AUTODIFFUSIONE Autodiffusione

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "AUTODIFFUSIONE Autodiffusione"

Gianmaria Meli
8 anni fa
Visualizzazioni

1 DIFFUSIONE ATOMICA La diffusione è un processo importante che influenza il comportamento di un materiale alle alte temperature (creep, trattamenti termici superficiali, tempra chimica del vetro, ricristallizzazione, sinterizzazione). Acciaio in cui lo strato superficiale esterno (superficie più scura) è stato indurito (cementazione) mediante un processo di diffusione di C attraverso la superficie.

2 AUTODIFFUSIONE Una semplice dimostrazione del fenomeno della diffusione consiste nell osservare una goccia di inchiostro che cadendo nell acqua dà luogo nel tempo alla loro mescolanza a livello molecolare. Nel liquidi il movimento di molecole o atomi è abbastanza rapido e semplice da visualizzare in presenza di variazioni di concentrazione. Tuttavia, la mobilità atomica è sempre presente anche nei solidi anche se è un processo molto più lento; in assenza di gradienti di concentrazione esso non determina alcuna variazione nella distribuzione media degli atomi e non è perciò osservabile (autodiffusione). Autodiffusione nei metalli: distribuzione degli atomi di Ni radioattivi (posti inizialmente sulla superficie del Ni non radioattivo) e curve di concentrazione corrispondenti dopo un certo numero di salti degli atomi da una posizione di equilibrio all altra. a) condizione iniziale, prima della diffusione b) gradiente di diffusione c) uniformità della oncentrazione dopo una diffusione prolungata

Tuttavia, la mobilità atomica è sempre presente anche nei solidi anche se è un processo molto più lento; in assenza di gradienti di concentrazione esso non determina alcuna variazione nella

3 INTERDIFFUSIONE La mobilità atomica è sempre presente anche nei solidi, ma se avviene in assenza di gradienti di concentrazione o densità, essa non determina alcuna variazione nella distribuzione media degli atomi e non è perciò osservabile. Il sistema non ritorna spontaneamente allo stato iniziale Il movimento degli atomi di Ni e Cu avviene con la stessa probabilità in ogni direzione ma la differenza di composizione chimica iniziale determina un flusso netto di atomi di Ni nel Cu e viceversa. a) Coppia di diffusione rame-nichel prima (sinistra) e dopo (destra) un trattamento termico. b) Rappresentazione schematica dela disposizione degli atomi di Cu (cerchi colorati) e Ni (cerchi grigi) all interno della coppia di diffusione. c) Concentrazione di rame e di nichel in funzione della posizione all interno della coppia.

Il sistema non ritorna spontaneamente allo stato iniziale Il movimento degli atomi di Ni e Cu avviene con la stessa probabilità in ogni direzione ma la differenza di composizione chimica iniziale

4 Meccanismi di diffusione Per rendere realizzabile praticamente la diffusione è necessaria la presenza di difetti di punto. Quando tutti gli atomi hanno la stessa dimensione il meccanismo di migrazione per vacanze (sempre presenti a causa dell agitazione termica) rende minima la distorsione del cristallo durante la migrazione atomica e l energia termica necessaria affinchè l atomo si sposti dalla sua posizione di equilibrio. In questo caso il flu sso di materia è opposto alla direzione del flusso di vacanze. 1) per vacanze 2) interstiziale 3) scambio ciclico 4) scambio diretto Ad una certa T una frazione di atomi sarà in grado di diffondere grazie alla propria energia vibrazionale. Questa frazione cresce con la T. Variazione dell energia libera durante uno spostamento nel caso di diffusione per vacanze. La Specie che diffonde deve avere sufficiente energia termica. Energia libera

migrazione atomica e l energia termica necessaria affinchè l atomo si sposti dalla sua posizione di equilibrio. In questo caso il flu sso di materia è opposto alla direzione del flusso di vacanze.

5 In presenza di difetti interstiziali di piccole dimensioni (atomi sufficientemente piccoli da entrare in posizioni interstiziali quali tipicamente H, O, N, C) se l impurezza interstiziale ha sufficiente energia termica addizionale può muoversi verso un altro sito interstiziale, modificando (aumentando) le normali distanze interatomiche tra gli atomi e superando quindi anche in questo caso una barriera energetica (diffusione interstiziale). Energia libera Ad esempio, affinché avvenga la diffusione interstiziale rappresentata in figura è necessaria energia addizionale poiché le normali distanze interatomiche tra gli atomi vengono modificate (aumentano) affinché l atomo interstiziale si muova verso l altro sito.

superando quindi anche in questo caso una barriera energetica (diffusione interstiziale).

6 Leggi di Fick In presenza di un gradiente di concentrazione la mobilità degli atomi o molecole determina un flusso di materia nella direzione del gradiente che tende a ridurre l energia libera del sistema e ad eliminare il gradiente di concentrazione. La quantità di materia trasportata dipenderà quindi dal tempo (la diffusione infatti è un processo dipendente dal tempo). Tra il flusso di materia Jx ed il gradiente di concentrazione C/ x esiste la relazione espressa dalla seguente relazione (Prima legge di Fick) J D C x = x Prima legge di Fick J x = flusso di materia, quantità di materia diffondente che passa per unità di tempo attraverso un'area unitaria perpendicolare alla direzione del moto D (fattore di proporzionalità) = coefficiente di diffusione [J x ] = Kg/m 2 sec o atomi/m 2 sec [D] = m 2 / sec In condizioni di stato stazionario, cioè in presenza di un gradiente di concentrazione che non varia nel tempo e nello spazio è possibile calcolare il flusso diffusivo. Tale situazione si verifica in casi abbastanza particolari, come la diffusione di una sostanza attraverso una parete sottile di materiale che separa due zone in cui la concentrazione della specie diffondente rimane costante. x C C = x x A C x A B = B J x at 4 m

Tra il flusso di materia Jx ed il gradiente di concentrazione C/ x esiste la relazione espressa dalla seguente relazione (Prima legge di Fick) J D C x = x Prima legge di Fick J x = flusso di materia,

7 Seconda legge di Fick: condizioni non stazionarie : C t = 2 D C 2 x Quando la concentrazione della specie diffondente ad un punto specifico lungo il percorso diffusivi (x) varia nel tempo il gradiente di concentrazione e il flusso di materia vengono modificati Fattori che influenzano la diffusione Processo termicamente attivato: l aumento di D con la temperatura dipende principalmente dall aumento dell energia termica e dalla concentrazione di difetti (vacanze). D = D 0 e E d / RT Ed 1 ln D = ln D0 R T D 0 = fattore pre-esponenziale indipendente dalla temperatura (m 2 /sec) Ed = energia di attivazione della diffusione (J/mole) R = costante dei gas, 8.31 J/mole K T = temperatura assoluta (K)

con la temperatura dipende principalmente dall aumento dell energia termica e dalla concentrazione di difetti (vacanze).

8 Il coefficiente di diffusione oltre a variare con la temperatura dipende dalla natura degli atomi che diffondono e del solido in cui avviene la diffusione, e il coefficiente di diffusione di uno stesso atomo in solidi diversi sarà quindi diverso (diversa E d ). Al bordo del grano e sulla superficie di un solido la velocità di diffusione è maggiore poiché è maggiore il volume libero entro il cristallo in regioni non perfette. La struttura cristallina influenza anche la diffusione: ad esempio il C può diffondere con un meccanismo interstiziale attraverso il Fe CCC più velocemente che nel Fe CFC (l energia di attivazione per la diffusione E d sarà in quest ultimo caso maggiore), infatti quest ultimo possiede un fattore di impaccamento maggiore e passaggi attraverso i siti interstiziali più piccoli, nonostante la dimensione dei siti interstiziali sia maggiore. Fe CCC : FI 0.74 Fe CCC : FI 0.68 Ed 1 ln D = ln D0 R T

Al bordo del grano e sulla superficie di un solido la velocità di diffusione è maggiore poiché è maggiore il volume libero entro il cristallo in regioni non perfette.

Documenti analoghi

Trattamenti termici dei metalli

Trattamenti termici dei metalli TRATTAMENTI TERMICI Trasformazioni di fase: termodinamica vs cinetica Trattamenti che portano le leghe verso le condizioni di equilibrio (es: ricottura) Trattamenti che