Solidificazione dei Metalli e Nucleazione

Solidificazione dei Metalli

• La solidificazione è un processo che porta alla trasformazione da liquido a solido, con gli atomi che si avvicinano e le forze di attrazione tra loro diventano più forti.
• La solidificazione è un evento importante che può portare alla formazione di diversi prodotti come getti, lingotti e semiprodotti da colata continua.
• I getti sono utilizzati senza modifiche o trattamenti termici, mentre i lingotti richiedono deformazione plastica per forgiatura e i semiprodotti da colata continua sono la materia prima per altri processi di lavorazione.
• La solidificazione è fortemente influenzata dalle condizioni di raffreddamento e la velocità di raffreddamento influenza la microstruttura dei prodotti solidi.

Nucleazione

• La solidificazione inizia con la formazione di nuclei che si verificano in condizioni di sotto-raffreddamento.
• Il sotto-raffreddamento è la condizione in cui la temperatura del liquido è inferiore alla temperatura di solidificazione.
• I nuclei sono piccoli gruppi di atomi che hanno raggiunto una dimensione critica e sono stabili.
• La formazione di nuclei può avvenire sia in modo omogeneo che eterogeneo.
• La nucleazione omogenea, dove i nuclei si formano nel liquido stesso, è rara nei processi industriali.
• La nucleazione eterogenea, dove i nuclei si formano su superfici estranee come impurità o pareti del contenitore, è molto più frequente.

Accrescimento

• Lo stadio di accrescimento segue la nucleazione e consiste nell'aggiunta di atomi ai nuclei già formati.
• L'accrescimento dei nuclei porta alla formazione di cristalli solidi.
• La crescita dei cristalli può assumere diverse forme, tra cui piana, cellulare e dendritica.
• La forma di crescita è influenzata dal livello di sotto-raffreddamento.
• La forma dendritica è la più comune nei processi industriali e si caratterizza per una struttura ramificata.
• La dimensione e il numero delle dendriti sono influenzati dalla velocità di raffreddamento, con velocità di raffreddamento più elevate che portano a dimensioni di dendriti più piccole.

Influenze sulla Microstruttura e le Proprietà Meccaniche

• La microstruttura del solido formato è fortemente influenzata dalla velocità di raffreddamento.
• La microstruttura influisce sulle proprietà meccaniche del prodotto solido.
• La velocità di raffreddamento determina la dimensione dei grani cristallini e delle dendriti.
• Grani più piccoli e dendriti più piccole sono generalmente associati a migliori proprietà meccaniche, come una maggiore resistenza e duttilità.

Solidificazione dei Metalli

• La solidificazione è il processo di trasformazione da liquido a solido, che comporta l'organizzazione degli atomi in un reticolo cristallino.
• La solidificazione è influenzata dalla temperatura e dalla pressione.
• I prodotti della solidificazione in metallurgia si dividono in getti, lingotti e semiprodotti da colata continua.
  • I getti sono utilizzati senza ulteriori lavorazioni.
  • I lingotti sono deformati plasticamente per ottenere forgiati.
  • I semiprodotti da colata continua sono materia prima per altre lavorazioni come laminazione, trafilatura, ecc.

Energia Libera e Nucleazione

• Durante la solidificazione, l'energia libera totale del sistema è influenzata dall'energia di volume (ΔGV) e dall'energia di superficie (ΔGS).

• L'energia di volume è negativa perché viene emessa dal sistema durante la trasformazione da liquido a solido.

• L'energia di superficie è positiva perché richiede energia per formare una nuova superficie solida.

• La nucleazione si verifica quando un gruppo di atomi raggiunge la dimensione critica e forma un nucleo stabile.

• Il raggio critico (r*) è il raggio minimo necessario per innescare la nucleazione.

• Un alto sotto-raffreddamento riduce il raggio critico, rendendo più facile la formazione di nuclei.

Nucleazione Omogenea ed Eterogenea

• La nucleazione omogenea si verifica all'interno del liquido, coinvolgendo solo atomi del metallo fuso.
• La nucleazione eterogenea è più frequente e si verifica su superfici solide estranee al liquido (es. impurità, pareti della forma).

Accrescimento dei Cristalli

• Dopo la nucleazione, i cristalli crescono aggiungendo atomi dal liquido circostante.
• L'accrescimento può essere planare o dendritico a seconda del livello di sotto-raffreddamento.
• A livelli di sotto-raffreddamento elevati, la crescita dendritica è favorita.

Struttura Dendritica

• Le dendriti si sviluppano con ramificazioni a forma di albero.
• La struttura dendritica è tipica dei metalli solidificati.
• La dimensione delle dendriti e dei grani è influenzata dalla velocità di raffreddamento.

Tempo di Solidificazione

• Il tempo di solidificazione dipende da diversi fattori, come la quantità di metallo liquido, la geometria del pezzo e il materiale della forma.
• La velocità di raffreddamento influenza la microstruttura e le proprietà meccaniche del prodotto.

Riepilogo

• La solidificazione è un processo complesso che influenza la microstruttura e le proprietà meccaniche dei metalli solidi.
• Il sotto-raffreddamento è un fattore chiave nella nucleazione e nell'accrescimento dei cristalli.
• La struttura dendritica è comune nei metalli solidificati e la sua dimensione è influenzata dalla velocità di raffreddamento.
• La solidificazione è un processo importante in molti processi industriali, come la produzione di getti, lingotti e semiprodotti da colata continua.

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