Difusão atômica final, Notas de estudo de Cultura

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Belém.Pa – 2015

Instituição: Nepam

Curso: Técnico em Mecânica Industrial

DIFUSÃO ATÔMICA

Turma: TMI-

ADRIANO SÉRGIO

BRUNO SANTOS

HERMAN KLAUSS

IGOR ROBERTO

MAURICIO FERREIRA

DIFUSÃO ATÔMICA

Trabalho de Metalurgia Física e Tratamentos Térmicos oficial do curso de Mecânica Industrial apresentado no Nepam Como requisito de obtenção da 2º Avaliação, Sob orientação do Prof.ª Deibson Costa

Belém. PA - 2015

Agradeço em primeiro lugar a Deus Que iluminou nessa grande jornada Acadêmica e por tudo que me proporciona na vida.

AGRADECIMENTO

A Deus a vida e pelo meu contínuo crescimento A minha família Ao professor Deibson Costa E a todos aqueles que diretamente contribuirão para o trabalho.

A difusão é o movimento de uma espécie química de uma região de alta concentração para outra de baixa concentração, permitindo movimentos atômicos limitados, acontece em metais e ligas, sendo fundamental em metalurgia, átomos como gases líquidos e sólidos estão em movimento, sendo responsável por reações e crescimentos de novos sólidos cristalinos, aços e produção de circuitos.

PALAVRAS-CHAVE: difusão atômica. Conceito e aplicação.

Sumário

1.Introdução ................................................................................

Conceituação ................................................................................

Gases, Líquidos .................................................................................

Sólidos .................................................................................

Difusão Cristalizada ................................................................................

Mecanismos Substitucional ...............................................................................

Difusão Substitucional .................................................................................

Mecanismos Intersticial ................................................................................

Interdifusão .................................................................................

¹ Artigo referente à disciplina metodologia da pesquisa de Difusão Atômica como requisito parcial como obtenção da 2º Avaliação de Metalurgia Física e Tratamentos Térmicos ² Cursando o 2º semestre do curso de técnico em mecânica industrial no NEPAM

Mecanismos em Anel ............................................................................... 10

Autodifusão ................................................................................

2.Aplicações ................................................................................ 12

Exemplo de Aplicação ................................................................................ 13

Efeito Kirkendall ................................................................................ 14

Energia de Ativação ................................................................................

Ativação ................................................................................ 16

1º Lei de Fick ................................................................................ 17

2º Lei de Fick ................................................................................ 18

Estado não estacionário ................................................................................

Coeficiente de difusão D ................................................................................ 20

Defeitos Pontuais ................................................................................ 21

3.Conclusão ................................................................................

4.Referência ................................................................................

Introdução

Difusão é o transporte de matéria no estado sólido, induzido por agitação térmica. Outra definição: É o movimento de uma espécie química de uma região de alta concentração para outra de baixa concentração

caso de polímeros). A difusão ocorre no interior de sólidos, líquidos e gases.

Difusão: Migração passo a passo de átomos de determinadas posições do reticulado para outras. Para ocorrer a movimentação dos átomos são necessárias duas condições:

1. Deve existir um espaço livre adjacente.

2. O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações químicas e causar uma distorção no reticulado cristalino.

Gases: Muito Rápida; Ex: Perfume (Interdifusão). Difusão atômica em gases. Nos gases, como mostra o movimento rápido dos odores culinários ou do fumo.

Líquidos :

Movimentação dos átomos nos líquidos.

Rápidas, mas menos rápidas que as gasosas.

Nos líquidos, os movimentos atômicos são, como é evidenciado pelo movimento da tinta em água líquida (lembra do KMnO4 em H2O).

Principais Aplicações: Carbonetação para endurecimento superficial dos aços Aplicação de dopantes para fabricação de junções p-n (semi condutores) Cerâmicas condutivas (sensores de oxigênio em automóveis) Barreiras Térmicas (TBCs) Materiais magnéticos para discos rígidos

Embalagens para bebidas gaseificadas.

Difusão dos átomo deCu Difusão dos átomo deLiga Cu-Ni Ni

Concentração de Ni, Cu

PosiçãoConcentração de Ni, Cu

Posição 2 Fig. - No caso de líquidos e gases existe a contribuição do movimento de convecção 3

Sólidos : Muito lentas e necessita de alta energia.

Difusão é o transporte de matéria no estado sólido, induzido por agitação térmica. Muitas reações e processos industriais importantes no tratamento de materiais dependem do transporte de massa de uma espécie sólida, (a nível microscópico) em outra fase sólida. Isso é obrigatoriamente através da difusão.

Os movimentos atômicos são dificultados devido à ligação dos átomos em posições de equilíbrio.

As vibrações térmicas que ocorrem nos sólidos permitem o movimento de alguns átomos. Nos metais e ligas metálicas, a difusão dos átomos é particularmente importante, já que a maior parte das reações no estado sólido envolve movimentos atômicos. Como exemplos de reações no estado sólido, temos a precipitação de uma segunda fase a partir de uma solução sólida e a nucleação e crescimento de novos grãos, durante a recristalização de um metal deformado a frio.

De fato os átomos nos sólidos estão em constante movimento, assim para que um átomo sofra movimento de translação duas condições devem ser satisfeitas:

1. Deverá haver um sito adjacente vago;

2. O átomo deve ter suficiente energia (vibracional) para romper sua ligação com a rede e causar alguma distorção.

Difusão no Estado Sólido

• A difusão é um processo dependente do tempo
• A quantidade de elementos transportados é função do tempo
• Velocidade (taxa) de transferência de massa
• Fluxo de Difusão (J) – É o número de átomos M difundindo através de uma seção perpendicular da área unitária de um sólido por unidade de tempo.

Mecanismos de difusão susbstitucional ou por lacunas

Nas redes cristalinas, os átomos podem mover-se de uma posição atômica para outras, se a energia de ativação fornecida pela vibração térmica dos átomos for suficiente e se existirem, na rede, lacunas ou outros defeitos cristalinos para os quais os átomos se possam mover. Nos metais e ligas metálicas, as lacunas são defeitos de equilíbrio e, por conseguinte, existem sempre algumas lacunas, o que permite a ocorrência de difusão atômica substitucional. Á medida que a temperatura do metal aumenta, o número de lacunas presentes aumenta, assim como a energia térmica disponível e, por isso, a velocidade de difusão é maior a temperaturas mais elevadas. Tanto a autodifusão como a interdifusão ocorrem por esta mecanismo; no caso desta última, os átomos de impureza devem substituir os átomos hospedeiros. Considere-se o exemplo de difusão por lacunas dos átomos do plano (1 1 1) da rede cristalina do Cobre, representado na figura. Se um átomo que está junto a uma lacuna tiver energia de ativação suficiente, pode mover-se para a posição da lacuna e, com isso, contribuir para a autodifusão é igual à soma da energia de formação de uma lacuna com a energia de ativação para mover a lacuna. Estão indicadas as energias de ativação para autodifusão de alguns metais puros. Note-se que, de um modo geral, à medida que a temperatura de fusão aumenta, a energia de ativação também aumenta. Existe esta relação porque os metais com temperaturas de fusão mais elevadas têm tendência a ter maiores energias de ligação entre os átomos.

Fig. 2-2 – Mecanismos

Mecanismo intersticial

O mecanismo intersticial em sólidos cristalinos ocorre quando um átomo se move de uma posição intersticial para outra posição intersticial vizinha, sem que exista deslocamento de átomos da matriz cristalina, como mostra a Figura 2.2.

7 Fig. 2-2 – Mecanismos

Conforme a temperatura se eleva, as vibrações térmicas facilitam a difusão atômica; Podem ocorrer em cristais sem defeito pontuais.

Autodifusão

A difusão também ocorre nos metais puros, porém nesse caso todos os átomos que estão mudando de posição são do mesmo tipo, não estando sujeita à observação pelo acompanhamento de mudança na composição. Isso é conhecido por AUTODIFUSÃO.

Normalmente, não se observa difusão em um material puro, monofásico, já que os movimentos atômicos são ao acaso e os átomos são todos idênticos; entretanto, por meio do uso de isótopos radiativos, é possível identificar a difusão dos átomos dentro de sua própria estrutura; a esse fenômeno dá-se o nome de autodifusão.

E m termos simples, é processo de difusão com átomos de mesma espécie, ou pode-se definir a autodifusão como um processo de difusão que ocorre entre os constituintes de uma mistura de gases, por exemplo, cujas partículas são praticamente iguais, como é o caso de isótopos de um mesmo elemento.^1 De acordo com a definição da IUPAC, 2 coeficiente de autodifusão é o coeficiente de difusão de espécies quando o gradiente de potencial químico iguala-se a zero. Isto é relacionado ao coeficiente de difusão pela equação:

Aqui, é a atividade das espécies na solução e é a concentração de. Este termo é geralmente considerado igual à difusão do traçador determinada pela observação do movimento de um isótopo no material de interesse.

Aplicações:

• Modificação superficial de peças
• (^) Processadores de microcomputadores
• Filtros para purificação de gases
• Sensores para injeção eletrônica de combustível

Fator es que favor ecem o

Considerando os dados de difusidade do carbono temos

Logo, a espessura da camada cementada será estimada em

Efeito Kirkendall:

Se a interface "arrasta" os marcadores, podendo promover a geração de poros no material com maior D.

Átomos de cobre deslocam-se com mais facilidade que níquel, deixando lacunas no lugar.

Energia de Ativação

É necessária uma grande energia para que um átomo "se esprema" entre outros durante a difusão. Está energia é denominada: ENERGIA DE ATIVAÇÃO.

Geralmente a energia para uma difusão por lacuna > a da difusão intersticial.

14 Susbstitucional

(Vazios)

IntersticialEnergia