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RFconto che nelle canalizzazioni orizzontali, cosi cime negli attacchi di colata per i quali le quote hsono costanti, la portata volumetrica del metallo fuso rimane costantemente pari al valore A*vcalcolata alla base del canale di colata. Il tempo di riempimento della forma sarà quindi fornito dalrapporto tra volume e la portata volumetrica: t =V/Q= V/(v * A )= V/(√2gh * A )RF 2 2 1 2Solidificazione dei metalli puri e delle leghe: generalità:Nel caso ideale la temperatura di solidificazione di un metallo puro coincide con quello di fusione eper complementare la solidificazione è necessario asportare il calore latente di fusione.Quando tutto il fuso è solidificato, la temperatura del solidodiminuisce ancora rilasciando il suo calore sensibile. Il materialesolidificato è policristallino, cioè costituito da tanti grani cristalliniorientati casualmente; esso presenta proprietà che sono isotrope inquanto derivano da una media delle
proprietà dei singoli grani, che dipendono dall'orientazione del reticolo. Allo stato liquido gli atomi sono in forte agitazione termica, e occupano un volume specifico che diminuisce gradualmente al raffreddamento, dal momento che l'agitazione diviene meno violenta. Il volume specifico occupato si riduce drasticamente alla temperatura di solidificazione passando dallo stato liquido a quello solido. Tale fenomeno prende nome di ritiro di solidificazione. Allo stato solido la sistemazione degli atomi è caratteristica per ogni materiale e può essere descritta dalla cella unitaria. Nel successivo loro raffreddamento allo stato solido, alcuni materiali possono subire, per valori critici di temperatura, una trasformazione allotropica, con variazioni, cioè, della struttura cristallina, rilasciando del calore latente di trasformazione. Tali trasformazioni allotropiche sono accompagnate da variazioni di volume specifico che portano a tensioni interne. Il nucleo si
Solidificazione dei metalli
crescita intermedie, si otterranno grani di dimensioni medie. In generale, la dimensione dei grani diminuisce all'aumentare della velocità di raffreddamento. Il diagramma di crescita dei nuclei mostra come la dimensione dei grani varia al variare del tempo di permanenza a una determinata temperatura. Inizialmente, i grani sono piccoli e aumentano di dimensione man mano che il tempo di permanenza aumenta. Tuttavia, una volta raggiunta una certa dimensione critica, i grani smettono di crescere e la dimensione rimane costante. Questo diagramma è importante per comprendere come la velocità di raffreddamento influisce sulla struttura dei materiali solidificati. La dimensione dei grani può influenzare le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche del materiale, quindi è fondamentale controllare la velocità di raffreddamento durante il processo di solidificazione. In conclusione, il diagramma di crescita dei nuclei fornisce informazioni preziose sulla formazione e la dimensione dei grani durante il processo di solidificazione dei materiali.raffreddamento estremamente elevate la cristallizzazione può non avere luogo, per cui si ottengono solidi amorfi. Solidificazione delle leghe metalliche: fronte di solidificazione: La soluzione solida delle leghe metalliche è costituita da almeno due elementi (soluto e solvente), gli atomi del soluto si trovano in posizioni nodali o interstiziali nel reticolo del solvente. In questa soluzione la solidificazione avviene nell'intervallo di temperatura tra le linee del liquidos e del solidus e, a prescindere dai fenomeni dovuti alla irreversibilità del processo, la temperatura di inizio solidificazione coincide con la temperatura di fine fusione. Estrazione termica nei metalli puri: spessore dello strato solidificato: Lo spessore dello strato solidificato è dato dalla seguente formula: d= λ * √t C dove λ è una costante dipendente dalla dimensione del pezzo e dalla velocità di raffreddamento; C è una costante dipendente dalgrado di surriscaldamento e t è il tempo di solidificazione. Estrazione termica nei metalli puri e nelle leghe: espressione del calore liberato: ρV[Q)] • Q: calore latente di fusione • TQ = +c(T -T, T: temperatura getto e di fine LS LF G solid LF G Solid solidificazione • c: calore specifico medio nell'intervallo tra T • ρ: densità del getto e TG Solid • V: volume del getto. Q= S θ √t, S=area della forma, θ=parametro. Calore estratto da una parete della forma: Estrazione termica nelle leghe: modulo di raffreddamento. √t={ ρV[Q)] }/ S θ Uguagliando il calore liberato e il calore estratto: Q = Q→ +c(T -TLS LF G solid√t = cost * V/S =[( 1/λ)*(V/S) ]→ t =[( 1/λ1/λ2 2 2 2.)*(V/S) = c *M dove M= V/S, c . M è il F F=modulo di raffreddamento, c è un parametro. Microstruttura nei getti: I fase di solidificazione. La massa fluida, a contatto con la forma,comincia a cedere calore alla superficie. Si stabilisce così un gradiente negativo di temperatura che provoca in questa un flusso termico del calore asportato dal pezzo verso l'esterno e la sua dispersione dalle superfici esterne della forma nell'ambiente circostante. Quando la temperatura del fuso raggiungerà la temperatura di solidificazione, inizierà la formazione di metallo allo stato solido. Nella prima fase di solidificazione, cioè quando la crosta di solido è sottile, il metallo è in intimo contatto con la superficie della forma e quindi subisce rapide asportazioni di calore che abbassano transitoriamente e localmente la temperatura al di sotto del valore di fusione. Nella massa sottoraffreddata, si formano nuclei di solidificazione, detti anche germi di solidificazione. Essi sono caratterizzati da una struttura cristallografica con geometria ed orientamento ben definiti, costituiti inizialmente da pochi atomi ai quali però se neAggiungono altriprovenienti dal liquido in solidificazione, accrescendone il volume e dando luogo, infine, a tantigrani cristallini, osservabili al microscopio. Nella prima fase di solidificazione si ha la formazione di un elevatissimo numero di nuclei per cui la struttura del materiale sarà a grani fini ed equiassici.
Microstruttura nei getti: II fase di solidificazione: Immediatamente dopo la formazione del primo strato, che può raggiungere lo spessore massimo di qualche centimetro, le modalità di crescita dei cristalli variano e cominciano a formarsi grani allungati in direzione opposta a quella di sottrazione del calore. Contemporaneamente, la temperatura della forma nella zona di contatto aumenta e la crosta solidificata, raffreddandosi, si forma un'intercapedine di aria isolante (ritiro) che la contrae per cui tende a staccarsi dalla forma e per questi motivi, dopo un certo tempo dall'inizio della solidificazione, la velocità di raffreddamento diminuisce.
Ha inizio, quindi, una nuova fase di raffreddamento ove il primo guscio solidificato aumenta di spessore verso la massa ancora fusa per l'adesione di nuovi atomi. I germinucleati in questa seconda fase sono meno numerosi di quelli nucleati nella prima; la loro crescita che, ora avviene con una velocità piuttosto elevata, conduce a grani con una caratteristica forma allungata nella direzione del flusso di calore (struttura colonnare o basaltica).
Lo spessore di metallo che solidifica in questa fase è molto esteso, in particolare se il raffreddamento avviene velocemente. In molti casi, in cui le dimensioni della forma sono ridotte e la sottrazione del calore è molto energica, la zona colonnare si estende fino al centro del fuso, cioè i cristalli allungati del volume solido pur provenendo da direzioni opposte arrivano a toccarsi nel centro della forma.
Microstruttura nei getti: III fase di solidificazione.
Nella terza fase lo sviluppo dei cristalli diviene
equidirezionale o equiassiale, dal momento in cui gli assi cristallografici si sviluppano tutti con la stessa velocità. Nei brevi istanti in cui un getto solidifica, anche se costituiscono una piccolissima frazione del ciclo di produzione, si forma la struttura cristallina originaria del getto da cui dipendono le sue proprietà meccaniche. In questa fase, programmando opportunamente la solidificazione, possono essere evitati i maggiori difetti come le cavità da ritiro, le lacerazioni a caldo, le riprese di fusione, ecc.
Microstruttura nei getti: III fase di solidificazione nei metalli puri e nelle leghe metalliche: Nella solidificazione di metalli puri in getti di grandi dimensioni, durante la solidificazione della struttura colonnare, si assiste al raffreddamento contestuale della zona centrale della massa ancora liquida, che si porterà a una temperatura leggermente inferiore al valore di solidificazione. Si verifica così un lieve sottoraffreddamento.
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