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Una lega è una combinazione, sia in soluzione o in composto, di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo e dove il materiale risultante ha proprietà metalliche differenti da quelle dei relativi componenti.
Una lega con due componenti è denominata una lega binaria; una con tre è una lega ternaria ed una con quattro è una lega quaternaria.
Le leghe sono ideate solitamente per avere proprietà più desiderabili di quelle dei loro componenti. Per esempio l'acciaio ha una resistenza meccanica maggiore del ferro, il suo componente principale, e l'ottone è più duro del rame e più attraente dello zinco.
Diversamente dai metalli puri, molte leghe non hanno un singolo punto di fusione ma attraversano un intervallo di fusione in cui il materiale è una miscela di fase solida e liquida. La temperatura in cui comincia la fusione è denominata solidus e quella in cui la fusione è completa è denominata liquidus. Leghe speciali possono tuttavia essere progettate con un singolo punto di fusione: queste sono definite eutettiche.
A volte una lega è designata con il nome del metallo più importante: l'oro a 14 carati è una lega di oro con altri elementi; lo stesso accade per l'argento usato in gioielleria e per l'alluminio usato nelle strutture.
In una lega si possono avere casi diversi in base alle azioni mutue fra gli atomi:
- soluzione solida disordinata se atomi diversi si attraggono con forze simili a quelle tra atomi uguali, con conseguente distribuzione atomica omogenea e casuale;
- soluzione solida ordinata se atomi, tutti metallici, diversi si attraggono con forze diverse;
- composto intermetallico se atomi diversi hanno elettronegatività marcatamente differente e la struttura acquista quindi alcune caratteristiche proprie di un composto chimico; nel caso limite in cui un componente sià così elettronegativo da realizzare un composto ionico (per esempio non metalli come S, O2, Cl2), si ha un composto chimico e non una lega;
- lega eutettica se atomi diversi si attraggono molto meno che atomi uguali e quindi nascono alternanze di cristalli dell'una e dell'altra composizione, in quanto non esiste solubilità allo stato solido.
Soluzione solida [modifica]
In analogia con le soluzioni liquide si hanno le soluzioni solide metalliche, dove atomi differenti occupano posizioni nodali o interstiziali in uno stesso reticolo. A differenza delle leghe eutettiche esse sono omogenee e, a differenza dei composti, possono avere ampie variazioni di composizione.
Tenendo presente il suo diagramma di stato, si può studiare con quale struttura solidifichi una soluzione. La divergenza tra curva del liquidus e del solidus porta ad avere un locale arricchimento nel componente bassofondente presso l'interfaccia solido - liquido; la temperatura del liquidus dell'interfaccia, che dipende dalla sua composizione, può quindi assumere valori minori o maggiori di quelli effettivi del fluido metallico, dipendenti invece dal gradiente termico: sono queste le condizioni per le quali nasce un sottoraffreddamento costituzionale o di composizione.
Le strutture che si possono osservare sono:
- struttura a terrazze in mancanza di sottoraffreddamento costituzionale;
- struttura a celle esagonali con sottoraffreddamento limitato;
- struttura dendritica con marcato sottoraffreddamento.
Lega eutettica [modifica]
Quando i componenti non sono solubili fra loro, oppure superano la massima solubilità, si forma un aggregato di fasi solide, ciascuna costituita da un elemento chimico, un composto o una soluzione solida: questa è la lega eutettica.
La maggior parte degli acciai e delle ghise sono leghe eutettiche.
Di solito la matrice è costituita da una soluzione solida, costituente il primo elemento della lega, con all'interno il secondo elemento, spesso un composto intermetallico, presente in minore quantità ma la cui forma e distribuzione influenza notevolmente le proprietà della lega.
Le distribuzioni più comuni sono quelle lamellari, globulari, aciculari e fibrose, la cui formazione dipende dalla composizione, dalla velocità di nucleazione e dall'accrescimento.
Particolarmente importante è la cristallizzazione ritmica: se una delle due fasi solidifica prima, il liquido si arricchisce del secondo componente ed è così favorita la solidificazione dell'altra fase, spesso secondo definite orientazioni cristallografiche che riducano l'energia di accomodamento; si raggiunge così la disposizione lamellare. Condizione necessaria è che le percentuali volumetriche delle due fasi non siano troppo diverse.
Variando il gradiente termico, la velocità di solidificazione e le composizioni, si possono creare le altre distribuzioni. La trasformazione eutettica è chiamata trasformazione invariante perché avviene in condizioni di equilibrio ad una specifica temperatura e composizione di lega, che non possono essere variate.
Solidificazione delle leghe metalliche [modifica]
Relativamente alla solidificazione delle leghe si distinguono tre casi fondamentali:
- Metalli completamente solubili allo stato solido
- Solubilità parziale allo stato solido
- Completa insolubilità allo stato solido
Metalli completamente solubili allo stato solido [modifica]
Aggiungendo ad un metallo A quantità crescenti di un metallo B i punti di inizio e di fine solidificazione si abbassano gradualmente se i due metalli sono colìmpletamente miscibili l'uno nell'altro. Ovviamente avviene il contrario aumentando la quantità di A in B. Dal diagramma di stato, costruito a partire dalle curve di raffreddamento, si vede che quando si raffredda una miscela liquida contenente ad esempio il 34% di A e 66% di B, giunti al punto in cui inizia la solidificazione, se si separano le prime frazioni di solido che si forma, la sua composizione (del solido) è assai diversa da quella del liquido: tale solido contiene infatti il 60% di A e il 40% di B. Il liquido rimanente si arricchisce pertanto di B e la sua composizione si sposta lungo la curva liquidus verso destra; di conseguenza anche la composizione del solido che via via si forma da un liquido di composizione variabile si sposta verso destra seguendo la curva solidus. La solidificazione termina quando il solido raggiunge la concentrazione del liquido di partenza.
Solubilità parziale allo stato solido [modifica]
In alcuni casi le curve di liquidus e solidus si toccano in un punto di minimo e, a più bassa temperatura vi è una curva di miscibilità dovuta al fatto che non sono verificate le condizioni già indicate: le miscele liquide solidificando formano dei cristalli misti alfa, ma a temperature inferiori ad una data temperatura (funzione della lega considerata) tali cristalli contengono una quantità eccessiva di uno dei due metalli, il quale uscirà dal reticolo assieme ad una certa quantità dell'altro metallo, per formare dei nuovi cristalli beta.
Completa insolubilità allo stato solido [modifica]
Se la lacuna di miscibilità si espande fino a toccare gli assi delle coordinate si ha completa insolubilità allo stato solido. Dalle miscele liquide, al punto di solidificazione, si formano pertanto germi cristallini dei metalli puri e le leghe solide saranno costituite dai grani dei due metalli separati. Se le leghe sono di composizione eutettica i grani saranno costituiti da un fitto intreccio dei due metalli; per le altre miscele vi sarà una certa percentuale di eutettico e il resto del solido è costituito da grani dei due metalli separati.
Voci correlate [modifica]
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