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)
Onde:


G

i 


i
 n
n ,P
,T
µi= Potencial químico;
G= Energia livre de Gibbs;
n= Número de átomos;
P= Pressão;
T= Temperatura.
j
Força que empurra os átomos
DIFUSÃO EM ESTADO
ESTACINÁRIO
M
J 
At
Na forma
diferencial
Onde:
J = Fluxo de difusão;
M= massa;
A = área através a difusão ocorre;
t = tempo de difusão decorrido.
1 M
J
A t
GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO
1ª Lei de Fick
C
J D
x
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.
C

C
 x
x
0

1

erf


C
C
2Dt


s
0

O tempo gasto é proporcional à √D, onde
D é o coeficiente de difusão do átomo no
material.
Distâncias de Difusão
Difusão de um gás por uma placa
metálica
Fonte : Callister
Concentração das espécies difusíveis
Difusão em estado não-estacionário em diferentes
instantes de tempo
t3 > t2 > t 1
t3
t2
t1
Distância
Fonte: Callister
FUNÇÃO ERRO
Função erro
z
 
2
2
erf
(
z
)
 
exp

yd

0
Tabela de valores da função erro
erf(z)
z
Erf(z)
z
Erf(z)
z
Erf(z)
Fonte: Callister
Uma Tabulação de Dados de Difusão
Espécie
Difusível
Metal
Hospedeiro
Energia de ativação Qd
D0(m²/s)
kJ/mol
eV/átomo
Valores calculados
T(°C)
D(m²/s)
Fonte: E.A. Brandes e G.B. Brook ( Smithells Metals Reference Book)
Difusão em estado não estacionário
Concentração, C
Cs
Cs - C0
CCx
Cx - C0
C0
Distância de interface, x
Fonte: Callister
Temperatura (°C)
C em Fe α
Coeficiente de difusão (m²/s)
C em ferro γ
Zn em Cu
Fe em Fe γ
Al em Al
Fe em Fe α
Cu em Cu
Inverso da temperatura (1000/k)
Fonte: E.A. Brandes e G.B. Brook ( Smithells Metals Reference Book)
Coeficiente de difusão (m²/s)
Difusão do Ouro no Cobre
Inverso da temperatura (1000/k)
Fonte: Callister
Difusão Inversa
Aço com 1%
de carbono
Aço rico em
enxofre
Direção da difusão dos átomos de
carbono
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

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 Louças
a exceção
do vidro.
e ladrilhos
Tijolos Refratários para
Siderurgia
cerâmicos
Aplicações do Fenômeno de Difusão

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.
Nitretação a Plasma
Corte de uma peça Cementada
Micrografia de camada
Carbonitretada
Micrografias de
camadas Nitretadas
Engrenagens Carbonitretadas
Aplicações do Fenômeno de Difusão

Tratamentos térmicos dos metais:
Etapas
Equipamentos
de alpinismo,
fuselagem
rebites de avião:
fundamentais no processamento
de emuitos
endurecido por
materiais de engenharia, paraAlumínio
garantir
as
precipitação
propriedades mecânicas desejadas.Os
tratamentos dependem diretamente e são
calculados a partir da difusão. Exemplos:
–
–
Aços: Revenimento, Solubilização, Recozimento,
Esferoidização, etc.
Vigas em I e estrutura de treliça
Alumínio: Solubilização e Envelhecimento
em aço
(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.