Difusão - CM 1

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Difusão 
 
Profa. Laédna Neiva 
 
Universidade Federal do Cariri – UFCA 
Engenharia de Materiais 
Juazeiro do Norte/CE 
Disciplina: Ciência dos Materiais I 
 Conceitos Fundamentais 
Difusão 
É o fenômeno de transporte de material por meio do movimento dos 
atômicos. 
 
Muitas reações e processos importantes dependem desse tipo de 
transferência de massa. 
 
Essa movimentação requer a existência de um sítio vazio adjacente e 
também requer que átomo possua energia suficiente para quebrar as 
ligações que une aos seus vizinhos. 
 
A energia requerida para esse tipo de movimento é de natureza 
vibracional. 
 Conceitos Fundamentais 
Difusão 
A magnitude da energia é proporcional ao valor da temperatura 
experimentada pelos átomos. 
 
Os átomos em um cristal só ficam estáticos no zero absoluto. 
 
Nem todos os átomos tem a mesma energia, poucos tem energia 
suficiente para se difundirem. 
 
Movimentos atômicos podem ocorrer pela ação de campos elétricos e 
magnéticos, se as cargas interagirem com o campo. 
 
Resumidamente, esse fenômeno pode ser compreendido a partir de um 
par de difusão, apresentado a seguir. 
 Exemplo de um Par de Difusão 
 (Junção de duas barras constituídas por metais distintos) 
Difusão 
Antes do aquecimento Depois do aquecimento 
 Exemplo de Interdifusão (Difusão de Impurezas) 
 Mecanismos de Difusão (Exclusivo para Metais) 
 
Difusão 
 
LACUNAS 
INTERSTICIAL 
*Autodifusão (metais puros) 
*Interdifusão (metais diferentes) 
 Mecanismos de Difusão (Exclusivo para Metais) 
 
Difusão 
 LACUNAS 
Requer a existências de lacunas. 
 
Esse mecanismo envolve o 
deslocamento de um átomo de uma 
posição normal da estrutura para uma 
lacuna. 
 
A medida em que os átomos se 
adiantam em uma direção, as lacunas se 
movimentam na direção oposta. 
 
Vale tanto para autodifusão quanto para 
interdifusão. 
 Mecanismos de Difusão (Exclusivo para Metais) 
 
Difusão 
 
LACUNAS 
1. Auto-difusão  Processo de difusão termicamente ativado. 
2. Interdifusão  Dois materiais A e B miscíveis se difundem 
aleatoriamente um no outro. O gradiente de concentração é o fluxo 
total de átomos de A em B. 
1. Auto-difusão 2. Interdifusão 
 Mecanismos de Difusão (Exclusivo para Metais) 
 
Difusão 
 
INTERSTICIAL 
Envolve átomos que migram de uma 
posição intersticial para outra adjacente 
que esteja disponível. 
 
É um mecanismo de interdifusão. 
 
Átomos hospedeiros ou de impureza 
substitucionais não se difundem por 
esse mecanismo. 
 
Em geral, esse tipo de difusão ocorre 
muito mais rapidamente do que a 
difusão por lacunas. 
 Mecanismos (Considerações Importantes) 
 
Difusão 
 
Energia de ativação é a quantidade de energia necessária 
para um átomo mudar de posição. 
 
Quanto maior o tamanho do átomo, maior será a energia de 
ativação requerida. 
 
Defeitos na forma de lacunas são imprescindíveis para a ocorrência de 
processos difusivos. 
 
No mecanismo intersticial, a energia de ativação requerida é 
menor que para as lacunas. 
 
Materiais fortemente ligados necessitam de uma maior 
energia de ativação para que a difusão ocorra. 
 1ª Lei de Fick 
Difusão em Estado Estacionário 
É um processo de difusão dependente 
do tempo. 
 
O fluxo de difusão corresponde ao 
número de átomos que passa através de 
da área A. 
 
A determinação do fluxo difusivo é feita 
por meio da seguinte expressão: 
 
 
 
 
Tem a função de determinar o fluxo de 
difusão para um intervalo de tempo. 
 
 1ª Lei de Fick 
Difusão em Estado Estacionário 
J é o fluxo difusivo, é a quantidade de 
matéria que atravessa uma determinada 
área de forma perpendicular à seção plana 
dessa área, por unidade de tempo. 
 
O sinal negativo indica que o fluxo de 
átomos ocorre de forma a diminuir a 
concentração original. 
 
D = constante de proporcionalidade 
chamada de coeficiente de difusão. 
 
 = é o gradiente de concentração (força motriz). 
= é a distância linear percorrida pelo 
componente em difusão. 
 O coeficiente de difusão (D) depende: 
Difusão em Estado Estacionário 
Do raio iônico do elemento em difusão. 
 Exemplo: O raio iônico do C é menor do que o raio do Ni; logo, o valor 
de D para a difusão do C no Fe é maior do que para a difusão do Ni no 
Fe. 
 
Do tipo de estrutura. 
 Exemplo: na estrutura CCC os átomos se difundem mais do 
que na CFC, pois esta última possui maior fator de 
empacotamento. 
 
Da temperatura. 
 Temperaturas mais elevadas conduzem a maiores coeficientes 
de difusão, porque os átomos têm maior energia térmica e, 
conseqüentemente, maiores probabilidades de serem ativados 
no sentido de vencer a barreira de energia. 
 
 O coeficiente de difusão (D) depende: 
Difusão em Estado Estacionário 
Do mecanismo por meio do qual a difusão acontece. 
 Intersticial ou Substitucional. 
 
Presença de defeitos do tipo lacuna conduz a um maior valor de D. 
 Quanto maior a concentração de lacunas, maior o valor de D. 
 
Concentração da espécie em difusão. 
 Quanto maior a concentração, maior a difusividade. 
 
 
 
 
 
 
 Exercício de Fixação 
Difusão em Estado Estacionário 
Uma placa de ferro é exposta a uma atmosfera rica em carbono em 
um de seus lados e a uma atmosfera deficiente em carbono do outro 
lado, a 700°C. Se uma condição de estado estacionário é atingida, 
calcule o fluxo de difusão do carbono através da placa, sabendo-se 
que as concentrações do carbono nas posições 5 e 10 mm abaixo da 
superfície rica em carbono são de 1,2 e 0,8 Kg/m3, respectivamente. 
Suponha um coeficiente de difusão de 3X10-11m2/s. 
 
 Resposta = 2,4 X10-9 Kg/m2.s 
 2ª Lei de Fick 
Difusão em Estado Não-Estacionário 
Na prática, a maioria das situações de 
difusão ocorrem dessa forma. 
 
O valor de J e o dC para o elemento em 
difusão, para um ponto específico, 
variam ao longo do tempo. 
 
Consequentemente, haverá um acúmulo 
ou esgotamento líquido do elemento que 
se encontra em difusão. 
 
Nesse caso, o fluxo difusivo é calculado 
por meio da seguinte expressão: 
 Também são conhecidas 
como condições transientes. 
 Perfis de concentração para condições 
transitórias. 
 2ª Lei de Fick 
Difusão em Estado Não-Estacionário 
Por meio da determinação de condições de fronteira a expressão da 2ª lei 
de Fick pode se apresentar da seguinte forma: 
 t = 0 => Cx = C0  x = 0 (C0 = concentração inicial) 
 t > 0 => Cx = Cs  x = 0 (Cs = concentração presente na superfície) 
 Cx ≠ Cs qdo x > 0 
 
Condições de Fronteira: 
 Exercício de Fixação 
Difusão em Estado Não-Estacionário 
Quando se faz necessário endurecer a superfície de uma peça de aço 
para níveis superiores aos existentes no interior da peça, é preciso 
aumentar a concentração de carbono na superfície da peça; uma das 
maneiras de se executar isso é por meio de um processo conhecido 
por carbonetação. Nesse processo, a peça de aço é exposta, em 
temperatura elevada, a uma atmosfera rica em um hidrocarboneto 
gasoso, como o CH4. 
 
 Exercício de Fixação 
Difusão em Estado Não-Estacionário 
Com base neste contexto, considere uma peça de aço que contenha 
inicialmente uma concentração uniforme de carbono de 0,25% e que será 
submetida a uma temperatura de 950°C. Se a concentração de carbono na 
superfície da peça for repentinamente elevada e mantida em 1,20%, quanto 
tempo será necessário para se atingir um teor de carbono de 0,80% em 
uma posição localizada a 0,5 mm abaixo da superfície? Ocoeficiente de 
difusão para o carbono no ferro nessa temperatura é de 1,6X10-11m2/s. 
Suponha que a peça de aço seja semi-infinita. 
 
 Dados do problema 
Difusão em Estado Não-Estacionário 
Difusão em Estado Não-Estacionário 
Fatores que Influenciam a Difusão 
ESPÉCIES 
DIFUSIVAS (D) 
TEMPERATURA 
 *A magnitude de D é um indicativo da taxa 
de difusão do elemento difusivo. 
 *Tanto o material hospedeiro quanto as 
espécies difusivas influenciam o valor de D. 
 T   D 
 *Exerce a maior influência que o processo 
pode receber. 
 *Dependência de 
D em relação a T 
Fatores que Influenciam a Difusão 
TEMPERATURA 
 - D0 = constante pré-exponencial independente da 
temperatura (m2/s). 
 - Qd = a energia de ativação para a difusão (J/mol, 
cal/mol ou eV/átomo). 
 - R = a constante dos gases, 8,31J/mol.K ou 1,987 
cal/mol.K 
 - T = temperatura absoluta 
 
Onde 
Fatores que Influenciam a Difusão 
 O valor de D aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura. 
 Exercício de Fixação 
Usando os dados da Tabela 5.2 (Callister) calcule o coeficiente de difusão 
para o magnésio no alumínio a 550°C. 
 
Fatores que Influenciam a Difusão 
 Resposta = 5,8 X10-13 m2/s 
Difusão em Não-Metais 
A difusão em sólidos cerâmicos também ocorre. 
 
Por exemplo, a permeação de vidros pelo gás hélio é bastante conhecida. 
 
Como a estrutura das cerâmicas é predominantemente constituída por ligações 
iônicas, o processo é mais complicado quando comparado aos metais e ligas. 
 
Para que a difusão aconteça em sólidos iônicos, dois tipos de defeitos de sinais 
opostos devem ser criados. Por exemplo, se uma lacuna aniônica e uma lacuna 
catiônica são criadas simultaneamente, a neutralidade elétrica é preservada e a 
difusão pode então ocorrer.