O documento discute os processos de nucleação e crescimento de fases durante a solidificação de metais e ligas. A nucleação pode ocorrer de forma homogênea, no interior do líquido, ou heterogênea, na presença de agentes estranhos. A nucleação heterogênea requer menos energia de ativação devido à redução da tensão superficial na interface entre a nova fase e o substrato. Após a nucleação, as partículas críticas crescem para diminuir a energia livre do sistema à medida que o resfriamento continua

1. 2.NUCLEAÇÃO E
CRESCIMENTO DE FASES
Processode transformaçãode uma fase em outra quando
sealteram as condições termodinâmicas

2. SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS E LIGAS
Solidificação: transformação de fase com
mudança de estado que ocorre quando em uma
nova condição termodinâmica (temperatura) a
fase sólida apresenta menor energia que a fase
líquida.
Diferente para metais (T) e ligas (T)
Pode ocorrer em equilíbrio termodinâmico
(processos especiais) ou fora do equilíbrio (mais
comum na prática)

3. SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS E LIGAS
Metal Puro Liga metálica

4. Quando a condição termodinâmicaé
alterada,uma nova fase pode tornar-se
maisestável que a anterior por
apresentarmenor energia livre nessa
condição  transformaçãoespontânea
 nucleação e crescimento da nova
fase substituindo a anterior.
2.1 INTRODUÇÃO

5. A transformaçãode uma fase menos
estável para uma mais estável deve
diminuira energia livre do sistema
material.
Transformaçõesnão são em geral
instantâneas
2.1 INTRODUÇÃO

6. Exemplo: solidificação de um metal puro
 nucleação de partículas sólidas no interior do
líquido  embriões (ordenação de curto alcance)
2r
embriões
líquido
Volume
Superfície
2.1 INTRODUÇÃO

7. Partícula da nova fase:
– volume  variação negativa de energia
– superfície de separação com a fase
existente  variação positiva de energia
(tensão superficial)
 Estabilidade da partícula: balanço entre
energia associada ao volume (-) e energia
associada à superfície (+)
2.1 INTRODUÇÃO

8. Classificação da nucleação:
Homogênea  ocorre sem a
interferência de agentes externos
(ideal)
Heterogênea  ocorre com a
interferência de agentes externos (mais
comum na prática)
2.1 INTRODUÇÃO

9. Partícula esférica  maior volume/menor área
Equacionamento:
Ghom = variação total de energia
sl = energia por unidade de superfície
Gv = energia por unidade de volume
2.2 NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

10. V re  
4
3
3

2
4 rAe  
EQUACIONAMENTO
Ve = volume da esfera
Ae = área da superfície esférica
r = raio do embrião
(2.1)
(2.2)

11. EQUACIONAMENTO
 G A V Ge sl e vhom    
 G r r Gsl vhom        4
4
3
2 3
  
(2.3)
(2.4)

12. Gv
T
Temperatura (T) 
TfT
GS
GL
G
líquido
sólido
2.2 DETERMINAÇÃO EXPERIMENTALDE
LSv GGG 
vG

13. Determinação do raio crítico para que um
embrião torne-se núcleo  r*
Determinação da energia de ativação
necessária para a nucleação da nova fase
mais estável  G*hom
2.2 NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

14. Curva: Ghom x r
r*
G*hom
r 
G
Ghom
SLr   2
4
vGr  3
3
4

r < r* embrião tende a
dissolver-se para
diminuir G
r > r* embrião torna-se
estável (núcleo) e cresce
para diminuir G
2.2 NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA

15. EQUACIONAMENTO
Raio crítico  ponto de máximo  derivando a
equação (2.4) em relação ao raio e igualando a
zero:
r
G
sl
v
*
hom  
2 



G
G
sl
v
*
hom
( )

 

16
3
3
2
 
(2.5)
(2.6)

16. EQUACIONAMENTO
2
23
hom
*
)(3
)()(16
TL
T
G
fsl




TL
T
r
fsl



2
hom
*
L = calor latente
Tf = temperatura de fusão
T = Tf – T = super-resfriamento
T = temperatura de nucleação
f
v
T
TL
G


Na prática: para o início da nucleação  T < Tf

17. 200 400 600 800
520
560
600
Al20Sn5Si dados experimentais
Temperature(°C)
Time (s)
579,9653
581,2747
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
100
200
300
400
500
600
700
Al20Sn5Si
Temperature(°C)
Time (s)
Resfriamento lento Resfriamento rápido

18. Partícula da nova fase forma-se sobre um
substrato (agente estranho)  forma de
uma calota esférica
2.3 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA
Agente nucleante ou substrato (An)
r
Partícula (S)
Líquido (L)
s/l
na/s
na/L


19. Equacionamento:
– Ghet = variação total de energia
– s/l = energia de superfície (solido/liquido)
– na/S= energia de superfície (substrato/sólido)
– na/L = energia de superfície (substrato/líquido)
– Gv = energia por unidade de volume
–  = ângulo de molhamento (afinidade s/an)
2.3 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA

20. EQUACIONAMENTO
vcelansansanslslhet GVAAG  )( /// 
 G r r Ghet sl v        ( cos cos ) ( )2 3
1
3
3 2 3
    
(2.9)
(2.10)

21. EQUACIONAMENTO
Derivando em função de r e igualando a zero:
r
G
het
sl
v
*

 2 



G
G
het
sl
v
*
( cos cos )
( )
( )
  
 
2 3
4
3
3
3
2
 
 
(2.11)
(2.12)

22. EQUACIONAMENTO
De (2.6) e (2.12):


G
G
het
*
*
hom
( cos cos )  
1
4
2 3 3
 
(2.13)

23. – Comparação entre nucleação homogênea e
heterogênea
2.3 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA
Núcleos
Substrato
 = 0o
0o
<  < 180o
 = 180o
Sempre que há alguma afinidade partícula/substrato
 Ghet é menor que Ghom
* Link com o vídeo de São Carlos

24. Nucleação de uma fase sólida no interior de
outra (mais difícil):
Nucleação e crescimento mais lentos
Tensões internas (energia +) devido a
variação de volume na transformação (r*
maior)
Embriões não redissolvem
Tendência de nucleação heterogênea
(contornos de grão, discordâncias, etc.)
2.4 NUCLEAÇÃO SÓLIDO/SÓLIDO

25. – Velocidade de nucleação x velocidade de crescimento
2.2 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA
T
T1
T2
vn
vc
Tf
vn, vc