Nucleación homogénea y heterogénea en la solidificación de metales

Nucleación Homogénea

Cuando el líquido se enfría lo suficiente por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio, se combinan dos factores para favorecer la nucleación:

1. Se agrupan los átomos para formar embriones más grandes.
2. Posteriormente, la mayor diferencia en energía libre de volumen entre el sólido y el líquido reduce el tamaño crítico del núcleo.

La nucleación homogénea ocurre cuando el subenfriamiento es lo suficiente como para causar la formación de un núcleo estable.

Radio Crítico

El radio crítico es el radio mínimo necesario para que el conjunto atómico alcance la estabilidad. Todo racimo de átomos de radio inferior al crítico es inestable y recibe el nombre de embrión.

Para que un embrión pueda convertirse en núcleo, es decir, pueda alcanzar el radio crítico, es necesario que el metal fundido pueda alcanzar un cierto sobrenfriamiento, ya que un metal a la temperatura exacta de fusión y solidificación, está en equilibrio. En tal estado no solidifica, porque ninguno de sus embriones llega al estado crítico.

Para algunos metales el grado de sobrenfriamiento es del orden de decenas de grados y para otros es mayor aún. El sobrenfriamiento, ΔT, es la diferencia entre la temperatura de equilibrio T_e y la temperatura real de solidificación T_s alcanzada en el sobrenfriamiento.

Nucleación Heterogénea

La solidificación tiene lugar sobre las superficies del recipiente, o bien, sobre impurezas como consecuencia de que la energía libre para la formación de núcleos estables disminuye. La nucleación heterogénea sobre el agente de nucleación se produce porque la energía superficial para formar el núcleo estable es inferior al valor que tendría si el núcleo se formara en el seno del propio líquido. Al ser mayor la energía superficial, disminuye el tamaño del núcleo crítico, de forma que requiere menor subenfriamiento para producir un núcleo estable.

En enfriamientos muy rápidos, quizás no hay tiempo suficiente para que los núcleos se formen y crezcan. Cuando esto sucede, la estructura líquida se congela, formándose un sólido amorfo. La producción de vidrios metálicos mediante el enfriamiento rápido se denomina procesamiento por solidificación rápida.

Normalmente los procesos de solidificación reales comienzan debido a una nucleación heterogénea. La nucleación homogénea raras veces se da en la vida real; requiere subenfriamientos considerables.

Cuando el material es puro, es decir cuando está formado por átomos de la misma naturaleza química, todos los granos que se forman durante la solidificación poseen la misma estructura cristalina. La microestructura del material no es más que el conjunto de granos (ya sean iguales o diferentes) observados por medio de un microscopio óptico.