aula 6 - difusão

UNIVERSIDADE CATLICA DOM BOSCOESTUDO DE CASO CONTROLE DE PRODUO

FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

Prof Anne Cerqueira

2 Conceito


Difuso

Difuso o fenmeno de transporte dematerial atravs do movimento dos tomos.

- Muitas reaes e processos que so importantes no tratamento de materiais dependemda transferncia de massa, seja no interior de um slido especfico (geralmente em umnvel microscpico) ou a partir de um lquido, gs ou outra fase slida.

3 Conceito


Difuso

- A movimentao de cada tomo pode ser descrita como sendo um caminhoaleatrio no espao. Por simplicidade ser assumido uma movimentaounidimensional.

4 Conceito


Difuso

APLICAO

- A presena da difuso em nosso cotidiano no to rotineira, mas grandesua importncia para a fabricao de componentes ou estruturas deengenharia.

5 Conceito


Difuso

- Par de difuso cobre-nquel.

6 Conceito


Difuso

TIPOS DE DIFUSO

- Interdifuso ou difuso de impurezas: ( omais comum) ocorre quando tomos de um metaldifunde em outro. Nesse caso h variao naconcentrao.

- Autodifuso: ocorre em cristais puros. Nessecaso no h variao na concentrao.

7 Conceito


Difuso

MECANISMOS DE DIFUSO

- Vacncias ( o mais comum, um tomo da rede move-se parauma vacncia)

- Intersticiais (ocorre com tomos pequenos e promovemdistoro na rede)

- Contorno de gro (importante para crescimento de gros)

- Discordncias (o movimento das discordncias produzdeformao e a recuperao do material)

- Fenmenos superficiais (importante para sinterizao)

8 Mecanismo de Difuso


Difuso

DIFUSO POR LACUNAS (DIFUSO SUBSTITUCIONAL)

- Na DIFUSO POR LACUNAS um tomo (hospedeiro ou substitucional) se desloca de umaposio normal da rede cristalina para um stio vago, ou lacuna, adjacente.

- A extenso segundo a qual a difuso por lacunas pode ocorrer funo da concentrao delacunas presente no metal.

- A concentrao de lacunas aumenta com a temperatura.

9 Mecanismo de Difuso


Difuso

DIFUSO POR LACUNAS (DIFUSO SUBSTITUCIONAL)

- Na DIFUSO POR LACUNAS um tomo (hospedeiro ou substitucional) se desloca de umaposio normal da rede cristalina para um stio vago, ou lacuna, adjacente.

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Mecanismo de Difuso


Difuso

DIFUSO INTERSTICIAL

- Na DIFUSO INTERSTICIAL tomos intersticiais migram para posies intersticiais adjacentesno ocupadas do reticulado.

- Em metais e ligas, a difuso intersticial um mecanismo importante para a difuso de impurezasde raio atmico pequeno em relao aos do hospedeiro.Exemplos: hidrognio, carbono, nitrognio e oxignio no ao.

- Geralmente, a difuso intersticial muito mais rpida que a difuso por lacunas.Exemplo: No caso do Fe- a 500C, a difuso dos tomos de carbono quase 109 vezes mais

rpida do que a autodifuso dos tomos de ferro.

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Mecanismo de Difuso


Difuso

FLUXO DE DIFUSO

- Para quantificar a rapidez com que o fenmeno da difuso se processa no tempo usamos oFLUXO DE DIFUSO (J).

- O Fluxo de Difuso definido como sendo a massa (ou, de forma equivalente, o nmero detomos) M que se difunde por unidade de tempo atravs de uma rea unitria perpendicular direo do movimento da massa,

A representa a rea atravs da qual a difuso est ocorrendo e t o intervalo de tempo dedifuso decorrido.- Em forma diferencial,

- No Sistema Internacional (SI), as unidades para J so quilogramas (ou tomos) por metroquadrado por segundo (kg.m-2 s-1 ou tomos.m-2.s-1 )

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Conceito


Difuso

DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO

- Quando J no varia com o tempo (C tambm no varia com o tempo) e temos a DIFUSO EMESTADO ESTACIONRIO (ou DIFUSO EM REGIME PERMANENTE).

- Para que J no varie com o tempo necessrio que J tambm no varie com a posio. Assim,para o eixo x,

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Conceito


Difuso


- Para processos de difuso em estado estacionrio, a equao que correlaciona ofluxo de difuso J com o gradiente de concentrao dC/dx chamada de PRIMEIRALEI DE FICK,

J= at/m2.s=M/A.tD= coef. De difuso cm2/sdC/dx= gradiente de concentrao em funo da distncia at/cm3

- O sinal negativo na equao acima indica que o fluxo ocorre na direo contrria do gradiente de concentrao, isto , no sentido das concentraes altas para asconcentraes baixas.

- Na primeira lei de Fick, o POTENCIAL TERMODINMICO ou FORA MOTRIZ paraque ocorra o fenmeno de difuso o gradiente de concentrao.

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Conceito


Difuso


Exemplo: Uma placa de ferro exposta a uma atmosfera carbonetante (rica em carbono) por um deseus lados e uma atmosfera descarbonetante (deficiente em carbono) pelo outro lado a 700C(1300F). Se uma condio de estado estacionrio atingida , calcule o fluxo de difuso do carbonoatravs da placa, sabendo que as concentraes de carbono nas posies a 5mm e a 10 mmabaixo da superfcie carbonetante so de 1,2 e 0,8 Kg/m, respectivamente. Suponha umcoeficiente de difuso de 3x 10-11 m2 / s.

Resoluo: A primeira lei de Fick usada para determinar o fluxo por difuso. A substituio dosvalores acima na frmula fornece:

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Conceito


Difuso


Exemplo: Calcule o nmero de quilogramas de hidrognio que passa a cadahora atravs de uma chapa de paldio com 5mm de espessura e que possuiuma rea de 0,20 m, estando o sistema a 500C. Considere um coeficientede fuso de 1 x 10-8 m2 / s, que as concentraes de hidrognio dos ladoscom alta e baixa presso sejam de 2,4 e 0,6 kg de hidrognio por metrocbico de paldio, respectivamente, e que condies de estado estacionriotenham sido atingidas.

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Conceito


Difuso


Exemplo: Calcule o nmero de quilogramas de hidrognio que passa a cada hora atravs de umachapa de paldio com 5mm de espessura e que possui uma rea de 0,20 m, estando o sistema a500C. Considere um coeficiente de fuso de 1 x 10-8 m2 / s, que as concentraes de hidrogniodos lados com alta e baixa presso sejam de 2,4 e 0,6 kg de hidrognio por metro cbico depaldio, respectivamente, e que condies de estado estacionrio tenham sido atingidas.

Resoluo:

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Conceito


Difuso


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Conceito


Difuso


Resoluo:

Substituindo os valores:

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Conceito


Difuso


O Coeficiente de difuso pode ser calculado a partir da equao:

onde Do uma constante calculada para um determinadosistema (tomos e estrutura)

D = Do (e -Qd/RT)

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Conceito


Difuso


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Conceito


Difuso

FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO

- Temperatura Ativao Trmica

onde: Do, uma constante (m2/s);Qd, energia de ativao para difuso (J/mol);R, constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);e T, temperatura absoluta (K).

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Conceito


Difuso



Fazendo o log natural da equao do slide anterior fica:

Em termos de logaritmo na base 10

Sendo Do, Qd e R constantes, a equao acima assume a forma da equao de umareta:

y=b+mx

onde y e x so respectivamente D e 1/T .

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Conceito


Difuso



Dessa forma, se o valor de logD for plotado em funo doinverso da temperaturaabsoluta, o que resulta deveser uma linha reta, possuindoo coeficientes angular -Qd/2,3R e coeficiente linearlog Do.Essa a forma experimentalde determinao dos valoresde Do e de Qd.

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Conceito


Difuso



Exemplo: Usando os dados da Tabela, calcule o coeficiente de difuso para o magnsio noalumnio a 550C.

Resoluo: Esse coeficiente de difuso pode ser determinado aplicando os valores na frmula deDo e Qd obtidos na tabela:

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Conceito


Difuso



Exemplo: Usando os dados da Tabela, calcule o coeficiente de difuso do zinco no cobre a 650C.

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Conceito


Difuso



Exemplo: Usando os dados da Tabela, calcule o coeficiente de difuso do zinco no cobre a 650C.

Resoluo: Esse coeficiente de difuso pode ser determinado aplicando os valores na frmula deDo e Qd obtidos na tabela:

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Conceito


Difuso


- Caminhos para a Difuso

A movimentao de tomos pode ocorrer:1) No volume do material2) Ao longo de defeitos lineares: discordncias3) Ao longo de defeitos bidimensionais: contornos de gro, superfcies externas. A movimentao de tomos pelos defeitos cristalinos muito mais rpida que pelo volume. Em alguns casos, a contribuio do fluxo de tomos atravs dos defeitos cristalinos insignificante(os seus volumes so muito pequenos em comparao com o resto do cristal isento de defeitos).

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Conceito


Difuso

EFEITOS DA ESTRUTURA NA DIFUSO

FATORES QUE FAVORECEM A DIFUSO

Baixo empacotamento atmico

Baixo ponto de fuso

Ligaes fracas (Van der Walls)

Baixa densidade

Raio atmico pequeno

Presena de imperfeies

FATORES QUE DIFICULTAM A DIFUSO

Alto empacotamento atmico

Alto ponto de fuso

Ligaes fortes (inica ecovalentes

Alta densidade

Raio atmico grande

Alta qualidade cristalina

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Conceito


Difuso

EFEITOS DA ESTRUTURA NA DIFUSO

Caso do Ferro (ALOTROPIA)

O coeficiente de difusodos tomos de Carbonono Fe ccc maior queno cfc, pois o sistema ccctem um fator deempacotamento menor

(F.E. ccc= 0,68 e F.E. cfc=0,74)

ccccfc

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