difusão. difusão em sólidos o conceito de difusão transporte de matéria na própria matéria,...
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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.