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Solidificazione dei metalli e delle leghe

Nella quasi totalit dei casi i metalli e le loro leghe sono prodotti attraverso processi che sisvolgono a temperature elevate, al di sopra del punto di fusione, cos che la prima trasformazioneche determina le caratteristiche della microstruttura e le propriet che condizionano le successivepossibilit di impiego rappresentata dalla solidificazione, attraverso la quale si realizza ilpassaggio dallo stato liquido a quello solido. Per quanto concerne i getti, vale a dire quei manufattiche vengono realizzati versando la lega metallica predisposta allinterno di una forma cheriproduce la geometria delloggetto da ottenere, la struttura di solidificazione quella che verrpoi messa in esercizio e pertanto le propriet finali saranno determinate dalle condizione sotto lequali si far avvenire la solidificazione. Negli altri casi il metallo solidificato assoggettato adulteriori operazioni di deformazione plastica, solitamente a caldo ed eventualmente in un secondotempo a freddo, e di conseguenza la microstruttura, cos come le corrispondenti propriet, verrmodificata da tali operazioni e dai trattamenti termici che, ove necessario, verranno eventualmenteeseguiti sui semilavorati intermedi o sui prodotti finiti ottenuti.La solidificazione dei metalli e delle leghe metalliche avviene, come la maggior parte delletrasformazioni di fase, per nucleazione ed accrescimento.Per illustrare il fenomeno, si prender in esame il caso pi semplice, rappresentato dallasolidificazione di un metallo puro.Da un punto di vista meramente fenomenologico la trasformazione di solidificazione pu essererappresentata come in Fig. 1, dove il metallo liquido contenuto in un crogiolo al raffreddamentovede la formazione (al suo interno o in corrispondenza delle pareti del recipiente) di alcuni nucleisolidi nei quali semplicemente gli atomi, invece che avere come nel liquido un arrangiamentocasuale ed una discreta mobilit attorno alla posizione che occupano, sono organizzati in unastruttura geometricamente regolare con una ridotta mobilit attorno alla posizione che hannoassunto; nel seguito lulteriore sottrazione di calore provoca laccrescimento dei nuclei medianteun continuo apporto di ulteriori atomi attraverso linterfaccia liquido-solido. La fase diaccrescimento termina allorquando i fronti di crescita si incontrano, determinando la scomparsatotale della fase liquida.Volendo entrare pi nel dettaglio, va innanzitutto considerato che per il metallo puro dellesempioin esame esiste una ben precisa temperatura di fusione Tf, in corrispondenza della quale si halequilibrio fra la fase solida e quella liquida; la trasformazione da liquido a solido avviene incondizioni di temperatura costante, come immediato desumere dallapplicazione della regoladelle fasi: v = ci + m f, dalla quale la varianza di un sistema in cui si ha un solo componenteindipendente ci, il metallo puro, un solo fattore fisico f influente sullequilibrio (la temperatura, inquanto la pressione non pu avere influenza non essendo presenti fasi gassose) e due fasi inequilibrio (quella solida e quella liquida) risulta pari a 0 (sistema zerovariante); la sottrazione dicalore con cui procede la solidificazione non porta ad una diminuzione di temperatura, bens ha loscopo di asportare il calore latente di fusione.

Fig. 1 - Nucleazione in seno al liquido di germi di cristalli allo stato solido e loro accrescimento,con formazione di giunti intergranulari (bordi di grano) in corrispondenza dellincontro dei frontidi accrescimento, che delimitano zone con struttura cristallina con differente orientazione

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Ad una temperatura appena superiore al punto di fusione stabile lo stato liquido, sulle cuicaratteristiche il grado di conoscenza raggiunto ad oggi ancora piuttosto scarso. Infatti,contrariamente allo stato gassoso ed a quello solido, che hanno come modelli rispettivamente il gasperfetto e le strutture cristalline, non esiste alcun modello col quale si possano descrivere inmaniera adeguata le propriet dello stato liquido.Da un lato, la modesta variazione di densit che accompagna la fusione suggerisce che gli atomisiano anche allo stato liquido ancora sufficientemente vicini da scambiarsi forze di apprezzabileentit (si ricorda che per i metalli con struttura compatta si ha una contrazione di volume pari a 2 6%; unica eccezione il bismuto che nella solidificazione presenta un aumento di volume).Dallaltro lato, va altres considerato che essi posseggono una notevole libert di movimentorelativo, in quanto un corpo allo stato liquido non possiede forma propria ma assume quella delrecipiente che lo contiene. Per conciliare fra loro queste due opposte osservazioni si ammette, inaccordo con i risultati ottenuti mediante lutilizzo di raggi X, che un liquido non possegga uno statodi ordine a largo raggio ma ne possegga uno a corto raggio; in altri termini, si ammette che essocontenga localmente piccoli raggruppamenti atomici regolari, i quali prefigurano la disposizionecompletamente ordinata caratteristica dello stato solido. Tali raggruppamenti hanno tuttaviaunesistenza effimera, formandosi e dissolvendosi continuamente per effetto dellagitazionetermica.Si supponga ora di far scendere la temperatura immediatamente al di sotto di quella di fusione.Nonostante la minima energia libera competa in questo caso allo stato solido, chiaro che non ci sipu attendere una solidificazione simultanea di tutto il volume del metallo. Ci potrebbe accaderesoltanto se i movimenti di tutti gli atomi risultassero coordinati in modo tale da dare luogo ad unaconfigurazione regolare su grandi distanze, il che estremamente improbabile. Risulta inveceabbastanza facile che alcuni di quei raggruppamenti ordinati originatisi in virt del caso (dora inpoi verranno chiamati embrioni) divengano stabili e possano crescere per apporto di atomi allaloro superficie: ciascuno di essi rappresenta allora un nucleo di solidificazione. Ammesso persemplicit che gli embrioni siano di forma sferica, facile mostrare che la loro trasformazione innuclei condizionata al raggiungimento di un certo raggio minimo. Ci discende direttamente dalfatto che la variazione di energia libera associata con la nascita di un embrione la somma di duecontributi di segno opposto, luno proporzionale al volume e laltro proporzionale alla superficiedell'embrione stesso. Lorigine dei primo termine evidente, poich noto che la solidificazioneproduce un abbassamento di energia libera; pertanto, detta Gv la differenza di energia libera perunit di volume fra la fase liquida e quella solida, la nascita di un embrione di raggio r comportauna variazione di energia libera pari a -(4r3/3)Gv. Il secondo contributo deriva invece dal fattoche fra gli atomi che costituiscono lembrione e quelli esterni ad esso che sono allo stato liquidoesiste una superficie di separazione alla quale compete una specifica energia; si pu ritenere che gliatomi situati alla superficie dellembrione si trovino in una condizione in qualche modo intermediafra stato liquido e stato solido e, di conseguenza, posseggano unenergia libera superiore a quelladegli atomi presenti in una delle due fasi. Lenergia libera relativa allunit di area dellinterfacciafra due fasi diverse viene solitamente indicata con il simbolo e pertanto derivante dallaformazione della nuova superficie uguale a 4r2 . In definitiva la variazione totale di energialibera prodotta dalla nascita di un embrione risulta espressa come segue:

G = -(4r3/3)Gv+ 4r2

ed il suo andamento in funzione del raggio r illustrato nella Fig. 2.Il valore di G risulta passare per un massimo G+ in corrispondenza di un certo raggio critico rc ilcui valore ricavabile uguagliando a zero la derivata rispetto ad r della precedente equazione:

vc G

r

=2

3

Fig. 2

Per sostituzione nella prima equazione si ricava poi:

Gli embrioni con raggio inferiore ad rc non possono crescere e divenire nuclei, in quanto ciprodurrebbe un aumento di energia libera; essi pertanto si dissolvono nuovamente e scompaionoper effetto dellagitazione termica. Gli embrioni con raggio superiore ad rc risultano al contrariostabili, in quanto la loro crescita favorita dalla conseguente diminuzione di energia libera.Daltra parte il valore di rc, e di conseguenza anche quello di G+, varia con la temperatura (comeschematicamente indicato in Fig. 2), il che dovuto soprattutto alle variazioni di Gv, poich scarsamente influenzata dalla temperatura e pu considerarsi in prima approssimazione costante.Per definire come questo influisca sulla velocit di nucleazione (intesa come numero di nuclei chesi formano per unit di volume nellunit di tempo) si consideri che la probabilit che si formi unembrione di dimensioni critiche (ossia di raggio rc) data da esp(-G+/RT), dove G+ si intendeora riferita ad una mole di metallo e T la temperatura assoluta. Pertanto la velocit dinucleazione, che dipende dal numero di embrioni critici per unit di volume, sar proporzionale adetto valore.Alla temperatura di fusione Tf essendo Gv = 0, risulta G+= e non quindi possibile che siformi alcun nucleo; per registrare una velocit di nucleazione apprezzabile necessario che risultiGv>0, cio che la temperatura scenda sia pur di poco al di sotto del punto di fusione del metallo.Per questo motivo si suole dire che Gv rappresenta la forza motrice della nucleazione.Abbassando ulteriormente la temperatura, la differenza di energia libera fra la fase liquida e quellasolida cresce continuamente e ci d luogo ad un progressivo aumento della velocit dinucleazione, tant che la velocit di nucleazione passa per un massimo che pu anche trovarsiconsiderevolmente al di sotto del punto di fusione (Fig. 3).La conclusione principale ricavabile dalle precedenti considerazioni che la solidificazione nonpu innescarsi se la temperatura non si abbassa al di sotto del punto di fusione del metallo; si diceallora che il liquido soggetto a sovraraffreddamento.Qualora i nuclei siano disposti a caso nellintera massa metallica (situazione denominatanucleazione omogenea) lentit del sovraraffreddamento notevole, potendo anche raggiungerelordine di grandezza delle centinaia d gradi. Ci rappresenta tuttavia leccezione piuttosto che laregola, perch generalmente la nucleazione eterogenea, vale a dire avviene allinterfaccia fra ilmetallo liquido ed il contenitore o la forma, oppure, in seno al liquido, provocata da piccole

G+Tf

T

T

rc r

Tf >T>TG+

Tf

T

T

rc r

Tf >T>T

22

3

34

G316

cv

r)(

G ==+

4

particelle solide presenti come impurezze, inclusioni, altre fasi, oppure da inoculanti (particelledi proposito introdotte nel liquido).

Fig. 3

Tali particelle agiscono, tramite un meccanismo non ancora perfettamente definito, come nuclei giformati e quindi, in pratica, lentit dei sovraraffreddamento non supera lordine di grandezza dialcuni gradi. Solo in condizioni molto particolari (ad esempio nella solidificazione di minuscolegocce metalliche di grande purezza) possibile osservare i grandi sovraraffreddamenti caratteristicidella nucleazione omogenea.Passando a considerare le condizioni di crescita dei nuclei, due sono i fattori fondamentali cheinfluiscono su di esse: il primo la temperatura, il secondo la struttura cristallina del solido.Ci si pu rendere conto dellinfluenza della temperatura pensando che la velocit di crescita di unnucleo deriva dalla differenza fra il numero degli atomi che nellunit di tempo passano dal liquidoal solido (sotto leffetto dellagitazione termica) ed il numero degli atomi che a causa dello stessofenomeno compiono il cammino inverso. Alla temperatura di fusione il solido ed il liquido sono inequilibrio termodinamico, il che vuol dire che le intensit di questi due flussi di materia siequivalgono e la superficie di separazione fra le due fasi rimane stazionaria. La forza motrice perla crescita o la dissoluzione dei cristalli solidi ancora lenergia libera differenziale Gv, dal cuisegno dipende quale dei due flussi conduca ad una diminuzione di energia libera e sia quindi ingrado di prevalere sullaltro.Tenendo presente che fra i vari punti di una massa liquida in corso di raffreddamento esistonosempre differenze di temperatura pi o meno grandi, si possono formulare due importanti principi:a) una volta che siano nati dei nuclei di solidificazione stabili, la loro crescita risulta continuamenteaccelerata qualora linterfaccia solido-liquido si sposti verso zone a temperatura pi bassa, mentresubisce un rallentamento se il gradiente di temperatura diretto in senso contrario;b) perch la solidificazione del metallo giunga a termine, il liquido deve sempre trovarsi incondizioni di sovraraffreddamento.La struttura della fase solida influenza le condizioni di crescita dei nuclei in quanto un cristallotende a svilupparsi preferenzialmente lungo determinate direzioni. Ci dipende dal fatto che nontutti i piani cristallografici possiedono la stessa capacit di alloggiare gli atomi provenienti dalliquido, ciascun piano caratterizzato da una certa disposizione atomica, che pu essere pi o menocompatta, e sono appunto le disposizioni meno compatte che offrono le pi ampie cavit peralloggiare e trattenere gli atomi del metallo provenienti dal liquido. Per quanto riguarda le strutturecubiche, fra i principali piani cristallografici quelli del tipo{100}sono particolarmente aperti, ilche spiega perch in tale struttura le direzioni rappresentino direzioni di crescitapreferenziale. Nella struttura esagonale la stessa parte spetta invece alle direzioni . E' da

To

Velocit di nucleazione

Tem

pera

tura

To

Velocit di nucleazione

Tem

pera

tura

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osservare, a questo proposito, che proprio a causa del rapido movimento dei piani meno compatti uncristallo in corso di crescita tende a sviluppare maggiormente le facce perpendicolari alle direzioninon privilegiate.Tutte le considerazioni fatte fino ad ora si riferiscono, bene ricordarlo, a metalli puri. I concettibase sono per applicabili anche al caso delle leghe, purch si tenga presente che in queste ultimeinterviene un fattore supplementare, cio la composizione chimica. Ma le differenze dicomportamento fra i metalli puri e le leghe possono essere chiarite passando direttamente adesaminare il meccanismo di solidificazione dei lingotti.

Macrostruttura dei lingotti

Nella prima fase del ciclo di fabbricazione di gran parte delle leghe metalliche vengono per lo piprodotti lingotti di forma semplice, colando il metallo liquido in una forma anchessa metallica(lingottiera) ed estraendo successivamente il lingotto una volta ultimata la solidificazione.Attualmente, fatta eccezione per quei prodotti di grandi dimensioni che per essere fabbricatinecessitano di lingotti di partenza di peso elevato, si affermato in maniera incontrastata ilprocesso di colata continua, in cui il prodotto colato (billetta, blumo o slebo, tutti di sezionetrasversale inferiore a quella dei lingotti) viene estratto con continuit dallestremit inferioreaperta di una lingottiera speciale, alimentata dallalto con il metallo liquido. Le considerazioni chevengono nel seguito riportate sono sostanzialmente valide per entrambi i processi, tranne quandodiversamente precisato.Per quanto concerne la macrostruttura di un lingotto opportuno fare riferimento a quanto si pudirettamente osservare visivamente dopo aver provveduto ad eseguire una sezione trasversale dellingotto stesso, avendone quindi attaccato la superficie con un apposito reattivo cos da potereseguire lesame macrografico. Nel caso pi generale risulteranno nettamente evidenziate tre zonedistinte, come schematicamente illustrato in Fig. 4:- una zona periferica, detta zona di pelle, costituita da moltissimi e minuti cristalli (denominaticorrentemente grani) non distinguibili ad occhio nudo; allesame con i raggi X i pianicristallografici di questi grani rivelano delle orientazioni del tutto casuali;- una zona intermedia, detta colonnare, formata da grani fortemente allungati nella direzioneperpendicolare alla parete della lingottiera, con una sezione trasversale piuttosto grande(dellordine di parecchi mm2); questi cristalli mostrano di possedere unorientazione preferenzialeassai marcata, nel senso che il loro asse coincide praticamente con una delle direzioni di crescitaprivilegiate;- una zona centrale, denominata zona equiassica, costituita da grossi cristalli sviluppati in misurauguale in tutte le direzioni (per questo sono detti equiassici) e di nuovo esenti da orientazionipreferenziali.

Fig. 4

Zona colonnare

Zona equiassica

Zona di pelle

Zona colonnare

Zona equiassica

Zona di pelle

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Per chiarire i meccanismi attraverso i quali prende origine la macrostruttura descritta, si inizi con ilconsiderare il caso di un metallo puro.Non appena il liquido viene versato nella lingottiera, si ha una forte dissipazione di calore attraversole pareti di questultima, per cui il calore di sovrariscaldamento rispetto alla temperatura di fusioneviene smaltito molto rapidamente. Allinizio della solidificazione si pu supporre che ladistribuzione della temperatura nel metallo sia definita dalla curva a della Fig. 5, nella quale rappresentata una sezione longitudinale della lingottiera: mentre al centro la temperatura rimaneapprossimativamente uguale alla temperatura di fusione del metallo Tf, alla periferia ha luogo unsensibile sovraraffreddamento.

Fig. 5

Quando l'entit del sovraraffreddamento diviene tale da dar luogo ad una velocit di nucleazionemolto elevata, nascono in seno al liquido innumerevoli cristalli orientati casualmente, essi cresconocon grande velocit e giungono in breve tempo a mutuo contatto, esaurendo il liquido che licirconda: si forma cos la zona di pelle.Nel frattempo, per, viene emesso il calore latente di fusione e di conseguenza la temperatura delmetallo prossimo alle pareti della lingottiera risale fin quasi a Tf. Si genera cos una distribuzionedella temperatura (curva b della Fig. 5) caratterizzata dalla presenza in A di un cosiddetto puntodi inversione del gradiente, il che significa che dalla superficie della zona di pelle il calore sitrasmette, sia verso lesterno attraverso il solido, sia verso il centro della lingottiera attraverso illiquido.Pertanto, nella zona ad immediato contatto con il solido la velocit di nucleazione risulterdrasticamente ridotta, essendo pressoch sparito il sovraraffreddarnento; i cristalli gi formatisipossono per continuare a svilupparsi, il che avviene secondo uno speciale meccanismo noto sottoil nome di crescita dendritica, lorigine di tale denominazione risiede nel fatto che questi graniassumono nel corso del loro sviluppo una caratteristica forma ramificata.Per illustrare il meccanismo della crescita dendritica si prender in esame la Fig. 6, che rappresentauna sezione trasversale della lingottiera: i grani situati alla superficie della zona di pelle tendono asvilupparsi, sotto lazione del leggero sovraraffreddamento presente all'interfaccia solido-liquido,secondo le loro direzioni preferenziali di crescita. Tale crescita risulta inoltre continuamenteaccelerata, poich linterfaccia stessa si muove lungo direzioni caratterizzate da un gradiente ditemperatura negativo. Fra tutte queste possibili direzioni ve n una, cio quella perpendicolare alla

Tf

Tf

a

bA

zona di pelle solidaparete della lingottiera

Tf

Tf

a

bA

zona di pelle solidaparete della lingottiera

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parete della lingottiera, lungo la quale il gradiente di temperatura massimo, pertanto, quando unqualsiasi cristallo opportunamente orientato inizia a crescere proprio secondo tale direzione, esso sisvilupper con una velocit di gran lunga maggiore di quella di tutti gli altri, non solo, maemettendo lateralmente il suo calore di fusione bloccher la crescita dei cristalli adiacenti,qualunque sia la loro orientazione.Hanno cos origine i rami primari delle dendriti, disposti a intervalli regolari lungo tutto ilperimetro della lingottiera. Supposto inoltre che il metallo abbia una struttura cubica e tenendopresente che un gradiente di temperatura negativo si stabilisce pure nella direzione ortogonaleallasse dei rami primari, si comprende la possibilit di crescita dei rami secondari rappresentatiin Fig. 6. E da notare infine che, escludendo idealmente variazioni di temperatura lungo laltezzadella lingottiera, il profilo del solido in un dato istante pu essere supposto uguale in qualsiasisezione trasversale della medesima.

Fig. 6

Le dendriti continuano a svilupparsi finch i loro rami secondari non vengono in mutuo contatto,arrestandosi a vicenda. Solidifica poi il liquido rimasto negli spazi interdendritici e si forma cosuna prima parte della zona colonnare. A questo punto (corrispondente circa alla solidificazione del10% del volume totale del metallo) il meccanismo di crescita della zona colonnare cambia natura.A causa infatti di tutto il calore di fusione che stato emesso, il "pozzo" della curva b di Fig. 4risulta colmato e la temperatura torna a decrescere monotonicamente dal centro alla periferia dellalingottiera (le sue variazioni saranno per sensibilmente pi piccole che allinizio). Allora lacrescita dendritica non pu proseguire, perch altrimenti linterfaccia solido-liquido dovrebbespostarsi entro zone con gradiente di temperatura positivo; anzi, se per caso un cristallo tende asvilupparsi pi degli altri, la sua crescita risulta subito rallentata ed esso costretto ad attendere losviluppo di quelli adiacenti. Di conseguenza, tutti i grani allungati che costituiscono la regionecolonnare crescono di pari passo; si forma cio un fronte di solidificazione piano, che si muoveverso il centro della lingottiera. La sua velocit dipende da quanto calore viene dissipato allesternonellunit di tempo, poich questo calore deve uguagliare il calore di fusione che viene man manoemesso nel corso della solidificazione; l'entit del sovraraffreddamento si aggiustaautomaticamente in modo da mantenere tale situazione di equilibrio. Per i metalli puri colati inlingottiere metalliche, la solidificazione procede di solito in questo modo fino al suocompletamento; in altri termini, nel caso dei metalli puri manca nei lingotti la zona equiassica. Seper la dissipazione di calore molto modesta (condizione sperimentabile facilmente lasciandoraffreddare il metallo entro un crogiolo di materiale refrattario), pu divenire importante lanucleazione al centro della lingottiera, il che rende possibile la formazione della zona equiassica.Ma di questultima pi opportuno trattare a proposito delle leghe, per le quali rappresenta unfenomeno caratteristico.

zona di pelle solidaparete della lingottiera

direzione prevalente di crescita

direzione possibile di crescita

ramo secondario

ramo primario

dendrite

zona di pelle solidaparete della lingottiera

direzione prevalente di crescita

direzione possibile di crescita

ramo secondario

ramo primario

dendrite

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La solidificazione delle leghe avviene, per quanto riguarda la formazione della zona di pelle elinizio della crescita dendritica, nello stesso modo dei metalli puri.Nelle leghe la crescita dendritica pu tuttavia proseguire anche in regioni con gradiente ditemperatura positivo, in virt di un altro tipo di sovraraffreddamento, detto di composizione. Siesamineranno, in particolare, i fenomeni che avvengono durante la solidificazione di una legabinaria caratterizzata da una certa concentrazione c0 del componente B (il relativo diagramma diequilibrio schematicamente rappresentato nella Fig. 7a).Dapprima si forma la zona di pelle, il che avviene tanto rapidamente che la composizione chimicadei suoi grani pu considerarsi la stessa del liquido di partenza. Nel frattempo la temperatura dellasuperficie del solido risale fino ad un valore T1, appena inferiore allordinata della curva delliquidus corrispondente a c0. Allora la velocit di solidificazione risulta drasticamente ridotta e sipu pertanto supporre che allinterfaccia solido-liquido le composizioni chimiche delle due fasi inmutuo contatto debbano essere definite dal diagramma di equilibrio. A ci si giunge per stadisuccessivi. Appena inizia a formarsi la zona colonnare, dal liquido di composizione c0 si separa unafase solida di composizione non ben definibile, ma comunque molto prossima a quella indicatacome c1 nella Fig. 7a. Da tale fase viene pertanto espulso un eccesso di atomi del componente B,atomi che dovrebbero disperdersi allistante in tutto il liquido, in modo da omogeneizzarne lacomposizione al valore c'l . Ma ci non pu evidentemente accadere, nonostante lintervento delladiffusione e la presenza di moti convettivi; quindi il liquido che si trova a immediato contatto conla superficie del solido si arricchisce in atomi di B. Per tale motivo anche il solido che continua aformarsi diviene pi ricco in costituente B, la temperatura si abbassa ed infine si raggiunge lasituazione di equilibrio illustrata nella Fig. 7b. Le composizioni del solido e del liquido in contattosono quelle corrispondenti, nel diagramma di stato, alla temperatura T2; esse rimangono invariateal procedere della solidificazione poich leccesso di costituente B, che viene man mano espulsodal solido, pu essere disperso nel liquido per effetto della forte differenza di concentrazione (c2-c0). Inoltre, la composizione chimica della massa liquida pu considerarsi sempre uguale a quelladi partenza (in effetti la concentrazione del costituente B tender lentamente ad aumentare).

Fig. 7

co

c2 c'1 c'2c1

T2T1

T

c'2

coc2c1

distanza dalla zona di pelle

solido liquido

cB

cB

(b)

(a)

A

co

c2 c'1 c'2c1

T2T1

T

c'2

coc2c1

distanza dalla zona di pelle

solido liquido

cB

cB

(b)

(a)

A

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Ora possibile dimostrare che, nelle condizioni descritte, il meccanismo di crescita rimane di tipodendritico anche qualora il gradiente di temperatura a partire dalla superficie del solido siapositivo. A questo scopo si osservi la Fig.8a, nella quale rappresentato landamento(approssimativo) della temperatura di liquidus della lega in funzione della distanza dalla superficiedel solido, andamento che caratterizzato da una brusca salita iniziale, corrispondente alla bruscavariazione di composizione illustrata in Fig. 8b.

Fig. 8

La distribuzione effettiva della temperatura invece rappresentabile con buona approssimazionemediante un diagramma rettilineo (si noti la piccola differenza fra T2 e T2 , che esprime il leggerosovraraffreddamento esistente allinterfaccia solido-liquido). Si pu quindi constatare che ilsovraraffreddamento della lega, espresso dalla differenza fra la temperatura del liquidus e quellaeffettiva, aumenta non appena ci si allontana dalla superficie del solido, nonostante il gradiente ditemperatura sia positivo, questo appunto il sovraraffreddamento di composizione. Essoconsente la prosecuzione della crescita dendritica, tranne che nel caso molto particolare in cuilampiezza della zona soggetta a tale tipo di sovraraffreddamento sia troppo esigua. La crescitadendritica della zona colonnare non pu tuttavia concludersi nelle condizioni di Fig. 8b, condizionicaratterizzate da una composizione pressoch costante dei solido e del liquido. Infatti, quando lediverse ramificazioni cristalline giungono a breve distanza luna dallaltra, la concentrazione delcomponente B nella fase liquida prende ad aumentare rapidamente e, di conseguenza, il solido chesi forma per ultimo negli spazi interdendritici risulta molto pi ricco in atomi di B di quelloseparatosi per primo.Mentre si susseguono gli avvenimenti descritti, le differenze di temperatura fra i vari punti deiliquido vanno diminuendo. Tale diminuzione diviene poi particolarmente sensibile nellistante incui, per effetto della contrazione termica del solido, il lingotto si distacca dalla lingottiera. Allora lasolidificazione colonnare subisce un brusco rallentamento ed ha invece inizio la formazione dellazona equiassica. Come ci accada illustrato con maggior precisione nella Fig. 8b. In essa, al disotto della curva del liquidus si tracciata una seconda curva che indica linizio della nucleazione,Teoricamente ci inesatto, poich si sa che la velocit di nucleazione si annulla solo alla

T'2T2

~T1curva del liquidus

(b)

(a)

curva del liquidus

curva di nucleazione

temperatura del liquido

temperatura del liquido

T

T

distanza dallinterfaccia solido-liquido

distanza dallinterfaccia solido-liquido

T'2T2

~T1curva del liquidus

(b)

(a)

curva del liquidus

curva di nucleazione

temperatura del liquido

temperatura del liquido

T

T

distanza dallinterfaccia solido-liquido

distanza dallinterfaccia solido-liquido

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temperatura del liquidus, ma dal punto di vista pratico possibile fare riferimento ad unatemperatura alla quale il numero dei nuclei che si formano nellunit di tempo diviene importanteper il proseguimento della solidificazione. Pertanto, quando la retta che descrive landamento dellatemperatura nel liquido, diviene tangente alla curva in oggetto, ha inizio, ad una certa distanzadalla superficie del solido, un rapido processo di nucleazione, e, perci, comincia a formarsi lazona equiassica. Questi nuclei crescono poi dendriticamente poich, emettendo il calore di fusione,creano attorno ad essi uninversione del gradiente di temperatura (Fig. 9). A differenza per delledendtiti della zona colonnare, il cui meccanismo di crescita sostanzialmente di tipobidimensionale, le dendriti della zona equiassica si sviluppano lungo una terna di direzionimutuamente ortogonali (sempre supponendo che la struttura sia cubica).

Fig. 9