Difusão Prof. C. Brunetti

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1 Difusão Prof. C. Brunetti

2 Conceitos fundamentais Definição: Mecanismo pelo qual a matéria é transportada através da matéria. Os átomos, em gases, líquidos e sólidos, estão em movimento constante e migram ao longo do tempo. Nos gases: movimentos atômicos são relativamente rápidos Nos líquidos: os movimentos atômicos mais lentos Nos sólidos: os movimentos atômicos são dificultados devido a ligação dos átomos em posições de equilíbrio. 2

3 Conceitos fundamentais A compreensão da difusão atômica é fundamental para a compreensão de muitos processos de interesse em engenharia, tais como: Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade Tratamentos Térmicos e Termoquímicos de Materiais Metálicos Solidificação de Materiais Metálicos Processamento de Materiais Cerâmicos Processos de Fabricação Através de Metalurgia do Pó Purificação de gases 3

4 A Difusão pode ser: Conceitos fundamentais 1 -Auto-difusão: sólidos elementares 2 -Interdifusão: em ligas, os átomos tende a migrar das regiões de alta concentração. 4

5 Interdifusão Se unirmos uma placa de Ni a uma placa de Cu, átomos de Ni migrarão gradualmente para a placa de Cu e átomos de Cu migrarão gradualmente para a placa de Ni. 5

6 Interdifusão Após um longo período de tempo, átomos de Ni e de Cu se distribuirão uniformemente através de todo o metal. Este se tornará homogêneo, com a mesma concentração de Cu e Ni, em qualquer q ponto. 6

7 7 Interdifusão

8 Mecanismos de Difusão Para um átomo difundir, ou seja, se movimentar na estrutura, duas condições devem ser atendidas: Deve existir um sítio adjacente vago; O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que o une aos seus vizinhos e então causar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento. Qd é a energia necessária para o movimento, e é a energia de ativação da difusão 8

9 Mecanismos de Difusão Em redes cristalinas existem dois mecanismos principais de difusão atômica: Substitucional Intersticial. Interstcal. 9

10 Difusão por lacunas Aplica-se a impurezas substitucionais. Átomos trocam de posições com vacâncias e a direção do fluxo global de material é oposto ao fluxo de vacâncias. A difusão por lacunas depende: Número de vacâncias; Energia de ativação para a troca; Freqüência de saltos. 10

11 Difusão por lacunas Note a natureza randômica da migração atômica de A e B. Mas a diferença na concentração dos dois materiais i resultará num fluxo global l do material A para B, e vice-versa. A presença de lacunas facilita essa movimentação. 11

12 Difusão Intersticial Aplicado a impurezas intersticiais NoteN a natureza randômica da migração atômica, mas haverá um fluxo global, desde que haja uma variação na composição química dentro do material. Na difusão intersticial do carbono no ferro, os átomos de carbono, ao entrarem ou saírem dos interstícios, têm de "abrir caminho" entre os átomos de ferro da matriz. 12

13 Comparação entre os mecanismos Tipicamente, energia de ativação para difusão por Lacunas, qv, é maior que a para difusão intersticial, qi. Portanto, difusão intersticial ocorre mais rapidamente que difusão por vacâncias. 13

14 Energias de ativação para a difusão Obviamente, para um átomo intersticial forçar passagem entre átomos vizinhos será mais fácil do que para um átomo substitucional. Consequentemente, a energia de ativação para a difusão intersticial é menor do que para a difusão de lacunas, ou seja: Qv > Qi 14

15 Valores típicos de energia de ativação Menor energia de ativação (Q), indica......maior facilidade para a difusão 15

16 Perfil de concentração 0,8%C 16

17 Fatores que influenciam na difusão Microestrutura Em geral, a difusividade é maior através das regiões estruturais menos compactas, isto é, contornos de grão, discordâncias, superfície externa. A maior difusividade em materiais policristalinos x monocristais é por causa da difusividade maior do contorno de grão e discordâncias. 17

18 Outros caminhos de difusão A migração atômica também pode ocorrer ao longo das discordâncias, contornos de grão e superfícies externas; Caminhos s de difusão de curto-circuito; uit As taxas de difusão são muito maiores do que aquelas para a difusão no meio da massa sólida; Contudo, na maioria das situações, as contribuições para o fluxo de difusão global devido aos curto-circuitos são insignificantes, pois as áreas de seção reta para esses caminhos são extremamente pequenas. 18