difusão tipos e exemplos, Slides de Química Aplicada

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULODepartamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

DIFUSÃO

PMT 5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia dos Materiais

• Histórico• Conceito de difusão• Par de difusão• Mecanismos de difusão• Fluxo de difusão• Interpretação do gradiente de um campo escalar• Efeito Kirkendall• Difusão em estado estacionário - Primeira lei de Fick• Difusão em estado não-estacionário - Segunda lei de Fick• O coeficiente de difusão• Fatores que influenciam na difusão• Caminhos de difusão• Aplicações

Roteiro da Aula

Da mesma forma que a

corrente elétrica

está

associada ao

transporte de cargas

elétricas

através de um fio condutor quando este estásujeito a uma diferença de potencial elétrico, a DIFUSÃO

está associada ao

transporte de

massa

que ocorre em um sistema quando nele existe diferença de

potencial termodinâmico

(que

pode

ser

proporcional

à^

diferença

de

concentração

química

,^ quando

o^

sistema

Conceito de difusão: transporte de massa está em equilíbrio térmico).

Potencial termodinâmico para

difusão

•No interior dos sólidos, a difusão ocorrepor movimentação atômica (no caso demetais), de cátions e ânions (no caso decerâmicas)

e^

de^

macromoléculas

(no

caso de polímeros).•Daremos aqui atenção especial ao casoda^

difusão

em

materiais

metálicos

sólidos

e^

reticulados

cristalinos

cúbicos

Conceito de difusão: materiais sólidos

A presença da difusão em nosso cotidiano não é tãorotineira,

mas

é^

grande

sua

importância

para

a

fabricação

de

componentes

ou

estruturas

de

engenharia.

Conceito de difusão: aplicações

Corte de umaengrenagem cementada

Cementação

: tratamento termoquímico

onde^

se acrescenta

C^ (carbono) na^ superfície

da^ peça para aumento de dureza.

Esquema da dopagem de boro(verde) no silício (cinza

escuro)

Um^ par

de^ difusão

zinco-cobre

antes

de^ ser

submetido

a^

um^ tratamento

térmico

a

temperatura elevada

Gráfico das concentrações do zinco e do cobre emfunção da posição ao longo do par de difusão.A linha sólida representa a concentração do Zn e alinha pontilhada a do Cu.

Uma visão idealizada do fenômeno da

difusão pode ser obtida com o

auxílio do

PAR DE DIFUSÃO

.^ O par de difusão é formado quando as

superfícies de duas barras de materiais metálicos distintos são colocadasem contato íntimo e aquecidas por um dado tempo.

Par de difusão^ Representações esquemáticas das localizaçõesdos átomos de Zn (círculos à esquerda) e Cu(círculos à direita) no interior do par de difusão.

Zn^

Cu Zn^

Cu Posição (^100) Concentração^0

Um^ par

de^

difusão

zinco-cobre

após

ser

submetido

a^

um^ tratamento

térmico

a

temperatura

elevada

,^ mostrando

a^ zona

de

difusão com formação de liga.Representação esquemática das localizaçõesdos átomos de Zn (círculos vermelhos) e Cu(círculos

amarelos)

no^ interior

do^

par^ de

difusão,

após tratamento térmico

Concentrações de cobre e níquel em função daposição

ao^ longo

do^ par

de^ difusão,

após

tratamento

térmico

.^ A^ linha

preta

tracejada

representa

a^ concentração

de^ Zn

e^ a^

linha

vermelha a de Cu.

Zn^

Cu Liga Cu-Zn Difusão dos átomos de ZnDifusão dos átomos de Cu

Par de difusão

Zn^

Cu Posição 100 0 Concentração %

Difusão por lacunas (Difusão substitucional) • Na^ DIFUSÃO POR LACUNAS

um átomo (hospedeiro ou substitucional)

se desloca de uma posição normal da rede cristalina para um sítiovago, ou lacuna, adjacente.

Lacuna

Lacuna

Antes dadifusão

Depois dadifusão

-^ A movimentação dos átomos ocorre em uma direção e a das lacunasocorre na mesma direção em sentido oposto. •^ A extensão segundo a qual a difusão por lacunas pode ocorrer éfunção da concentração de lacunas presente no metal. •^ A concentração de lacunas aumenta com a temperatura. •^ Quando

átomos

hospedeiros

se^

difundem,

ocorre

o^ processo

de

AUTODIFUSÃO

e^ quando

átomos

de^

impurezas

substitucionais

se

difundem, ocorre o processo de

INTERDIFUSÃO

.

Mecanismos atômicos de difusão -

Substitucional

A energia vibracional de um átomo é da ordem de 3kT.A frequência de vibração dos átomos é aproximadamente constante 10

13 Hz.

A energia vibracional aumenta com o aumento da amplitude de vibração.

Mecanismos atômicos

de difusãoIntersticial

A representa a área através da qual a difusão está ocorrendo e

t é o intervalo de tempo de difusão decorrido.

Fluxo de difusão

-^ Para quantificar a rapidez com que o fenômeno da difusão seprocessa no tempo usamos o

FLUXO DE DIFUSÃO

(J).

-^ O Fluxo de Difusão é definido como sendo a massa (ou, deforma equivalente, o número de átomos) M que se difunde porunidade de tempo através de uma área unitária perpendicularà direção do movimento da massa,

M J = A t (^1) J = A dMdt

-^ Em forma diferencial, •^ No^

Sistema

Internacional

(SI),

as^

unidades

para

J^ são

quilogramas

(ou átomos) por

metro quadrado por

segundo

(kg.m

-2-1^ sou átomos.m

-2-1.s)

Interpretações de gradiente (a) gradiente circular

(b) gradiente linear

Nas figuras acima o campo escalar está representado por tons de cinza, sendo as regiõesmais^

escuras

de^ valores

mais

altos.

Os^ valores

de^ gradiente

correspondentes

estão

-^ O cálculo vetorial define o gradiente de um campo escalar como sendo umcampo de vetores que apontam na representados pelas setas azuis.

direção

da maior taxa de aumento da

grandeza escalar, e cuja

grandeza

é a da maior taxa de variação.

Difusão intersticial1ª lei de Fick

Difusividade intrínsica1ª lei de Fick

Γé a frequência de pulosB^

Na presença de um gradiente deconcentrações os pulos ao acasode átomos individuais produz umfluxo^

líquido

de

átomos,

gradiente

de

concentrações

abaixo.