Aula 4 Difusão nos sólidos

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Aula 4 – Difusão nos sólidos:
Difusão = fenômeno de transporte de matéria através do movimento atômico.
A partir de uma perspectiva atômica, a difusão é simplesmente a migração passo a passo dos átomos de um sítio para outro sítio na rede cristalina.
Para um átomo fazer esse tipo de movimento:
- deve existir um sítio adjacente vazio;
- o átomo deve possuir uma energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que o une aos seus vizinhos e então causar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento (essa energia é de natureza vibracional).
Interdifusão ou difusão de impurezas:
Consiste na difusão de, pelo menos, 2 elementos distintos.
Autodifusão:
Quando os átomos que compõem o próprio elemento (metal puro) se difundem. Em termos de composição química, ela não varia, por isso não consegue indicar a autodifusão. O que indica é a posição dos átomos através da sua marcação.
Mecanismos de difusão:
- Difusão por lacuna ou mecanismo substitucional: intercâmbio de um átomo de uma posição normal da rede cristalina para um sítio vago, ou lacuna, adjacente na rede cristalina.
- Difusão intersticial: átomos migram de uma posição intersticial para uma posição intersticial vizinha que se encontra vazia.
Interdifusão de impurezas como C, H, N e O, que são átomos pequenos o suficiente para se encaixarem no interior das posições intersticiais;
Na maioria das ligas metálicas, a difusão intersticial ocorre muito mais rapidamente do que a difusão por lacunas – os átomos intersticiais são menores e, consequentemente, mais móveis;
Existem mais posições intersticiais vazias do que lacunas – probabilidade de um movimento atômico intersticial é maior do que a probabilidade de difusão por lacunas.
Fluxo de difusão (J): 
Taxa de transferência de massa. Sempre de uma região de maior concentração para uma região de menor concentração em função de uma distância.
Difusão em estado estacionário:
Fluxo de difusão não varia ao longo do tempo.
Quanto maior o gradiente de concentração, maior o fluxo de difusão.
Fluxo de difusão é proporcional ao gradiente de concentração (1ª Lei de Fick).
- 1ª Lei de Fick:
Difusão em regime não-estacionário:
Fluxo de difusão e o gradiente de concentração em um ponto específico no interior de um sólido variam ao longo do tempo – concentração das espécies em difusão varia com a posição e com o tempo: C = C(x,t).
- 2ª Lei de Fick:
Quando são especificadas condições de contorno que possuem sentido físico, é possível obter soluções para a expressão (concentração em termos tanto da posição quanto do tempo).
Uma das soluções é considerar o sólido semi-infinito – difusão em barra semi-infinita em que a concentração na superfície (CS) é mantida constante.
Aplicando essas condições de contorno na 2ª Lei de Fick:
Fatores que influenciam a difusão:
- Temperatura: quanto maior a temperatura, maior o coeficiente de difusão – átomos têm maior energia térmica – maiores probabilidade de serem ativados no sentido de vencer a barreira energia entre os átomos.
- Mecanismo de difusão: difusão por lacuna tem menor coeficiente de difusão do que a difusão intersticial. Existem mais posições intersticiais do que lacunas na estrutura do material.
- Efeitos da estrutura na difusão: 
- Tipo e quantidade de defeitos cristalinos: excesso de lacunas provoca aumento na velocidade de difusão.
A difusão na superfície é a maior de todas porque é justamente na superfície onde se encontram os maiores defeitos cristalinos – átomos da superfície não fazem todas as suas ligações, não completam os seus números de coordenações. Já na região de contorno de grão, também tem uma região de imperfeição, alteração da orientação cristalina entre um grão e outro. Entretanto, a maior parte da difusão acontece no volume, pois é onde se tem a maior quantidade de região de difusão disponível.
Exemplos de processo de difusão:
- Dopagem de Si com P em semicondutores tipo-n:
- Cementação de aço com carbono:
Quanto maior o tempo em que a peça fica exposta a esse ambiente, maior a concentração de carbono que se consegue adicionar à essa peça em uma determinada posição. Aumentando o teor de carbono na faze gasosa, consegue acelerar ainda mais esse processo.