Aula Difusão 02 10

Prévia do material em texto

DIFUSÃO 
Ana Paula A. Manfridini 
Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais 
 
Difusão - transporte de massa por movimento atômico. 
(Autodifusão e Interdifusão) 
 
 
Mecanismos 
• Sólidos – difusão por lacunas ou difusão 
intersticial. 
Os átomos de um metal puro não estão em repouso. Acima de 0 K, 
os átomos vibram em torno das suas posições de equilíbrio no 
reticulado e,além disto, poderiam trocar de posição entre si. Este 
último fenômeno é denominado autodifusão. É impossível detectar 
através de mudanças composicionais. 
Frequência de Debye: 1013 a 10 14 s-1 
Mudança de posição: 100 milhões de vezes por segundo (CFC e HC). 
Dados: Padilha, 2000 
Autodifusão 
Interdifusão 
Ambos os elementos se interpenetram e variam a concentração em 
função da posição. Em uma liga, os átomos tendem a migrar de regiões 
de elevada concentração para regiões de baixa concentração. 
Par de difusão 
O mecanismo de troca de lugar com lacunas parece ser o mais provável 
para explicar a movimentação atômica nas soluções sólidas 
substitucionais. A taxa de difusão depende da concentração de lacunas. 
Difusão por lacuna 
No caso das soluções sólidas intersticiais, a passagem do átomo 
intersticial entre os átomos da rede é o mecanismo mais provável. A 
difusão de átomos intersticiais é mais rápida que a difusão de átomos 
substitucionais, para o mesmo metal base. 
Difusão intersticial 
Aplicações 
Fonte: Godefroid, (UFOP) 
Aplicações 
 Dopagem de silício com fósforo para semicondutores do tipo n. 
 
 Prensagem e sinterização: consolidação de pequenas partículas 
de pó em uma massa sólida, com redução do volume de poros entre 
elas. 
 
 Difusão e fluência: a degradação de materiais submetidos a 
carregamento mecânico em elevadas temperaturas ocorre por 
migração atômica. 
 
Purificação de gases através de chapas metálicas. 
Difusão em Estado Estacionário 
A quantidade de um elemento que é transportado para o interior de 
outro elemento é uma função do tempo. A taxa de transferência de 
massa é dada pelo fluxo de difusão (J). 
Onde: 
J: fluxo de difusão (at/m2.s ou kg/m2.s); 
M: massa; 
A: área através da qual a difusão ocorre; 
t: tempo de difusão decorrido. 
Difusão em Estado Estacionário 
Perfil de concentração 
Fonte: Godefroid (UFOP) 
Difusão em Estado Estacionário 
Difusão em Estado Estacionário 
Coeficiente de Difusão (D) 
Coeficiente de Difusão para alguns elementos 
Gráfico do logaritmo do coeficiente de difusão em função do inverso da 
temperatura absoluta para diferentes materiais. 
Exemplo: Difusão de um gás por uma placa metálica. As pressões do 
componente em difusão em ambas as superfícies da placa são mantidas 
constantes 
Uma placa de ferro está exposta a 700ºC a uma atmosfera carbonetante 
(rica em carbono) em um de seus lados e a uma atmosfera descarbonetante 
(deficiente em carbono) no outro lado. Se uma condição de regime 
estacionário é atingida, calcule o fluxo de difusão do carbono através da 
placa, dado que as concentrações de carbono nas posições a 5 e a 10 mm 
abaixo da superfície carbonetante são 1,2 e 0,8 kg/m3 , respectivamente. 
Considere um coeficiente de difusão de 3x10-11 m2/s nessa temperatura. 
Exemplo 1: 
Difusão em Estado Não- Estacionário 
 A maioria das situações práticas de difusão ocorrem em estado não 
estacionário. 
 O fluxo de difusão e o gradiente de concentração dependem do 
tempo. 
 É usada a segunda lei de Fick. 
Condições de contorno devem ser especificadas para cada caso. 
Segunda Lei de Fick. 
Perfis de concentração para difusão em 
estado não estacionário em três tempos 
diferentes. 
Uma solução importante na prática é para um sólido semi-infinito. São 
adotadas as seguintes hipóteses: 
• Antes da difusão, todos os átomos do soluto em difusão presentes no 
sólido estão uniformente distribuídos com uma concentração C0. 
 
• O valor de x na superfície é zero e aumenta com a distância para dentro 
do sólido. 
 
•O tempo zero é tomado como instante imediatamente anterior ao início do 
processo de difusão. 
 
Temos a seguinte solução: 
Difusão em Estado Não- Estacionário 
Cx representa a concentração em uma profundidade x decorrido um 
tempo t. 
Difusão em Estado Não- Estacionário 
Difusão em Estado Não- Estacionário 
Exemplo 2: Para algumas aplicações, torna-se necessário endurecer a 
superfície de um aço a níveis superiores aos que existem no seu interior. 
Uma das maneiras de se conseguir isso é através de um aumento na 
concentração de carbono na superfície do material, através de processo 
denominado carbonetação. A peça de aço é exposta, sob uma temperatura 
elevada, a uma atmosfera rica em um hidrocarboneto gasoso, tal como o 
metano (CH4). Considere uma dessas ligas contendo uma concentração 
inicial uniforme de carbono de 0,25%p e que deve ser tratada a 950ºC. Se a 
concentração de carbono na superfície for repentinamente elevada e 
mantida em 1,20%p, quanto tempo será necessário para atingir um teor de 
carbono de 0,80%p em uma posição localizada 0,5 mm abaixo da 
superfície? O coeficiente de difusão do carbono no ferro sob essa 
temperatura é de 1,6 X 10-11 m2 /s; considere a peça como semi-infinita.