Nucleazione omogenea
La nucleazione omogenea descrive la formazione spontanea di nuclei cristallini direttamente in un fuso puro senza alcuna superficie estranea. Per questo il fuso deve essere fortemente sottoraffreddato, spesso di 100 fino a 300 Kelvin sotto il punto di fusione. Nella pratica della saldatura questo caso si verifica raramente, perché il bagno di saldatura fornisce sempre abbastanza nuclei estranei per la solita nucleazione eterogenea (su superfici estranee).
Meccanismo d'azione fisico-chimico
In una fusione omogenea gli atomi si muovono in modo disordinato. Durante il raffreddamento si formano casualmente piccoli gruppi di atomi che prefigurano la struttura cristallina. Questi gruppi di solito si dissolvono subito perché la loro superficie costa energia. Solo se la fusione è fortemente sottoraffreddata, alcuni di questi nuclei crescono. Il sottoraffreddamento necessario è spesso di 100 a 300 Kelvin sotto il punto di fusione. La nucleazione omogenea richiede quindi un'alta barriera energetica e avviene solo in fusioni molto pure e prive di particelle.
Rilevanza metallurgica e rischi nella saldatura
Nel bagno di saldatura ci sono sempre superfici estranee: i bordi del giunto, pellicole di ossido, residui di flusso, elementi di lega. Su queste superfici i nuclei cristallini si formano molto più facilmente perché l'energia interfacciale diminuisce. Per questo la solidificazione avviene quasi sempre in modo eterogeneo. La nucleazione omogenea si verifica solo in fusioni estremamente pulite, ad esempio in saldature speciali sotto vuoto. Rischio: se la nucleazione omogenea avviene, il bagno solidifica improvvisamente dopo un forte sottoraffreddamento. I gas che prima erano disciolti non possono più fuoriuscire e formano porosità. Inoltre si creano elevate tensioni residue a causa del brusco cambiamento di volume.
Pratica in officina e istruzioni operative
Il pratico non può influenzare direttamente la nucleazione omogenea, ma può renderla improbabile. Per fare ciò, assicura la presenza di molti nuclei estranei nel bagno: aggiungere inoculanti come titanio o alluminio, usare materiali d'apporto con ossidi o carburi finemente dispersi. Queste particelle agiscono come nuclei e avviano la cristallizzazione già con un basso sottoraffreddamento. Si ottiene così una struttura a grana fine e tenace senza porosità. Non mantenere il bagno liquido più del necessario ed evita una purezza troppo elevata dei materiali, a meno che non ci sia un'applicazione speciale.