Leghe e soluzioni solide: come funzionano

Quasi nessun metallo si usa puro: si usano leghe, mescolando atomi diversi per ottenere proprietà che il metallo da solo non avrebbe. Ma gli atomi estranei possono sistemarsi in due modi profondamente diversi dentro il reticolo cristallino, e da quale dei due prevale dipendono solubilità, durezza e comportamento meccanico. Capire le soluzioni solide è capire come funziona davvero ogni lega.

Vediamo la differenza fra soluzioni solide sostituzionali e interstiziali, quali sono le regole di Hume-Rothery e come gli elementi di lega modificano le proprietà di un acciaio.

Due modi di entrare nel reticolo

Quando un atomo estraneo si dissolve nel reticolo di un metallo ospite, può farlo in due modi. Nella soluzione solida sostituzionale, l’atomo estraneo prende il posto di un atomo dell’ospite, occupando un nodo del reticolo; è ciò che accade quando i due atomi hanno dimensioni simili (per esempio rame e nichel, o cromo nel ferro). Nella soluzione solida interstiziale, invece, l’atomo estraneo, molto più piccolo, si infila negli spazi vuoti fra gli atomi dell’ospite; è il caso del carbonio o dell’azoto nel ferro.

Le regole di Hume-Rothery

Non tutti gli elementi si sciolgono l’uno nell’altro con la stessa facilità. Le regole di Hume-Rothery riassumono le condizioni che favoriscono un’ampia solubilità reciproca in soluzione solida sostituzionale. In sostanza, due metalli si mescolano bene in tutte le proporzioni quando: i loro atomi hanno dimensioni simili (la differenza di raggio non deve superare circa il 15%); hanno la stessa struttura cristallina; hanno valenza ed elettronegatività vicine. Se queste condizioni vengono meno — per esempio se gli atomi sono troppo diversi per dimensione o se le elettronegatività sono lontane — la solubilità è limitata e tende a formarsi un composto intermetallico anziché una soluzione solida estesa.

solubilità sostituzionale ampia se: Δraggio < ~15%, stessa struttura, valenza ed elettronegatività simili

Queste regole spiegano per esempio perché rame e nichel, simili per dimensione, struttura ed elettronegatività, formano soluzioni solide in tutto l’intervallo di composizione, mentre coppie meno compatibili mostrano solubilità ridotta e fasi intermetalliche. Nel caso interstiziale, invece, vale soprattutto il vincolo dimensionale: il soluto deve essere abbastanza piccolo da entrare negli spazi disponibili, come fa il carbonio (raggio molto piccolo) nelle cavità del reticolo del ferro.

Perché le leghe sono più dure dei metalli puri

In entrambi i casi, l’atomo estraneo distorce localmente il reticolo: occupando un nodo di dimensione diversa o infilandosi in uno spazio troppo stretto, deforma gli strati di atomi circostanti. Questa distorsione ostacola lo scorrimento dei piani atomici, cioè il meccanismo con cui il metallo si deforma plasticamente. Il risultato è il cosiddetto indurimento per soluzione solida: la lega è più dura e resistente del metallo puro. È uno dei motivi fondamentali per cui si fanno le leghe.

Gli elementi di lega negli acciai

Oltre al carbonio, agli acciai si aggiungono molti altri elementi, ciascuno con un ruolo preciso. Alcuni stabilizzano una fase, altri formano carburi duri, altri ancora migliorano la temprabilità o la resistenza alla corrosione.

Conoscere il ruolo di ciascun elemento permette di leggere la designazione di un acciaio legato e di prevederne il comportamento. Il cromo e il nichel, in particolare, sono alla base degli acciai inossidabili, trattati nell’articolo dedicato; lo zolfo e il fosforo, invece, sono in genere impurezze indesiderate che fragilizzano l’acciaio e che la metallurgia cerca di tenere sotto controllo.

Perché conta nella pratica

Capire le soluzioni solide e le regole di Hume-Rothery è la base per comprendere qualsiasi diagramma di stato e qualsiasi specifica di lega. Spiega perché certi metalli si mescolano in tutte le proporzioni e altri no, perché basta poco carbonio per indurire enormemente il ferro, e perché aggiungere cromo, nichel o molibdeno cambia in modo prevedibile le proprietà di un acciaio. Per chi progetta, sceglie o specifica materiali metallici, questa è la chiave per collegare la composizione chimica al comportamento meccanico reale del pezzo finito.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra soluzione solida sostituzionale e interstiziale?

Nella sostituzionale l’atomo estraneo, di dimensioni simili a quelle dell’ospite, prende il posto di un atomo nel reticolo (per esempio cromo nel ferro o rame e nichel fra loro). Nell’interstiziale, l’atomo estraneo è molto più piccolo e si infila negli spazi vuoti fra gli atomi del reticolo, come fanno il carbonio e l’azoto nel ferro. Entrambe distorcono il reticolo e induriscono il metallo.

Che cosa sono le regole di Hume-Rothery?

Sono le condizioni che favoriscono un’ampia solubilità reciproca di due metalli in soluzione solida sostituzionale: dimensioni atomiche simili (differenza di raggio inferiore a circa il 15%), stessa struttura cristallina, valenze ed elettronegatività vicine. Quando queste condizioni non sono soddisfatte, la solubilità è limitata e tendono a formarsi composti intermetallici invece di soluzioni solide estese.

Perché una lega è più dura del metallo puro?

Perché gli atomi estranei disciolti distorcono localmente il reticolo cristallino, ostacolando lo scorrimento dei piani atomici, cioè il meccanismo della deformazione plastica. Questo fenomeno, chiamato indurimento per soluzione solida, rende la lega più dura e resistente del metallo puro ed è uno dei motivi fondamentali per cui si producono leghe anziché usare metalli puri.

Perché il carbonio indurisce tanto l’acciaio?

Perché è un atomo interstiziale molto piccolo che, infilandosi negli spazi del reticolo del ferro, lo distorce in modo marcato e asimmetrico. Bastano frazioni di per cento di carbonio per ostacolare fortemente lo scorrimento dei piani atomici e indurire il ferro. Nella martensite, dove il carbonio è intrappolato di forza in un reticolo che non lo accoglie, questo effetto è portato all’estremo, da cui la durezza elevatissima.

A che cosa servono gli elementi di lega negli acciai?

Servono a modificarne le proprietà in modo mirato. Il cromo stabilizza la ferrite, forma carburi e dà resistenza alla corrosione; il nichel stabilizza l’austenite e aumenta la tenacità; il molibdeno e il manganese migliorano la temprabilità. Conoscere il ruolo di ciascun elemento permette di interpretare la designazione di un acciaio legato e di prevederne il comportamento meccanico e chimico.