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Índice
- Introdução - Ι-Caminhos para a Difusão
- ΙΙ-Mecanismos de difusão - 2.1-Difusão por Lacunas - 2.2-Difusão por Intersticial
- ΙΙΙ-Difusão em Sólidos Metálicos - ΙV-Difusão no Estado Sólido - 4.1- Processos termicamente ativados - 4.2- Mecanismos de difusão em metais puros e soluções sólidas - 4.3- Difusão em não metais - Conclusão
- Referência bibliográfica
Agradecimento
O meu agradecimento vai em primeira instancia para o todo poderoso nosso
senhor Jeová Deus, também agradeço o Dr. Garcia Pembele pela oportunidade de
analisar o meu desenvolvimento facultativo.
Ι-Caminhos para a Difusão
- A movimentação de átomos pode ocorrer; no volume do material, ao longo
de defeitos lineares (discordâncias), ao longo de defeitos bidimensionais (contornos de
grão, superfícies externas).
- A movimentação de átomos pelos defeitos cristalinos é muito mais rápida que pelo volume.
- Em alguns casos, a contribuição do fluxo de átomos através dos defeitos
cristalinos é insignificante (os seus volumes são muito pequenos em comparação com o
resto do cristal isento de defeitos).
Para que este transporte ocorra, é necessária a existência de interstícios e
energia Suficiente para que o átomo possa se movimentar para uma nova posição de
equilíbrio. Esta energia decorre da maior vibração dos átomos obtida, por exemplo,
pelo aumento de temperatura ou aplicação de um campo magnético. Para que a difusão ocorra é necessário que tenha átomos de soluto em solução sólida numa matriz de
átomos de solvente (soluto é o material que está sendo dissolvido na matriz), essa
solução pode ser substitucional ou intersticial.
Quando o átomo deixa sua posição de estabilidade no reticulado cristalino e
desloca-se para outra posição, em seu lugar pode ficar um vazio (lacuna) ou sua
posição pode ser ocupada por qualquer outro átomo.
Como o aumento da temperatura do metal no estado sólido gera um aumento de vibração dos átomos na sua posição de equilíbrio, quanto maior a temperatura maior
será a difusão, ou seja; é um processo normalmente activado termicamente.
ΙΙ-Mecanismos de difusão
- De uma perspectiva atómica, a difusão é a migração passo a passo dos átomos de determinadas posições do reticulado cristalino para outras.
- Foram propostos vários mecanismos diferentes para explicar o movimento atómico durante a difusão; deles, dois são dominantes para a difusão em metais, a DIFUSÃO por LACUNAS ou DIFUSÃO SUBSTITUCIONAL e a DIFUSÃO INTERSTICIAL.
- Para ocorrer a movimentação de átomos são necessárias duas condições: 1º Deve existir um espaço livre adjacente ao átomo. 2º O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações químicas que o une a seus átomos vizinhos. Causar uma distorção no reticulado cristalino durante seu deslocamento para a nova posição e formar ligações químicas com os átomos de sua nova vizinhança.
2.1-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 sítio vago, ou lacuna,
adjacente. A movimentação dos átomos ocorre em uma direção e a das lacunas ocorre
na mesma direção em sentido oposto.
- A extensão segundo a qual a difusão por lacunas pode ocorrer é função 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.
2.2-Difusão intersticial
Na DIFUSÃO INTERSTICIAL átomos intersticiais migram para posições
intersticiais adjacentes não ocupadas do reticulado. Em metais e ligas, a difusão
intersticial é um mecanismo importante para a difusão de impurezas de raio atómico
pequeno em relação aos do hospedeiro. Exemplos: hidrogénio, carbono, nitrogénio e
oxigénio no aço. Geralmente, a difusão intersticial é muito mais rápida que a difusão
por lacunas.
No interior dos sólidos, a difusão ocorre por movimentação atómica (no caso de
metais), de catiões e aniões (no caso de cerâmicas) e de macromoléculas (no caso de polímeros).
ΙV-Difusão no Estado Sólido
4.1-processos termicamente ativados
Numerosos fenómenos em ciência dos materiais ocorrem mais rapidamente quando a temperatura é aumentada. Em muitos casos, a dependência da velocidade de
reação ou transformação (V) segue uma equação do tipo Arrhenius (1859-1927):
Onde: V é a velocidade da reação ou transformação; c é uma constante; Q é a energia de ativação; R é a constante dos gases e T é a temperatura absoluta.
A equação de Arrhenius é uma equação empírica, que descreve a velocidade de uma reação ou transformação em função da temperatura e da barreira de energia que se opõe à reação. A energia de ativação é a altura da barreira de energia que se opõe à ocorrência da reação ou transformação e deve ser vencida (nos processos termicamente ativados) por excitação térmica. Quando uma reação ou transformação compreende uma sucessão de etapas, a etapa controladora é a etapa mais lenta. A difusão no estado sólido, tema deste trabalho, é um exemplo típico de fenómeno termicamente ativado.
4.2-Mecanismos de difusão em metais puros e soluções sólidas
Os átomos de um metal puro não estão em repouso. Conforme destaca Corrêa da Silva (Engenheiro Metalurgista, Ex-Professor da EPUSP e um dos principais nomes na área de difusão):‘‘À primeira vista poderia parecer que a mudança de posição de um átomo no reticulado cristalino de um metal sólido devesse ser um fenômeno relativa- mente pouco frequente, uma vez que a um corpo sólido se associa geralmente a ideia de rigidez e de ausência de movimento das partículas elementares de que é composto”. A realidade é entretanto bastante diferente. Acima de 0 K, os átomos vibram em torno das suas posições de equilíbrio no reticulado e, além disto, trocam frequentemente de posi- ção entre si. Este último fenômeno é denominado Auto difusão.
4.3-Difusão em não metais
A difusão em sólidos cerâmicos também ocorre. Por exemplo, a permeação de vidros pelo gás hélio é bastante conhecida. A difusão nos compostos estequiométricos, como o NaCl, apresenta algumas complicações adicionais, em comparação com os metais e ligas. Por exemplo, se a difusão ocorre pela troca de posição entre um catião de sódio e um anião de cloro, os dois iões ficarão circundados por iões de mesmo sinal. Isto aumenta consideravelmente a energia eletrostática local e este tipo de difu- são na realidade não ocorre. Para que a difusão ocorra em um sólido iônico estequiomé- trico e a neutralidade elétrica seja mantida, dois tipos de defeitos de sinais opostos devem ser criados. Por exemplo, se uma lacuna aniónica e uma lacuna catiónica são criadas simultaneamente, a neutralidade elétrica é preservada e a difusão é facilitada. A difusão em polímeros pode ser dividida em duas grandes classes. A primeira envolve somente moléculas da cadeia longa ou macromolécula.
Esta classe de difusão é que é responsável pelas transformações estruturais que ocorrem durante a cristalização, o recozimento e a trefilação de fibras. A segunda clas- se de difusão é a difusão de uma pequena molécula em um polímero. Esta classe é denominada difusão penetrante. Este é, por exemplo, o caso da permeação de um polí- mero por um penetrante gasoso.
Referência bibliográfica
1-Material da ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais 2014
2-www.Google.com/difusão
PAUL G. SHEWMON; Diffusion in solids , second edition, TMS, Warrendale, USA,
D. R. POIRIER & G. H. GEIGER; Transport phenomena in materials pro- cessing , TMS, Warrendale, USA, 1994. LUIZ COELHO CORRÊA DA SILVA; Princípios básicos de metalurgia , Pon- to 20: Difusão, ABM, 1966. LUIZ COELHO CORRÊA DA SILVA; Generalidades sobre o fenômeno de difusão , Boletim da Associação Brasileira de Metais (ABM), No 28, vol. 8, p. 235-250,
WILLIAM D. CALLISTER, Jr.; Materials science and engineering (Chapter 5: Diffusion) , Third edition, JohnWiley, New York, 1994. A. G. GUY; Ciência dos materiais (Tradução: José Roberto Gonçalves da Sil- va), LTC/EDUSP, São Paulo, 1980. JERE H. BROPHY; ROBERT M. ROSE & JOHN WULFF; Ciência dos mate- riais 2: Propriedades termodinâmicas (tradução: Juarez Távora Veado), Capítulo 4 (Velocidades das reações) e Capítulo 5 (Difusão), Livros técnicos e científicos Editora Ltda., Rio de Janeiro, 1972.
