As primeiras partes do lingote de um metal puro a se solidificarem estão próximas das paredes do molde, que prontamente conduzem para fora o calor. Em seguida, é o topo do lingote que se solidifica. Conseqüentemente, o líquido restante ficará envolvido pelo sólido. Como a maioria dos líquidos puros (monocomponentes) se contrai (1) na solidificação, a contração do líquido no centro do lingote leva à formação de vazios (veja Figura 16.c). Para que isso seja evitado, a prática comum é manter quente o topo do lingote, usualmente pela adição de compostos que se decompõem exotermicamente.
À medida que o líquido se solidifica, o calor é liberado, pois a entalpia (2) do sólido é muito menor que a do líquido. Este calor deve ser conduzido para fora, através das paredes do molde, sendo o fluxo de calor sempre perpendicular à superfície das paredes. O primeiro material a solidificar-se, junto à parede do molde, tem granulação fina e os grãos têm orientações cristalográficas aleatórias (ao acaso). Esta região é denominada zona coquilhada (3).
O material do interior do lingote resfria-se mais lentamente e a solidificação ocorre em temperatura mais alta. Os grãos próximos à superfície crescem para dentro na direção contrária do fluxo de calor, que flui para fora. Os cristais se tornam maiores que os da zona coquilhada, e alongados, com os comprimentos maiores paralelos à direção do fluxo de calor (normais às paredes do molde). Esta região é denominada zona colunar. Os grãos colunares não são orientados aleatoriamente. Em geral, os cristais crescem mais rapidamente em certas direções. As estruturas básicas resultantes de solidificação de um metal puro estão ilustradas na Figura 16.c.
Quando um metal líquido é vazado num molde, a temperatura do líquido, a uma pequena distância das paredes, cai abaixo da temperatura de solidificação, conforme mostra a Figura 16.c. É produzido um considerável super-resfriamento nessa região mais externa e a velocidade de nucleação heterogênea é relativamente grande. Desse modo, a taxa de nucleação de grãos é alta na zona coquilhada e os grãos crescem pouco com orientação qualquer. Já na zona colunar, a taxa de nucleação é pequena e predomina o crescimento dos cristais. Logo que a nucleação se inicia na zona coquilhada, a temperatura dessa região começa a subir novamente como resultado da liberação de calor latente de fusão, como mostra o gráfico da Figura 16.c. Quando isso ocorre, há a diminuição da temperatura à frente da interface entre zona coquilhada e líquido. Então, os cristais da zona coquilhada presentes na interface lançam ramos cristalinos para dentro do líquido super-resfriado, iniciando a formação da zona colunar.
Figura 16.c – Seção transversal de um grande lingote, apresentando a solidificação de um metal puro.