Come leggere un diagramma di fase binario

Un diagramma di fase binario e’ la mappa che dice, per ogni composizione e temperatura, quali fasi sono presenti in una lega all’equilibrio. Saperlo leggere significa prevedere se a 600°C una certa lega sara’ tutta liquida, tutta solida o un impasto delle due, e quale composizione avranno quelle fasi. E’ la prima competenza pratica della metallurgia.

Vediamo che cosa rappresentano gli assi, che cosa sono le linee di liquidus e solidus, come si distinguono i campi monofase da quelli bifase e come la regola delle fasi vincola tutto.

Gli assi del diagramma

Un diagramma binario riguarda due componenti, per esempio rame e nichel. In ascissa si riporta la composizione, di solito in percentuale in peso di uno dei due elementi: l’estremo sinistro e’ il metallo A puro, l’estremo destro il metallo B puro, e i punti intermedi sono le leghe. In ordinata sta la temperatura. Ogni punto del piano corrisponde quindi a una lega di composizione nota portata a una certa temperatura, e il diagramma dice che cosa troviamo in quel punto all’equilibrio.

La pressione, di norma, non compare: i diagrammi binari si tracciano quasi sempre a pressione atmosferica costante, perche’ nei metalli l’effetto della pressione e’ trascurabile. Questo lascia due sole variabili libere, temperatura e composizione, ed e’ il motivo per cui il diagramma e’ un disegno piano.

Liquidus e solidus

Le due linee piu’ importanti delimitano la zona di fusione. Il liquidus e’ il luogo dei punti sopra i quali la lega e’ completamente liquida: raffreddando, e’ la temperatura a cui comincia a comparire il primo cristallo solido. Il solidus e’ il luogo dei punti sotto i quali la lega e’ completamente solida: e’ la temperatura a cui scompare l’ultima goccia di liquido. Tra liquidus e solidus si apre un intervallo di temperature in cui liquido e solido coesistono.

Una conseguenza pratica subito utile: a differenza di un metallo puro, che fonde a una temperatura netta, una lega solidifica entro un intervallo di temperatura. Questo intervallo di congelamento governa la colabilita’ e la tendenza alla segregazione, ed e’ una delle prime informazioni che il diagramma fornisce al fonditore.

Campi monofase e bifase

Il diagramma e’ suddiviso in campi. Nei campi monofase esiste una sola fase: il liquido sopra il liquidus, oppure una soluzione solida (indicata con lettere greche, per esempio α) sotto il solidus. Nei campi bifase coesistono due fasi, per esempio liquido + α, oppure α + β. Una regola generale aiuta a orientarsi: muovendosi orizzontalmente, tra due campi monofase adiacenti si trova sempre un campo bifase che li separa.

La regola delle fasi

Quante variabili posso cambiare liberamente restando nello stesso campo? Lo dice la regola delle fasi di Gibbs. Per un sistema binario a pressione fissa assume una forma semplice.

F = C − P + 1  (a pressione costante, sistema binario)

Dove F sono i gradi di liberta’, C il numero di componenti (qui 2) e P il numero di fasi. In un campo monofase (P=1) risulta F=2: posso variare sia temperatura sia composizione restando in quel campo. In un campo bifase (P=2) risulta F=1: fissata la temperatura, le composizioni delle due fasi sono determinate. Quando tre fasi coesistono (P=3) si ha F=0: e’ un punto fisso, invariante, come vedremo per l’eutettico.

Un metodo di lettura in tre passi

Per analizzare un punto qualunque conviene procedere con ordine. Primo: individuare in quale campo cade il punto, e quindi quante e quali fasi sono presenti. Secondo, se il campo e’ bifase: tracciare la linea orizzontale alla temperatura di interesse e leggere agli estremi le composizioni delle due fasi. Terzo: applicare la regola della leva per ricavare quanto c’e’ di ciascuna fase, argomento dell’articolo dedicato. Con questi tre passi qualunque diagramma diventa leggibile.

Perche’ conta nella pratica

Leggere un diagramma di fase e’ il punto di partenza per scegliere una lega, impostare un trattamento termico o capire un difetto di fusione. Sapere a colpo d’occhio se a una data temperatura una lega e’ liquida, solida o bifase, e quali composizioni avranno le fasi, permette di prevedere il comportamento del materiale prima ancora di toccarlo. E’ una competenza trasversale che torna utile nel controllo qualita’ dei materiali, nella selezione dei semilavorati e nella diagnosi delle non conformita’.

Domande frequenti

Che cosa rappresentano gli assi di un diagramma binario?

L’ascissa riporta la composizione, in genere come percentuale in peso di uno dei due componenti, dal metallo A puro a sinistra al metallo B puro a destra. L’ordinata riporta la temperatura. Ogni punto del piano corrisponde a una lega di composizione definita portata a una certa temperatura, e il diagramma indica quali fasi sono presenti in quel punto all’equilibrio.

Qual e’ la differenza tra liquidus e solidus?

Il liquidus e’ la linea sopra la quale la lega e’ tutta liquida ed e’ la temperatura a cui, raffreddando, compare il primo solido. Il solidus e’ la linea sotto la quale la lega e’ tutta solida ed e’ la temperatura a cui sparisce l’ultimo liquido. Tra le due, liquido e solido coesistono: una lega, a differenza di un metallo puro, solidifica entro un intervallo di temperatura.

Come riconosco un campo bifase?

Un campo bifase e’ una regione in cui coesistono due fasi, per esempio liquido + solido oppure due soluzioni solide α + β. Una regola utile: muovendosi orizzontalmente, tra due campi monofase adiacenti c’e’ sempre un campo bifase che li separa. Nel campo bifase le due fasi hanno composizioni diverse, lette agli estremi della linea orizzontale alla temperatura di interesse.

A che cosa serve la regola delle fasi?

Serve a sapere quanti gradi di liberta’ ha il sistema in un dato campo. Per un sistema binario a pressione costante vale F = C − P + 1. In un campo monofase F = 2 (libere temperatura e composizione); in un campo bifase F = 1 (fissata la temperatura, le composizioni delle fasi sono determinate); con tre fasi F = 0, un punto invariante.

Perche’ la pressione non compare nei diagrammi binari dei metalli?

Perche’ nei sistemi metallici l’effetto della pressione sulle fasi condensate e’ trascurabile, e i diagrammi si tracciano a pressione atmosferica costante. Eliminata la pressione come variabile, restano solo temperatura e composizione: per questo il diagramma e’ una figura piana e la regola delle fasi assume la forma a pressione fissa F = C − P + 1.