This document discusses diffusion in solid solutions. It describes two mechanisms of diffusion: vacancy diffusion and interstitial diffusion. Vacancy diffusion occurs when atoms move into vacant lattice sites, while interstitial diffusion occurs when small atoms diffuse through the spaces in a crystal lattice. The document also covers Fick's first law of diffusion, which states that the flux of atoms is proportional to the concentration gradient. Maintaining a concentration gradient drives the diffusion process from higher to lower concentration regions.

1. METALURGIA FÍSICA II
Es el estudio de los materiales de uso más frecuente en la
ingeniería, sus aplicaciones y los diferentes procesos o
transformación que debe realizar, para cumplir con los
requisitos adecuados para las diversas aplicaciones o usos
I. Difusión en Soluciones Sólidas

2. IMPORTANCIA DE LA DIFUSIÓN
• La difusión es de gran importancia para una gran variedad de tecnologías
actuales. Tiene aplicación en los tratamientos térmicos de los aceros que
mejoran sus propiedades mecánicas.
• Todos los tratamientos térmicos siempre implican la difusión atómica, para
el endurecimiento, recocido, revenido etc. de los aceros.
• La tecnología de la difusión nace como una respuesta a la degradación
pronta de las piezas metálicas, para dar una vida útil mas larga y mayor
rentabilidad económica de las piezas metálicas.

3. IMPORTANCIA DE LA DIFUSIÓN
Algunos tratamientos térmicos
• Carburización: endurecimiento de la superficie de la pieza como los
engranajes con átomos de carbono
• Nitruración. Endurecimiento de la superficie del acero con átomos de
nitrógeno.
• Recocido: transformar un material duro (martensita) en material blando
(ferrita + perlita).
• Revenido: transformar un material duro (martensita) en semiduro
martensita revenida (cementita + ferrita).

4. I. DIFUSIÓN EN SOLUCIONES SÓLIDAS
1.1 INTRODUCCIÓN
• La difusión se refiere al flujo neto de cualquier especie como iones,
átomos y moléculas. Dentro de un sólido, líquido o un gas.
• Esta transferencia va acompañada de la Difusión, un fenómeno de
transporte por movimiento atómico.
• La magnitud de éste flujo depende de la concentración del soluto y de la
temperatura.

5. DIFUSIÓN
• El proceso de difusión se lleva gracias al movimiento de los átomos
de carbono.
• Ejemplo 1. Carburización para endurecer la superficie de los aceros
(ejemplo: diente de un engranaje), una fuente de átomos de
carbono como un polvo de grafito o una fase gaseosa CO se difunde
sobre la superficie de la pieza.
• El incremento de carbono en la superficie de la pieza incrementa la
dureza de este.

6. DIFUSIÓN
Figura 1.1 Difusión en engranajes, se nota la
capa exterior de cementación

7. DIFUSIÓN
Núcleo:
Ferrita
+perlita
Capa cementada:
Cementita +
perlita

8. MICROESTRUCTURA DE UN ACERO DE 1%C
Perlita
Cementita
La cementita bordea los granos de perlita, es un acero euperduro por el contenido de
carbono.

9. DIFUSIÓN
• Ejemplo 2. El interdifusión: El fenómeno de la difusión se puede
demostrar mediante el par difusor formado por la unión de dos
metales puestos en contacto a través de las caras, como el par de
metales Cobre y Níquel.
• En la figura (a) se muestra que inicialmente cada metal mantiene sus
átomos en sus posiciones de equilibrio como consecuencia de la
fuerza de enlace, antes del tratamiento térmico de recocido.

10. DIFUSIÓN
• Figura b) Zona de aleación del par difusivo Cu y Ni poco desarrollado
por menor tiempo de tratamiento.
• Figura c) Zona completa de aleación por difusión del par Cu y Ni
después de un tratamiento de recocido a alta temperatura
• Este resultado indica que los átomos de Cu han emigrado o difundido
dentro del metal Ni, asimismo los átomos de Ni han difundido dentro
del metal Cu.
• Este proceso de intercambio de átomos se denomina interdifusión.

11. 1.2 MECANISMOS DE LA DIFUSIÓN
• En la difusión de los materiales sólidos los átomos están en continuo
movimiento y cambian rápidamente de posición.
• La movilidad atómica exige dos condiciones 1) un lugar vecino vacío y
2) que el átomo debe tener suficiente energía térmica como para
romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante
el desplazamiento
• Para este movimiento se han propuesto dos modelos: Difusión por
vacantes e intersticial.

12. MECANISMOS DE DIFUSIÓN
1.2.1 Difusión por Vacantes
•Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas
desde una posición a otra si hay suficiente energía de
activación proporcionada por la energía térmica
(Temperatura) de los átomos, que generan vacancias.

13. A) DIFUSIÓN POR VACANTES
.
Figura 1.4 Difusión por vacantes

14. DIFUSIÓN INTERSTICIAL
• La difusión intersticial implica a átomos que van desde una posición
intersticial a otra vecina desocupada. Para que el mecanismo intersticial
sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunden (soluto) debe ser
relativamente pequeño comparado con los de la red (solvente).
• Ejemplo: los átomos de hidrógeno, nitrógeno, boro y carbono pueden
difundirse intersticialmente en la mayoría de las redes cristalinas
metálicas.

15. b) difusión intersticial
Figura 1.5 Difusión intersticial
Tamaño atómico

16. Difusión intersticial
• En la mayoría de las aleaciones, la difusión intersticial ocurre mas
rápidamente que la difusión por vacantes, debido a que los átomos
intersticiales son mas pequeños que las vacantes y tienen mayor
movilidad.
• También la difusión intersticial requiere menor energía de activación.

17. Difusión intersticial
• Entre las aplicaciones Industriales de la difusión intersticial están la
cementación gaseosa, cementación líquida, y la cementación sólida.
• El acero SAE 1020 puede utilizarse en el proceso de difusión
(cementación), se escoge este acero por su bajo contenido de
carbono 0.2%, se recomienda para la fabricación piezas
estructurales, o de maquinaria de mediana resistencia con una gran
tenacidad.
• Este acero también tiene buena soldabilidad.

18. Difusión intersticial
• APLICACIONES
• Se emplea este tratamiento de cementación para elevar la dureza
de 25 a 55 HRC y la resistencia de los aceros y que pueda ser usado
en partes de maquinaria que no estén sometidos a grandes
esfuerzos mecánicos como tensión, torsión etc.
• En ejes, eslabones de cadena, pasadores, bujes cementados,
piñones para transmisión de cadena de bajo esfuerzo, clavos para
ferrocarril, etc.

19. 1.3 ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LA DIFUSIÓN
• Durante la Difusión, los átomos deben abrirse camino a través de los
átomos que los rodean para alcanzar su nuevo sitio.
• Para que esto suceda debe aplicarse energía para permitir que los
átomos de muevan a su nueva posición.
• Esto se muestra esquemáticamente en la figura:

20. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LA DIFUSIÓN
Figura 1.6 Energía de activación

21. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LA DIFUSIÓN
DESCRIPCIÓN
• Al principio el átomo está en un lugar de baja energía relativamente estable.
Para moverse a una nueva localización, debe superar una barrera de energía,
que es la energía de activación Q.
• La energía térmica suministra a los átomos la energía necesaria para superar
esta barrera.
• Con frecuencia se utiliza el valor de Q para denotar las energías de activación
de diferentes

22. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LA DIFUSIÓN
• Procesos (Velocidad a la que saltan los átomos, una reacción química,
la energía necesaria para producir vacancias)
• Se debe tener cuidado de comprender el proceso o fenómeno
especifico al que se está aplicando la Q, ya que el valor de esta
depende del fenómeno específico.
• Por lo general, se requiere menor energía para la difusión intersticial
que para la difusión por vacancia.

23. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN DE LA DIFUSIÓN
• Se utiliza el término par de difusión para indicar una combinación de un
elemento dado como el carbono que se difunde en un material ejemplo Fe
(CCuC).
• En la autodifusión la Q, es igual a la energía necesaria para crear una
vacancia y provocar el movimiento del átomo.
• En la siguiente tabla se muestra la Q y el D0 (constante de velocidad de la
difusión).

24. .

25. .

26. 1.4 Primera Ley de Fick
• Consideremos la difusión de soluto en la dirección del eje x entre dos
planos atómicos perpendiculares al plano del papel, separados una
distancia x. Como se muestra en la figura 1.7
• Consideremos para un tiempo determinado, que la concentración de
átomos en el plano 1 es C1 y en el plano 2 es C2. Esto significa que se
producen cambios en la concentración de soluto con el tiempo en estos
planos.

27. Primera Ley de Fick
.
Figura 1.7 Difusión en estado estacionario mostrando el gradiente de concentración

28. Primera Ley de Fick
• Estas condiciones de difusión se conocen como “Estado estacionario”.
• Por ejemplo: Las condiciones de difusión de estado estacionario se
alcanzan cuando el gas hidrógeno se encuentra a una presión alta en un
lado y a una presión baja en el otro.
• En la figura 1.7 se producirá un flujo neto de átomos desde la
concentración más alta hacia la concentración más baja de soluto.

29. Primera Ley de Fick
• El flujo neto de átomos se representa en este tipo de sistemas mediante la
ecuación:
• Donde: J= flujo neto de átomos (Kg/m2 s); at /cm2 s
D= Coeficiente de difusión (m2/s) ; cm2/s
dC/dx= Gradiente de concentración (kg/m3 *m) ;
at/cm3 *cm

30. Primera Ley de Fick
• La ecuación tiene un signo negativo, esto significa que la difusión ocurre
desde una concentración mayor a otra menor, es decir existe un
gradiente negativo. Esta ecuación se llama primera ley de Fick.
> concentración
< concentración

31. Primera Ley de Fick
• Gradiente de Concentración. El gradiente de concentración muestra
como varía la composición del material con la distancia.
𝑑𝐶
𝑑𝑥
=
𝐶1−𝐶2
𝑥2−𝑥1
• puede crearse un gradiente de concentración cuando un gas o un
líquido se ponen en contacto con un sólido.