M1 Solidification : Nucléation et Croissance

Topique

Lorsque ce métal en fusion refroidit en dessous de sa température de fusion d'équilibre, sans se solidifier, il se produit un sous-refroidissement, qui constitue précisément la force motrice de sa solidification. Ce sous-refroidissement détermine la variation d'énergie libre associée à la nucléation d'un germe solide au sein du métal en fusion – la différence d'énergie libre entre la formation de ce germe et le maintien du métal en fusion. Un sous-refroidissement plus important signifie que cette variation d'énergie libre due à la nucléation favorise la formation de ce germe, augmentant ainsi la force motrice disponible pour la solidification du métal.

Cependant, cette même variation d'énergie libre due à la nucléation ne profite pas à tous les germes solides de la même manière, car elle entre en compétition avec l'énergie de surface nécessaire à la création de l'interface entre ce germe et le métal en fusion environnant. De cette compétition découle un rayon critique du noyau, la taille minimale qu'un noyau solide doit atteindre pour que, dès lors, sa croissance ultérieure réduise son énergie libre totale au lieu de l'augmenter, ainsi qu'une barrière d'énergie critique, l'énergie que le noyau doit franchir pour atteindre ce même rayon critique. Un sous-refroidissement plus important entraîne à la fois un rayon critique du noyau et une barrière d'énergie critique plus faibles, facilitant ainsi le franchissement de cette barrière par un noyau solide et la poursuite de sa croissance.

Cette même barrière d'énergie critique, ainsi que la température du bain de fusion, déterminent la vitesse de nucléation, c'est-à-dire le nombre de nouveaux noyaux solides apparaissant par unité de temps et de volume. Cette vitesse de nucléation détermine à son tour la microstructure du métal fondu résultant, notamment la taille initiale des grains et leur morphologie dendritique. Une vitesse de nucléation plus élevée se traduit par un plus grand nombre de noyaux solides en compétition pour un même volume de bain de fusion et, par conséquent, par une taille de grain initiale plus petite dans la microstructure de la pièce coulée.

Par conséquent, ce modèle, avec ses caractéristiques initiales de nucléation et de croissance, alimente un autre modèle au sein de cet ensemble : celui qui décrit la taille des grains de ce métal, à partir de la taille initiale des grains de la microstructure de la pièce coulée, déjà déterminée par ce même taux de nucléation. Le fait que ce même taux de nucléation, ainsi que l’équation d’Avrami décrivant l’évolution de la fraction solidifiée au fil du temps, soient réutilisés, à des fins équivalentes, dans un autre modèle portant sur un ensemble de matériaux différent – ​​celui décrivant la formation du verre par vitrification – signifie que les deux modèles partagent le même cadre mathématique pour décrire deux phénomènes opposés : la cristallisation contrôlée de ce métal et la cristallisation empêchée de ce verre.

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