Aula Difusão atual

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Difusão 
Mossoró, outubro 2019 
Difusão 
 Muitas reações e processos importantes no tratamento de materiais 
baseiam-se na transferência de massa, a qual poderá ocorrer no 
interior de sólidos, líquidos e gases. Esse processo se dá por difusão. 
 
 
 Difusão - fenômeno do transporte de material por movimento 
atômico. Associada ao transporte de massa que ocorre em um 
sistema quando existe uma diferença de potencial termodinâmico. 
Átomos (gases, líquidos e sólidos) - movimento constante com o tempo. 
 
 Gases - os movimentos atômicos são relativamente rápidos. Exemplo: o 
movimento rápido dos odores culinários ou do fumo. 
 
 Líquidos - os movimentos atômicos são, em geral, mais lentos do que 
nos gases. Exemplo: movimento da tinta em água líquida. 
 
 Sólidos - os movimentos atômicos são dificultados devido à ligação dos 
átomos. Contudo, as vibrações térmicas que ocorrem nos sólidos 
permitem o movimento de alguns átomos. Exemplo: metais e ligas 
metálicas. 
 
Difusão 
 Robert Boyle (1627-1691) - primeiro a reportar que um sólido (zinco) 
penetrou em uma moeda de cobre e formou um material dourado (latão 
= liga cobre-zinco) 
 
 
 Roberts-Austen (1896) – formalizou a difusão em sólidos estudando a 
difusão do ouro em chumbo. Determinou o coeficiente de difusão do Au 
no Pb e a difusividade do ouro em função do inverso da temperatura. 
Difusão (História) 
 Os mecanismos que explicavam o fenômeno da difusão no passado 
(até ≈ 1950) baseiavam-se na troca simultânea de átomos ou o 
modelo da troca por anel (não existia ainda o conceito de lacuna). 
 
Difusão (História) 
(a) Modelo da troca simultânea (b)Modelo da troca por anel 
 Engenharia Mecânica: cementação, sinterização, soldagem por 
difusão, tratamentos térmicos, (galvanização). 
 
 
 
a) Cementação - tratamento termoquímico que consiste em se 
introduzir carbono na superfície do aço pelo mecanismo de difusão 
atômica com o objetivo de se aumentar a dureza superficial do 
material. 
Aplicações da Difusão 
 b) Galvanização – consiste na deposição do zinco sobre o aço, sendo 
que parte do zinco difunde para o aço. 
 
 
 
c) Sinterização – processo no qual pós com preparação cristalina ou 
não, uma vez compactados são submetidos a temperaturas elevadas. 
Este processo cria uma alteração na estrutura microscópica do elemento 
base. 
 
 
 
Aplicações da Difusão A 
Aplicações da Difusão 
Figura 1. Processamento por metalurgia do pó 
Figura 2. Processo de difusão durante a sinterização. Átomos se 
difundem através dos contatos formando pescoço (neck). 
Aplicações da Difusão 
 Engenharia Química: as operações de transferência de massa. 
 
 
 
 Engenharia Elétrica: a difusão de impurezas em bolachas de silício, 
de modo a alterar as propriedades elétricas para a produção dos 
circuitos integrados. 
 
Aplicações da Difusão 
O par de difusão é formado quando as faces de 2 metais diferentes 
estão em contato e aquecidas por um determinado tempo. 
Par de Difusão 
Figura 3. (a) Par de difusão cobre-níquel antes de tratamento térmico. (b) 
Representação esquemática das localizações de átomos de cobre 
(vermelhos) e níquel (azuis) dentro do par de difusão. (c) Concentração de 
cobre e níquel como uma função da posição através do par de difusão. 
Par de difusão 
 O par de difusão é aquecido durante um período de tempo numa 
temperatura elevada, e resfriada até a temperatura ambiente. 
 
 As concentrações de ambos os metais variam com a posição 
Figura (4c), indicando que átomos de cobre migraram ou se 
difundiram para dentro do níquel e que átomos de níquel se 
difundiram para dentro do cobre. Este processo, pelo qual átomos 
de um metal se difundem para dentro de um outro, é denominado 
interdifusão ou difusão de impureza. 
 
Par de difusão 
Difusão 
Figura 4. (a) Par de difusão níquel-cobre depois de tratamento térmico a 
alta temperatura , mostrando a zona de difusão com formação de liga. 
(b) Representação esquemática da localização de átomos de cobre 
(vermelhos) e níquel (azuis) no interior do par de difusão após 
tratamento térmico. (c) Concentração de cobre e níquel como uma 
função de posição através do par. 
 A Interdifusão pode ser distinguida por mudanças em concentração 
que ocorre ao longo do tempo, como no exemplo do par de difusão 
Cu-Ni. 
 
 Existe um transporte de átomos a partir de regiões de alta 
concentração para regiões de baixa concentração. 
 
 A Difusão ocorre também para metais puros (todos os átomos que 
trocam posições são do mesmo tipo), sendo denominado auto-
difusão. 
Difusão 
 De uma perspectiva atômica, difusão é a migração em etapas de 
átomos de um sítio para outro sítio da rede. Os átomos em materiais 
sólidos se encontram em movimento constante, mudando de 
posições. Para que um átomo se mova, duas condições devem ser 
satisfeitas: 
 
 (1) Deve existir um sítio adjacente vazio; 
 
 (2) O átomo deve ter energia (vibracional) suficiente para quebrar 
as ligações com seus átomos vizinhos. 
Mecanismo de Difusão 
 
Modelos para o movimento atômico durante a difusão metálica: 
 
 
a) Difusão através de vacâncias 
 
 
b) Difusão intersticial. 
Mecanismo de Difusão 
 
Difusão Através Vacâncias 
 
 
 Envolve a troca de um átomo a partir de uma posição normal da rede 
para um sítio adjacente vazio ou vacância (Figura 5a). 
Mecanismo de Difusão 
Mecanismo de Difusão 
Figura 5. Representações esquemáticas. (a) Difusão através de vacâncias. 
Movimento de um hospedeiro 
ou átomo de substituição 
 Difusão através vacância – a extensão da difusão é função do número 
de vacâncias presentes, onde a quantidade de vacâncias aumenta a 
elevadas temperaturas e dessa forma a velocidade de difusão aumenta 
com a elevação da temperatura. 
 
 Átomos em difusão e vacâncias trocam posições entre si, a difusão de 
átomos num sentido corresponde ao movimento de vacâncias no sentido 
oposto. 
 
 A interdifusão ocorre por vacância e os átomos impurezas devem 
substituir os átomos hospedeiros. 
 
Mecanismo de Difusão 
 Difusão Intersticial - envolve átomos que migram de uma posição 
intersticial para uma outra vizinha que esteja vazia (Figura 6b). 
 
 
 Este mecanismo ocorre para a interdifusão de impurezas como 
hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, que têm átomos que são 
pequenos suficientes para se ajustar às posições intersticiais. 
Mecanismo de Difusão 
Mecanismo de Difusão 
Figura 6. Representações esquemáticas. (9) Difusão intersticial. 
Antes da difusão 
Depois da difusão 
Em muitas ligas metálicas, a difusão intersticial ocorre de maneira 
mais rápida do que difusão através de vacâncias, de vez que 
átomos intersticiais são menores do que os átomos da rede e, 
assim, apresentam maior mobilidade. 
Mecanismo de Difusão 
Difusão é um processo que depende do tempo, isto é, num 
sentido microscópico, a quantidade de um elemento que é 
transportado dentro de um outro é uma função do tempo. 
 
Difusão em estado permanente 
 Às vezes é necessário saber o quanto rapidamente a difusão ocorre, 
ou a taxa de transferência de massa. 
 
 
 Esta taxa é expressa como um fluxo de difusão (J), definido como a 
massa (ou número de átomos) M que se difundem 
perpendicularmente por unidade de área por unidade de tempo. 
 
Difusão em estado permanente 
Onde: 
 M – massa (ou número de átomos) 
 
 A - área através da qual a difusão está ocorrendo; 
 
 t - é o tempo no qual a difusão ocorre. 
 
 Unidades de J são: (kg/ m2s ou átomos/m2s). 
 
 
 
Difusão em estado permanente 
Matematicamente, temos: 
 
 
 
Fluxo de difusão (J) 
Forma diferencial 
Difusão em estado estacionário 
 
 Se o fluxo de difusão não varia com o tempo, então existe uma 
condição de estado estacionário. 
 
 
Exemplo: difusão de átomos de um gás através deuma placa de metal 
para a qual as concentrações (ou pressões) das espécies que se 
difundem em ambas as superfícies da placa são mantidas constantes. 
 
Difusão em estado permanente 
Difusão em estado permanente 
Figura 7. (a) Difusão em estado estacionário através de uma fina placa. 
(b) Perfil linear de concentração para a situação de difusão em (a). 
Onde: 
 D – coeficiente de difusão (m2/s); 
 dc/dX – gradiente de concentração; 
 Gradiente de concentração = DC / Dx = (CA - CB) / (xA - xB) 
Difusão em estado permanente 
1ª Lei de Fick 
O sinal negativo na expressão 
indica que o sentido de 
difusão se dá contra o 
gradiente de concentração.. 
Purificação do gás hidrogênio. 
 
 Um lado de uma folha de metal paládio é exposto ao gás impuro 
composto de hidrogênio e outras espécies gasosas tais como 
nitrogênio, oxigênio, e vapor d'água. 
 
 O hidrogênio se difunde seletivamente através da chapa de paládio 
para o outro lado, que é mantido a uma pressão de hidrogênio 
constante e inferior à do primeiro lado. 
 
Difusão em estado permanente 
Difusão em estado estacionário - Exemplo 
 
 Muitas situações práticas são de difusão em estado não-estacionário, 
ou seja, o fluxo de difusão e o gradiente de concentração numa dada 
posição no sólido variam com o tempo. Como resultado, ocorre um 
acúmulo líquido ou um decréscimo líquido (esgotamento) das 
espécies difusoras. 
 
Difusão em estado não-estacionário 
Difusão em estado não-estacionário 
Figura 8 - Perfis de concentração para difusão em regime não 
estacionário em 3 diferentes tempos, t1, t2 e t3. 
2ª Lei de Fick 
Difusão em estado não-estacionário 
Concentrações em relação a posição e tempo. 
Temperatura 
 
 A temperatura tem uma profunda influência sobre os coeficientes de 
difusão e sobre as taxas de difusão. 
 
 
 Exemplo: para a autodifusão de Fe em Ferro-α, o coeficiente de 
difusão cresce aproximadamente 5 ordens de grandeza (1,1 x 10 -20 
para 3,9 x 10 -15 m2/s) ao se elevar a temperatura de 500 para 900oC. 
Fatores que influenciam a difusão 
 A dependência dos coeficientes de difusão em relação à temperatura 
está relacionada de acordo com a equação. 
Fatores que influenciam a difusão 
Do = pré-exponencial independente da temperatura (m2/s) 
Qd = energia de ativação para difusão (J/mol, cal/mol, ou eV/átomo) 
R = constante do gás, 8,31 J.mol-1K-1, 1,987 cal.mol-1K-1, ou 8,62 x 10-5 
eV/átomo 
T = temperatura absoluta (K) 
A energia de ativação pode ser pensada como a energia requerida para 
produzir o movimento difusivo de 1 mol de átomos. 
Fatores que influenciam a difusão 
 A migração atômica pode também ocorrer ao longo de discordâncias, 
contornos de grão e superfícies externas. Estes são chamados passos 
de difusão de "curto-circuitos " na medida em que as taxas são muito 
maiores do que aquelas para difusão pelo interior da rede cristalina. 
Outros passos da difusão 
 
 Algumas propriedades de materiais são alteradas como resultado de 
processos e transformações que envolvem difusão atômica. 
 
 
 Para que as transformações ocorram em períodos de horas, elas são 
realizadas em altas temperaturas nas quais as taxas de difusão são 
comparativamente rápidas. 
 
 
Processamento de materiais e difusão 
 Esses tratamentos térmicos são utilizados pelo menos 1 vez durante a 
produção de materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. 
 
Exemplo: 
 
 A resistência de alguns aços se deve a tratamentos térmicos. 
 
 A integridade mecânica de muitas cerâmicas se deve a tratamentos 
térmicos (queima). 
 
Processamento de materiais e difusão