AD4_Difusion_enunciados

Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica

TEMA:

DIFUSIÓN

Preguntas de teoría: 

¿Cuál es la causa que induce la difusión de una especie?

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¿Cuál puede ser la razón de que el boro difunda bien en el diamante mientras que el fosforo no?

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¿Nombra un tratamiento industrial que implica una difusión en fase sólida?

R = 8,31 J/molK = 1,987 cal/molK 1J = 0,239 cal -7 2 Do (Fe ) = 6,2x10 m /s Qd = 80 kJ/mol -5 2 Do (Fe ) = 1,0x10 m /s Qd = 136 kJ/mol 1.- Una lámina de acero de 2,5 mm de espesor está dentro de una atmósfera de nitrógeno a 900ºC y se ha alcanzado condiciones de difusión en estado estacionario. El coeficiente de difusión del nitrógeno en acero a esta temperatura es de 1,2x10-10 m2/s y el flujo de difusión es 1,0.10-7 kg/m2s. También se sabe que la concentración de nitrógeno en la cara del acero de mayor presión es de 2 kg/m3. ¿a qué distancia de la superficie que está a elevada presión la concentración es de 0,5 kg/m2? Suponer un perfil de concentración lineal. 2.- Determinar el tiempo necesario para alcanzar una concentración del 0,30% de carbono a 4 mm de la superfice de una aleación hierro-carbono que inicialmente contenía 0,10% C. la concentración de la superficie se mantiene a 0,90% C y la probeta se calienta a 1100 ºC. Utilizar los siguientes datos de difusión del Fe  Do = 5,0x10-5 m2/s Qd = 32,4 Kcal/mol 3.- Calcular los valores del coeficiente de difusión para la interdifusión del carbono en hierro  (BCC) y hierro  (FCC) a 900ºC. ¿Cuál es mayor? Justifícalo. Do (Fe ) = 6,2x10-7 m2/s Qd = 80 kJ/mol -5 2 Do (Fe ) = 1,0x10 m /s Qd = 136 kJ/mol 4.- La energía de activación para la difusión del cobre en plata es 193 000 J/mol. Calcular el coeficiente de difusión a 927 ºC, sabiendo que D a 727 ºC es 1,0x1014 m2/s 5.- ¿A qué temperatura aproximada la carburación superficial del hierro  durante 4 h produce el mismo efecto que la carburación a 1000ºC durante 12 h? (DGR)

6.- La superficie de un acero que contiene 0,1% de carbono debe endurecerse por cementación. En la cementación, el acero se coloca en una atmósfera que le proporcionará 1,2% de carbono en la superficie a temperatura elevada. El carbono difunde desde la superficie hacia el interior del acero. Para conseguir propiedades óptimas, el acero debe contener 0,45% de carbono a una profundidad de 0,2 cm por debajo de la superficie. Calcule el tiempo de cementación necesario para producir estas propiedades. Suponga que la temperatura es 900 ºC, de manera que el hierro tenga una estructura FCC.

7.- Se trata a 450oC una aleación de acero de una concentración inicial uniforme de 0,25% en peso

de C. Si la concentración de C en la superficie se lleva y mantiene a 1,20%, ¿cuánto tiempo se necesita para conseguir un contenido del 0,8% a 0,5 mm de profundidad? El coeficiente de difusión del C a esa temperatura es de 1,6 x 10-11 m2/s. (DGR)

8.- En una barra de Al puro empieza a difundir Cu durante 10 horas a 600oC, llegándose a una concentración de Cu determinada a una distancia concreta desde la superficie del Al. ¿Cuántas horas transcurrirían para conseguir la misma concentración de Cu en la misma posición si el mismo procesamiento (misma concentración de Cu en el exterior) se produce a 500oC? (Dato: la difusividad del Cu en Al es de 4,8 x 10-14 y 5,3 x 10-13 m2/s a 500 y 600oC, respectivamente). 9.- (A) Calcular el valor de la difusividad, D, del C en Fe-γ (FCC) a 927oC. Para ese par difusivo D0 = 2,0 x 10-5 m2/s; Q = 142 kJ/mol y R = 8,3145 J/mol·K. (B) Un gas con 0,9% de C empieza a carburizar un engranaje de acero 1020 (0,2% C) a 927oC. Calcule el tiempo (en minutos) necesario para incrementar el contenido de C hasta 0,4% a 0,5 mm de la superficie. Suponga que el contenido de carbono en la superficie es del 0,9%. (C) Para el mismo caso, calcular el contenido de C a 0,5 mm de la superficie tras un periodo de carburización de 5 horas.

10.- Considérese la difusión de impurezas de galio (Ga) a una temperatura de 1100oC durante 3 horas en una oblea de silicio (Si) que no tenía Ga anteriormente. La concentración de Ga en superficie se mantuvo a 1024 átomos/m3 en todo este procesamiento. Sabiendo que la difusividad del Ga en Si a esa temperatura es de 7 x 10-17 m2/s; ¿cuál es la profundidad por debajo de la superficie a la cual la concentración es de 1022 átomos/m3? 11.- Una aleación hierro-carbono FCC que inicialmente contenía 0,55% de C en peso está expuesta a una atmósfera de oxígeno y virtualmente libre de carbono a 1325 K (1052oC). En estas condiciones el C difunde desde el interior de la aleación y reacciona con el oxígeno, manteniendo la concentración superficial a 0%. ¿A qué distancia de la superficie la concentración del C será del 0,25% después de 10 h de tratamiento? El valor de D a 1325 K es de 4,3 x 10-11 m2/s. (DGR) 12.- Una aleación de hierro-carbono FCC que inicialmente contenía 0,10% de C en peso se carburó a elevada temperatura en una atmósfera que mantenía la concentración de C en la superficie a 1,1%. Determinar la temperatura del tratamiento térmico necesario para conseguir, después de 48 h, una concentración del 0,3% a una distancia de 3,5 mm de la superficie. (Dato: la difusividad del C en austenita es de 9,2 x 10-12 y 7,0 x 10-11 m2/s a 900 y 1100oC, respectivamente). (DGR) 13.- La difusividad de la plata en el metal plata sólido es 1,0 x 10-17 m2/s a 500oC y 7,0 x 10-13 m2/s a 1000oC. Calcúlese la difusividad a 700oC. (DGR) 14.- Se forma un par difusivo entre el cobre puro y una aleación cobre-níquel. Después de calentar el par a 1273 K (1000oC) durante 30 días, la concentración del níquel en el cobre es de 10,0% a 0,50 mm de la intercara cobre-aleación de níquel. ¿Cuál era la composición inicial de la aleación cobreníquel? El factor de frecuencia (D0) y la energía de activación (Q) para la difusión del Ni en Cu son 2,7 x 10-4 m2/s y 236000 J/mol, respectivamente.