2.NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE FASES. Processo de transformação de uma fase em outra quando se alteram as condições termodinâmicas

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1 2.NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE FASES Processo de transformação de uma fase em outra quando se alteram 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 2.1 INTRODUÇÃO Quando a condição termodinâmica é alterada, uma nova fase pode tornar-se mais estável que a anterior por apresentar menor energia livre nessa condição transformação espontânea nucleação e crescimento da nova fase substituindo a anterior.

5 2.1 INTRODUÇÃO A transformação de uma fase menos estável para uma mais estável deve diminuir a energia livre do sistema material. Transformações não são em geral instantâneas

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

7 2.1 INTRODUÇÃO 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 (+)

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

9 2.2 NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA Partícula esférica maior volume/menor área Equacionamento: G hom = variação total de energia sl = energia por unidade de superfície G v = energia por unidade de volume

10 EQUACIONAMENTO V e 4 3 r 3 (2.1) A e 4 r 2 (2.2) V e = volume da esfera A e = área da superfície esférica r = raio do embrião

11 EQUACIONAMENTO G hom A V G e sl e v (2.3) G hom 4 r sl r G 3 (2.4) v

12 2.2 DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DE G v G G v G L G S G v G S G L sólido T líquido T T f Temperatura (T)

13 2.2 NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA 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

14 2.2 NUCLEAÇÃO HOMOGÊNEA Curva: G hom x r G 2 4 r SL r < r* embrião tende a dissolver-se para diminuir G G* hom r* G hom r r > r* embrião torna-se estável (núcleo) e cresce para diminuir G 4 3 r G v 3

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

16 EQUACIONAMENTO Na prática: para o início da nucleação T < Tf G v LT T f r * hom 2 sl T LT f G * hom 16 ( sl 3 ( L ) 3 ( T T ) 2 f ) 2 L = calor latente T f = temperatura de fusão T = T f T = super-resfriamento T = temperatura de nucleação

17 Temperature ( C) Temperature ( C) 600 Al20Sn5Si dados experimentais Al20Sn5Si 581, , Time (s) Time (s) Resfriamento lento Resfriamento rápido

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

19 2.3 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA Equacionamento: G het = 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) G v = energia por unidade de volume = ângulo de molhamento (afinidade s/an)

20 EQUACIONAMENTO G het A sl sl A an/ s( an/ s an/ l ) V ce G v (2.9) G het ( 2 3cos cos ) ( r sl r G v ) 3 (2.10)

21 EQUACIONAMENTO Derivando em função de r e igualando a zero: r * het 2 G v sl (2.11) G * het 3 ( 2 3cos cos ) 4 ( sl) 2 3( G ) v 3 (2.12)

22 EQUACIONAMENTO De (2.6) e (2.12): * G het 1 ( cos cos ) * G hom (2.13)

23 2.3 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA Comparação entre nucleação homogênea e heterogênea Núcleos = 0 o 0 o < < 180 o = 180 o Substrato Sempre que há alguma afinidade partícula/substrato G het é menor que G hom * Link com o vídeo de São Carlos

24 2.4 NUCLEAÇÃO SÓLIDO/SÓLIDO 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.)

25 2.2 NUCLEAÇÃO HETEROGÊNEA Velocidade de nucleação x velocidade de crescimento T T f v c T 1 T 2 v n v n, v c