Appunti lezioni 7/8 Tecnologia dei materiali

D

B 4

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Diffusione / Interdiffusione

Interdiffusione: In una lega, gli atomi tendono a

migrare dalle regioni a più alta concentrazione

Riscaldamento ad

elevata T (< Tf di

entrambi i materiali)

100%

0

Concentration Profiles

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Diffusione / Meccanismi Diffusione

ad anello

Diffusione Diffusione

Diffusione

per affollamento interstiziale

per vacanze

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Diffusione / per vacanze

Interscambio di un atomo da una posizione normale del reticolo ad una

posizione vacante adiacente.

Con questo meccanismo si può attuare sia l autodiffusione (atomi dello stesso

tipo) che l interdiffusione (atomi di impurezza).

La velocità dipende da:

numero di vacanze

• energia di attivazione delle

• vacanze per lo scambio

Vi è una netta direzionalità o trasporto d atomi dalle regioni ad alta

concentrazione a quelle a bassa concentrazione.

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Diffusione interstiziale

Si applica a impurezze interstiziali. Implica atomi che migrano da una posizione

interstiziale ad al a adiacente vuota.

Più rapido della diffusione di vacanze:

gli atomi interstiziali sono più piccoli e quindi più mobili e hanno bisogno di meno

• energia di attivazione

vi sono più posizioni interstiziali vuote che vacanze, quindi la probabilità di movimenti

• atomici interstiziali è maggiore che per la diffusione per vacanze.

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MODELLARE LA DIFFUSIONE: il FLUSSO

La diffusione è un processo che dipende dal tempo e quindi la quantità di un elemento

che viene trasportato entro un altro è funzione del tempo.

Quanto veloce è la diffusione, ovvero la rapidità con cui la massa viene trasferita?

massa

Flusso

Sezione di area A tempo

Quantità Direzionale 10

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Diffusione / a

Velocità di diffusione (1 Legge di Fick)

Se il flusso non varia nel tempo si consegue una condizione stazionaria.

nel sistema considerato non ci sia variazione di concentrazione di atomi di soluto in questi due

piani nel tempo.ci sia variazione di concentrazione di atomi di soluto in questi due piani nel

tempo B

A x

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Diffusione / a

Velocità di diffusione (1 Legge di Fick)

Se il flusso non varia nel tempo si consegue una condizione stazionaria.

nel sistema considerato non ci sia variazione di concentrazione di atomi di soluto in questi due

piani nel tempo.ci sia variazione di concentrazione di atomi di soluto in questi due piani nel

tempo A B il flusso è proporzionale al

gradiente di concentrazione

c

x =

J D x

A.A. 2021/22 Tasso o Velocità di Diffusione

(1a legge di Fick )

Prima legge di Fick Espressione analitica che lega il

flusso di atomi per diffusione al coefficiente di diffusione

ed al gradiente di concentrazione.

Coefficiente di Diffusione (D) coefficiente dipendente

dalla temperatura legato alla velocità con cui gli atomi,

ioni, o altre specie, diffondono.

Gradiente di Concentrazione Il tasso di cambiamento

della composizione con la distanza in un materiale

nonuniforme c

=

J D x

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Diffusione stazionaria

C Spessore piastra x x

Δx

A.A. 2021/22 Diffusione stazionaria

C

Flusso stazionario ∗ x

A.A. 2021/22 ESEMPIO DI DIFFUSIONE STAZIONARIA

Piastra di Acciaio

a 700°C con

la geometria

mostrata:

Q: Quanto Carbonio

si trasferisce

dalle zone più concentrate

alle zone meno concentrate? 13

A.A. 2021/22 ESEMPIO DI DIFFUSIONE STAZIONARIA

Piastra di Acciaio posta in

atmosfera carburante a 700°C

con la geometria mostrata:

Quanto Carbonio si

trasferisce dalle zone più

concentrate alle zone

meno concentrate? a 700°C

13

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PROFILI DI CONCENTRAZIONE E FLUSSO 3

Profili di Concentrazione, C(x): [kg/m ]

Cu flux Ni flux

Concentration Concentration Adapted

from Fig.

[kg/m3] [kg/m3]

of Cu of Ni 5.2(c),

Callister 6e

.

Position, x

Maggio e il gradino del profilo di concentrazione,

più grande sarà il flusso! 11

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DIFFUSIONE NON STAZIONARIA : 2° Legge di Fick

C C1 C2

Il profilo di Concentrazione, C(x) cambia con il tempo ti 14

A.A. 2021/22

DIFFUSIONE NON STAZIONARIA : 2° Legge di Fick

Il profilo di Concentrazione,

C(x), ovvero il flusso e il gradiente, cambia con il tempo ti

E . che governa il flusso in

condizioni non stazionarie:

La 2 legge di Fick afferma che la velocità di

a

variazione della composizione è uguale alla

diffusività per la velocità di variazione del

gradiente di concentrazione. 14

A.A. 2021/22 Diffusione / a

2 Legge di Fick

Condizioni al contorno:

C

Concentrazione Cs Solido semi-infinito

a

2 Legge di Fick Cx

C

0 x

X=0

Distanza dalla superficie di interfaccia x

2 funzione di errore gaussiana

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Diffusione / a

2 Legge di Fick

La 2 legge di Fick, che descrive lo stato

a

dinamico o non-stazionario della diffusione,

permette di calcolare la concentrazione di un

elemento vicino la superficie del materiale in

funzione del tempo e della distanza.

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DIFFUSIONE NON STAZIONARIA

Il Rame diffonde in na ba a di All minio:

C(x,t)

Cs t

3

t2

t1

t

o

Co position, x

Soluzione Generale: 15

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Diffusività e temperatura

A.A. 2021/22

Diffusione / Fattori che influenzano la velocità del processo

Il coefficiente di diffusione

Do costante di diffusione

Q energia di attivazione

T temperatura assoluta

R costante di Boltzmann

Fattori:

Energia di attivazione

Temperatura a cui avviene la diffusione

Struttura cristallina

Tipo di difetti presenti nel reticolo

Concentrazione delle specie diffuse

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