M1 Solidificación: Nucleación y Crecimiento

Tópico

Que este metal fundido se enfríe por debajo de su temperatura de fusión de equilibrio, sin solidificar todavía, produce un subenfriamiento que es, precisamente, la fuerza motriz de la solidificación de este metal: este subenfriamiento determina el cambio de energía libre asociado a la nucleación de un núcleo sólido dentro de ese fundido, la diferencia de energía libre entre formar ese núcleo sólido y dejar el fundido líquido tal como está. Que este subenfriamiento sea mayor hace que este cambio de energía libre por nucleación favorezca más la formación de ese núcleo sólido, aumentando la fuerza motriz disponible para que la solidificación de este metal avance.

Ese mismo cambio de energía libre por nucleación, sin embargo, no favorece a cualquier núcleo sólido por igual, porque compite con la energía superficial que cuesta crear la interfaz entre ese núcleo sólido y el fundido líquido que lo rodea: de esa competencia surge un radio crítico de núcleo, el tamaño mínimo que debe alcanzar un núcleo sólido para que, a partir de ahí, seguir creciendo reduzca su energía libre total en lugar de aumentarla, y una barrera de energía crítica, la energía que ese núcleo debe superar para alcanzar ese mismo radio crítico. Que este subenfriamiento sea mayor hace que este radio crítico de núcleo y esta barrera de energía crítica sean, ambos, menores, y que sea más fácil, en consecuencia, que un núcleo sólido supere esa barrera y siga creciendo.

Esa misma barrera de energía crítica es la que determina, junto con la temperatura de este fundido, la tasa de nucleación con la que aparecen nuevos núcleos sólidos por unidad de tiempo y de volumen, y es esta tasa de nucleación la que determina, a su vez, la microestructura de fundición resultante de este metal, tanto su tamaño de grano inicial como su morfología dendrítica. Que esta tasa de nucleación sea mayor hace que aparezcan más núcleos sólidos compitiendo por el mismo volumen de fundido, y que el tamaño de grano inicial de esta microestructura de fundición sea, en consecuencia, menor.

Por eso este modelo, con la nucleación y el crecimiento con las que se abrió, alimenta a otro modelo de este conjunto, el que describe el tamaño de grano de este metal, con el tamaño de grano inicial de esta microestructura de fundición que esta misma tasa de nucleación ya determina. Que esta misma tasa de nucleación, junto con la ecuación de Avrami que describe cómo evoluciona con el tiempo la fracción ya solidificada a partir de ella, se reutilice, con un propósito equivalente, en otro modelo de un conjunto de materiales distinto, el que describe la formación de un vidrio por vitrificación, hace que ambos modelos compartan el mismo marco matemático para describir dos resultados opuestos: la cristalización controlada de este metal, y la cristalización evitada de ese vidrio.

ID:4433