Difusió

Gran part dels processos i reaccions en el tractament de materials es basen en la transferència de massa, intrínsicament lligada a la difusió: fenomen de transport per moviment atòmic. En totes les reaccions cal una energia d’activació concreta.

Mecanismes de difusió

A nivell atòmic, la difusió consisteix en l’emigració dels àtoms d’un lloc de la xarxa a un altre. Perquè aquesta mobilitat sigui possible cal: 1) un lloc veí buit, i 2) l’àtom ha de tenir prou energia com per trencar els enllaços veïns i distorsionar la xarxa durant el seu desplaçament.

Interdifusió Difusió d’un material en un altre. S’aprecia pels canvis de concentració amb el temps. El procés comença on n’hi ha menys i fins on n’hi ha més, amb tendència a equilibrar-se.

Autodifusió Difusió en el propi material. Els canvis de posició dels àtoms en el mateix material no provoca cap canvi.

Per vacants

Implica el canvi d’un àtom des d’una posició reticular a una vacant propera. El nombre de vacants augmenta amb la temperatura, en el cas dels metalls incrementa considerablement.

Intersticial Més ràpida que la difusió per vacants, ja que les posicions intersticials existeixen sempre i no requereixen una aportació d’energia. La mida dels àtoms que es desplacin a posicions intersticials ha de ser molt petita en comparació amb els de la xarxa. És freqüent amb soluts com l’hidrogen, el carboni, el nitrogen o l’oxigen.

Estats de difusió Estacionari

L’objectiu és determinar el flux net d’àtoms que es difonen perpendicularment a través d’una unitat d’àrea per una unitat de temps. La seva expressió matemàtica és: , en o . Per expressar el mateix concepte però en una direcció concreta ( ) es recorre a la primera llei de Fick: ; on és la difusivitat (pròpia de cada material), la diferència de concentració d’àtoms i el quocient es coneix com gradient de concentració.

El coeficient de difusivitat es pot trobar segons la fórmula: .

En estat estacionari es compleix que el flux de difusió no canvia amb el temps.

No estacionari

En aquesta situació tant el flux de difusió com el gradient de concentració varia amb el temps i en l’espai. En tal cas és convenient utilitzar la següent equació, denominada segona llei de Fick: . S’està prenent com una constant tot i que depèn de . En unes condicions límit es traduiria com: ; on és la concentració a la distància de la superfície transcorregut , la concentració superficial, i la concentració inicial uniforme.

Factors de la difusió

En els valors de hi intervenen diferents factors:

· Mecanisme de difusió: segons si és intersticial o substitucional. En el primer cas l’energia d’activació serà menor.

· Temperatura: és directament proporcional a la difusivitat.

· Tipus d’estructura de la xarxa dissolvent: el factor d’empaquetament és inversament proporcional a la difusivitat.

· Tipus d’imperfeccions cristal·lines: el nombre de vacants és directament proporcional al coeficient de difusivitat.

· Concentració dels elements difusors: en aquest cas la concentració de solut també és directament proporcional.

Deformació plàstica permanent

El moviment de la dislocació d’un costat a un altre del cristall produeix deformació plàstica: la part baixa del cristall es mou una distància b respecte la part superior.

El procés mitjançant el qual es produeix la distorsió s’anomena lliscament, i ho fa al llarg del pla de lliscament. Per poder lliscar dos plans cristal·logràfics entre si caldria la tensió ideal, però els resultats experimentals mostren que la real és molt menor degut a la presència de defectes en l’estructura atòmica.

Enlloc de fer saltar tots els àtoms o plans atòmics alhora, ho fan un a un. Per tant, és més rendible aprofitar una dislocació ja existent que crear-ne una altra. Existeixen, com ja s’ha dit anteriorment tres tipus de dislocacions: de cunya, helicoïdal i mixta.

Deformacions en policristal·lins Lliscament

Sistema de lliscament: pla de lliscament (el que té més densitat planar d’àtoms) + direcció de lliscament (la que té major densitat lineal, dins el pla).

Maclat

En aquest cas, un cop realitzat el desplaçament els àtoms situats a la part inferior del pla (de maclat) queden com imatges especulars del superior. Ocorre en metalls amb estructures HCP i BCC, a temperatures baixes i a altes velocitats de l’impacte. La deformació que produeix en comparació amb el sistema de lliscament és molt petita, però el seu gran avantatge és que pot col·locar nous sistemes de lliscament en orientacions favorables respecte l’eix de tracció, de manera que ara el lliscament es pot produir fàcilment.

Mecanismes d’enduriment dels metalls

La capacitat d’un metall per deformar-se plàsticament depèn de la capacitat de les dislocacions per moure’s. En el cas d’un material en el qual les dislocacions no es mouen, es converteix en més dur i resistent.

La resistència que un material oposa al moviment de dislocació es veu afavorida per la pròpia del cristall (major en enllaços covalents i menor en els metàl·lics) i altres defectes com fronteres de gra, impureses, partícules i altres dislocacions.

Els mecanismes d’enduriment són:

· Mida de gra: en reduir-la augmenta el nombre de fronteres de gra, fet que proporciona major resistència per dos motius: 1) dos grans tenen orientacions diferents , de manera que per passar d’un a l’altre una dislocació hauria de canviar la seva direcció i això esdevé més difícil a mesura que augmenta la diferència d’orientació, i 2) el desordre atòmic dins del límit de gra produirà una discontinuïtat dels plans de lliscament d’un gra a un altre.

· Solució sòlida: consisteix en aliar metalls amb àtoms d’impureses per formar solucions sòlides intersticials o substitucionals. Les impureses generen distorsions a la xarxa i això dificulta la seva mobilitat. Si l’àtom que s’afegeix té un radi més petit que el de la xarxa generarà esforços de tracció, mentre que si és més gran, aquests seran de compressió.

· Deformació en fred: aquest fenomen succeeix a temperatura “freda” en comparació a la temperatura de fusió dels metalls. Consisteix en transformar un metall dúctil en un més resistent, mitjançant la deformació plàstica. S’explica en base a les interaccions entre les dislocacions. En provocar la deformació en un metall incrementa el nombre de dislocacions, que queden molt més juntes, i en promig, les interaccions d’una amb l’altre són repulsives. De forma que el moviment d’una dislocació queda frenat per la presència d’una altra.

Corrosió

Els metalls, com a conseqüència del contacte amb el medi ambient, pateixen reaccions degudes als següents factors: aire, humitat i temperatura. Els seus efectes variaran segons si el medi és salí o àcid.

· metalls+oxigen+calor=oxidació

· metalls+oxigen+humitat=corrosió atmosfèrica

· metalls+àcids=corrosió química

· polímers+medi ambient=degradació

Corrosió electroquímica

És una reacció d’oxidació-reducció (redox) que consisteix en una transferència d’electrons: el reactiu oxidant (càtode) els guanya i el reductor (ànode) els cedeix. La reacció global és, doncs, el resultat de la semireacció d’oxidació ( ) per una banda, i la de reducció per l’altra.

Semireacció de reducció

Aquesta pot ser de diferents formes en funció del medi.

· Dissolució àcida amb elevada concentració d’ions hidrogen, com el cas de la pluja àcida. .

· Dissolució àcida amb oxigen dissolt. .

· Dissolució aquosa neutra o bàsica amb oxigen dissolt. .

· Ions metàl·lics: un ió metàl·lic en captar electrons por reduir la seva valència o arribar a l’estat neutre. / .

Cèl·lules electroquímiques

Estan formades per dos elèctrodes (ànode i càtode), cadascun en contacte amb una solució, units mitjançant l’electròlit. El potencial de la cèl·lula és la diferència entre ells: . Per definició la reacció que es produeix en una cèl·lula electroquímica és espontània, de forma que . I sabent que , es dedueix que .

Equació de Nernst

El potencial de la reacció es podria calcular segons la diferència de tensió galvànica dels elèctrodes, normalitzada en una taula per la majoria dels metalls. Però només és vàlida en condicions estàndard (C.E.). De manera que el més freqüent és recórrer a l’equació de Nernst: ; on i corresponen a l’ànode, i al càtode i i representen els electrons que intercanvien respectivament (si coincideixen no esdevé , es manté només).

La fórmula es pot modificar i adaptar de dues formes:

· Substituint les constants i passant a base 10

· El mateix cas anterior i fixant la temperatura a 298K

Velocitat de corrosió

· Velocitat de penetració de la corrosió: és la pèrdua d’espessor de material per unitat de temps.

· Velocitat molar de corrosió: en funció de la densitat del corrent.

	Criado por Berenice aproximadamente 10 anos atrás

Ciència i Tecnologia de Materials (I) EUETIB UPC