Movimiento de Los Átomos - Difusión

CIENCIA DE MATERIALES I MOVIMIENTOS DE ÁTOMOS Y DE IONES EN LOS MA MATERI TERIALES ALES

Introducción •

“Los átomos y los iones tienen una tendencia a moverse de manera predecile !de mayor a menor potencial" para eliminar las di#erencias en las concentraciones y producir composiciones $omo%&neas 'ue $acen al material más estale de manera termodinámica() termodinámica() As*eland+ Donald) Ciencia e In%enier,a de materiales) -ta edición)

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Los átomos y los iones suelen di#undirse o moverse dentro de un material+ con lo cual se minimi.an las di#erencias en sus concentraciones)

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El o/etivo en esta unidad será0 estudiar los principios y las aplicaciones de la di#usión en los materiales)

DI12SI3N Es el movimiento o 4u/o de una o varias part,culas dentro de un material) • 5art,culas como0 iones+ átomos+ electrones+ electrones+ mol&culas+ entre otros) • La velocidad de di#usión en %ases es alta+ mientras 'ue en sólidos es relativamente a/a o lenta) • La ma%nitud del 4u/o o de la di#usión depende principalmente de0 Del %radiente de concentración) De la temperatura) •

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El movimiento de los átomos es necesario en muc$os de los tratamientos 'ue se llevan a cao en los materiales de in%enier,a)

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A5LICACI6NES A5LICACI6NES DE LA LA DI12SI3N Muc$os procesos tecnoló%icos actuales dependen del incremento o limitación de la di#usión)

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La di#usión es un proceso muy importante y crucial en0 el tratamiento t&rmico de metales+ la solidi7cación de materiales+ la #aricación de transistores !con dopantes"+ de celdas solares+ en la conductividad el&ctrica de cerámicos+ entre otros)

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5or tanto+ al comprender el mecanismo de trans#erencia de masa 'ue se reali.a mediante la di#usión+ podremos manipular o dise8ar t&cnicas de procesamiento de materiales 'ue me/oren las propiedades de los materiales+ as, como me/orar procesos de manu#actura)

DI12SI3N

La di#usión es importante para el procesamiento de los materiales) Al%unos e/emplos de procesos donde la di#usión /ue%a un papel prota%ónico son los si%uientes0

9 El crecimiento de los %ranos en los metales depende de la di#usión) 9 El estado de e'uilirio teórico de un metal consiste en estar #ormado por un sólo cristal) 9 5or la #orma cómo #unciona el proceso de solidi7cación+ los metales poseen muc$os cristales o %ranos) 9 Las #ronteras de los %ranos incrementan la ener%,a %uardada en el material+ por tanto+ el material usca reducir esa ener%,a $aciendo 'ue sus %ranos cre.can tratando 'ue las #ronteras entre ellos desapare.can o se redu.can) 9 Se re'uiere una temperatura m,nima para 'ue e:ista el proceso de di#usión+ por tanto+ si el metal no está a una temperatura su7cientemente alta+ la estructura del metal no puede camiar ya 'ue los átomos no tienen movilidad) Sin emar%o+ si se calienta el metal a una temperatura

A5LICACI6NES DE LA DI12SI3N •

Soldadura por di#usión) Soldadura   unión de dos pie.as+ %eneralmente metálicas+ #undiendo un pe'ue8o volumen de &stas y lue%o permitiendo 'ue el l,'uido resultante se me.cle y solidi7'ue) 

Los procesos convencionales de soldadura utili.an una #uente de calor para provocar la #usión !arco el&ctrico+ comustile+ láser+ etc)") En muc$os procesos+ la temperatura 'ue se re'uiere para provocar la #usión puede crear de#ectos en la unión) La soldadura por di#usión permite unir dos pie.as aplicando presión y una temperatura moderada) En esta soldadura+ los átomos de una de las partes se di#unden $acia la otra+ creando la unión)

A5LICACI6NES DE LA DI12SI3N •

Metalur%ia de polvos) 5roceso

de

#aricación

mediante el cual se #arica una pie.a sólida a partir de materia prima 'ue se encuentra en polvo) El polvo se compacta y lue%o se calienta+ de/ando 'ue la di#usión se encar%ue de unir las part,culas #ormando al sólido) Este proceso es conocido como sinteri.ado)

MECANISM6 DE DI12SI3N EN ESTAD6 S3LID6 •

Los materiales están #ormados por átomos+ iones+ electrones+ etc) 5ara e:plicar el mecanismo del proceso de di#usión+ consideraremos inicialmente los átomos)

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Saemos 'ue en los materiales+ los átomos se encuentran a%rupados #ormando un con/unto 'ue puede estar ordenado en una estructura cristalina)

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Deemos a8adir el $ec$o de 'ue los átomos 'ue #orman al material no están estáticos+ sino 'ue viran y pueden despla.arse en la estructura del material)

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Es as, 'ue podemos por e/emplo+ tomar una muestra del material con un determinado n;mero de átomos ordenados) Cada átomo ocupa un punto de red de7nido por la celda unitaria correspondiente) Los átomos están unidos por enlaces 'u,micos+ y la distancia entre los átomos es la necesaria para 'ue la ener%,a total de los mismos sea la menor posile)

Los puntos de red ser,an e'uivalentes a depósitos donde se colocan los átomos !es#eras") • El átomo está en e'uilirio cuando se uica en el #ondo del depósito+ ya 'ue en este punto su ener%,a potencial %ravitatoria es la menor posile) •

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En un material+ los átomos viran alrededor de su posición de e'uilirio) En la analo%,a de los depósitos+ esto es e'uivalente a a%itar el depósito con los átomos) Estos comen.arán a oscilar $acia arria y aa/o en su respectivo depósito+ despla.ándose una distancia i%ual en amas direcciones de su posición de e'uilirio)

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5ara poder oscilar+ los átomos necesitan tener ener%,a)

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En los materiales la ener%,a re'uerida para causar la oscilación es proporcional a la temperatura asoluta del material) Cuando la temperatura es < =+ no e:iste nin%una viración y por tanto los átomos están en reposo en su posición de e'uilirio) A medida 'ue la temperatura aumenta+ la viración de los átomos aumenta)

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Al%unos átomos pueden lle%ar a virar más violentamente 'ue otros+ dando lu%ar a temperaturas no uni#ormes en partes locali.adas del material)

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Cuando en un material e:isten vacancias y además ocurre 'ue al%uno de los átomos en las cercan,as de la vacancia vira más 'ue el resto+ puede suceder 'ue el átomo se mueva al punto de red vacante)

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En el modelo de depósitos y es#eras+ esto es e'uivalente a 'ue una de las es#eras del depósito se mueva ruscamente y se pase al depósito conti%uo) A este movimiento de los átomos en la

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La velocidad del movimiento de los átomos o iones está relacionada con la temperatura o ener%,a t&rmica+ lo podemos evidenciar a trav&s de la ecuación de Arr$enius0

dónde0 C< ? Constante 'ue depende de la naturale.a de los átomos 'ue se mueven) R ? Constante universal de los %ases) !@)B calmol ="  ? Ener%,a de activación para 'ue @ mol de átomos se mueva !calmol")  T ? Temperatura asoluta !=")

Energía de activación Los átomos tienen %uardada cierta cantidad de ener%,a+ la cual los mantiene oscilando alrededor de su posición de e'uilirio) Cuando los átomos intentan moverse+ se topan con una arrera ener%&tica 'ue intenta oli%arlos a 'uedarse en su posición de e'uilirio) La ener%,a de activación es la ener%,a 'ue el átomo necesita reciir para vencer esa arrera y de/ar su posición inicial para lle%ar $asta la posición 7nal+ la cual puede ser una vacancia !di#usión por vacancia" cercana o un sitio intersticial !di#usión intersticial")

E/ercicio Se • encuentra 'ue los átomos se mueven de una posición de red a otra a una velocidad de a F