Difusão em Materiais

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Faculdade Pitágoras de Betim
Ciência dos Materiais
Professora: Luciana
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Seção 2.4 
	Difusão
Capítulo 5:
Difusão
Cálister
Pré-aula
	https://www.youtube.com/watch?v=oTeC0jvO6d8&ebc=ANyPxKr_j7npjGh0BzHj0U2h_xX_jm-xZkBiK7TTfibYV3ikEofBZ1eyj3e2IozUaCdda-pBampDjlbR0rt35x2TUmgDAi26rQ
	https://www.youtube.com/watch?v=HHBvZDNvTic
	Engrenagem de aço endurecida superficialmente, por meio de tratamento térmico em alta temperatura, durante o qual o carbono difundiu-se na superfície.
Difusão
	É o fenômeno de transporte de material por meio do movimento dos átomos.
	De uma perspectiva atômica, a difusão é a migração em etapas dos átomos de um sítio para outro sítio do retículo cristalino.
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 O fenômeno pode ser demonstrado com o auxílio de um par de difusão, o qual é formado ao se juntar as barras de dois metais diferentes. 
Esse par de difusão á aquecido a uma temperatura elevada, por um período de tempo prolongado, e resfriado até uma temperatura ambiente.
Devido à presença de vacâncias e interstícios, é possível haver movimento de átomos de um material dentro de outro material.
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Difusão
	Como os átomos se movem por meio dos sólidos:
	 Interdifusão: função do gradiente de concentração;
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	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. 
	Processo conhecido como interdifusão ou difusão de impurezas.
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Difusão
 Inicialmente
 Tempo # 0
 Autodifusão: difusão de um componente do material, quando todos os átomos 		 que mudam de posição são do mesmo tipo.
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Mecanismos de Difusão
	Os átomos em materiais sólidos estão em constante movimentação, mudando rapidamente as suas posições:
 - deve existir um sítio vazio
		- o átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que os une aos átomos vizinhos causando uma distorção na rede cristalina durante o deslocamento.
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Vibrações atômicas
	Todos os átomos em um material sólido estão vibrando em torno da sua posição.
	Energia de natureza vibracional.
	A uma temperatura específica os átomos são capazes de realizar movimento por difusão, em virtude da magnitude das suas energias vibracionais.
	Este movimento é função da temperatura.
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	Mecanismos de Difusão em sólidos metálicos:
	 Difusão por lacunas ou substitucional:
	Observada em impurezas substitucionais;
	Átomos trocam de posição com as lacunas;
	 A taxa de difusão depende do número de vazios e da energia de ativação para troca de posição;
	 O número de lacunas aumenta com a temperatura;
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 Difusão intersticial:
Observada em impurezas intersticiais: C, H, N e O (átomos pequenos o bastante para ocupar posições intersticiais);
Ocorre mais rapidamente que a difusão por lacunas ou substitucional, pois os átomos intersticiais são menores e portanto mais móveis. Há mais interstícios do que lacuna.
 Maior possibilidade de movimento de átomos (lacunas em maior número).
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Difusão em regime estacionário
A difusão é um processo dependente do tempo.
A quantidade de um elemento transportada no interior de um outro é em função do tempo.
 Fluxo de Difusão:
O fluxo de difusão, J, é usado para determinar a velocidade com que uma difusão ocorre;
Pode ser dada em função do número de átomos por área e tempo (átomos/m2.s) ou em termos do fluxo de massa (kg/m2.s) ;
M = massa difundida através do 		 plano;
A = Área do plano;
t = tempo de difusão
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Difusão : Estado Estacionário
 J não muda com o tempo.
e constante
Placa fina de metal
Gás à pressão PA
Gás à pressão PB
Direção de difusão dos gases
concentração
posição
D é uma constante de 	proporcionalidade: coeficiente 	de difusão;
Sinal negativo indica que o fluxo se dá na direção decrescente do gradiente.
Perfil linear de concentração
Inclinação:
 gradiente de concentração
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Equação matemática
	Primeira lei de Fick
J – Fluxo de difusão
D – Coeficiente de difusão
dC/dx – gradiente de concentração
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•Exemplo 5.1 (Callister) 
-Calcular J para :
 Uma placa de ferro exposta a uma atmosfera rica em carbono de um lado, e pobre do outro, na condição de regime estacionário,
 Temperatura de 700°C
 Concentração de carbono
 1.2 kg/m3 a uma profundidade de 5 mm
 0.8 kg/m3a uma profundidade de 10 mm
 Difusividade = 3 x 10-11m2/s
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= 2,4 x10-9 Kg/m2 .s
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Difusão em estado não-estacionário
	O fluxo de difusão e o gradiente de concentração em um ponto específico no interior de um sólido variam ao longo do tempo.
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Difusão em regime não-estacionário
Difusão : Estado Não-Estacionário
 J varia com o tempo;
 C é dada em termos tanto do tempo quanto da posição:
 Situação mais próxima da real;
 O perfil de concentração é dado por uma equação diferencial: 2ª Lei de Fick;
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Perfis de concentração em três momentos diferentes.
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EXEMPLO 5.2
Materiais para Construção Mecânica
Difusão
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Para algumas aplicações, torna-se necessário endurecer a superfície de um aço para níveis acima do existente em seu interior. Uma das maneiras de se executar isso é pelo aumento da concentração superficial de carbono, por meio de um processo conhecido por CARBONETAÇÃO (OU CEMENTAÇÃO). A peça de aço é exposta, em temperatura elevada, a uma atmosfera rica em um hidrocarboneto gasoso, como o metano (CH4).
Considere uma dessas ligas que contenha inicialmente uma concentração uniforme de carbono de 0,25%p e que deva ser tratada a uma temperatura de 950 °C. Se a concentração de carbono na superfície for repentinamente elevada e mantida em 1,20%p, quanto tempo será necessário para se atingir um teor de carbono de 0,80%p em uma posição localizada 0,5 mm abaixo da superfície? O coeficiente de difusão do carbono no ferro a essa temperatura é de 1,6×10-11 m2/s. Suponha que a peça de aço seja semi-infinita
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SOLUÇÃO
	Problema de difusão em estado não-estacionário, sólido semi-infinito, concentração da superfície constante:
Onde:
C0 = 0,25%p C
Cs = 1,20%p C
Cx = 0,80%p C em x = 0,50 mm = 5 x 10-4 m
D = 1,6x10-11 m2/s
	Fazendo-se: 
Materiais para Construção Mecânica
Difusão
15
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SOLUÇÃO
	Determina-se agora, a partir da tabela da função, o valor de z para o qual erf(z) = 0,421: 
Materiais para Construção Mecânica
Difusão
16
0,428
0,379
0,35
0,40
0,421
	z	erf(z)	z	erf(z)	z	erf(z)	z	erf(z)
	0	0	0,25	0,276	0,55	0,563	0,85	0,771
	0,025	0,028	0,30	0,329	0,60	0,604	0,90	0,797
	0,05	0,056	0,35	0,379	0,65	0,642	0,95	0,821
	0,10	0,112	0,40	0,428	0,70	0,678	1,0	0,843
	0,15	0,168	0,45	0,476	0,75	0,711	1,1	0,880
	0,20	0,223	0,50	0,520	0,80	0,742	1,2	0,910
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Solução
	Portanto, fazendo-se uma INTERPOLAÇÃO LINEAR:
	Como: 
17
z – 0,35
0,40 – 0,35
=
0,421 – 0,379
0,428 – 0,379
	z	erf(z)
	0,35	0,379
	z	0,421
	0,40	0,428
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Exercício 1
	Determine o tempo de carbonetação necessário para atingir uma concentração de carbono de 0,30%p em uma posição a 4,0 mm da superfície de uma liga ferro-carbono contendo inicialmente 0,10%p C. A concentração na superfície deve ser mantida em 0,90%p C e o tratamento conduzido a 1100°C. Dado D=5,35x10-11 m2/s. 31 h
Exercício 2
	O nitrogênio de uma fase gasosa deve difundir para o interior de um ferro puro a 675°C. Se a concentração superficial for mantida em 0,2 % p N, qual será a concentração a 2 mm da superfície após 24 horas? O coeficiente de difusão para o nitrogênio no ferro, a 675°C, é de 1,9x10-11 m2/s.
	Cx = 0.056 %p N
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSÃO
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	ESPÉCIES DIFUSIVAS E O MATERIAL HOSPEDEIRO: influenciam o coeficiente de difusão.
	TEMPERATURA: exerce grande influência sobre os coeficientes e taxas de difusão:
	Onde:
D: coeficiente de difusão (m2/s) 
D0: constante independente da temperatura.
Qd: ENERGIA DE ATIVAÇÃO para a difusão (J/mol ou eV/átomo).
R: constante dos gases (8,31 J/mol·K ou 8,62×10-5 eV/átomo).
T: temperatura absoluta(K).
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Difusão em contornos de grãos e superfícies
	Os movimentos dos átomos nos sólidos não estão restritos ao interior dos cristais. O processo também ocorre na superfície e nos contornos.
	A difusão superficial e em contorno de grão obedecem a uma lei de ativação, ou do tipo de Arhennius.
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	A difusão é mais rápida nos contronos de grãos do que no interior dos cristais e que as velocidades de difusão em superfícies livres são maiores que as outras duas.
	O movimento dos átomos deve ocorrer com maior facilidade nas superfícies livres, com maior dificuldade em regiões de contorno e menos facilmente ainda no interior dos cristais.
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Vídeo
Vídeo
Faça valer a pena
	Assinale a alternativa que preenche as lacunas adequadamente: 
	“A difusão é o fenômeno de transporte de matéria por ______________ nos materiais metálicos e que depende do _____________ e da ____________. Atualmente vários processos tecnológicos importantes necessitam do controle difusão como, por exemplo, o _____________ de aços”.
	Escolha uma:
	a. Movimento atômico, gradiente de concentração, temperatura, endurecimento superficial.
	b. Deslocamento de macromoléculas, arranjo cristalino, temperatura, eletromagnetismo.
	c. Movimento atômico, arranjo cristalino, temperatura, endurecimento superficial.
	d. Deslocamento iônico, arranjo cristalino, célula unitária, endurecimento superficial.
	e. Movimento iônico, gradiente de concentração, temperatura, eletromagnetismo.
	02) Atualmente vários processos tecnológicos necessitam do controle do aumento ou da diminuição da difusão como, por exemplo, o endurecimento superficial de aços. A difusão é um fenômeno que pode ser observado em relação ao fluxo atômico.
	Assinale a alternativa correta sobre os possíveis regimes de difusão:
	Escolha uma:
	a. Quando não há variação do fluxo com o tempo, mas ocorre a variação da composição, é correto dizer que ocorre difusão em regime estacionário.
	b. Quando há variação do fluxo com o tempo é correto dizer que ocorre difusão em regime estacionário.
	c. A primeira lei de Fick nos permite calcular o fluxo dos átomos em um regime transiente.
	d. Quando há variação do fluxo com o tempo é correto dizer que ocorre difusão em regime transiente.
	e. A segunda lei de Fick nos permite calcular o fluxo dos átomos em um regime estacionário.
	03) Uma engrenagem de aço foi submetida a um determinado tratamento térmico e como consequência observou-se o aumento da dureza superficial. 
	Assinale a alternativa que elucida adequadamente o fenômeno ocorrido:
	Escolha uma:
	a. O tratamento térmico adequado e em elevada temperatura permitiu que átomos de carbono da atmosfera se difundissem para o interior da superfície da engrenagem, assim, ocorreu o aumento da dureza superficial devido ao aumento do teor de carbono.
	b. O tratamento térmico adequado e em elevada temperatura permitiu que átomos de carbono da atmosfera se difundissem para o interior da superfície da engrenagem, assim, ocorreu o aumento da dureza superficial devido ao aumento do teor de carbono.
	c. O tratamento térmico adequado e em elevada temperatura permitiu que os átomos de carbono do aço se difundissem até a superfície da engrenagem e, assim, a maior concentração de carbono nesta região ocasionou o aumento da dureza superficial.
	d. O tratamento térmico adequado e em baixa temperatura permitiu que átomos de carbono da atmosfera se difundissem para o interior da superfície da engrenagem, assim, ocorreu o aumento da dureza superficial devido ao aumento do teor de carbono.
	e. O tratamento térmico adequado e em elevada temperatura permitiu que os átomos de carbono do aço se difundissem até a superfície da engrenagem e, assim, a maior concentração de carbono nesta região ocasionou a diminuição da dureza superficial.
Atividades de aprendizagem
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Atividades de aprendizagem
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Atividades de aprendizagem
ENADE 2011
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Lembretes para próxima aula!!!!!!
Realizar todas as atividades diagnósticas e de aprendizagem U2S4 e será avaliado pelo sistema.
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