Nucleación

Solidificación de un metal puro

Nucleación y Crecimiento
• La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido-líquido que tiene una energía de superficie (energía por unidad de superficie) y, la segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que desciende latemperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida. • La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento determinará la forma y el tamaño de los granos del sólido resultante.

Nucleación y Crecimiento
– Podemos definir la nucleación como la formación de una nueva fase en un punto dado del sistema. en el caso de la solidificación , estocorresponde a la formación de un pequeño cristal rodeado de un liquido. Una vez formados los núcleos , un cierto grupo de ellos crecerá.

Podemos distinguir dos tipos de nucleación, estas son: Nucleación homogénea Nucleación Heterogénea

Nucleación homogénea
• Se considera en primer lugar la nucleación homogénea , por que es el caso mas simple de la nucleación. La nucleación homogénea se da en elliquido fundido cuando el metal proporciona por si mismo los átomos para formar el núcleo. Cuando se enfría un metal puro por debajo de su temperatura de equilibrio de solidificación en un grado suficiente, se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen juntos. La nucleación homogénea requiere habitualmente un elevado grado de subenfriamiento. Para que unnúcleo estable pueda transformarse en un cristal debe alcanzar un tamaño critico.

Nucleación homogénea
Pero • Que es un Núcleo? • Cual es el Tamaño Critico? • Por que se produce el Subenfriamiento?

Nucleación homogénea
• Un núcleo es un conjunto de átomos que han sobrepasado un nivel de energía que les permite mantenerse mantener su ordenamiento dentro del liquido. Este conjunto de átomos nopodrá mantenerse unidos a menos que alcance un cierto tamaño. Ahora bien, de que depende entonces el tamaño necesario para formar el núcleo?

Nucleación homogénea
• Dependerá de las energías involucradas en la propia nucleación. Para la nucleación Homogénea deben considerarse dos tipos de cambios de energías: Energía libre volumétrica (o global) liberada por la transformación de liquido asólido Energía libre superficial requerida para formar las nuevas superficies sólida de las partículas solidificadas. Cuando un metal liquido se enfría por debajo de su temperatura de solidificación de equilibrio, la energía motriz para la transformación de liquido a sólido es la diferencia de entre la energía libre volumétrica del liquido y del sólido, sin embargo , hay una energía que se opone a laformación de núcleos que es la energía requerida para formar la superficie de estas partículas . El cambio de energía libre total para la formación de un núcleo esférico de radio r formado por enfriamiento de un metal puro esta expresado según:

Nucleación homogénea

Nucleación homogénea

Nucleación homogénea
• De acuerdo al grafico podemos ver que el radio critico dependerá de lasenergías de volumen y superficie, pudiéndose obtener la siguiente relación:

Pero también es posible relacionar el radio critico con el subenfriamiento, de la siguiente manera:

Nucleación homogénea
• Es importante considerar el Subenfriamiento, no solo por que , como hemos visto anteriormente influye en la nucleación, si no por que también representa una variación de la temperatura desolidificación importante, como se puede observar en la siguiente tabla:

Nucleación Heterogénea
• Es la nucleación que tiene lugar en un liquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales que disminuyan la energía libre requerida para formar un núcleo estable. Esta nucleación es la que ocurre en operaciones de fundición industrial,...