Velocidade de nucleação e crescimento

Teoria Completa

Fala aiiiii pessoal!

Vimos no tópico anterior que a formação de um núcleo no meio do metal líquido sem a participação de um substrato é chamada de nucleação homogênea. Em geral, contudo, a nucleação tende a ocorrer nas superfícies de um molde, em partículas de outras fases, sendo chamada, nestes casos, de nucleação heterogênea.

Mas e com qual velocidade isso ocorre? Vamos descobrir?

Velocidade global

A velocidade global dependerá das velocidades de nucleação e crescimento. As velocidades de nucleação e de crescimento tendem, em geral, aumentar com o afastamento da temperatura de equilíbrio, devido ao aumento da força motriz, e o que é força motriz mesmo? Em belas palavras nada mais é que a força que move, que produz movimento. 

Quando ocorrer o super- resfriamento a mobilidade dos átomos dentro de um material (difusão) pode se tornar extremamente pequena e dificultar tanto a nucleação quanto o crescimento, reduzindo a velocidade de nucleação.

Classificações das velocidades de nucleação

  • Velocidade de resfriamento baixa:
  • A nucleação ocorre devagarzinho favorecendo para o crescimento de pequenas quantidades de núcleos.

  • Velocidade de resfriamento elevada:
  • A nucleação ocorre rapidamente devido a elevada velocidade de nucleação e crescimento. E a característica da estrutura é de ser mais fina, ou seja, com um tamanho de grão menor.

  • Velocidade de resfriamento muito elevada:

Se reduzir muuuuito a temperatura do material, pode ocorrer o “suprimento” da nucleação e a fase instável não se altera por um bom período de tempo ou pode sofrer algum outro tipo de transformação de fase, diferente da prevista no diagrama de equilíbrio.

Bora realizar os exercícios de fixação?

Vamos praticar um pouco :D

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Defina taxa de nucleação.

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Passo 1

A taxa de nucleação pode ser definida como o número de núcleos formados por unidade de volume e por unidade de tempo.

Resposta

A taxa pode ser expressa por:

I = A exp ⁡ ( - E k t )

Onde: A é o fato pré exponencial; E: energia de ativação para transformação liquido-sólido; k: constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta.

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Defina as variáveis que influenciam na velocidade de nucleação.

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Passo 1

A velocidade de nucleação depende da formação de núcleos estáveis e da habilidade dos átomos de se rearranjarem ou saltarem através da interface liquido- sólido.

Resposta

Depende da formação de núcleos estáveis e da habilidade dos átomos de saltarem através da interface liquido- sólido.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Determine como pode ser classificada a velocidade de nucleação:

  1. Velocidade resfriamento muito lenta, baixíssima e elevada
  2. Velocidade resfriamento baixa, elevada e muito elevada
  3. Velocidade resfriamento lenta, mediana e alta
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Passo 1

Velocidade resfriamento baixa, elevada e muito elevada

Resposta

Opção 2

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Sobre a velocidade global, determine a opção correta:

  1. Independe da velocidade de nucleação e crescimento
  2. As velocidade de nucleação e de crescimento diminui com o afastamento da temperatura de equilíbrio.
  3. Com o super esfriamento a mobilidade dos átomos no material diminui.
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Passo 1

Depende da velocidade de nucleação e crescimento

Passo 2

As velocidade de nucleação e de crescimento aumenta com o afastamento da temperatura de equilíbrio.

Passo 3

Com o super esfriamento a mobilidade dos átomos no material diminui.

Resposta

Opção 3

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Abaixo tem-se uma representação gráfica da variação de velocidade de acordo com a temperatura. Sendo classificada em três temperaturas: velocidades de nucleação, crescimento e global. Explique sucintamente a imagem a seguir.

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Passo 1

A velocidade global depende das velocidades de nucleação e crescimento. As velocidades de nucleação e de crescimento, aumentam com o afastamento da temperatura de equilíbrio, devido ao aumento da força motriz.

Resposta

As velocidades de nucleação e de crescimento, aumentam com o afastamento da temperatura de equilíbrio.

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Explique como funciona a nucleação e o crescimento do sólido.

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Passo 1

No estado líquido os átomos não possuem posição definida, pois estão em movimento dentro do líquido. Com isso entram em colisão, envolvendo milhares de átomos simultaneamente.Na colisão, surge uma aglomeração de átomos, formando um núcleo, com um dado arranjo atômico (CCC, CFC, HC, etc).

Passo 2

O núcleo é um sólido que pode crescer ou se dissolver, dependendo da temperatura do sistema. O crescimento do sólido se dá por migração de átomos do liquido para o sólido, acoplando os átomos nas posições de equilíbrio do reticulado que é específico do metal em questão.

A temperatura na qual ocorre equilíbrio termodinâmico entre um sólido e seu respectivo líquido é a temperatura de fusão.

Resposta

No estado líquido os átomos estão em movimento dentro do líquido. Com isso entram em colisão, envolvendo milhares de átomos simultaneamente. O crescimento do sólido se dá por migração de átomos do liquido para o sólido. A temperatura na qual ocorre equilíbrio termodinâmico é a temperatura de fusão.

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

A solidificação é composta dos processos de nucleação e crescimento de cristais a partir de um líquido. Ocorre no resfriamento, conforme curva de temperatura abaixo. Explique as etapas abaixo.

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Passo 1

Na região L (estado líquido): temperatura diminui por efeito de transmissão de calor através do molde. A temperatura aumenta a Partir de Tf -ΔT pelo efeito de recalescência. Inicia-se a solidificação, através do aparecimento dos primeiros núcleos sólidos.

Passo 2

L+S: há a coexistência dos estados líquido e sólido. Ao final tudo estará sólido.

S: Início da região S.

Resposta

Região L: temperatura diminui por efeito de transmissão de calor através do molde. A temperatura aumenta a Partir de Tf -ΔT. Inicia-se a solidificação, através do aparecimento dos primeiros núcleos sólidos.

L+S: há a coexistência dos estados líquido e sólido. Ao final tudo estará sólido.

S: Início da região S.

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

Abaixo é apresentada uma microestrutura com colônia de Perlita. Descreva como o corre a nucleação e crescimento dos cristais.

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Passo 1

  1. Temperatura abaixo da temperatura de eutetoide, apresenta uma taxa de nucleação baixa e de crescimento elevada.
  2. Passo 2

  3. Temperatura pouco abaixo da temperatura de eutetoide, apresenta uma taxa de nucleação e de crescimento moderada.
  4. Passo 3

  5. Temperatura muito abaixo da temperatura de eutetoide, apresenta uma taxa de nucleação alta e de crescimento baixa.

Resposta

A taxa de nucleação aumenta conforme o tempo e o teor de perlita e o inverso ocorre com o crescimento, como observado no gráfico.

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