25-02-2026-Technologies and Production Systems - Crystalline Structure, Solidification, and Surface Tension [EN]-[IT]

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ENGLISH

25-02-2026-Technologies and Production Systems - Crystalline Structure, Solidification, and Surface Tension [EN]-[IT]

With this post, I would like to provide a brief instruction on the topic mentioned above.
(lesson/article code: QE_04)

Image created with artificial intelligence, the software used is ChatGPT

The structure crystalline

Image created with artificial intelligence, ChatGPT software used

In the field of Technologies and Production Systems, crystalline structure refers to the orderly and repetitive arrangement of atoms within a solid and how this arrangement is repeated in space.
In metallurgy, there are two basic things worth remembering:
1- The importance of the crystal lattice (atomic scale)
2- The importance of the granular structure/microstructure (microscopic scale)

In technologies and production systems, we often talk about the melting and solidification of a material. There is therefore a relationship between the solidification of a casting and its crystalline structure. When a casting solidifies, the crystalline structure (grain microstructure) is formed during solidification. In practice, how it cools and how the heat flows determines where and how the crystals nucleate, and in which direction they grow.

The crystalline structure obtained in the first phase of solidification of a casting is fine-grained and equiaxed.

Solidification of a casting

Solidification of a casting is the process by which the molten metal poured into the mold (which can be sand, a shell, etc.) changes from a liquid to a solid state, because the (colder) mold extracts heat from the molten metal. That is, as soon as the metal is poured, it begins to lose heat through the walls of the mold; when it reaches the solidification temperature, the solid begins to form, and the solidified layer increases over time.

The image below attempts to explain the solidification of metals.

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During the solidification of a casting, 3 zones are created:
1- Zone in contact with the mold: "chill zone"
2- Intermediate zone: directional growth
3- Central zone: equiaxed (often)

Note: In the second phase of solidification of a casting, a material structure with elongated grains forms.

Surface tension
Surface tension represents the work required to create a surface of unit area at constant temperature and volume.
In even simpler (and slightly imprecise) terms, we can say that surface tension is the work required to create a new surface.

Below is an image that attempts to explain surface tension.

Image created with artificial intelligence, ChatGPT software

The concept of surface tension may not be simple, so let me try to explain it in other words.
Surface tension is as if the surface of a liquid were a taut elastic film (like a thin "skin") that does three things:

• It pulls to reduce the surface area
• It causes the liquid to prefer "compact" shapes (an almost spherical drop)
• It opposes when you try to "stretch" the liquid or force it into cracks and edges

Fundamental concept of surface tension
We can therefore state that the higher the surface tension, the more the liquid "holds together" and has difficulty spreading.

Conclusions
In technologies and production systems, three concepts work together: crystalline structure, solidification, and surface tension.
Crystalline structure determines many properties of metals because it depends on how atoms are arranged in the lattice and on defects such as dislocations and grains. During solidification, the metal changes from liquid to solid through the nucleation and growth of crystals. Finally, the surface tension of the melt acts like a "skin" that tends to reduce the surface area: if it is high, the metal fills edges and thin cavities less effectively.

Historical Notes and Questions
It was Auguste Bravais who best defined the periodic lattice in space in 1848. He created a sort of mathematical language for crystalline structure.
Did you know, however, that it wasn't until 1913, with W. L. Bragg and W. H. Bragg, that "modern" X-ray crystallography—that is, the ability to measure crystal structure—was born?

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ITALIAN

25-02-2026-Tecnologie e sistemi produttivi - La struttura cristallina, solidificazione e tensione superficiale [EN]-[IT]

Con questo post vorrei dare una breve istruzione a riguardo dell’argomento citato in oggetto
(codice lezione/articolo: QE_04)

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è ChatGPT

La struttura cristallina

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Nell'ambito delle Tecnologie e dei Sistemi Produttivi, per struttura cristallina si intende come sono disposti in modo ordinato e ripetitivo gli atomi all’interno di un solido e come questa disposizione si ripete nello spazio.
In metallurgia ci sono due cose basilari che sarebbe bene ricordare:
1-L'importanza del reticolo cristallino (scala atomica)
2-L'importanza della struttura granulare / microstruttura (scala microscopica)

In tecnologie e sistemi produttivi si parla spesso di fusione e solidificazione di un materiale. C'è quindi una relazione tra la solidificazione di un getto e la struttura cristallina. Quando solidifica un getto, la struttura cristallina (microstruttura a grani) nasce proprio durante la solidificazione. In pratica: come raffredda e come scorre il calore determina dove e come nucleano i cristalli e in che direzione crescono.

La struttura cristallina che si ottiene nella prima fase di solidificazione di un getto è a grani fini ed equiassici.

La solidificazione di un getto
La solidificazione di un getto è il processo con cui il metallo fuso colato nella forma (che può essere terra, conchiglia, ecc.) passa dallo stato liquido a quello solido, perché la forma (più fredda) estrae calore dal fuso. Cioè avvine che, appena si versa il metallo, questo inizia a perdere calore attraverso le pareti della forma; quando raggiunge la temperatura di solidificazione, comincia a formarsi il solido e lo strato solidificato aumenta nel tempo

l'immagine qui sotto prova a spiegare la solidificazione dei metalli.

immagine creata con l’intelligenza artificiale, il software usato è ChatGPT

Durante la solidificazione di un getto si creano 3 zone:
1-Zona a contatto con la forma: “chill zone”
2-Zona intermedia: crescita direzionale
3-Zona centrale: equiassica (spesso)

Nota: Nella seconda fase di solidificazione di un getto, si ha la formazione di una struttura del materiale a grani allungati.

La tensione superficiale
La tensione superficiale rappresenta il lavoro necessario per creare una superficie di area unitaria a temperatura e volume costanti.
In parole ancora più semplici (e un poco imprecise) possiamo dire che la tensione superficiale è il lavoro necessario per creare una nuova superficie.

Qui di seguito un'immagine che prova a spiegare la tensione superficiale.

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Il concetto di tensione superficiale potrebbe non essere semplice, provo a spiegarlo con altre parole.
La tensione superficiale è come se la superficie di un liquido fosse una pellicola elastica tesa (tipo una “pelle” sottile) che fa tre cose:
-tira per ridurre la superficie
-fa sì che il liquido preferisca forme “compatte” (goccia quasi sferica)
-si oppone a quando tu vuoi “stirare” il liquido o farlo entrare in fessure e spigoli

concetto fondamentale della tensione superficiale
Possiamo quindi affermare che più la tensione superficiale è alta, più il liquido “si tiene insieme” e fa fatica a spandersi.

Conclusioni
In tecnologie e sistemi produttivi ci sono tre concetti che viaggiano insieme, la struttura cristallina, la solidificazione e la tensione superficiale.
La struttura cristallina determina molte proprietà dei metalli perché dipende da come gli atomi sono ordinati nel reticolo e da difetti come dislocazioni e grani. Durante la solidificazione, il metallo passa da liquido a solido tramite nucleazione e crescita dei cristalli. La tensione superficiale del fuso, infine, agisce come una “pelle” che tende a ridurre la superficie: se è elevata il metallo riempie peggio spigoli e cavità sottili.

Cenni storici e domande
Fu Auguste Bravais nel 1848 a definire meglio il reticolo periodico nello spazio. Egli creò una sorta di linguaggio matematico della struttura cristallina.
Sapevate che però fu solo nel 1913, con W. L. Bragg e W. H. Bragg, che nacque la cristallografia a raggi X “moderna”, cioè la possibilità di misurare la struttura cristallina?

THE END