Ciencia y tecnologa de Materiales

Ciencia y tecnologa de Materiales

MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS EN LOS MATERIALES

AGUAS GONZALEZ LUISA MARIA2011216002PEREZ CARRASQUILLA OLGA LUCIA2011216088VARGAS AVILA NEYLA ANDREA2011216122

ING. JAIRO LUIS DAZA

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENAFACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIALCIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS MATERIALESSANTA MARTA2014

1. INTRODUCCION

Para llevar a cabo lasactividadesdiarias de la vida cotidiana, todas las clulas deben transferir iones esenciales y pequeas molculas a travs de membranas plasmticas semipermeables. Los iones son tomos o molculas con una carga positiva o negativa neta. Para cumplir con los requisitos de la vida, las clulas intercambian gases, como el oxgeno y el dixido de carbono; excretan productos de desecho, y disfrutan de las partculas dealimentos, agua y minerales. El intercambio tiene lugar entre la clula y lo que rodea el fluido extracelular.

Los procesos y reacciones ms importantes en el manejo de los materiales se basa fundamentalmente en la transformacin de masas, bien dentro de un determinado solidos (a un nivel microscpico), o bien desde un lquido, un gas u otro slido. La difusin es ese proceso de transferencia por movimiento atmico.

En la presente investigacin se relaciona los movimientos de los tomos en los materiales, como los mecanismos de difusin, procesamiento de los materiales, perfil de composicin y de la naturaleza de las sustancias en la velocidad de difusin.

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Investigar los diferentes movimientos de los tomos en los materiales.

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Entender el concepto de difusin.

Conocer y entender los diferentes mecanismos atmicos de la difusin.

Comprender las leyes de la difusin.

Influencia de los factores que influyen en el proceso de difusin.

3. CONTENIDO TEMATICO

3.1. MECANISMO DE LA DIFUSIN

El desorden que se crean por las vacancias (es decir, la mayor entropa) ayuda a minimizar la energa libre y en consecuencia, la estabilidad termodinmica de un material cristalino. Los materiales cristalinos tambin contienen otras clases de defectos. En materiales que contienen vacancias, los tomos se mueven o saltan de una posicin en la red a otra. Este proceso se llama auto-difusin y se puede detectar con trazadores radiactivos. A nivel atmico, la difusin consiste en la emigracin de los tomos de un sitio de la red a otro sitio. En los materiales slidos, los tomos estn en continuo movimiento, cambian rpidamente de posicin. La movilidad atmica exige dos condiciones: 1) un lugar vecino vaco, 2) el tomo debe tener suficiente energa como para romper los enlaces con los tomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. Esta energa es de naturaleza vibratoria a una temperatura determinada, alguna pequea fraccin del nmero total de tomos es capaz de difundir debido a la magnitud de su energa vibratoria. Esta fraccin aumenta al ascender su temperatura. El fenmeno de la difusin se puede demostrar mediante el par difusor formado por la unin de dos metales puestos en contacto a travs de las dos caras, por ejemplo el cobre y el nquel. Este par se calienta a elevada temperatura (por debajo de la temperatura de fusin de ambos metales) durante un largo periodo de tiempo y luego se enfra a temperatura ambiente. El anlisis qumico revela cobre y nquel puros en los extremos del par, separados por una regin de aleacin.

Difusin de tomos de cobre en nquel. Al final, los tomos de cobre se distribuyen al azar dentro del nquel.Hay dos mecanismos importantes por los que se pueden difundir los tomos o los iones que son los siguientes:

3.1.1. Difusin por vacantes

Es un mecanismo de difusin que implica el cambio de un tomo desde una posicin reticular normal a una vacante o lugar reticular vecino vaco. Este mecanismo recibe el nombre de difusin por vacante. Por descontacto que este proceso necesita la presencia de vacantes, y las posibilidades de la difusin de las vacantes es funcin del nmero estos defectos que existan. A elevada temperatura el nmero de vacantes de un metal es significativo. Puesto que en el movimiento difusivo los tomos y las vacantes intercambian posiciones, el movimiento de los tomos en la difusin va en sentido opuesto entre las vacantes. El auto difusin y la interdifusion ocurren mediante este mecanismo; en la interdifusion los tomos de soluto sustituyen a los tomos del disolvente.

3.1.2. Difusin intersticial

El segundo tipo de difusin implica a tomos que van desde una posicin intersticial a otra vecina desocupada. El mecanismo tiene lugar por interdifusion de solutos tales como hidrogeno carbono nitrgeno y oxgeno, que tiene tomos pequeos, idneos para ocupar posiciones intersticiales. Los tomos de soluto sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo. Este fenmeno se denomina difusin intersticial. En la mayora de las aleaciones, la difusin intersticial ocurre ms rpidamente que la difusin por vacantes, ya que los tomos intersticiales son ms pequeos que las vacantes y tienen mayor movilidad. Teniendo en cuenta que hay ms posiciones intersticiales vacas que vacantes, la probabilidad del movimiento atmico intersticial es mayor que la difusin por vacantes.

Mecanismo de difusin en los materiales: a) difusin de vacancia o de tomo Sustitucional; b) difusin intersticial

Datos de difusin para datos seleccionados.

3.2. PRIMERA LEY DE FICK: VELOCIDAD DE DIFUSION

La primera ley de Fick establece que el flujo J (el nmero de tomos, iones o molculas que pasan en unidad de tiempo a travs de un plano de superficie unitaria) es proporcional al gradiente de concentracinDC/DX (en tomos/cm3cm).El flujo durante la difusin queda definido como el nmero de tomos que pasa a travs de un plano de rea unitaria por unidad de tiempo.

Entonces:

Donde el factor de proporcionalidad D, es la difusividad o coeficiente de difusin (en ), est relacionado con la temperatura segn una ecuacin de Arrhenius anloga a la ya descripta;D = Doe-Q /RTCon Q como la energa de activacin y D0 constante para cada sistema de difusin dado (los valores tpicos se encuentran tabulados).3.2.1. Factores que modifican el flujo de tomos y la velocidad de difusin.El gradiente de concentracin puede crearse por ejemplo al poner en contacto dos materiales de distinta composicin, y muestra la forma en que la composicin vara con la distancia a la zona de contacto. En general el flujo inicial es alto en la zona de contacto, y luego se reduce conforme disminuye el gradiente. Si el gradiente de concentracin es constante (es decir si las composiciones a cada lado del plano no cambian) el flujo solo depender de la temperatura pero a menudo se observa que las concentraciones varan al irse redistribuyendo los tomos por lo que tambin el flujo cambia.Cuando se incrementa la temperatura de un material, se incremente el coeficiente de difusin D, y el flujo de tomos. Por sta razn, el tratamiento trmico de metales y el procesamiento de cermicos se efecta a altas temperaturas. As los tomos se mueven rpidamente para completar reacciones o alcanzar las condiciones de equilibrio.Los factores que disminuyan la energa de activacin incrementarn la difusin porque se requerir menos energa trmica para vencer la barrera energtica. La difusin intersticial, con una energa de activacin baja, ocurre mucho ms rpido que la difusin por vacancias.La energa de activacin Q ser, en general, menor para tomos difundindose a travs de estructuras cristalinas abiertas que compactas. Adems, como Q depende de la fuerza del enlace atmico, ser mayor para la difusin de tomos en materiales con alto punto de fusin.Materiales con enlaces covalentes, como el carbono y el silicio, tienen Q extraordinariamente altas, acorde a la alta resistencia de sus enlaces atmicos.En los materiales con enlaces inicos, como los cermicos, un in que difunda slo podr ocupar un sitio que tenga su misma carga y a fin de llegar a dicho sitio, deber abrirse paso entre los iones adyacentes, pasar por una regin de carga opuesta y moverse una distancia relativamente larga. Por lo tanto, las Q son mayores y las velocidades de difusin son menores para materiales inicos que para metales.Debido a su menor tamao, los cationes tienen coeficientes de difusin ms altos que los aniones (por ejemplo en el NaCl, la Q para la difusin de los iones Cl-es aproximadamente el doble que la correspondiente a la difusin de los iones Na+).Ilustracin del gradiente de concentracin.

En los polmeros puede existir difusin de tomos o de pequeas molculas por entre las largas cadenas polimricas (las bolsitas plsticas dejan pasar gases lquidos al estado de vapor, por ejemplo). De hecho, el polmero a emplearse deber ser seleccionado segn su funcin eligiendo los que permitan o no la difusin: sta ser ms rpida cuanto ms pequeo sea el elemento en difusin y cuantos ms huecos haya entre las cadenas del polmero. A travs de los polmeros amorfos, de menor densidad, la difusin es mucho ms rpida que a travs de los polmeros cristalinos, con un orden de largo alcance.Todo lo anterior se refiri en general a ladifusin volumtrica,es decir a travs del slido, con energas de activacin Q grandes y relativamente lentas. Sin embargo los tomos tambin pueden difundir a lo largo de bordes, interfaces y superficies del material, donde la compactacin atmica y la organizacin del cristal no son buenas. De hecho, los tomos difunden fcilmente pordifusin en los bordes de granoy an ms fcilmente y con menos restricciones pordifusin en superficies.Finalmente, laltima variable es el tiempo. Si para producir una estructura uniforme debe difundir un gran nmero de tomos, pueden requerirse extensos perodos, incluso a temperaturas altas.Se observa que evitando la difusin (por ejemplo con enfriamientos rpidos desde altas temperaturas) pueden obtenerse estructuras fuera del equilibrio con propiedades especiales bastante notables que pueden ser deseables (tal el caso de los aceros) que son la base de tratamientos trmicos sofisticados. 3.2.2. Factores del Coeficiente de Difusin D.

3.2.2.1. Mecanismo de difusinC (R.atm. Pequeo) difunde intersticialmente en Fe- (FCC) y en el Fe- (BCC) Cu R.atm ) difunde sustitucionalmente en una red metlica de Al.3.2.2.2. Tipo de estructura cristalina de la red anfitriona/matrizD (C en Fe-, FCC)=5.10 -15 m2/s < D(C en Fe- , BCC)=10-12 m2/s. F (BCC) =0.68< f (FCC)=0.743.2.2.3. Tipo de imperfecciones o defectos en el cristal:-Estructuras abiertas ( canales, planos, ) D- D superficie> D borde grano > D interior.3.2.2.4. Concentracin especies que difunden1. Variacin de las fuerzas de cohesin entre tomos.2. Direcciones preferenciales de migracin para disminuir la eg interna de la red.

3.2.2.5. Temperatura: T D

Difusin de tomos: Al T Energa trmica atm. Mayor probabilidad de mov. D D = f (T) (dependencia tipo Arrhenius):

D = difusividad (m2/s)D0 = Constante proporcionalidad (factor de frecuencia)Eact= E activacin necesaria para producir el movimiento difusivo de 1 mol de tomos R = constante de los gases T= Temperatura (K)Al Tf ED (ya que E enlace)

3.3. SEGUNDA LEY DE FICK: PERFIL DE COMPOSICIONLa segunda Ley de Fick, que describe la difusin dinmica, o en estado no estacionario, de los tomos, es la ecuacin diferencial:

Si se supone que el coeficiente de difusin D no es una funcin de la ubicacin x ni de la concentracin (c) de la especie que se difunde, se puede plantear una versin simplificada de la segunda ley de Fick, como sigue:

La solucin de esta ecuacin depende de las condiciones de frontera para un caso un caso en particular. Una solucin es:

Dnde: Cs = es una constante de concentracin de los tomos que se difunden en la superficie del material. C0 = es la concentracin uniforme inicial de los tomos que se difunden en el material. Cx = es la concentracin del tomo que se difunde a la posicin x debajo de la superficie despus de un tiempo t.Estas concentraciones se ilustran en la figura. En ellas se ha supuesto, en forma bsica, un modelo unidimensional; es decir, se supone que los tomos u otras especies que se difunden solo se mueven en la direccin x. la funcin efr es la funcin de error y se puede evaluar en la tabla.

Difusin de tomos en la superficie de un material, ilustrando el uso de la segunda ley de Fick.

Funcin error correspondiente a la segunda ley de FickDe esta manera, la solucin de la primera Ley de Fick permite calcular la concentracin de muestras cercanas a la superficie del material como una funcin del tiempo y la distancia, siempre y cuando el coeficiente de difusin D permanezca constante y las concentraciones de tomos difundidos en la superficie Cs y dentro del material C0 permanezcan sin cambios.

Una de las consecuencias de la segunda Ley de Fick es que se puede obtener el mismo perfil de concentracin para diferentes condiciones mientras el termino Dt sea constante. Esto permite determinar el efecto de la temperatura en el tiempo que requiere un tratamiento trmico en completarse.La definicin matemtica de la funcin de error es la siguiente:

En la ecuacin 5.8, y es el argumento de la funcin de error. Tambin se define una funcin de error complementario como sigue:

Esta funcin se usa en ciertas formas de solucin de la segunda ley de Fick.Como se mencion antes, segn las condiciones a la frontera, se obtienen distintas soluciones; es decir, hay varias ecuaciones que describen las soluciones de la segunda ley de Fick. Estas soluciones de la segunda ley de Fick permiten calcular la concentracin de una especie que se difunde en funcin del tiempo t y de la ubicacin x.La segunda ley de Fick tambin puede ayudar a disear diversas tcnicas de procesamiento de materiales, incluyendo el tratamiento trmico de cementacin o carburizacin del acero y la difusin de dopantes en semiconductores.Limitaciones de la aplicacin de la solucin basada en la funcin de error dada en la ecuacin 3.3.3En la ecuacin que describe la segunda ley de Fick (ecuacin 3.3.3):a. Se supone que D es independiente de la concentracin de la especie que se difunde; b. La concentracin superficial de la especie que se difunde (Cs), siempre es constante.Hay casos en que esas condiciones no se cumplen y, en consecuencia, la evolucin del perfil de concentracin no ser predicha por la solucin de difusin de error de la ecuacin 3.3.3. Si las condiciones a la frontera son distintas de las que se pusieron, se deben utilizar en la segunda ley de Fick.En la ecuacin 3.3.3 se requiere que haya una composicin constante Co en la interfaz; es el caso de procesos como el de cementacin del acero, en los cuales se suministra carbono a la superficie del acero. Sin embargo, en muchos casos la concentracin en la superficie cambia en forma gradual durante el proceso. En estos casos, se presenta la interdifusin de los tomos. El termino interdifusin significa difusin de una especie en una direccin y la difusin de otra especie en direccin contraria.A veces, la interdifusin puede causar dificultades. Por ejemplo, cuando se liga aluminio al oro a temperatura elevada, los tomos se difunden con ms rapidez en los tomos de oro, que los de oro hacia el aluminio. En consecuencia, al final hay ms tomos totales en el lado original del oro de la interfaz que en el lado original del aluminio. Esto provoca que la ubicacin fsica de la interfaz original se mueva hacia el lado del aluminio del par de difusin. Toda partcula extraa que este aprisionada originalmente en la interfaz tambin se mueve con la interfaz. A este movimiento de la interfaz, debido a las velocidades distintas de difusin, se le llama efecto Kirkendall. En algunos casos, se forman huecos en la interfaz como resultado del efecto Kirkendall, a los cuales se les llama plaga purpura. En otros casos, aun cuando las condiciones de frontera sean las mismas que las usadas para deducir la ecuacin 3.3.3 o se puedan manejar con ecuaciones alternas, el coeficiente de difusin D puede tener dependencia respecto a la concentracin. Tambin como D tiene una fuerte dependencia a la temperatura, al suponer una D constante se suponen casos de procesamiento isotrmico. En realidad, las temperaturas rara vez son constantes en el procesamiento de materiales. No es sorprendente observar con frecuencia perfiles de concentracin diferentes de los pronosticados por las diversas soluciones de la segunda ley de Fick.3.4. DIFUSIN Y PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES

3.4.1. FUSION Y COLADO: uno de los mtodos ms usados para procesar metales, aleaciones, muchos plsticos y vidrios, implica la fusin y el colado de los materiales para obtener una forma definida. La difusin desempea un papel de importancia especial en la solidificacin de los metales y las aleaciones. Durante el crecimiento de monocristales de semiconductores, por ejemplo, se debe asegurar que se tengan en cuenta las diferencias en la difusin de dopantes, tanto en estado fundido como slido. Esto se aplica tambin a la difusin de los elementos durante el colado de aleaciones.

3.4.2. SINTERIZACIN:Un cierto nmero de materiales se manufacturan en formas tiles mediante un proceso que requiere la consolidacin de pequeas partculas en una masa slida.El sinterizado es un tratamiento a alta temperatura que hace que las partculas se unan y que de manera gradual se reduzca el volumen del espacio de los poros entre las mismas. Es de uso frecuente en la fabricacin de componentes cermicos as como en la produccin de componentes metlicos en la llamada metalurgia de polvos.Cuando se compacta polvo de un material para obtener una preforma, las partculas depolvo entran en contacto en muchos puntos, aunque con una cantidad significativa de poros entre ellas. Los tomos difundirn hacia los puntos de contacto a fin de reducir la energa superficial entre las partculas. Si el sinterizado se efecta durante un tiempo prolongado pueden eliminarse los poros y el material se hace denso. La velocidad del sinterizado depende de la temperatura, de la energa de activacin y del coeficiente de difusin, as como del tamao original de las partculas.Este mtodo es usado para metales y cermicos avanzados, en estos ltimos una vez terminado el proceso, su microestructura queda fija. Los cermicos avanzados estn diseados para optimizar las propiedades mecnicas a temperaturas elevadas, reduciendo (por el sinterizado como forma de unin) la fase vtrea de la unin cermica, de bajo punto de fusin.

Procesos de difusin durante el sinterizado y la metalurgia de polvos. Los tomos se difunden hacia los puntos de contacto, formando puentes y reduciendo el tamao del poro.3.4.3. CRECIMIENTO DE GRANO: un material policristalino contiene una gran nmero de granos tiene muchos bordes de grano, que representan reas de alta energa debido a una ineficiente compactacin de los tomos. Si se reduce el rea total de los bordes de grano mediante el crecimiento de estos, se tendr en el material una energa general inferior. El crecimiento de los granos implica el desplazamiento de los bordes de grano, permitiendo que algunos granos crezcan a costa de otros. Implica en general mantener el material a temperaturas altas el perodo necesario de tiempo (ej. algunos metales).La fuerza impulsora del crecimiento de grano es la reduccin del rea e lmites de grano. Los lmites de grano son defectos, y su presencia causa un aumento de la energa libre del material. De este modo, la tendencia termodinmica de los materiales policristalinos es a transformarse en materiales que tienen mayor tamao promedio de grano. Las temperaturas elevadas o energas de activacin bajas aumentan el tamao de los granos. El crecimiento normal de grano, el tamao del grano promedio aumenta en forma continua y el ancho de la distribucin de tamaos de grano no se afecta en forma severa. En el crecimiento anormal de grano, la distribucin de tamaos de grano tiende a ser bimodal, es decir, se obtienen pocos granos muy grandes y entonces quedan pocos granos relativamente pequeos.

El crecimiento de grano se efecta cuando los tomos se difunden de un grano a otro, a travs del lmite de grano.

3.4.4. SOLDADURA POR DIFUSIN: mtodo utilizado para unir materiales. Se efecta en tres pasos. Primero, aplicando presin que deforma ambas superficies obligndolos a unirse, fragmentando las impurezas y produciendo una gran rea de contacto tomo-tomo. Mientras las superficies se mantienen en compresin y a temperatura elevada, los tomos difunden a lo largo de los bordes de grano hacia las vacancias restantes, reducindose el tamao de las vacancias en la interfaz (este paso es rpido). Finalmente, el crecimiento de los granos aleja los huecos remanentes de las fronteras de grano. El tercer paso implica la eliminacin completa de los huecos para lo que deber ocurrir la difusin volumtrica que es relativamente lenta. Este proceso se utiliza para unir metales reactivos como el titanio, para unir metales y materiales distintos, y para unir cermicos.

Pasos en la unin por difusin: a) a principio, el rea de contacto es pequea; b) al aplicar presin se deforma la superficie, aumentando el rea de contacto; c) la difusin en lmites de grano permite contraer los huecos, y d) para la eliminacin final de los huecos se requieren difusin en volumen.

4. CONCLUSION

5. BIBLIOGRAFIAJ.F. SHACKELFORD. Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros. Ed. Prentice Hall.Universidad Nacional de Lujn, Dto. de Ciencias Bsicas. (s.f.). Recuperado el 26 de Junio de 2014, de http://www.unlu.edu.ar/~qui10192/qi002.htm.

Movimiento de los tomos en los materiales20