Aula sobre Difusão atômica 1

Prévia do material em texto

DIFUSÃO
	
Como ocorre a difusão?
Quais as condições para um átomo realizar o movimento de difusão?
“A uma temperatura especifica, uma pequena fração do número total de átomos é capaz de movimento por difusão, em função das magnitudes das suas energias vibracionais.”
Esse processo necessita da presença de lacunas, e a extensão segundo o qual essa difusão pode ocorrer é função do número presente desses defeitos; em temperatura elevadas, podem existir concentrações significativas de lacunas nos metais.
Esse mecanismo é encontrado para interdifusão de átomos de impurezas, tais como hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio. Por quê?
	Na maioria das ligas metálicas, a difusão intersticial ocorre muito mais rapidamente do que a difusão pela modalidade de lacunas, uma vez que os átomos intersticiais são menores e, consequentemente, mais móveis. Adicionalmente, existem mais posições intersticiais vazias do que lacunas; portanto, a probabilidade de um movimento atômico intersticial é maior do que a probabilidade de uma difusão por lacunas.
Como depende a difusão da estrutura e da temperatura?
Citar e descrever os dois mecanismos atômicos da difusão?
A difusão atômica depende de vários fatores, sendo que os mais importantes estão citados nos itens a até d:
Como quantificar a difusão?
 Difusão em regime estacionário – o fluxo de difusão não varia com o tempo.
A difusão é uma função do tempo. A quantidade de um elemento transportada no interior do outro é função do tempo. A taxa de transferência de massa é expressa como FLUXO DE DIFUSÃO – J 
Difusão depende do tempo: 
Se o fluxo não varia com o tempo, existe um regime estacionário, e a concentração de átomos ou moléculas de um gás em um sólido (por exemplo) é uma função da posição no interior do sólido. 
A e B – duas concentrações e duas posições
 PRIMEIRA LEI DE FICK
D- Coeficiente de difusão
O sinal negativo indica que a direção da difusão se dá contra o gradiente de concentração, isto é, da concentração mais alta para a concentração mais baixa.
Cálculo do fluxo de difusão
Uma placa de ferro está exposta 700ºC carbonetante em um de seus lados e uma atmosfera descarbonetante 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 (5,0x10-3 e 10-2 m) abaixo da superfície carbonetante são 1,2 e 0,8 Kg/m3 , respectivamente. Considere um de coeficiente difusão de 3x10-11 m2/s nessa temperatura.
Difusão em Regime não estacionário – 2ª LEI DE FICKEsses são os casos mais comuns de difusão. Ex. Se o carbono está sendo difundido através da superfície do aço, a concentração no interior da peça será alterada em função do tempo de processamento. É importante determinar a evolução da variável composição em função do tempo e da posição de um dado ponto do material estudado.
Não estacionário- O fluxo de difusão e o gradiente de concentração em um ponto específico no sólido variam com o tempo. Isso resulta em um acúmulo, ou em um esgotamento do componente que está se difundindo.
	
 Quando são especificadas condições de contorno
 APLICAÇÕES
 CEMENTAÇÃO DE AÇOS TRATAMENTO DE HOMOGENIZAÇÃO DE PEÇAS FUNDIDAS
*Com a solução da equação da 2ª Lei de Fick é possível 
descrever o perfil de concentração de carbono em aços durante o processamento.
Processo Térmico de Cementação
A cementação do ferro ou aço é antiga – apareceu no começo dos anos 1600 na Bohemia e Bavária, e a primeira patente foi obtida na Inglaterra em 1614. Essencialmente, o processo de cementação consiste na carbonização das partes superficiais do aço. Com este processo, um aço maleável fica muito resistente na superfície.
O processo de cementação do aço é também chamado de processo de conversão. A peça é aquecida em forno abaixo do ponto de fusão do aço e então recebe carbono, o qual se difunde na superfície fazendo uma ligação com o ferro. A cementação ocorre em uma faixa de temperatura e a fonte de carbono é variável. O carbono pode vir do gás propano.
A cementação comporta muitas variações conforme o objetivo ou o trabalho que a peça vai desempenhar. As variações são de temperatura, profundidade de carbonização, tempo do processo, e controle da atmosfera. O tempo do processo vai depender da profundidade da cementação desejada - quanto mais tempo durar a cementação, mais profundamente teremos a presença do carbono difundido. A este processo segue-se a têmpera.
As peças assim tratadas por cementação, apresentam elevada dureza na superfície e grande maleabilidade no núcleo (dependendo do tipo de aço). Estas características tornam o processo recomendado a certas peças que requerem muito esforço superficial, como é o caso das engrenagens, de roletes, buchas metálicas, e assim por diante.
O teor inicial de Carbono no aço é de 0,20% p enquanto a concentração na superfície deve ser mantida em 1,00% p em uma posição localizada 0,75 mm abaixo da superfície.
Fatores que influenciam a Difusão
 1) 
Espécie em difusão: A magnitude do coeficiente de difusão, D é um indicativo da taxa na qual os átomos difundem. A espécie em difusão assim como o material hospedeiro, influencienciam o coeficiente de difusão. 
Exemplo: Carbono em Ferro α a 500 ºC Interdifusão, D= 3,0 x10 -21 m/s - Mecanismo – Intersticial. 
		 Autodifusão do carbono, D= 2,4x10-12 m/s – Mecanismo de lacunas.
Exercícios
Uma peça de aço contendo inicialmente 0,20 %(m/m) de C é cementada a temperatura elevada numa atmosfera que fornece concentração de carbono numa superfície constante de 1,0 % (m/m). Se após 49,5 h a concentração de carbono 4 mm abaixo da superfície for 0,35%, determine a temperatura a que o tratamento foi efetuado.
Dados: Tabela de Z Difusão de C em Fe CFC D0= 2,3x10-5 m2/s Q=148000 J/mol
					R=8,314 J/K/mol-1
O diclorometano é um ingrediente comum em decapantes de tinta. Além de causar irritação, também pode ser adsorvido pela pele. Deve-se usar luvas de proteção quando manipular este decapante. Ao utilizar luvas de borracha butílica (espessura 0,04 cm) quanto tempo t podem as luvas ser usadas antes do diclorometano atingir a mão? Coeficiente de difusão em borracha butílica, D=110x1 -8 cm2/s.
	Z
	Erf(Z)
	0,38
	0,4090
	Z
	
	0,41
	0,4380
6) Classifique em ordem decrescente as magnitudes dos coeficientes de difusão para os seguintes sistemas:
N no Fe a 700ºC
Cr no Fe a 700ºC
N no Fe a 900ºC
Cr no Fe a 900ºC
Justifique sua ordenação. Dados: Tanto Fe como Cr possuem estrutura cristalina CCC, e os raios atômicos para Fe, Cr e N são 0,124, 0,125, 0,065 nm, respectivamente.
7) Determine o tempo de carbonetação necessário para atingir uma determinada concentração de carbono de 0,3% p em uma posição de 0,04 mm da superfície de uma liga ferro-carbono contendo inicialmente 0,10% p de C. A concentração na superfície deve ser mantida em 0,90 % p C e o tratamento conduzido a 1100ºC . O coeficiente de difusão para o ferro-γ é igual a 5,3x10-11 m2/s
Aplicações
Como é endurecida a superfície de certos aços?
Porque protegemos as fibras ópticas com recobrimento polimérico?
Como se rompe o filamento de tungstênio de uma lâmpada?