Questão 03. Explique o que é difusão e relacione este conceito aos tratamentos termoquímicos.
Passo 1
O enunciado pede para definirmos o que é difusão em sólidos e, em seguida, mostrarmos como esse fenômeno está por trás dos tratamentos termoquímicos de superfície. Para isso vamos precisar:
- Descrever o mecanismo de difusão e suas leis (Fick).
- Relacionar a difusão com processos como cementação, têmpera por nitretação etc., onde átomos externos penetram na superfície do metal.
Passo 2
Difusão em sólidos é o movimento espontâneo de átomos ou íons de uma região de maior concentração para uma de menor concentração. Em engenharia de materiais usamos as leis de Fick para quantificar esse transporte:
é a primeira lei de Fick, que diz que o fluxo atômico
(átomos·
¹) é proporcional ao gradiente de concentração
, com
sendo o coeficiente de difusão. Já a segunda lei de Fick descreve a variação temporal da concentração:
Ambas mostram que quanto maior a temperatura, maior
e mais rápida a difusão.
Passo 3
Existem dois mecanismos principais de difusão em metais:
- Substitucional – átomos trocam de lugar com vacâncias na rede cristalina (ex.: difusão de átomos de ferro em ferro).
- Intersticial – átomos pequenos (C, N) ocupam espaços entre os átomos do metal e migram facilmente (ex.: carbono e nitrogênio em aço).
Para tratamentos termoquímicos geralmente exploramos a difusão intersticial, pois C e N são pequenos e se difundem com relativa facilidade.
Passo 4
Em tratamentos termoquímicos o metal é mantido a alta temperatura em contato com um meio rico em um elemento (carbono, nitrogênio etc.). Os exemplos mais comuns são:
• Cementação (carburização): aço em ambiente carburante (gás ou banho) faz o carbono difundir até formar uma camada rica em carbono na superfície.
• Nitretação: aquecimento em amônia ou plasma, onde nitrogênio se difunde e forma compostos duros (nitretos) sob a superfície.
• Carbonitretação: mistura de carbono e nitrogênio difunde simultaneamente.
Em todos esses processos a espessura e a composição da camada dependem de e do tempo
, seguindo a lei aproximada de penetração
• Cementação (carburização): aço em ambiente carburante (gás ou banho) faz o carbono difundir até formar uma camada rica em carbono na superfície.
• Nitretação: aquecimento em amônia ou plasma, onde nitrogênio se difunde e forma compostos duros (nitretos) sob a superfície.
• Carbonitretação: mistura de carbono e nitrogênio difunde simultaneamente.
Em todos esses processos a espessura e a composição da camada dependem de
Resposta
Difusão é o movimento de átomos de regiões de alta para baixa concentração, regido pelas leis de Fick. Nos tratamentos termoquímicos (cementação, nitretação, carbonitretação etc.) aproveita-se a difusão intersticial de átomos como C e N em altas temperaturas para enriquecer e endurecer a superfície dos aços.