M1 Solidificação: Nucleação e Crescimento

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Quando esse metal fundido esfria abaixo de sua temperatura de fusão de equilíbrio, sem ainda solidificar, ele produz um subresfriamento, que é precisamente a força motriz por trás da solidificação desse metal. Esse subresfriamento determina a variação de energia livre associada à nucleação de um núcleo sólido dentro da massa fundida — a diferença de energia livre entre a formação desse núcleo sólido e a saída do metal fundido em seu estado original. Um maior subresfriamento significa que essa variação de energia livre devido à nucleação favorece a formação desse núcleo sólido, aumentando a força motriz disponível para que a solidificação do metal prossiga.

Essa mesma variação de energia livre devido à nucleação, no entanto, não beneficia todos os núcleos sólidos igualmente, porque compete com a energia superficial necessária para criar a interface entre esse núcleo sólido e o líquido fundido circundante. Dessa competição surge um raio crítico do núcleo, o tamanho mínimo que um núcleo sólido deve atingir para que, a partir desse ponto, o crescimento adicional reduza sua energia livre total em vez de aumentá-la, e uma barreira de energia crítica, a energia que o núcleo deve superar para atingir esse mesmo raio crítico. Um maior subresfriamento resulta em um raio crítico do núcleo menor e em uma barreira de energia crítica menor, facilitando a superação dessa barreira por um núcleo sólido e seu crescimento contínuo.

Essa mesma barreira de energia crítica, juntamente com a temperatura da fusão, determina a taxa de nucleação na qual novos núcleos sólidos aparecem por unidade de tempo e volume. Essa taxa de nucleação, por sua vez, determina a microestrutura do metal fundido resultante, incluindo tanto o tamanho inicial do grão quanto sua morfologia dendrítica. Uma taxa de nucleação mais alta resulta em mais núcleos sólidos competindo pelo mesmo volume de fusão e, consequentemente, em um tamanho inicial de grão menor nessa microestrutura fundida.

Portanto, este modelo, com suas características iniciais de nucleação e crescimento, alimenta outro modelo dentro deste conjunto — aquele que descreve o tamanho do grão deste metal, usando o tamanho inicial do grão desta microestrutura fundida já determinado por essa mesma taxa de nucleação. O fato de essa mesma taxa de nucleação, juntamente com a equação de Avrami que descreve como a fração solidificada evolui ao longo do tempo, ser reutilizada, para um propósito equivalente, em outro modelo de um conjunto diferente de materiais — aquele que descreve a formação de vidro por vitrificação — significa que ambos os modelos compartilham a mesma estrutura matemática para descrever dois resultados opostos: a cristalização controlada deste metal e a cristalização impedida daquele vidro.

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