Mecanismos_Difusao_7

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
DIFUSÃO ATÔMICA
MARCELINO PEREIRA DO NASCIMENTO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
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DIFUSÃO ATÔMICA
DEFINIÇÃO: Mecanismo pelo qual a matéria é transportada através da matéria.
Os átomos, em gases, líquidos e sólidos, estão em movimento constante e migram ao longo do tempo.
Gases: movimentos atômicos relativamente rápidos;
Líquidos: movimentos atômicos mais lentos (e.g. corante em água);
Sólidos: movimentos atômicos restritos devido a forças de ligação atômica elevadas e à existência de posições de equilíbrio bem definidas. Contudo, vibrações atômicas de origem térmica permitem movimentos atômicos ainda que limitados.
IMPORTÂNCIA: PROCESSOS METALÚRGICOS
TRATAMENTO SUPERFICIAL DE CEMENTAÇÃO
A MAIORIA DAS REAÇÕES EM ESTADO SÓLIDO, FUNDAMENTAIS EM METALURGIA, ENVOLVE MOVIMENTOS ATÔMICOS
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DIFUSÃO ATÔMICA
Os átomos apenas estão em repouso absoluto a -273oC (zero absoluto). Acima dessa temperatura os átomos começam a vibrar e saem de suas posições originais. À medida que a temperatura aumenta, esse movimento atômico torna-se mais intenso.
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Mecanismos de difusão
Em redes cristalinas existem três mecanismos de difusão atômica: 1) autodifusão;
2) substitucional ou por lacunas (vazios),
3) intersticial.
DIFUSÃO ATÔMICA
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DIFUSÃO ATÔMICA
MECANISMO DE DIFUSÃO SUBSTITUCIONAL
Nas redes cristalinas: energia de ativação
Os vazios em metais e ligas são defeitos de equilíbrio e estão sempre presentes, permitindo o movimento atômicos pelo mecanismo substitucional.
Quanto maior a temperatura do metal, maior o número de lacunas presentes e maior a energia térmica disponível. Logo, a velocidade de difusão é maior a temperaturas mais elevadas.
A velocidade de difusão é afetada pelas diferenças de tamanho atômico e de energias de ligação entre os átomos.
Por outro lado, metais com temperaturas de fusão mais elevadas têm tendência a ter maiores energias de ligação entre os átomos.
Em soluções sólidas, a difusão também pode ocorrer pelo mecanismo de difusão por lacunas. 
A energia de vibração é resultante da energia térmica dos átomos.
Para haver difusão atômica, duas condições devem ser atendidas:
Deve haver uma região adjacente vazia;
Os átomos devem ter energia suficiente para quebrar as ligações com os átomos vizinhos e, então, causar alguma distorção na rede durante o deslocamento. Tal energia é vibracional por natureza.
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DIFUSÃO ATÔMICA
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DIFUSÃO ATÔMICA
MECANISMO DE DIFUSÃO INTERSTICIAL
Em redes cristalinas ocorre difusão intersticial quando os átomos se movem de um interstício para outro vizinho, sem provocarem deslocamentos permanentes dos átomos da rede cristalina da matriz
Para que o mecanismo de difusão intersticial tenha lugar, é necessário que os átomos que se difundem sejam relativamente pequenos quando comparados com os átomos da matriz (e.g. hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono podem difundir-se intersticialmente nas redes cristalinas de alguns metais).
Contudo, na difusão intersticial do carbono no ferro, especificamente, os átomos de carbono são comprimidos entre a matriz atômica do ferro.
A probabilidade de movimentos atômicos intersticiais é muito maior que a difusão substitucional.
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DIFUSÃO ATÔMICA
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA
Os átomos dentro de um material, em uma determinada temperatura, apresentam diferentes níveis de energia, distribuídas de forma estatística:
Aumentando a temperatura do sistema, a energia de cada átomo aumenta (energia de ativação).
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DIFUSÃO ATÔMICA
COEFICIENTE DE DIFUSÃO
A análise estatística de Boltzmann aplicada ao movimento atômico permite estabelecer a intensidade de difusão atômica em materiais. A difusão de um material A (soluto) dentro de um material B (solvente) é representada pelo coeficiente de difusão (D), definido como:
Onde D é o coeficiente de difusão, Do é constante do sistema soluto/solvente, Q é a energia de ativação e R é a constante molar dos gases (8,314 J/mol.K, ou 1,987 cal/mol.K).
Observa-se que o coeficiente de difusão (D) depende da temperatura, aumentando quando a temperatura aumenta.
O movimento de átomos por difusão atômica ocorre devido à vibração térmica do átomo. Tal vibração faz que cada átomo permaneça “saltando” de uma posição a outra. 
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DIFUSÃO ATÔMICA
COEFICIENTE DE DIFUSÃO ATÔMICA
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DIFUSÃO ATÔMICA
COEFICIENTE DE DIFUSÃO
O coeficiente de difusão varia com a natureza dos átomos soluto, com o tipo de estrutura sólida e com as variações de temperatura. Assim, temos que:
Temperaturas mais elevadas conduzem a coeficientes de difusão maiores, porque os átomos têm maior energia térmica (capaz de vencer a barreira de energia entre os átomos);
O carbono tem um coeficiente de difusão no ferro maior que o níquel por ser de menor tamanho;
O cobre se difunde no alumínio com mais facilidade do que no próprio cobre (as ligações Cu-Cu são mais fortes que Al-Al porque o Cu tem maior temperatura de fusão);
Os átomos têm maior facilidade de difusão no ferro CCC que no CFC devido ao menor fator de empacotamento (0,68 e 0,74, respectivamente);
O progresso da difusão se dá mais rapidamente ao longo dos contornos de grão porque esta é uma zona de imperfeições do cristal. 
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DIFUSÃO ATÔMICA
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DIFUSÃO ATÔMICA
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DIFUSÃO ATÔMICA
GRÁFICO DE ARRHENIUS
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DIFUSÃO ATÔMICA
DIFUSÃO ESTACIONÁRIA
Difusão (quantidade de um elemento que é transportado dentro de outro) é um processo dependente do tempo. Define-se FLUXO DE DIFUSÃO (J) como a massa que se difunde através de, e perpendicularmente a, uma área unitária de um sólido por unidade de tempo, ou seja:
Onde “A” denota a área da seção transversa através da qual ocorre a difusão, e “t” é o tempo de difusão transcorrido. Em uma diferente forma, esta expressão torna-se:
[kg/m2-s ou
átomos/m2-s]
Contudo, se o fluxo de difusão não muda com o tempo, denominamos DIFUSÃO ESTACIONÁRIA (e.g.: difusão de átomos de um gás através de uma placa de metal cuja concentração (ou pressão) é mantida constante em ambas as superfícies da placa.
Quando a concentração C é plotada contra a distância dentro do sólido, x, a curva resultante é denominada PERFIL DE CONCENTRAÇÃO. A inclinação em um ponto qualquer da curva é denominada GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO.
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1ª LEI DE FICK
DIFUSÃO ATÔMICA
DIFUSÃO ESTACIONÁRIA
GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO 
[kgf/m3 ou
g/cm3]
Estabelece o fluxo global de átomos em uma difusão
estacionária:
onde: J = fluxo ou corrente global de átomos D = constante de proporcionalidade designada por difusividade (condutividade 	atômica) ou coeficiente de difusão;
	 dC/dx = gradiente de concentração.
Usa-se o sinal de menos porque a difusão ocorre das concentrações mais altas para as mais baixas, ou seja, existe um gradiente de difusão negativo. 
As unidades SI desta equação são:   J(átomos/m2.s) = D(m2/s) dC/dx (átomos/m3 x 1/m)
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DIFUSÃO ATÔMICA
DIFUSÃO ESTACIONÁRIA