Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais Prof. Dr. André Paulo Tschiptschin

Transcrição

1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais Prof. Dr. André Paulo Tschiptschin

2 CONCEITUAÇÃO Difusão: fenômeno de transporte de massa por movimentação atômica (no caso de metais), de cátions e ânions (no caso de cerâmicas iônicas) e de macromoléculas (no caso de polímeros). A difusão ocorre no interior de sólidos, líquidos e gases.

3 CONCEITUAÇÃO

4 CONCEITUAÇÃO 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.

5 APLICAÇÕES Modificação superficial de peças Processadores de microcomputadores Filtros para purificação de gases Sensores para injeção eletrônica de combustível

6 DIFUSÃO Potencial termodinâmico para difusão

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

8 DIFUSÃO POR LACUNAS: átomos substitucionais trocam de posição com lacunas existentes no reticulado cristalino. A movimentação é função do número de lacunas presentes. O número de lacunas aumenta exponencialmente com a temperatura. A movimentação do átomo ocorre em uma direção e a de lacunas ocorre na direção contrária. AUTODIFUSÃO (difusão de átomos de mesma espécie) INTERDIFUSÃO (difusão de átomos de espécies diferentes)

9 Mecanismos atômicos de difusão Intersticial

10 DIFUSÃO INTERSTICIAL DIFUSÃO INTERSTICIAL: átomos intersticiais migram para posições intersticiais adjacentes não ocupadas do reticulado. Não há a necessidade de existir lacunas vizinhas. Em metais e ligas, difusão de impurezas de raio atômico muito pequeno em relação ao raio atômico da matriz. Exemplos: hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio no aço. Difusão intersticial é muito mais rápida que a difusão substitucional (por lacunas).

11 Difusão intersticial 1ª lei de Fick Difusividade intrínsica 1ª lei de Fick

12 Difusão 1ª lei de Fick Z é o número de sítios possíveis B é a frequência de pulo G m é a energia de ativação

13 Equação de Arrhenius

14 Coeficientes de difusão intersticial para ferro (CCC)

15 Difusão em regime permanente C x 0 C l H J H D H C l H

16 Difusão em regime transitório 2ª lei de Fick

17 Difusão em regime transitório Em muitos fenômenos estudados, a difusão ocorre em regime transitório. Neste caso, tanto o fluxo quanto a concentração variam com o tempo 2ª lei de Fick

18 Soluções para a equação de difusão Homogeneização tempo de relaxação amplitude do perfil de concentrações

19 Soluções para a equação de difusão Cementação

20 Soluções para a equação de difusão Cementação função erro

21 Difusão substitucional Auto-difusão é a frequência de pulos A* são átomos de A radioativos A são átomos de A

22 Difusão substitucional O coeficiente de auto-difusão depende da concentração de lacunas e de Hv

23 Coeficientes de difusão e enrgias de ativação para difusão substitucional

24 Difusividades no ponto de fusão

25 Energias de ativação

26 Difusão de lacunas

27 Difusão em ligas substitucionais

28 Difusão em ligas substitucionais

29 Difusão em ligas substitucionais Coeficiente de interdifusão

30 Difusão em ligas substitucionais 1ª lei de Fick 2ª lei de Fick

31 Efeito Kirkendall

32 Coeficientes de difusão

33 Caminhos de alta difusividade contornos de grão

34 Caminhos de alta difusividade contornos de grão

35 Caminhos de alta difusividade discordâncias