143123253-descarburizacion

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

Laboratorio de Transformaciones de fase

Walter Vladimir Medrano Vértiz

Granados Ferrer Emmanuel

grupo 1

Práctica

Determinación del coeficiente de difusión mediante una

descarburiación simple

Objetivos:

Conocer el proceso de la descarburización.Determinar el coeficiente de difusión mediante un proceso de difusión.

Introducción La difusión se refiere al flujo neto de cualquier especie, como iones, átomos, electrones o moléculas. La magnitud de este flujo depende del gradiente de la concentración y la temperatura. El proceso de difusión es de gran importancia para una gran variedad de tecnologías importantes actuales. En las tecnologías del procesamiento de materiales actuales es clave el control sobre la difusión. Existen cientos de tecnologías que dependen del incremento o limitación de la difusión. El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente debido a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos quedan restringidos (no existe convección), debido a los enlaces que mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el único mecanismo de transporte de masa es la difusión. Sin embargo las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos permiten que algunos átomos se muevan. La difusión de éstos en metales y aleaciones es particularmente importante si consideramos el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos; como ejemplo se pueden citar la formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado en frío y la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida.

MECANISMOS DE DIFUSIÓN

Existen dos mecanismos principales de difusión en los átomos en una estructura cristalina: (1) mecanismo de vacantes o sustitucional, y (2) el mecanismo intersticial.

1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos están siempre presentes para facilitar que tenga lugar la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas; La energía de activación para la difusión propia es igual a la suma de la energía de activación necesaria para formar la vacante y la energía de activación

necesaria para moverla.

2. Mecanismo de difusión intersticial

La difusión intersticial de los átomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de los átomos de la matriz. Los átomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno, pueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas metálicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa BCC y hierro gamma FCC. En la difusión intersticial de carbono en hierro, los átomos de carbono deben pasar entre los átomos de la matriz de hierro.

EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA DIFUSIÓN EN SÓLIDOS

El coeficiente de la difusión es una función notable de la temperatura, por experimentación se ha encontrado que la dependencia de la temperatura de la velocidad de la difusión de muchos sistemas puede ser expresada por el siguiente tipo de ecuación de Arrhenius:

donde, Do es una constante y Q es una constante llamada energía de activación de las especies en difusión en J/mol o cal/mol. Los valores de D casi siempre se dan en unidades cgs (cm2/s). R, es la constante universal de los gases

La dependencia de la temperatura es muy fuerte; los metales de elevado punto de fusión tienen los mayores valores de D a temperatura ambiente, y los metales de bajo punto de fusión tienen los más bajos valores de D.

Procedimiento ExperimentalSe realiza un proceso de descarburizacion a 9 probetas de acero W1 (el cual tiene una composición de 1.05% de C, 0.20% de Mn y 0.20% de Si. A cada una con sus propias condiciones de tiempo y de temperatura. Tres probetas de acero W1 se introducen al horno a 850ºC por un tiempo de una, dos y tres horas respectivamenteLas siguientes tres probetas se introducen al horno a 950ºC por un tiempo de una, dos y tres horas respectivamente.Por ultimo las tres probetas restantes se introducen a una temperatura de 1050ºC por un tiempo de una, dos y tres horas.

A cada probeta se le realiza metalografía para su análisis.Con ayuda del microscopio se mide la longitud de la capa descarburizada.Con los datos experimentales obtenidos se calcula el Do y se compara con el valor teorico.

Material y reactivos10 probetas de acero W1hornos a las diferentes temperaturas (850ºC, 950ºC y 1050ºC)reactivo de ataque Nital 3

Resultados Imágenes de las metalografías realizadas a las piezas descarburizadas.

1 hora 2 horas 3 horas850ºC

950ºC

1050ºC

Temperatura Tiempo (s) X exp (cm)

X exp (Mm) D exp 1/T ln Dexp

1123 3600 0.008017 80.17 3.31E-09 0.000890472 -19.5241123 7200 0.010588 105.88 2.89E-09 0.000890472 -19.6611123 10800 0.016075 160.75 4.44E-09 0.000890472 -19.2311223 3600 0.009267 92.67 4.43E-09 0.000817661 -19.2341223 7200 0.0187 187 9.02E-09 0.000817661 -18.5231223 10800 0.03021 302.1 1.57E-08 0.000817661 -17.9691323 3600 0.023187 231.87 2.77E-08 0.000755858 -17.4001323 7200 0.029702 297.02 2.27E-08 0.000755858 -17.5971323 10800 0.0699091 699.091 8.40E-08 0.000755858 -16.291

Memoria de cálculoD exp= x2/42t

D exp=(0.008017)2/4(3600)(1.16)2

D exp=3.31x10-9cm2/s

0.00074 0.00076 0.00078 0.0008 0.00082 0.00084 0.00086 0.00088 0.0009

-20

-19.5

-19

-18.5

-18

-17.5

-17

-16.5

-16

f(x) = − 21706.5357094163 x − 0.00261829954717641R² = 0.983519025783042

f(x) = − 15334.4556650763 x − 5.99949818666511R² = 0.999852854631205f(x) = − 15432.3699684556 x − 6.0444823414361R² = 0.814985768729202

ln D exp vs 1/T 2 horasLinear (2 ho-ras)3 horas

1/T

ln D

exp

línea azul – 1horalínea roja - 2 horaslínea verde- 3 horas

Al realizar una regresión del tipo líneal a cada gráfica de los diferentes tiempos, se obtienen tres ecuaciones, las cuales corresponden a:

y=-a-b(1/T) entonces se puede decir que en la ecuación de la recta

ln D = lnDo – Q/RT -a=ln Do y -b=-Q/R

Así podemos obtener el valor de Do y Q para cada ecuación para después obtener un promedio:

Por tanto nuestra ecuación general nos quedaD= Do exp (-Q/RT)

Experimental: D=0.334exp (-34754.61/RT) teórico: D=0.12exp(-32000/RT)

horas ln Do Do (cm2/s) Q/R Q (cal)1 0.0026 0.9974 -21707 -43131.802 5.9995 0.00248 -15334 -30468.653 6.04445 0.00238 -15432 -30663.38Promedio 0.334 -34754.61

Para 1123KDexp=5.75x10-8 D=7.09x10-8

Para 1223 KDexp=2.5x10-7 D=2.29x10-7

Para 1323 KDexp=6.05x10-7 D=6.20x10-7

Análisis de resultadosEn las imágenes de las metalografías realizadas se observa como hay un cambio en la estructura cristalina de el acero, la parte superficial de la pieza tiene estructura ferritica mientras que el centro presenta estructura perlitica, lo cual nos indica que el carbono que estaba en el grano se a difundido, dejando una estructura con un %de carbono muy bajo; hay una clara tendencia con respecto a la temperatura, a mayor temperatura la capa de ferrita que se encuentra en la parte externa de la pieza es mayor, así mismo el tiempo es un factor que afecta el proceso de difusión y a mayor tiempo que la pieza estuvo en el horno, la capa ferritica de la superficie aumentó.

El D y Do fueron calculados a partir de la longitud de la capa descarburizada en la pieza asi obteniendo Do y sabiendo a la temperatura a la cual se llevo a cabo nuestro proceso, se realizaron graficas para un mejor análisis de los datos, con apoyo de la regresión lineal, se obtuvieron ecuaciones las cuales permiten el calculo de un Q promedio y una Do promedio. Los valores obtenidos experimentalmente son muy parecidos a los teóricos, pero en el caso de la grafica para el tiempo de 3600 segundos, los datos son incongruentes, podemos atribuir esa desviación a un error el la toma del tiempo, ya que este parámetro afecta muy seriamente al coeficiente de difusión.

Conclusión Hay una relación directa entre el coeficiente de difusión y la temperatura.Hay una relación directa entre el coeficiente de difusión y tiempo.La descarburización es un proceso de difusión, en el cual los átomos de carbono presentes en los intersticios de la red de Fe fluyen a través de la red hacia fuera de la pieza o a otros granos dejando a los granos superficiales con una esructura con un bajo contenido de carbono

Bibliografía Verhoeven, John, D. Fundamentos de Metalurgia Física. Ed. Limusa. 1987

Smith, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Mc Graw Hill. 1993