CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 3

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Ciência e Tecnologia dos 
Materiais 
Profª. Dr. Kelly Bossardi 
e-mail: kelly.bossardi@prof.uniso.br 
DIFUSÃO 
Por que estudar DIFUSÃO? 
Com frequência, materiais de todos os tipos são 
submetidos a tratamentos térmicos para suas 
propriedades; e os fenômenos que ocorrem durante 
tratamento térmico envolvem quase sempre a taxa de 
difusão atômica. 
 
Fenômeno de transporte de matéria por movimento 
atômico. 
 
INTERDIFUSÃO ou Difusão de Impurezas – dois ou mais 
elementos; 
AUTODIFUSÃO – em materiais denominados puros – todos 
os átomos que estão mudando de posição são do mesmo 
tipo. 
 
 
 
MECANISMOS DE DIFUSÃO 
De uma perspectiva atômica, a difusão consiste simplesmente a 
migração passo a passo dos átomos de uma posição para outra 
na rede cristalina. 
Para um átomo fazer esse movimento duas condições devem ser 
atendidas: 
(1) Deve existir uma posição adjacente vazia; 
(2) O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as 
ligações atômicas com seus átomos vizinhos e então causar 
alguma distorção da rede durante seu deslocamento. Essa 
energia é de natureza vibracional. 
 
Em uma temperatura específica, uma pequena fração do número 
total de átomos é capaz de se mover por difusão, em virtude das 
magnitudes de suas energias vibracionais. Essa fração aumenta 
com o aumento da temperatura. 
DIFUSÃO POR LACUNAS: Envolve a troca de um 
átomo de uma posição normal da rede para uma 
posição adjacente vaga ou lacuna na rede cristalina. 
DIFUSÃO INTERSTICIAL: Átomos que migram de 
uma posição intersticial para uma outra posição 
intersticial vizinha que esteja vazia. 
A difusão intersticial ocorre muito mais rapidamente 
que a difusão por lacunas, uma vez que os átomos são 
menores – desta forma mais móveis; e existem mais 
posição intersticiais vazias que lacunas. 
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSÃO 
Espécie em Difusão e Tempertura: A magnitude do 
coeficiente de difusão (D) é indicativa da taxa na qual 
os átomos se difundem. 
A espécie em difusão, assim como o material 
hospedeiro, influencia o coeficiente de difusão. 
 
Existe uma diferença significativa na magnitude entre 
a autodifusão e a interdifusão do carbono no ferro α a 
500°C – sendo D maior para a interdifusão do carbono, 
conforme tabela. 
Autodifusão - mecanismos de lacunas. 
Interdifusão - intersticial. 
 
𝑫 = 𝑫𝟎𝐞𝐱𝐩(−
𝑸𝒅
𝑹𝑻
) 
 
Onde: 𝐷0 = uma constante pré-exponencial 
independente da temperatura (m²/s). 
 𝑄𝑑 = a energia de ativação para a difusão 
(J/mol ou eV/átomos.K). 
 R = a constante dos gases: 8,31 J/mol.K ou 
8,62x 10−5 eV/átomos.K. 
 T = temperatura absoluto (K). 
Exemplo 1) Considerando os dados na Tabela, 
calcule o coeficiente de difusão para o magnésio 
no alumínio a 550°C. 
Diagrama de Fases 
Diagramas de fases são mapas que 
permitem prever a microestrutura de um 
material em função da temperatura e 
composição de cada componente.„ 
 
Fase é uma porção homogênea do material 
que tem propriedades físicas ou químicas 
uniformes 
Equilíbrio de Fases 
Equilíbrio - pode ser mais bem descrito em termos de uma grandeza 
termodinâmica conhecida como energia livre. Sucintamente, a energia livre é 
uma função da energia interna de um sistema e também da aleatoriedade ou 
desordem dos átomos ou moléculas (entropia). 
Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre se encontra em um 
valor mínimo para uma combinação específica de temperatura, pressão e 
composição. Em um sentido macroscópico, isto significa que as características 
do sistema não mudam ao longo do tempo, mas persistem indefinidamente; 
isto é, o sistema é estável. 
Uma alteração na pressão, na temperatura e/ou na composição de um sistema 
em equilíbrio irá resultar em um aumento na energia livre e em uma possível 
mudança espontânea para outro estado onde a energia livre seja reduzida. 
 
DIAGRAMA DE FASES 
Conceitos: 
 
Diagrama de fase binário – Diagrama de fase para um sistema de dois 
componentes; 
 
Diagrama de fase ternário – Diagrama de fase para um sistema de três 
componentes; 
„ 
Diagrama de fase isomorfo – Diagrama de fase no qual os componentes 
apresentam solubilidade sólida ilimitada; 
„ 
Temperatura liquidus – Temperatura na qual o primeiro sólido se forma 
durante a solidificação;„ 
 
Temperatura solidus – Temperatura abaixo da qual todo o líquido está 
completamente solidificado. 
Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características 
não mudam com o tempo. 
Geralmente são representadas nos diagramas 
por letras gregas 
 
Fases metaestáveis: suas propriedades ou características 
mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de 
equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há 
mudanças muito perceptíveis com o tempo na 
microestrutura das fases metaestáveis. 
 
Limite de Solubilidade 
Os diagramas de fase podem representar sistemas: 
• Solubilidade total 
• „Solubilidade parcial 
• „Insolubilidade 
A figura apresenta um diagrama 
isomorfo simples onde os 
pontos TCu e Tni representam as 
temperaturas de fusão dos 
componentes: Cu e Ni. 
O diagrama é formado por uma 
região de uma única fase líquida (L), 
uma região de uma única fase sólida 
() , e uma região de duas 
fases (líquido L + sólido a ) 
As curvas que separam as regiões de 
uma fase da região de duas fases 
são as linhas líquidus e sólidus. 
Estas indicam que há uma diferença 
fundamental de comportamento na 
solidificação de um metal puro e de 
uma solução sólida 
Interpretação do diagrama de equilíbrio 
„ 
Fases presentes - localiza-se a temperatura e 
composição desejada e verifica-se o número de fases 
presentes; 
„ 
Composições das fases – usa-se o método da linha de 
amarração (isoterma); Para um sistema monofásico a 
composição é a mesma da liga. 
„ 
Porcentagem ou Proporção das fases - quantidades 
relativas das fases (regra da alavanca). 
Fases Presentes 
 
O estabelecimento de quais fases presentes é relativamente simples. 
Tudo o que precisa ser feito é localizar o ponto temperatura-
composição de interesse no diagrama de fase e observar com 
qual(is) fase(s) o campo de fases correspondente está identificado. 
A – Sólido  
 
B – Sólido  
 Líquido L 
Composição das fases 
Para um sistema monofásico a composição é a mesma da liga. Ex: Ponto A 
- 60% Ni e 40% Cu. 
 
Para uma sistema bifásico- Constrói-se uma linha de amarração através da 
região bifásica à temperatura da liga; 
Anotam-se as intersecções da linha de amarração com as fronteiras entre 
as fases em ambos os lados 
Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas 
intersecções até o eixo horizontal das composições, onde a composição 
em cada uma das respectivas fases pode ser lida 
 
Proporção ou Porcentagem das Fases – REGRA DA 
ALAVANCA 
Sistema Bifásico - Linha de amarração é construída 
através da região bifásica na temperatura da liga 
A composição global da liga é localizada sobre a linha de 
amarração 
A fração de uma fase é calculada tomando-se o 
comprimento da liga de amarração desde a composição 
global até a fronteira entre fases com a outra fase e 
então dividindo-se esse valor pelo comprimento total 
A fração da outra fase é determinada de maneira 
semelhante 
Para calcular as quantidades de líquido e de sólido, se constrói 
uma alavanca sobre a isoterma com seu ponto de apoio na 
composição original da liga (ponto dado). O braço da alavanca, 
oposto a composição da fase cuja quantidade se calcula se 
divide pelo comprimento total da alavanca, para obter a 
quantidade desta fase. Em geral a regra da alavancapode ser 
escrita desta forma: 
 
 
 
 
Pode-se utilizar a regra da alavanca em qualquer região 
bifásica de um diagrama de fases binário. Em regiões de 
uma fase não se usa o cálculo da regra da alavanca posto 
que a resposta é óbvia (existe 100% da fase presente). 
 
Passos para calcular as composições: 
FASE LÍQUIDA: 
FASE SÓLIDA: 
Exemplo 2) Determine as fases presentes, proporção 
e composição para o diagrama CuNi na a 1250°C com 
composição inicial de 40%Ni 60%Cu. 
 
Exemplo 3) Uma liga Cu-Ni com composição 70%Ni-
30%Cu é aquecida lentamente a partir de 1300ºC. 
Determine as fases presentes, proporção e a 
composição. 
Miscibilidade sólida parcial (Diagramas com 3 fases) 
Muitas combinações de dois elementos produzem diagramas de 
fases mais complicados que os sistemas isomorfos. Estes sistemas 
contêm reações que implicam três fases independentes. 
A seguir aparecem definidos cinco destes. 
Cada uma das reações pode ser 
identificada em um diagrama de 
fases complexo mediante o seguinte 
procedimento: 
 
1. Localize uma linha horizontal no diagrama de fases. A linha horizontal que indica a 
presença de uma reação de três fases e representa a temperatura na qual ocorre a 
reação em condições de equilíbrio. 
 
2. Localize três pontos distintos na linha horizontal: os dois extremos, mais um 
terceiro ponto, geralmente perto do centro da linha horizontal. O ponto central 
representa a composição na qual ocorre a reação de três fases. 
 
3. Busque diretamente acima do ponto central e identifique a fase ou fases presentes; 
busque imediatamente abaixo do ponto central e identifique a fase ou fases 
presentes. Depois escreva, em forma de reação, a fase ou fases acima do ponto 
central que se transformam na fase ou fases abaixo do ponto. Compare esta reação 
com as da figura a seguir para identificá-la. 
 
As reações eutética, peritética e monotética formam parte do processo de 
solidificação. As ligas que se utilizam para fundição ou soldagem em geral 
aproveitam o baixo ponto de fusão da reação eutética. 
O diagrama de fases das ligas monotéticas tem uma zona de miscibilidade, 
onde coexistem duas fases líquidas. No sistema cobre-chumbo, a reação 
monotética produz minúsculos glóbulos de chumbo disperso, que melhoram a 
capacidade de usinagem da liga de cobre. 
As reações peritéticas conduzem à solidificação fora de equilíbrio e à 
segregação. 
As reações eutetóide e peritetóide são reações exclusivas do estado sólido. A 
reação eutetóide forma a base do tratamento térmico de vários sistemas de 
ligas, incluindo o aço. A reação peritetóide é extremamente lenta, produzindo 
nas ligas estruturas fora de equilíbrio não desejáveis. 
A distribuição dos 2 elementos no grão não é uniforme, sendo o centro do grão mais rico 
do elemento com o maior ponto de fusão 
Ex: Determine as fases presentes, proporção e composição para o 
diagrama abaixo, no ponto indicado. 
Ex: Determine as fases presentes, proporção e composição para uma liga 
Pb-10Sn nas temperaturas de 350°C, 300°C, 200°C e 100°C.