aula 08 difusao

aula 08 difusao

PMT 2100 -Introdução à

Ciência dos Materiais para Engenharia

•Conceito de difusão •Mecanismos de difusão

•Difusão em regime permanente e em regime transitório

•Fatores que influenciam na difusão: espécies que estão difundindo, temperatura

•Caminhos de difusão: discordâncias, contornos de grão, interfaces e superfícies externas.

• Aplicações

•Filtros para purificação de gases

•Homogeneização de ligas com segregação •Modificação superficial de peças

•Dopagem de semicondutores •Processadores de microcomputadores

1) INTRODUÇÃO

•Muitas reações e processos, importantes na fabricação de um componente ou de uma estrutura de engenharia, ocorrem por meio de transporte de massa.

•O transporte de massa geralmente ocorre em escala microscópica.

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.

Par de difusão (dois pedaços de metais unidos entre si)

2) MECANISMOS DE DIFUSÃO üDifusão: migração passo a passo de átomos de determinadas posições do reticulado para outras.

üPara 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.

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)

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).

•Difusão é um processo dependente do tempo

•Em um determinado processo, é importante conhecer a rapidez com que ocorre o transporte de massa

•A taxa de transferência de massa pode ser expressa por meio do FLUXO DE DIFUSÃO(J):

ou na forma diferencial

onde: M, massa (ou o equivalente número de átomos); A, secção transversal; e t, tempo.

[J] º”kg/(m2s)

At M=J

•O fluxo não varia com o tempo •Perfil de concentração: C = f(x)

•Gradiente de concentração: tangente da curva concentração vs distância(perfil de concentração) num determinado ponto x CCxC -

D Quando a concentração é função linear da distância:

D = Coeficiente de difusão

•O sinal negativo indica que o fluxo ocorre na direção contráriaao gradiente de concentração.

•Na primeira lei de Fick, o potencial termodinâmico (driving force) para que ocorra o fenômeno de difusão, é o gradiente de concentração.

x CDJ ¶

[D] = m2/s

Em muitos fenômenos estudados, a difusão ocorre em regime transitório. Neste caso, tanto o fluxo quanto a concentração variam com o tempo

Quando o coeficiente de difusão não depende da concentração (portanto, da posição):

SEGUNDA LEI DE FICK Em geral, a dedução das soluções da segunda lei de Fick é complexa.

Por exemplo, no processo de cementação de uma chapa de aço pode-se considerar que:

üO teor de carbono na superfície do aço seja constante

(CS= constante) üO coeficiente de difusão para uma dada temperatura não varie com a concentração (D = constante) üO teor de carbono da chapa antes da cementação seja homogêneo e igual a Co

Nesse caso, a solução é:÷ł öçŁ xerf C oS ox 2 onde: x é a distância à superfície cementada

Distâncias de difusão

proporcionais a, assim: Dt

As distâncias de difusão são teconsDt x tan2

Para Cx= ½(CS-Co), tem-se : Dtx @

Corte de uma engrenagem cementada

onde: Do, uma constante (m2/s); Qd, energia de ativação para difusão (J/mol); R, constante universal dos gases (8,31 J/mol K); e T, temperatura absoluta (K).

Q D doexp

TR QDD do 1lnln

•Espécie que se difunde •Meio onde ocorre a difusão

• Temperatura

•A movimentação de átomos pode ocorrer:

1) No volume do material 2) Ao longo de defeitos lineares: discordâncias 3) 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 (a seção transversal dassuas áreas é bem pequena comparada com o interior do material)

Exemplo: Dopagem de Si com B

•Etapa 1: Deposição de uma camada rica em B na superfície do cristal de Si por meio de um vapor de B2O3ou BCl3por alguns minutos a 10 °C.

•Etapa 2: Difusão do B para dentro do Si por 80 minutos a 1200 °C.

•Para evitar a perda de B pela superfície, o tratamento de difusão é efetuado em uma atmosfera oxidante. Uma camada de SiO2se forma, bloqueando a perda de B pela superfície.

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