Leghe metalliche e diagrammi di fase: la guida

Quasi nessun metallo si usa puro: si usano leghe, miscele di due o più elementi che combinano proprietà impossibili da ottenere con un metallo solo. Per capire come si comporta una lega quando si scalda o si raffredda serve il suo diagramma di fase: una mappa che dice, per ogni composizione e temperatura, quali fasi sono presenti. È lo strumento centrale della metallurgia.

Vediamo che cos’è una lega, le soluzioni solide e le regole di Hume-Rothery, come si legge un diagramma di fase, l’eutettico e la regola della leva.

Che cos’è una lega

Una lega è un materiale metallico ottenuto combinando un metallo base con uno o più altri elementi. L’aggiunta serve a migliorare proprietà come resistenza, durezza, resistenza alla corrosione o lavorabilità. L’acciaio (ferro e carbonio), il bronzo (rame e stagno), l’ottone (rame e zinco) sono leghe. Spesso l’elemento aggiunto si scioglie nel reticolo del metallo base formando una soluzione solida: una fase unica e omogenea allo stato solido.

Soluzioni solide e regole di Hume-Rothery

Una soluzione solida può essere di due tipi. Nella sostituzionale gli atomi del soluto prendono il posto di quelli del solvente nel reticolo (l’argento e l’oro, per esempio, si sostituiscono liberamente). Nell’interstiziale gli atomi del soluto, molto più piccoli, si infilano negli spazi vuoti tra gli atomi del solvente: è il caso del carbonio nel ferro, alla base degli acciai.

Quanto un elemento si possa sciogliere in un altro per via sostituzionale è regolato dalle regole di Hume-Rothery. In sintesi: i due elementi devono avere lo stesso tipo di reticolo cristallino; i raggi atomici devono differire di meno di circa il 15%; dovrebbero avere valenza simile; e una differenza di elettronegatività piccola favorisce la soluzione solida, mentre una grande spinge piuttosto verso la formazione di un composto intermetallico.

Come si legge un diagramma di fase

Un diagramma di fase binario riporta la temperatura sull’asse verticale e la composizione (la percentuale dei due componenti) su quello orizzontale. Le linee che lo attraversano separano regioni in cui esistono fasi diverse: solo liquido in alto, solo solido in basso, e zone intermedie dove liquido e solido coesistono. Conoscere il punto (composizione, temperatura) in cui si trova la lega significa sapere quali fasi sono presenti e a che temperatura inizia e finisce la solidificazione.

L’eutettico: fondere a temperatura più bassa

In molti sistemi esiste una composizione speciale, detta eutettica, che fonde (e solidifica) a un’unica temperatura, più bassa del punto di fusione di entrambi i componenti puri. È un punto invariante: a quella composizione e temperatura coesistono in equilibrio il liquido e due fasi solide. Il caso più noto è la lega piombo-stagno usata per le saldature a stagno:

eutettico Pb–Sn: fonde a 183 °C < Pb (327 °C) e Sn (232 °C)

La lega eutettica piombo-stagno fonde intorno ai 183 °C, ben al di sotto dei 327 °C del piombo puro e dei 232 °C dello stagno puro. Questo è esattamente ciò che serve per saldare: la temperatura più bassa possibile per unire due pezzi metallici senza danneggiarli. Lo stesso principio — la miscela che fonde più in basso dei componenti puri — spiega molte scelte di leghe a bassa fusibilità.

La regola della leva

Nelle regioni a due fasi del diagramma, la regola della leva permette di calcolare quanto c’è di ciascuna fase. Si traccia, alla temperatura di interesse, una linea orizzontale che tocca le due curve di confine: il punto che rappresenta la composizione complessiva della lega divide quella linea in due bracci, e la frazione di ciascuna fase è proporzionale al braccio opposto. In formula, la frazione di una fase si ottiene dal rapporto:

frazione solida = C₀ − C_LC_S − C_L  (regola della leva)

dove C₀ è la composizione complessiva della lega e C_S, C_L sono le composizioni delle due fasi (solida e liquida) agli estremi della linea. È un semplice bilancio di massa: più il punto della lega si avvicina a una fase, più quella fase è abbondante. La regola della leva trasforma il diagramma da mappa qualitativa a strumento quantitativo.

Riepilogo dei concetti chiave

La tabella raccoglie gli strumenti visti per leggere e usare un diagramma di fase:

Insieme, questi strumenti permettono di prevedere il comportamento di una lega durante il raffreddamento e di progettarne la composizione per le proprietà desiderate.

Domande frequenti

Che cos’è una lega metallica?

È un materiale metallico ottenuto combinando un metallo base con uno o più altri elementi, allo scopo di migliorarne proprietà come resistenza, durezza o resistenza alla corrosione. Acciaio, bronzo e ottone sono leghe. Gli elementi aggiunti possono sciogliersi nel reticolo del metallo base formando una soluzione solida.

Che cosa sono le regole di Hume-Rothery?

Sono le condizioni che favoriscono la solubilità di un metallo in un altro per sostituzione: stesso tipo di reticolo cristallino, raggi atomici che differiscono di meno di circa il 15%, valenza simile e differenza di elettronegatività piccola. Quando non sono rispettate, gli elementi tendono a formare un composto intermetallico invece di una soluzione solida.

Perché una lega eutettica fonde a temperatura più bassa dei componenti puri?

Perché alla composizione eutettica il liquido è più stabile, e la miscela solidifica (o fonde) tutta a un’unica temperatura, più bassa dei punti di fusione dei due componenti puri. La lega piombo-stagno, per esempio, fonde intorno a 183 °C contro i 327 °C del piombo e i 232 °C dello stagno: per questo si usa per le saldature.

A cosa serve la regola della leva?

Serve a calcolare quanto c’è di ciascuna fase in una regione a due fasi del diagramma. Tracciata una linea orizzontale alla temperatura di interesse, la frazione di ogni fase è proporzionale alla lunghezza del braccio opposto rispetto al punto che rappresenta la composizione della lega. È un bilancio di massa che rende quantitativo il diagramma di fase.

Qual è la differenza tra soluzione solida sostituzionale e interstiziale?

Nella sostituzionale gli atomi del soluto, di dimensione simile, prendono il posto degli atomi del solvente nel reticolo (come oro e argento). Nell’interstiziale gli atomi del soluto sono molto più piccoli e si infilano negli spazi vuoti tra gli atomi del solvente, come il carbonio nel ferro degli acciai.