío y la precipitación de una segunda fase a partir de una solución

sólida.

1.2. MECANISMOS DE DIFUSIÓN

Existen dos mecanismos principales de difusión en los átomos en una

estructura cristalina: (1) mecanismo de vacantes o sustitucional, y (2) el

mecanismo intersticial.

1.2.1. MECANISMO DE DIFUSIÓN POR VACANTES O SUSTITUCIONAL

Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una

posición a otra si hay presente suficiente energía de activación,

proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay

vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos

los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y

por ello algunos están siempre presentes para facilitar que tenga

lugar la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando

la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más

energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor

a temperaturas más altas.

La energía de activación para la difusión propia es igual a la suma

de la energía de activación necesaria para formar la vacante y la

energía de activación necesaria para moverla.

La siguiente tabla presenta la relación de algunas energías de

activación para la autodifusión en metales puros.

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Page 7: MONOGRAFIA DIFUSION

TABLA 1

MetalPunto de fusión, °C

Rango de temperatura estudiado,

°C

EstructuraCristalina

Energía deActivación,

KJ/mol

Cinc 419 240-418 HCP 91.6

Aluminio 660 400-610 FCC 165

Cobre 1083 700-990 FCC 196

Níquel 1452 900-1200 FCC 293

Hierro a 1530 808-884 BCC 240

Molibdeno 2600 2155-2540 BCC 460

Se pude observar que a medida que incrementa el punto de fusión

del material. La energía de activación también aumenta. Esto se da

porque los metales con temperatura de fusión más alta tienden a

mayores energías de enlace entre sus átomos.

La difusión también puede darse por el mecanismo de vacantes en

soluciones sólidas. La diferencia entre los tamaños de los átomos y

las energías de enlace entre ellos son factores que afectan la

velocidad de difusión.

1.2.2. MECANISMO DE DIFUSIÓN INTERSTICIAL

La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar

cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al

primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de

la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea

efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser

relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz.

Los átomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y

nitrógeno, pueden difundirse intersticialmente en algunas redes

cristalinas metálicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse

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Page 8: MONOGRAFIA DIFUSION

intersticialmente en hierro alfa BCC y hierro gamma FCC. En la

difusión intersticial de carbono en hierro, los átomos de carbono

deben pasar entre los átomos de la matriz de hierro.

  DIFUSIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

Si consideramos la difusión del soluto en la figura 1. en la dirección

del eje X entre dos planos de átomos perpendiculares al plano de la

hoja, separados una distancia X. Supongamos que tras un periodo

de tiempo, la concentración de los átomos en el plano 1 es C1 y en

el plano 2 es C2. Esto significa que no se produce cambios en la

concentración de los átomos de soluto en esos planos, para el

sistema, con el tiempo. Tales condiciones de difusión se conocen

como condiciones en estado estacionario.

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Page 9: MONOGRAFIA DIFUSION

Este tipo de difusión tiene lugar cuando un gas no reactivo

difunde a través de una lámina metálica. Si el sistema

mostrado en la figura no existe interacción química entre los

átomos de soluto y solvente, debido a que existe una diferencia

de concentración entre los planos 1 y 2, se producirá un flujo

neto de átomos de la parte de más alta concentración a la de

más baja concentración. La densidad de flujo ó corriente se

representa mediante la expresión:

Donde:

J= Flujo neto de los átomos

D= Coeficiente de difusión

Se emplea un signo negativo debido a que la difusión tiene

lugar de una concentración mayor a una menor, es decir, existe

un gradiente de difusión negativo.

Esta ecuación es llamada primera Ley de Fick y afirma que

para condiciones de flujo en estado estacionario, la densidad

de flujo neto de átomos es igual a la difusividad D por el

gradiente de concentración dC/dX. Las unidades son las

siguientes en el sistema internacional:

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Page 10: MONOGRAFIA DIFUSION

1.2.3. DIFUSIÓN EN ESTADO NO ESTACIONARIO

El estado estacionario, en el cual las condiciones permanecen

invariables con el tiempo, no se presenta con frecuencia en

aplicaciones de ingeniería. En la mayoría de los casos, la difusión

es en estado no estacionario, en la cual la concentración de los

átomos de soluto en cualquier punto del material cambia con el

tiempo, es la que tiene lugar. Por ejemplo si se difunde carbono en

la superficie de un árbol de levas de acero para endurecer su

superficie, la concentración de carbono bajo la superficie de

cualquier punto cambiará con el tiempo a medida que el proceso de

difusión avanza. Para casos de difusión en estado no estacionario,

en el cual la difusividad es independiente del tiempo, se aplica la

segunda ley de Fick sobre difusión, así:

Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición

de la muestra es igual a la difusividad por la velocidad de cambio

del gradiente de concentración. La derivación y resolución de esta

ecuación diferencial se realiza con ayuda de la transformada de

Laplace. La solución particular, en la cual un gas se difunde en un

sólido, es de gran importancia en aplicaciones de Ingeniería y es

aplicada para resolver problemas prácticos de difusión industrial.

La aplicación más importante en metalurgia de los principios de

difusión es la carburización del acero, cuyo objetivo es crear una

capa superficial rica en carbono en la superficie, y de una dureza

elevada, sobre la pieza de acero de bajo carbono. Los aceros de

cementación contienen normalmente 0.25% de carbono como

máximo. Su tenor de carbono es a menudo inferior a 0.20% los

contenidos máximos obtenidos en la superficie están entre 0.70% y

1.10%, de ellos 0.80% es el más empleado.

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Page 11: MONOGRAFIA DIFUSION

Si suponemos que un gas carburizante penetra en una barra de

acero, a medida que el tiempo de difusión aumenta, la concentración

de átomos de soluto en cualquier punto del sólido en la dirección X

también aumentará.

La relación entre la profundidad de penetración y el tiempo de

carburización se puede calcular a partir de la solución de la segunda

ley de Fick:

CS = Máxima concentración producida inmediatamente en la

superficie (dada por el diagrama de fases Fe-C)

Co = Concentración inicial de carbono en el acero

CX = Concentración de carbono a la distancia X debajo de la

superficie en el tiempo t

D = Coeficiente de difusión del C en Fe a la temperatura del proceso

ferror = Función error

Debido a lo complejo de las reacciones y las composiciones de los

aceros, lo usual es emplear la relación empírica para éste cálculo:

X esta dada en mm y t en horas.

K es una constante experimental, la cual varía entre 0.011 y 0.032 al

cambiar la temperatura de 815°C a 828°C. Esta constante se obtiene

de gráficas, para una temperatura de cementación dada.

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Page 12: MONOGRAFIA DIFUSION

1.3. VALORES DE DIFUSIVIDAD

Los valores de la difusividad dependen de muchas variables, las más

importantes son las siguientes:

1.3.1. EL TIPO DE MECANISMO DE DIFUSIÓN.

El hecho de que la difusión sea intersticial o sustitucional afectará la

difusividad. Los átomos pequeños pueden difundirse

intersticialmente en la red cristalina de átomos mayores del solvente.

De esta manera los átomos de carbono se difunden intersticialmente

en la red BCC o FCC. Los átomos de cobre pueden difundirse

sustitucionalmente en una red de aluminio siempre y cuando los

átomos de cobre y aluminio sean aproximadamente iguales.

1.3.2. LA TEMPERATURA A LA CUAL OCURRE LA DIFUSIÓN.

Si la temperatura aumenta en el sistema la difusividad también se ve

incrementada.

1.3.3. EL TIPO DE ESTRUCTURA CRISTALINA DE LA RED MATRIZ.

La estructura cristalina BCC que posee un factor de

empaquetamiento de 0.68 ayuda a que la difusividad sea mayor que

una red FCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.74. De

esta manera los átomos de carbono se pueden difundir más

fácilmente en una red de hierro BCC que una red FCC.

1.3.4. EL TIPO DE IMPERFECCIONES CRISTALINAS.

La mayoría de estructuras abiertas permiten una difusión más rápida

de los átomos. Por ejemplo, la difusión tiene lugar más rápidamente

a lo largo de los límites de grano que en la matriz del mismo, en

metales y cerámicos. Las vacantes en exceso incrementarán las

velocidades de difusión en metales y aleaciones.

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Page 13: MONOGRAFIA DIFUSION

1.3.5. LA CONCENTRACIÓN DE LAS ESPECIES QUE SE DIFUNDEN.

Las concentraciones mayores de átomos de soluto difundible

afectarán la difusividad. Este aspecto de la difusión en el estado

sólido es muy complejo.

1.4. EFECTOS DE DIFUSIÓN

1.4.1. EFECTO DE KIRKENDALL

En los ejemplos anteriores se ha tratado la difusión de un soluto

intersticial, y no se mencionó el movimiento de difusión de los

átomos de Fe, ya que tal movimiento es insignificante comparado

con el correspondiente de los átomos más pequeños y móviles de

carbono. Sin embargo, supóngase que se tiene el par de difusión

formado por Cu y por Ni como se indica en la figura 2. Éstos átomos

son casi del mismo tamaño por lo que se disuelven uno en el otro

como soluto sustitucionales y se espera que su movilidad sea muy

similar. Se debe considerar la difusión del Cu a la derecha y la del Ni

a la izquierda. En general, los solutos sustitucionales no se difunden

uno en otro a velocidades iguales y opuestas. Supóngase que los

átomos de Ni se difunden hacía la izquierda más rápido que lo hacen

los de Cu a la derecha.

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Page 14: MONOGRAFIA DIFUSION

Como una ayuda para determinar el efecto que tiene este

movimiento relativo sobre el par de difusión se colocan marcadores

inertes (alambres de Ta, Mo ó partículas de óxido) en la intercara

soldada. Después de que se ha producido la difusión durante cierto

número de horas se habrá producido un transporte neto de átomos

desde la derecha de los marcadores hacía su izquierda ya que los

átomos de Ni se mueven más rápido. Los átomos adicionales que

llegan del lado izquierdo de los marcadores harán que se expanda la

red a la izquierda mientras que la pérdida de átomos del lado

derecho hará que la red se encoja del lado derecho. De ésta

manera, la sección central completa de la barra se desplazará hacia

la derecha como se indica en la figura 2 conforme la difusión hace

que los átomos se depositen a la izquierda y sean removidos a la

derecha.

Por lo tanto, si los átomos se mueven a velocidades diferentes, es

de esperarse que haya un desplazamiento de los marcadores con

respecto a los extremos de la barra, este efecto fue hallado en los

metales por Kinkerdall y se le ha llamado efecto Kinkerdall. La

presencia de este desplazamiento significa que la red cristalina

completa se mueve realmente con respecto al observador durante el

proceso de difusión. Este es un tipo de movimiento de volumen

similar al movimiento de convección en los líquidos y se debe tomar

en cuenta al analizar los procesos de difusión que ocurren aquí. Tal

análisis lo hizo primero Darken en 1948 y obtuvo los siguientes

resultados para el flujo ó transferencia de átomos en este tipo de par

de difusión:

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Page 15: MONOGRAFIA DIFUSION

 

El coeficiente de difusión mutuo DMUTUO es posible medirlo por un

método llamado método denominado interfase de Matano, el cual

permite hacer menos rígida la suposición de que DMUTUO es

independiente de la concentración. Esta técnica se emplea

usualmente en estudios de difusión sustitucional; permite determinar

la dependencia que de la concentración tiene el coeficiente de

difusión.

1.4.2. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA DIFUSIÓN EN

SÓLIDOS

El coeficiente de la difusión es una función notable de la

temperatura, por experimentación se ha encontrado que la

dependencia de la temperatura de la velocidad de la difusión de

muchos sistemas puede ser expresada por el siguiente tipo de

ecuación de Arrhenius:

donde, Do es una constante y Q es una constante llamada energía

de activación de las especies en difusión en . Los

valores de D casi siempre se dan en unidades cgs ( ).

R, es la constante molar de los gases que equivale a 8.314

.

La dependencia de la temperatura es muy fuerte; los metales de

elevado punto de fusión tienen los mayores valores de D a

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Page 16: MONOGRAFIA DIFUSION

temperatura ambiente, y los metales de bajo punto de fusión tienen

los más bajos valores de D.

1.4.3. DIFUSIÓN INTERFACIAL

En los metales poli cristalinos la difusión se puede presentar a lo

largo de los límites de grano y de la superficie, así como a través del

volumen de los granos. Es de esperarse que la movilidad de un

átomo a lo largo de un límite de grano o en una superficie sea más

alta que en el volumen del cristal, debido a que estas intercaras

tienen una estructura más abierta y, por lo tanto, deben ofrecer

menos resistencia al movimiento atómico. Por consiguiente, es de

suponerse que los coeficientes de difusión en la intercara sena más

altos que los coeficientes de difusión volumétrica ya que el

coeficiente de difusión se relacionan directamente con la movilidad.

La difusión en los límites de grano contribuye notablemente a la

difusión total sólo cuando el tamaño de grano es bastante pequeño.

FRICCIÓN INTERNA

La capacidad que posee un sólido vibrante, completamente aislado

de sus alrededores, para convertir en calor su energía mecánica, se

llama fricción interna ó capacidad de amortiguamiento.

Los efectos de la fricción interna corresponden a un retraso de fase

entre la tensión aplicada y la deformación resultante. Esto puede

deberse a la deformación plástica producida en los niveles altos de

tensión, o a reorganizaciones térmicas, magnéticas o atómicas

cuando ocurre en los niveles de tensión bajos.

Una rama interesante del campo del comportamiento no elástico es

la anelasticidad, éste tema trata de los efectos de la fricción interna

independientes de la amplitud de vibración, este comportamiento

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Page 17: MONOGRAFIA DIFUSION

puede deberse a la difusión térmica ó atómica, a la relajación de

tensiones y a las interacciones magnéticas.

Los estudios de fricción interna están relacionados principalmente

con el empleo del amortiguamiento como medio para estudiar la

estructura interna y los movimientos atómicos en los sólidos. Las

amplitudes de vibración empleadas en esta clase de trabajo son

usualmente muy pequeñas, y las tensiones muy bajas. La fricción

interna se mide por medio del péndulo de torsión para las regiones

de bajas frecuencias, de alrededor de un ciclo por segundo, la

amplitud en cualquier momento AT puede expresarse por medio de la

ecuación:

AT = Aoexp(-b t)

Donde b es el coeficiente de atenuación. La fricción interna, se

define como el decremento logarítmico d , éste es el logaritmo de la

relación de dos amplitudes sucesivas:

1.4.4. EL EFECTO SNOEK

La fricción interna resultante de la ordenación preferente de los

átomos intersticiales bajo una tensión aplicada fue explicada por

Snoek. Este tipo de relajación se ha estudiado ampliamente en el

hierro con pequeños contenidos de carbono o nitrógeno en solución

sólida. Los átomos intersticiales de carbono en el hierro con red BCC

ocupan los sitios octaédricos de la red. El cristal tendrá simetría

tetragonal. Incluso aunque no se aplique ninguna fuerza externa, a

causa de la distorsión producida por los átomos intersticiales. La

distribución de átomos entre los lugares octaédricos es aleatoria,

mientras no se aplique ninguna fuerza externa de tensión, y los ejes

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Page 18: MONOGRAFIA DIFUSION

tetragonales de las celdas unidad están orientados también

aleatoriamente con respecto a los ejes de la probeta. Sin embargo,

si se aplica una tensión a lo largo del eje Y, los átomos intersticiales

emigrarán a las posiciones octaédricas que tienden a alinearse en la

dirección Y. Cuando cesa la tensión, los átomos emigran hacía una

distribución aleatoria. Bajo las tensiones oscilantes impuestas por un

aparto de fricción interna, los átomos intersticiales estarán en

movimiento continuo, con tendencia hacía la orientación preferente ó

apartarse de esta clase de orientación. El resultado es un fuerte

máximo de relajación. Se puede observar un máximo de relajación

similar aunque más débil, debido aun orden de corto alcance, en las

soluciones sólidas de sustitución.

 

 

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Page 19: MONOGRAFIA DIFUSION

CONCLUSIONES

La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es

transportada por la materia.

Los átomos de gases, líquidos y sólidos están en constante movimiento y

se desplazan en el espacio tras un período de tiempo.

El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente debido

a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión.

Existen dos mecanismos principales de difusión en los átomos en una

estructura cristalina: (1) mecanismo de vacantes o sustitucional, y (2) el

mecanismo intersticial.

Es importante si consideramos el hecho de que la mayor parte de las

reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos; como

ejemplo se pueden citar la formación de núcleos y crecimiento de nuevos

granos en la recristalización de un metal trabajado en frío y la precipitación

de una segunda fase a partir de una solución sólida.

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Page 20: MONOGRAFIA DIFUSION

BIBILIOGRAFIA

Verhoeven, John, D. Fundamentos de Metalurgia Física. Ed. Limusa. 1987

GUY, A. G. y Hren, J.J. Elementos de Metalurgia Física. Ed. Addison

Wesley. 1974

Smith, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Ed. Mc Graw Hill. 1993

Dieter. Metalurgia Mecánica

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Page 21: MONOGRAFIA DIFUSION

ANEXOS

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