Nucleacion

NUCLEACIÓN HOMOGÉNEA.

Se llama así, a la formación de una fase sólida debida a la agregación de átomos de los componentes de la otra fase, sin que se produzcan cambios de composición y sin la influencia de agentes externos. Esto ocurre durante el movimiento general de los átomos dentro del líquido, para conducir a la creación de grupos ordenados de átomos en pequeñas zonas de mayor densidad que la del líquido. Estos embriones de cristales son efímeros e inestables, pero los que de manera simultánea alcanzan condiciones energéticas y tamaños críticos, se estabilizan y crecen.

Un embrión es una partícula muy pequeña de una nueva fase que, de manera simultánea, no posee ni el tamaño crítico ni ha alcanzado la energía libre crítica; por lo tanto, tiende a disolverse. Un núcleo es una partícula muy pequeña de una nueva fase que se ha formado por un cambio de fase (ejemplo solidificación) que puede crecer hasta completar ese cambio de fase.

La teoría general de nucleación se explica en términos de los cambios de energía libre, ecuación, resultantes de la precipitación de una partícula. Los cambios de energía libre producidos cuando hay la formación de un embrión de sólido de forma esférica, a partir de un líquido de composición uniforme es debido a dos hechos:

1.- A un cambio en la energía libre asociado a las diferencias en energía libre de volumen de los átomos tanto en el sólido como en el líquido, y

2.- A que hay una superficie de transición entre las fases sólida y líquida; en consecuencia, los átomos contenidos en ella poseen una alta energía que da origen a una energía libre de superficie.

Cuando se considera que la partícula nucleada tiene una morfología esférica, de manera esquemática se presentan las variaciones de la energía libre, G, como una función del radio de partícula, r. El cambio de energía libre requerido para crear una nueva fase de forma esférica es:

El primer miembro representa la variación de la energía libre de superficie del núcleo y en ella, σ, es la energía superficial; el segundo miembro representa la variación de la energía libre de volumen; y en ella, ΔGV, es el cambio de energía libre por unidad de volumen, y r, es el radio de la partícula esférica solidificada

NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA.

Subenfriamientos pequeños, al comparárselos con los que predice la teoría para nucleación homogénea, la nucleación se inicia sobre partículas de impurezas como lo son las paredes del molde y la presencia de otros agentes nucleantes: capas de óxido, inclusiones flotantes y racimos de átomos de impurezas; esto, hace que energéticamente la nucleación heterogénea requiera de una menor fuerza motora y se vea más favorecida que la homogénea. Se considera que la nucleación heterogénea se produce sobre la superficie del substrato.

La nucleación heterogénea se basa en que a partir de un substrato planar se forma un sólido cuya forma geométrica es un casquete esférico, donde se muestra un factor crítico que es el ángulo θ Si el líquido cristaliza sobre ese substrato, la energía superficial por unidad de volumen de metal solidificado es la sumatoria de los términos de las diversas energías de superficie.

APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA.

En la práctica comercial, uno de los aspectos técnicos más importantes en el vaciado de piezas y de lingotes, es el control de la nucleación; debido a que: el tamaño de grano, la forma de los granos y los efectos de segregación, ejercen apreciable influencia sobre las propiedades tanto físicas como mecánicas y químicas de las piezas vaciadas. La manera más común de controlar la nucleación es mediante la adición de agentes inoculantes. Se puede definir la inoculación como la adición al metal fundido, de sustancias diseñadas para formar los núcleos necesarios para la cristalización; en general, los agentes inoculantes producen materiales de grano fino.

En las piezas vaciadas, es deseable un refinamiento de grano por las siguientes razones:

• Para facilitar y asegurar propiedades reproducibles en las posteriores operaciones de conformado; en particular, para producir un acabado superficial uniforme,

• Para reducir los esfuerzos internos producidos por la presencia de constituyentes frágiles, ya que permite que estos se dispersen,

• Para permitir una solidificación rápida durante los procesos de colada continua o semicontinua, y

• Para promover un modelo de solidificación uniforme y garantizar un producto sano; especialmente en piezas pequeñas de geometría intrincada.

Las características generales de un buen refinador de grano son:

• Deben producir un pequeño ángulo de contacto, θ entre la partícula nucleante y el sólido que crece. En consecuencia, en la ecuación es decir:

el valor de la energía superficial entre la partícula y el líquido, SL, debe ser alta y la energía superficial entre el sólido y la partícula, SC, debe ser baja.

• Cuando los parámetros químicos como son el tipo de enlace y las fuerzas de enlace entre el cristal sólido y la partícula son similares, el desajuste reticular, , entre ellos es un factor muy importante. Esto nos indica que la energía superficial entre el substrato o agente inoculante y el sólido que se forma, SC, debe disminuir al disminuir el desajuste reticular y con el incremento en la afinidad química entre ellos.

• El inoculante debe ser lo más estable posible en el metal líquido.

• El refinador de grano debe poseer una gran energía superficial.

• Debe

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