Aula 09 - CM

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Ciência dos Materiais
Aula 09
Difusão
Profa. Camila M. Cholant
2019
Por que estudar difusão?
Materiais de todos os tipos são submetidos a tratamento térmicos para melhorar suas propriedades.
Os fenômenos que ocorre durante um tratamento térmico envolvem quase sempre difusão atômica.
Ciência dos Materiais
Capítulo 5
Difusão
É o transporte de material através do movimento dos átomos.
Estudaremos: 
Os mecanismos;
Os cálculos envolvidos no fenômeno;
 A influência da temperatura na difusão atômica.
Ciência dos Materiais
Capítulo 5
Par de difusão
O fenômeno da difusão pode ser demostrado mediante o uso de um par de difusão, que é formado ao se colocarem juntas as barras de dois metais diferentes, de modo que exista um contato íntimo entre as duas faces 
Representação das posições atômicas
Representação da composição através de interface
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Capítulo 5
Esse par de difusão é aquecido a uma temperatura elevada (tratamento térmico) por um período de tempo prolongado, e resfriado até a temperatura ambiente. 
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Capítulo 5
Par de difusão
Esse resultado indica que os átomos de cobre migraram ou se difundiram para o interior do níquel, e que o níquel se difundiu para o interior do cobre.
Esse processo, no qual os átomos de um metal se difundem para o interior do outro é chamado: Interdifusão ou difusão de impurezas. 
Par de difusão
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Capítulo 5
Tipos de difusão
Na interdifusão ocorrem mudanças de concentração ao longo do tempo;
 A diferença de concentração é a força motriz para o transporte de átomos da região mais concentrada para a menos concentrada.
A difusão também ocorre em metais puros, mas neste caso não existe mudança de composição ao longo do material  autodifusão.
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Capítulo 5
Mecanismos de difusão
De uma perspectiva atômica, a difusão consiste no deslocamento dos átomos de uma posição específica da rede cristalina para outra;
Os átomos em materiais sólidos estão em movimentação constante, mudando rapidamente as suas posições. 
Para que este deslocamento ocorra, algumas condições devem ser satisfeitas:
Deve haver uma lacuna adjacente; 
O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que o une aos seus átomos vizinhos e então provocar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento. Essa energia é de natureza vibracional.
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Capítulo 5
Mecanismos de difusão
Difusão por lacuna (substitucional):
Envolve a troca de posição entre um átomo e uma lacuna adjacente.
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Capítulo 5
Mecanismos de difusão
Difusão por lacuna (substitucional)  Características
Exige a presença de lacunas no cristal;
Aumenta com a concentração de lacunas e com a temperatura;
Uma vez que os átomos em difusão e as lacunas trocam de posições, o movimento das lacunas ocorre na direção oposta ao movimento dos átomos;
Tanto a interdifusão quanto a autodifusão ocorrem por este mecanismo de difusão.
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Capítulo 5
Mecanismos de difusão
Difusão intersticial:
Os átomos migram de uma posição intersticial ocupada para um posição intersticial vizinha desocupada.
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Capítulo 5
Mecanismos de difusão
Difusão intersticial  Características
Os átomos devem ser pequenos o suficiente para ocupar uma posição intersticial (Ex: H, C, N e O);
Átomos hospedeiros (solvente) e impurezas substitucionais raramente difundem por este mecanismo;
O mecanismo de difusão intersticial é mais rápido do que a difusão por lacunas, pois envolve átomos pequenos de maior mobilidade. Além disso, existem mais posições intersticiais vazias do que lacunas em um sólido cristalino; portanto, a probabilidade de um movimento atômico intersticial é maior do que para a difusão por lacunas.
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Capítulo 5
Difusão em estado estacionário
A difusão é um fenômeno que depende do tempo, isto é, a quantidade de um elemento que é transportado no interior de outro elemento é uma função do tempo. 
Em algumas situações é importante conhecer a velocidade que o processo ocorre, ou seja, a ”taxa de transferência de massa”  também conhecida com “fluxo de difusão (J)”;
O fluxo de difusão é definido como sendo a massa M (ou o número de átomos) transferida através de uma área em um dado intervalo de tempo.
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Capítulo 5
Difusão em estado estacionário
Nota: No estado estacionário o fluxo difusivo é constante em função do tempo.
J é o fluxo (kg/m2.s);
A é a área através da qual a difusão está ocorrendo;
M é a massa que passa através 
da área A;
t é o tempo.
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Capítulo 5
Difusão em estado estacionário
O fluxo, J, também pode ser expresso em termos de gradiente de concentração (gc)  Primeira lei de Fick;
Nota: D é uma constante de proporcionalidade chamada de coeficiente de difusão (m2/s).
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Capítulo 5
Difusão em estado estacionário
Exemplo 1:
Uma placa de ferro é exposta em uma atmosfera rica em carbono em um dos seus lados (a 700 ºC). Considerando que a difusão de carbono ocorra no estado estacionário, calcular o fluxo de difusão de carbono através da placa se as concentrações de carbono nas posições 5 e 10 mm forem 1,2 e 0,8 kg/m3, respectivamente. Assumir um coeficiente de difusão de 3x10-11 m2/s.
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Capítulo 5
Ca
Cb
700 ºC
Xa
Xb
Atmosfera pobre em C
Atmosfera rica em C
Ca = 1,2 kg/m3
Cb = 0,8 kg/m3
Xa = 5 x 10-3 m
Xb = 10 x 10-3 m
D = 3x10-11 m2/s
Difusão em estado estacionário
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Capítulo 5
Difusão em estado Não-estacionário
No estado não-estacionário o fluxo e o gradiente de concentração variam com o tempo  Segunda Lei de Fick.
Tradução: Perfis de concentração em três momentos diferentes do processo de difusão.
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Capítulo 5
Fatores que afetam a difusão
A magnitude do coeficiente de difusão, D, é um indicativo da taxa que os átomos difundem;
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Capítulo 5
Fatores que influenciam a difusão
Influência na temperatura: a temperatura apresenta uma influência das mais profundas sobre os coeficientes e taxas de difusão.
 Por exemplo: para a autodifusão do Fe no Fe a, o coeficiente de difusão aumenta aproximadamente seis ordens de magnitude (de 3,0 x 10-21 para 1,8 x 10-15 m2/s)
Fatores que afetam a difusão
A magnitude do coeficiente de difusão, D, é um indicativo da taxa que os átomos difundem;
Fatores que influenciam a difusão
A dependência dos coeficientes de difusão em relação a temperatura se dá de acordo com a equação: 
D0 = uma constante independente da T
Qd = Energia de ativação necessária para produzir o movimento difusivo de um mol de átomos. Quanto maior a energia de ativação, menor o coeficiente de difusão.
R = constant dos gases (8,31 J/mol.K ou 1,987 cal/mol.K ou 8,62 x 10-5 eV/átomo) 
T = temperature absoluta (K)
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Capítulo 5
Fatores que influenciam a difusão
Influência na temperatura
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