La Diffusione Allo Stato Solido PDF

LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Le figure della lezione sono tratte dal libro «Scienza e Ingegneria dei Materiali» di W.D. Callister Jr. e da «Metallurgia degli acciai» di M. Boniardi e A. Casaroli Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 20...

LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Le figure della lezione sono tratte dal libro «Scienza e Ingegneria dei Materiali» di W.D. Callister Jr. e da «Metallurgia degli acciai» di M. Boniardi e A. Casaroli Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2019/2020 2021/2022 1  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Nel trattamento dei materiali si possono avere una serie di reazioni e processi accompagnati da fenomeni di trasferimento di massa → Possono avvenire sia all’interno di solidi, liquidi o gas. Sono fenomeni contraddistinti da processi di diffusione → Trasporto di materia attraverso il movimento di atomi. Per comprendere il processo, consideriamo: ✓ Due metalli differenti in contatto. ✓ Scaldati ad alta temperatura ( < Tfusione) per un lungo tempo. ✓ Raffreddati a Tambiente. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 2  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Dopo il trattamento: ✓ Analisi chimica rileva elementi puri all’estremità della coppia + regione di alligazione. ✓ Concentrazione di tali elementi nei due metalli varia con la posizione. ✓ Atomi di rame sono Condizione pre- Condizione post- migrati o diffusi nel trattamento trattamento nichel e viceversa. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 3  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Si parla di Interdiffusione quando gli atomi di un metallo diffondono in un altro: ✓ Basata sulla variazione di concentrazione nel tempo. ✓ Contraddistinta da una netta direzionalità, o trasporto, di atomi dalle regioni ad elevata concentrazione verso quelle a bassa concentrazione (creazione di un cosiddetto gradiente di concentrazione). ✓ Rilevata mediante analisi delle variazioni di concentrazione nel tempo: Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 4  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Si può verificare anche nel caso di metalli puri → Autodiffusione: ✓ Variazione di posizione fra atomi dello stesso tipo. ✓ Non vi è alcuna variazione di composizione chimica. Condizioni necessarie affinché si verifichi Inter/Auto-diffusione: 1. Posizione adiacente vuota. 2. Gli atomi devono avere sufficiente energia per vincere i legami con gli atomi vicini, provocando sufficienti distorsioni reticolari durante lo spostamento. ↓ Tale energia è di tipo vibrazionale. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 5  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO Ad una precisa temperatura solo una piccola frazione del numero totale di atomi è in grado di compiere movimenti diffusivi → In funzione dell’ampiezza delle loro energie vibrazionali. Al crescere della temperatura ↓ Aumenta l’energia vibrazionale disponibile ↓ Aumenta la frazione di atomi in grado di compiere movimenti diffusivi Temperatura e Tempo influiscono sulla diffusione. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 6  MECCANISMO I: DIFFUSIONE DI VACANZE T TABELLATA Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 20  x = distanza dalla superficie 𝑥 𝑧= D = diffusività 2 𝐷𝑡 t = tempo Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 21 LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO: PROCESSI SOMMARIO PROCESSI DI DIFFUSIONE STAZIONARIA NON STAZIONARIA 𝑑𝑐 𝑑𝑐 𝐽e non variano nel 𝐽e variano nel 𝑑𝑥 𝑑𝑥 tempo tempo Prima legge di Fick Seconda legge di Fick 𝑑𝑐 𝜕𝐶 𝜕 𝜕𝐶 𝐽 = −𝐷 = 𝐷 𝑑𝑥 𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑥 Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 22  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO: L’EFFETTO DELLA TEMPERATURA Temperatura → effetto significativo sulla velocità e sul coefficiente di diffusione. La dipendenza del diffusività con la temperatura viene espressa attraverso la seguente equazione: 𝑄 𝐷0 [𝑚2 /𝑠] coefficiente di diffusione (− ) 𝐷= 𝐷0 𝑒 𝑅𝑇 Q [J/mol] energia di attivazione T [K] temperatura R [J/mol K] costante dei gas Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 23  LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO: L’EFFETTO DELLA TEMPERATURA Energia di attivazione → energia richiesta per produrre il movimento di diffusione di una mole di atomi. Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 24 Ing. Lorenzo Montesano Ph.D. – LA DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO – 2021/2022 25