Solidificazione e microstruttura delle leghe

Il diagramma di fase descrive l’equilibrio, ma una lega reale raffredda in fretta e raramente raggiunge l’equilibrio. Tra la mappa termodinamica e la microstruttura che si osserva al microscopio sta la solidificazione: nucleazione, crescita dei cristalli e segregazione, processi che lasciano nel materiale tracce permanenti come i grani e la struttura cored.

Vediamo come nascono e crescono i cristalli, perché si formano le dendriti, che cos’è la segregazione e cosa succede quando il raffreddamento è troppo rapido per l’equilibrio.

Nucleazione e crescita

La solidificazione avviene in due tappe. Prima la nucleazione: nel liquido raffreddato compaiono piccolissimi germi solidi stabili. Poi la crescita: gli atomi del liquido si depositano su quei germi che si ingrandiscono fino a consumare tutto il liquido. Ogni germe diventa un grano, con il proprio orientamento cristallino: il solido finale è un policristallo, e i confini tra grani con orientamenti diversi sono i bordi di grano.

La nucleazione può essere omogenea, se i germi si formano spontaneamente nel liquido puro, o eterogenea, se sfruttano superfici già presenti come le pareti dello stampo o particelle estranee. Nella pratica domina quasi sempre quella eterogenea, perché richiede un sottoraffreddamento molto minore: è la base degli affinatori di grano, particelle aggiunte apposta per moltiplicare i siti di nucleazione e ottenere grani fini. La crescita, invece, ha bisogno di un certo sottoraffreddamento, cioè di scendere sotto la temperatura di equilibrio di solidificazione: è questo scarto a dare la spinta termodinamica perché gli atomi del liquido si fissino stabilmente sul germe, ed è tanto maggiore quanto più rapido è il raffreddamento.

ΔT_{sottoraffreddamento} = T_fusione − T_liquido  →  spinta alla solidificazione

Le dendriti

La crescita del solido raramente è compatta. Tipicamente i cristalli crescono con una forma ramificata ad albero, la dendrite (dal greco «albero»). Si formano un tronco principale e rami laterali secondari, perché le punte che sporgono nel liquido sottoraffreddato crescono più in fretta. Solo nelle fasi finali il liquido residuo riempie gli spazi tra i rami. La struttura dendritica è visibilissima al microscopio nei getti e ha conseguenze dirette sulla distribuzione delle impurezze.

La segregazione

Durante la solidificazione il solido che si forma ha composizione diversa dal liquido: lo dice la tie-line, con solidus e liquidus separati. Il primo solido è più ricco dell’elemento alto-fondente, l’ultimo liquido si arricchisce dell’elemento basso-fondente. Se la diffusione nel solido fosse infinitamente rapida, la composizione si uniformerebbe; ma nei fatti è lenta, e si crea la segregazione: la composizione varia da punto a punto all’interno dei grani e tra centro e bordi. A scala maggiore può comparire anche una macrosegregazione, una disomogeneità di composizione tra una zona e l’altra del getto, dovuta ai movimenti del liquido e alla diversa velocità di raffreddamento tra superficie e cuore del pezzo.

Raffreddamento fuori equilibrio

Il diagramma di fase suppone che a ogni temperatura il sistema raggiunga l’equilibrio, il che richiede tempo per la diffusione. Nel raffreddamento reale, più rapido, la diffusione nel solido non fa in tempo a uniformare la composizione: il risultato è la struttura cored (a cuore), in cui ogni grano ha un cuore di composizione diversa dai suoi strati esterni, in pratica un solidus «fuori equilibrio» più basso del previsto. La struttura cored è la regola nei metalli grezzi di colata.

Perché conta nella pratica

Capire la solidificazione collega il diagramma di equilibrio alla microstruttura reale di un componente. La dimensione dei grani, la struttura dendritica e la segregazione determinano resistenza, duttilità, tenacità e comportamento a corrosione di un getto. Sapere che un raffreddamento rapido lascia strutture cored, e che l’omogeneizzazione le rimuove, è essenziale per impostare i trattamenti termici e per interpretare i difetti nel controllo qualità dei materiali metallici.

Domande frequenti

Quali sono le due fasi della solidificazione?

La nucleazione, in cui nel liquido raffreddato compaiono piccoli germi solidi stabili, e la crescita, in cui gli atomi del liquido si depositano su quei germi finche’ tutto il liquido è consumato. Ogni germe diventa un grano con il proprio orientamento cristallino, e il solido finale è un policristallo i cui confini sono i bordi di grano.

Perché i cristalli crescono a forma di dendrite?

Perché le punte che sporgono nel liquido sottoraffreddato crescono più rapidamente delle superfici piatte, generando un tronco primario e rami secondari ad albero. Solo alla fine il liquido residuo riempie gli spazi tra i rami. La struttura dendritica è tipica dei getti e governa la distribuzione delle impurezze, che si concentrano negli spazi interdendritici.

Che cos’è la segregazione?

È la disomogeneità di composizione che si crea durante la solidificazione perché il solido formato ha composizione diversa dal liquido e la diffusione nel solido è troppo lenta per uniformarla. Il cuore dei grani risulta più ricco dell’elemento alto-fondente, mentre soluto e impurezze si concentrano nelle zone che solidificano per ultime, gli spazi interdendritici.

Che cos’è una struttura cored?

È la microstruttura tipica di un raffreddamento fuori equilibrio: ogni grano ha un cuore di composizione diversa dai suoi strati esterni, perché la diffusione non ha avuto tempo di uniformare la composizione mentre il solido si formava strato dopo strato. È la regola nei metalli grezzi di colata e si elimina con un trattamento di omogeneizzazione.

Perché il raffreddamento reale non segue il diagramma di equilibrio?

Perché il diagramma suppone che a ogni temperatura il sistema raggiunga l’equilibrio, cosa che richiede tempo per la diffusione. Nel raffreddamento rapido la diffusione nel solido non fa in tempo a uniformare la composizione, così la solidificazione segue un percorso fuori equilibrio che lascia segregazione e strutture cored, con un solidus effettivo più basso di quello previsto all’equilibrio.