Difusão em Sólidos

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 Difusão
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Difusão em Sólidos
O Conceito de Difusão
Transporte de matéria na própria matéria, através da movimentação atômica
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Taxa de vibração dos átomos
À 950° C 109 saltos/segundo
À 250° C 1 salto/segundo
À 25° C 10-9 saltos/segundo
* Carbono na Austenita
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Mecanismos da Difusão
Baseados no tamanho do sítio ocupado pelo átomo na estrutura cristalina.
 Difusão Substitucional ou por Lacunas
 Difusão Intersticial
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Difusão Intersticial
Fonte: Callister
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	Difusão Substitucional (Lacunar)
Fonte: Callister
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Potencial Químico 
(A FORÇA MOTRIZ)
Onde:
µi= Potencial químico;
G= Energia livre de Gibbs;
n= Número de átomos;
P= Pressão;
T= Temperatura.
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Força que empurra os átomos
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DIFUSÃO EM ESTADO ESTACINÁRIO 
Onde:
 J = Fluxo de difusão;
 M= massa;
 A = área através a difusão ocorre;
 t = tempo de difusão decorrido.
Na forma diferencial 
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GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO
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1ª Lei de Fick
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COEFICIENTE DE DIFUSÃO
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Fatores Que Influenciam na difusão
Temperatura
Composição Química
Interfaces
Estrutura Cristalina da Difusão
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Efeito da Temperatura Ativação Térmica
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 EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE
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2ª Lei de Fick
Quando D independe da composição
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Distância Líquida Percorrida
Para que 1 átomo percorra 1mm na austenita à 950°C, ele terá que se deslocar 6,5 km.
O tempo gasto é proporcional à √D, onde D é o coeficiente de difusão do átomo no material.
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Distâncias de Difusão
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Fonte : Callister
Difusão de um gás por uma placa metálica
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Difusão em estado não-estacionário em diferentes instantes de tempo
Concentração das espécies difusíveis
Distância
t3 > t2 > t 1
t1
t2
t3
Fonte: Callister
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FUNÇÃO ERRO
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Função erro
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Tabela de valores da função erro erf(z)
z
Erf(z)
Erf(z)
Erf(z)
z
z
Fonte: Callister
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Uma Tabulação de Dados de Difusão
Espécie 
Difusível
 Metal 
Hospedeiro
D0(m²/s)
kJ/mol
eV/átomo
T(°C)
 D(m²/s)
Valores calculados
Energia de ativação Qd
Fonte: E.A. Brandes e G.B. Brook ( Smithells Metals Reference Book)
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Difusão em estado não estacionário
Concentração, C
Cx - C0
Cs - C0
 Distância de interface, x
CCx
Cs
C0
Fonte: Callister
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Temperatura (°C)
Coeficiente de difusão (m²/s)
Inverso da temperatura (1000/k)
C em ferro γ
Zn em Cu
Fe em Fe γ
Fe em Fe α
Cu em Cu
Al em Al
C em Fe α
Fonte: E.A. Brandes e G.B. Brook ( Smithells Metals Reference Book)
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Difusão do Ouro no Cobre
Coeficiente de difusão (m²/s)
Inverso da temperatura (1000/k)
Fonte: Callister
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 Difusão Inversa
Direção da difusão dos átomos de carbono
Aço com 1% de carbono
Aço rico em enxofre
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 Por que isso acontece?
Porque o potencial químico do carbono na liga rica em enxofre é maior que aquele na liga que não contém enxofre. 
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Gradiente de concentrações diminui
Gradiente de concentrações aumenta
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A difusão ocorre da região de menor concentração de carbono para aquela de maior concentração de carbono, o que corresponde à região de maior potencial químico para aquela de menor potencial químico.
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Conclusão
A força motriz para a difusão é o gradiente (variação) do potencial químico e não o gradiente de concentração
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Importância na Engenharia
A difusão está presente em muitas transformações de fases, alterando microestruturas, dando propriedades importantes aos materiais de acordo com seu uso na engenharia 
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Aplicações do Fenômeno de Difusão
Sinterização: Tratamento térmico em que um pó compactado é aquecido a temperaturas menores que a de fusão, e as partículas se unem e se aproximam, formando um corpo densificado
Força Motriz: Redução da área (energia) superficial
Aplicações: Metalurgia do pó, todos os produtos cerâmicos, com a exceção do vidro.
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Tratamentos termoquímicos: Tratamentos térmicos que visam alterar a superfície do material pela difusão de um elemento em uma camada superficial.
Objetivos: Maior dureza superficial, menor coeficiente de atrito, maior vida em fadiga, melhor resistência a oxidação, barreira de difusão para hidrogênio;
Processos: Carburetação (Cementação), Nitretação, Carbonitretação, Boretação, etc.
Aplicações do Fenômeno de Difusão
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Aplicações do Fenômeno de Difusão
Tratamentos térmicos dos metais: Etapas fundamentais no processamento de muitos materiais de engenharia, para garantir as propriedades mecânicas desejadas.Os tratamentos dependem diretamente e são calculados a partir da difusão. Exemplos:
Aços: Revenimento, Solubilização, Recozimento, Esferoidização, etc.
Alumínio: Solubilização e Envelhecimento (Endurecimento por precipitação)
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Aplicações do Fenômeno de Difusão
Membranas de separação de gases: folhas de metais ou outros materiais que apresentam difusão preferencial de um certo gás, sendo usadas para separação do mesmo.
Soldagem por difusão: Promove a união de duas ou mais chapas por deformação, que gera calor e promove a difusão entre as superfícies recém-deformadas dos metais.