Difusão

Difusão em Sólidos

O Conceito de Difusão

Transporte de matéria na própria matéria, através da movimentação

atômica

Taxa de vibração dos átomos

À 950° C 109 saltos/segundo

À 250° C 1 salto/segundo

À 25° C 10-9 saltos/segundo

* Carbono na Austenita

Mecanismos da Difusão

Baseados no tamanho do sítio ocupado pelo átomo na estrutura cristalina.

Difusão Substitucional ou por Lacunas

Difusão Intersticial

Difusão Intersticial

Fonte: Callister

Difusão Substitucional (Lacunar)

Fonte: Callister

Potencial Químico (A FORÇA MOTRIZ)

TPnii

jn

G

,,

Onde:

µi= Potencial químico;

G= Energia livre de Gibbs;

n= Número de átomos;

P= Pressão;

T= Temperatura.

Força que empurra os átomos

DIFUSÃO EM ESTADO ESTACINÁRIO

t

M

AJ

1

Onde:

J = Fluxo de difusão;

M= massa;

A = área através a difusão ocorre;

t = tempo de difusão decorrido.

Na forma diferencial

At

MJ

GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO

1ª Lei de Fick

x

CDJ

COEFICIENTE DE DIFUSÃO

Fatores Que Influenciam na difusão

Temperatura

Composição Química

Interfaces

Estrutura Cristalina da Difusão

Efeito da Temperatura Ativação Térmica

EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE

2ª Lei de Fick

Quando D independe da composição

Distância Líquida Percorrida

Para que 1 átomo percorra 1mm na austenita à 950°C, ele terá que se deslocar 6,5 km.

O tempo gasto é proporcional à √D, onde D é o coeficiente de difusão do átomo no material.

Dt

xerf

CC

CC

s

x

21

0

0

Distâncias de Difusão

Fonte : Callister

Difusão de um gás por uma placa metálica

Con

cent

raçã

o da

s es

péci

es d

ifus

ívei

s

Distância

t3 > t2 > t 1

t1

t2

t3

Difusão em estado não-estacionário em diferentes instantes de tempo

Fonte: Callister

FUNÇÃO ERRO

dyyzerfz

2

0

exp2

)(

Função erro

Tabela de valores da função erro erf(z)

z Erf(z) Erf(z) Erf(z)z z

Fonte: Callister

Espécie

Difusível

Metal

HospedeiroD0(m²/s) kJ/mol eV/átomo T(°C) D(m²/s)

Valores calculadosEnergia de ativação Qd

Uma Tabulação de Dados de Difusão

Fonte: E.A. Brandes e G.B. Brook ( Smithells Metals Reference Book)

Con

cen

traç

ão, C

Cx - C0

Cs - C0

Distância de interface, x

CCx

Cs

C0

Difusão em estado não estacionário

Fonte: Callister

Temperatura (°C)

Co

efic

ien

te d

e d

ifu

são

(m

²/s)

Inverso da temperatura (1000/k)

C em ferro γ

Zn em Cu

Fe em Fe γ

Fe em Fe αCu em Cu

Al em Al

C em Fe α

Fonte: E.A. Brandes e G.B. Brook ( Smithells Metals Reference Book)

Co

efic

ien

te d

e d

ifu

são

(m

²/s)

Inverso da temperatura (1000/k)

Difusão do Ouro no Cobre

Fonte: Callister

Difusão Inversa

Direção da difusão dos átomos de carbono

Aço com 1% de carbono

Aço rico em enxofre

Por que isso acontece?

Porque o potencial químico do carbono na liga rica em enxofre é maior que aquele na liga que não contém enxofre.

Gradiente de concentrações

diminui

Gradiente de concentrações

aumenta

A difusão ocorre da região de menor concentração de carbono para

aquela de maior concentração de carbono, o que corresponde à

região de maior potencial químico para aquela de menor potencial

químico.

Conclusão

A força motriz para a difusão é o gradiente (variação) do potencial

químico e não o gradiente de concentração

Importância na Engenharia

A difusão está presente em muitas transformações de fases, alterando

microestruturas, dando propriedades importantes aos materiais de acordo com

seu uso na engenharia

Aplicações do Fenômeno de Difusão

Louças e ladrilhos cerâmicosTijolos Refratários para Siderurgia

Sinterização: Tratamento térmico em que um pó compactado é aquecido a temperaturas menores que a de fusão, e as partículas se unem e se aproximam, formando um corpo densificado– Força Motriz: Redução da área (energia)

superficial– Aplicações: Metalurgia do pó, todos os produtos

cerâmicos, com a exceção do vidro.

Aplicações do Fenômeno de Difusão

Nitretação a Plasma

Engrenagens CarbonitretadasCorte de uma peça Cementada

Micrografias de camadas Nitretadas

Micrografia de camada Carbonitretada

Tratamentos termoquímicos: Tratamentos térmicos que visam alterar a superfície do material pela difusão de um elemento em uma camada superficial.– Objetivos: Maior dureza superficial, menor

coeficiente de atrito, maior vida em fadiga, melhor resistência a oxidação, barreira de difusão para hidrogênio;

– Processos: Carburetação (Cementação), Nitretação, Carbonitretação, Boretação, etc.

Aplicações do Fenômeno de Difusão

Vigas em I e estrutura de treliça em aço

Equipamentos de alpinismo, fuselagem e rebites de avião: Alumínio endurecido por precipitação

Tratamentos térmicos dos metais: Etapas fundamentais no processamento de muitos materiais de engenharia, para garantir as propriedades mecânicas desejadas.Os tratamentos dependem diretamente e são calculados a partir da difusão. Exemplos:

– Aços: Revenimento, Solubilização, Recozimento, Esferoidização, etc.

– Alumínio: Solubilização e Envelhecimento (Endurecimento por precipitação)

Aplicações do Fenômeno de Difusão

Membranas de separação de gases: folhas de metais ou outros materiais que apresentam difusão preferencial de um certo gás, sendo usadas para separação do mesmo.

Soldagem por difusão: Promove a união de duas ou mais chapas por deformação, que gera calor e promove a difusão entre as superfícies recém-deformadas dos metais.