EN2810Cincia dos Materiais

Transformaes de Fase

Prof. Alejandro Zuniga

Nucleao de cristaisPassagem de um estado atmico de desordem, onde os tomos tem alta mobilidade, para um estado de ordem, onde os tomos perdem a mobilidade e assumem posies fixas nucleao de um slido num lquido; nucleao de lquido no vapor; etc.A nucleao pode ocorrer tambm pela formao de uma segunda fase slida numa matriz slida precipitao numa soluo slida super-saturada.A nucleao pode ser:Homognea os ncleos so formados estatisticamente em stios da fase primria (que pode ser o lquido, por exemplo).Heterognea os ncleos so formados em stios preferenciais da fase primria. No caso de nucleao a partir do lquido, os stios preferenciais podem ser as paredes do molde, superfcie do lquido, incluses, etc.

Formao de embries na nucleao homognea

Nucleao homognea

No caso da nucleao a partir do lquido, os tomos podem estatisticamente se aproximar o suficiente para formar embries, que podem ser considerados como pequenos ncleos. Se a T > Tf, os embries iro se decompor espontaneamente (Gs > Gl).Quando T = Tf, Gl = Gs. Quando T < Tf, Gl > Gs.

Nucleao homogneaA formao de um ncleo balano de energia livre uma parcela relacionada a formao da interface slido/lquido e uma frao relacionada a mudana de estado dos tomos.Assumindo uma geometria esfrica dos embries (com raio igual a r), temos:

energia interfacial entre a fase lquida e a slida.T < Tf - Diferena da energia livre de Gibbs por unidade de volume.

Nucleao homogneaNa curva soma da contribuio volumtrica e da contribuio devido a interface, temos um ponto de mximo de onde obtemosr* - raio crticoG* - energia de ativao (barreira energtica) para formao de ncleos de raio crtico r*.

Nucleao homogneaPara r < r* embries instveis.Para r > r* embries podem crescer se tornando ncleos estveis.Ncleos estveis r0 = 1,5 r*Os ncleos que atingem o valor de r0 iniciam a cristalizao.Derivando G em funo do r, obtido o valor de r*

Obs: Tm e Tf so a mesma coisa: Temperatura de fuso (melting).T o valor de super-resfriamento.

Nucleao homogneaSubstituindo o valor de r* na equao da energia livre G, obtido o valor de energia de ativao G*:

Por exemplo, no caso do Ni com super-resfriamento de 300K, um raio crtico com r* = 2,2 nm e G* = 58 eV.Devido aos altos valores de energia de ativao para nucleao (G*), so necessrios substanciais super-resfriamentos.

Nucleao homognea

Influncia do super-resfriamento

trmico sobre a variao de

energia livre na nucleao

homognea

Nucleao heterogneaNa nucleao heterognea, a formao de ncleos favorecida pela presena de interfaces em contato com o lquido (paredes de moldes, incluses, etc.)Primeiro modelo de nucleao heterognea foi proposto por Volmer conforme a figura abaixo.

SL= tenso slido/lquido;ST= tenso slido/substrato;LT= tenso lquido/substrato;

o ngulo de molhamento que traduz a afinidade fsico/qumica entre o embrio e o substrato.

Ento, se tem um equilbrio de tenses superficiais:LT - ST + SL Cos

Nucleao heterognea

Nucleao heterognea

Raio crtico

Casos-limite de molhamento entre o embrio e o substrato na nucleao heterognea

Nucleao heterognea