aula 6 - difusão
Post on 03-Mar-2016
65 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
UNIVERSIDADE CATLICA DOM BOSCOESTUDO DE CASO CONTROLE DE PRODUO
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Prof Anne Cerqueira
-
2 Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
Difuso o fenmeno de transporte dematerial atravs do movimento dos tomos.
- Muitas reaes e processos que so importantes no tratamento de materiais dependemda transferncia de massa, seja no interior de um slido especfico (geralmente em umnvel microscpico) ou a partir de um lquido, gs ou outra fase slida.
-
3 Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
- A movimentao de cada tomo pode ser descrita como sendo um caminhoaleatrio no espao. Por simplicidade ser assumido uma movimentaounidimensional.
-
4 Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
APLICAO
- A presena da difuso em nosso cotidiano no to rotineira, mas grandesua importncia para a fabricao de componentes ou estruturas deengenharia.
-
5 Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
- Par de difuso cobre-nquel.
-
6 Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
TIPOS DE DIFUSO
- Interdifuso ou difuso de impurezas: ( omais comum) ocorre quando tomos de um metaldifunde em outro. Nesse caso h variao naconcentrao.
- Autodifuso: ocorre em cristais puros. Nessecaso no h variao na concentrao.
-
7 Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
MECANISMOS DE DIFUSO
- Vacncias ( o mais comum, um tomo da rede move-se parauma vacncia)
- Intersticiais (ocorre com tomos pequenos e promovemdistoro na rede)
- Contorno de gro (importante para crescimento de gros)
- Discordncias (o movimento das discordncias produzdeformao e a recuperao do material)
- Fenmenos superficiais (importante para sinterizao)
-
8 Mecanismo de Difuso
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO POR LACUNAS (DIFUSO SUBSTITUCIONAL)
- Na DIFUSO POR LACUNAS um tomo (hospedeiro ou substitucional) se desloca de umaposio normal da rede cristalina para um stio vago, ou lacuna, adjacente.
- A extenso segundo a qual a difuso por lacunas pode ocorrer funo da concentrao delacunas presente no metal.
- A concentrao de lacunas aumenta com a temperatura.
-
9 Mecanismo de Difuso
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO POR LACUNAS (DIFUSO SUBSTITUCIONAL)
- Na DIFUSO POR LACUNAS um tomo (hospedeiro ou substitucional) se desloca de umaposio normal da rede cristalina para um stio vago, ou lacuna, adjacente.
-
10
Mecanismo de Difuso
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO INTERSTICIAL
- Na DIFUSO INTERSTICIAL tomos intersticiais migram para posies intersticiais adjacentesno ocupadas do reticulado.
- Em metais e ligas, a difuso intersticial um mecanismo importante para a difuso de impurezasde raio atmico pequeno em relao aos do hospedeiro.Exemplos: hidrognio, carbono, nitrognio e oxignio no ao.
- Geralmente, a difuso intersticial muito mais rpida que a difuso por lacunas.Exemplo: No caso do Fe- a 500C, a difuso dos tomos de carbono quase 109 vezes mais
rpida do que a autodifuso dos tomos de ferro.
-
11
Mecanismo de Difuso
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FLUXO DE DIFUSO
- Para quantificar a rapidez com que o fenmeno da difuso se processa no tempo usamos oFLUXO DE DIFUSO (J).
- O Fluxo de Difuso definido como sendo a massa (ou, de forma equivalente, o nmero detomos) M que se difunde por unidade de tempo atravs de uma rea unitria perpendicular direo do movimento da massa,
A representa a rea atravs da qual a difuso est ocorrendo e t o intervalo de tempo dedifuso decorrido.- Em forma diferencial,
- No Sistema Internacional (SI), as unidades para J so quilogramas (ou tomos) por metroquadrado por segundo (kg.m-2 s-1 ou tomos.m-2.s-1 )
-
12
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
- Quando J no varia com o tempo (C tambm no varia com o tempo) e temos a DIFUSO EMESTADO ESTACIONRIO (ou DIFUSO EM REGIME PERMANENTE).
- Para que J no varie com o tempo necessrio que J tambm no varie com a posio. Assim,para o eixo x,
-
13
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
- Para processos de difuso em estado estacionrio, a equao que correlaciona ofluxo de difuso J com o gradiente de concentrao dC/dx chamada de PRIMEIRALEI DE FICK,
J= at/m2.s=M/A.tD= coef. De difuso cm2/sdC/dx= gradiente de concentrao em funo da distncia at/cm3
- O sinal negativo na equao acima indica que o fluxo ocorre na direo contrria do gradiente de concentrao, isto , no sentido das concentraes altas para asconcentraes baixas.
- Na primeira lei de Fick, o POTENCIAL TERMODINMICO ou FORA MOTRIZ paraque ocorra o fenmeno de difuso o gradiente de concentrao.
-
14
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
Exemplo: Uma placa de ferro exposta a uma atmosfera carbonetante (rica em carbono) por um deseus lados e uma atmosfera descarbonetante (deficiente em carbono) pelo outro lado a 700C(1300F). Se uma condio de estado estacionrio atingida , calcule o fluxo de difuso do carbonoatravs da placa, sabendo que as concentraes de carbono nas posies a 5mm e a 10 mmabaixo da superfcie carbonetante so de 1,2 e 0,8 Kg/m, respectivamente. Suponha umcoeficiente de difuso de 3x 10-11 m2 / s.
Resoluo: A primeira lei de Fick usada para determinar o fluxo por difuso. A substituio dosvalores acima na frmula fornece:
-
15
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
Exemplo: Calcule o nmero de quilogramas de hidrognio que passa a cadahora atravs de uma chapa de paldio com 5mm de espessura e que possuiuma rea de 0,20 m, estando o sistema a 500C. Considere um coeficientede fuso de 1 x 10-8 m2 / s, que as concentraes de hidrognio dos ladoscom alta e baixa presso sejam de 2,4 e 0,6 kg de hidrognio por metrocbico de paldio, respectivamente, e que condies de estado estacionriotenham sido atingidas.
-
16
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
Exemplo: Calcule o nmero de quilogramas de hidrognio que passa a cada hora atravs de umachapa de paldio com 5mm de espessura e que possui uma rea de 0,20 m, estando o sistema a500C. Considere um coeficiente de fuso de 1 x 10-8 m2 / s, que as concentraes de hidrogniodos lados com alta e baixa presso sejam de 2,4 e 0,6 kg de hidrognio por metro cbico depaldio, respectivamente, e que condies de estado estacionrio tenham sido atingidas.
Resoluo:
-
17
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
-
18
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
Resoluo:
Substituindo os valores:
-
19
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
O Coeficiente de difuso pode ser calculado a partir da equao:
onde Do uma constante calculada para um determinadosistema (tomos e estrutura)
D = Do (e -Qd/RT)
-
20
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
DIFUSO EM ESTADO ESTACIONRIO
-
21
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Temperatura Ativao Trmica
onde: Do, uma constante (m2/s);Qd, energia de ativao para difuso (J/mol);R, constante universal dos gases (8,31 J/mol.K);e T, temperatura absoluta (K).
-
22
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Temperatura Ativao Trmica
Fazendo o log natural da equao do slide anterior fica:
Em termos de logaritmo na base 10
Sendo Do, Qd e R constantes, a equao acima assume a forma da equao de umareta:
y=b+mx
onde y e x so respectivamente D e 1/T .
-
23
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Temperatura Ativao Trmica
Dessa forma, se o valor de logD for plotado em funo doinverso da temperaturaabsoluta, o que resulta deveser uma linha reta, possuindoo coeficientes angular -Qd/2,3R e coeficiente linearlog Do.Essa a forma experimentalde determinao dos valoresde Do e de Qd.
-
24
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Temperatura Ativao Trmica
Exemplo: Usando os dados da Tabela, calcule o coeficiente de difuso para o magnsio noalumnio a 550C.
Resoluo: Esse coeficiente de difuso pode ser determinado aplicando os valores na frmula deDo e Qd obtidos na tabela:
-
25
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Temperatura Ativao Trmica
Exemplo: Usando os dados da Tabela, calcule o coeficiente de difuso do zinco no cobre a 650C.
-
26
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Temperatura Ativao Trmica
Exemplo: Usando os dados da Tabela, calcule o coeficiente de difuso do zinco no cobre a 650C.
Resoluo: Esse coeficiente de difuso pode ser determinado aplicando os valores na frmula deDo e Qd obtidos na tabela:
-
27
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
FATORES QUE INFLUENCIAM A DIFUSO
- Caminhos para a Difuso
A movimentao de tomos pode ocorrer:1) No volume do material2) Ao longo de defeitos lineares: discordncias3) Ao longo de defeitos bidimensionais: contornos de gro, superfcies externas. A movimentao de tomos pelos defeitos cristalinos muito mais rpida que pelo volume. Em alguns casos, a contribuio do fluxo de tomos atravs dos defeitos cristalinos insignificante(os seus volumes so muito pequenos em comparao com o resto do cristal isento de defeitos).
-
28
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
EFEITOS DA ESTRUTURA NA DIFUSO
FATORES QUE FAVORECEM A DIFUSO
Baixo empacotamento atmico
Baixo ponto de fuso
Ligaes fracas (Van der Walls)
Baixa densidade
Raio atmico pequeno
Presena de imperfeies
FATORES QUE DIFICULTAM A DIFUSO
Alto empacotamento atmico
Alto ponto de fuso
Ligaes fortes (inica ecovalentes
Alta densidade
Raio atmico grande
Alta qualidade cristalina
-
29
Conceito
FASIPECINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Difuso
EFEITOS DA ESTRUTURA NA DIFUSO
Caso do Ferro (ALOTROPIA)
O coeficiente de difusodos tomos de Carbonono Fe ccc maior queno cfc, pois o sistema ccctem um fator deempacotamento menor
(F.E. ccc= 0,68 e F.E. cfc=0,74)
ccccfc
top related