La trasformazione eutettica: punto eutettico e microstruttura lamellare

In molte leghe esiste una composizione speciale che fonde a una temperatura piu’ bassa di entrambi i metalli puri e che, raffreddando, solidifica tutta in un colpo dando una microstruttura caratteristica a lamelle alternate. E’ la trasformazione eutettica, e capirla spiega come funzionano leghe da fonderia, saldature e tante leghe industriali.

Vediamo che cos’e’ il punto eutettico, perche’ e’ un punto invariante, com’e’ fatta la microstruttura lamellare e quali sono gli esempi tipici come Pb-Sn e Al-Si.

Il punto eutettico

In un sistema con miscibilita’ completa allo stato liquido ma limitata allo stato solido, il liquidus scende da entrambi i lati fino a incontrarsi in un minimo: quel minimo e’ il punto eutettico. La lega di composizione eutettica fonde (e solidifica) a una temperatura unica, piu’ bassa di quella di fusione di entrambi i componenti. Il termine stesso significa, in greco, «che fonde facilmente»: l’eutettico e’ la lega bassofondente del sistema.

La reazione che avviene al punto eutettico, raffreddando, si scrive come la trasformazione di un liquido in due fasi solide contemporaneamente.

L  →  α + β  (alla temperatura eutettica)

Un punto invariante

Al punto eutettico coesistono tre fasi: il liquido L e le due fasi solide α e β. La regola delle fasi per un binario a pressione costante (F = C − P + 1) da’ allora F = 2 − 3 + 1 = 0: zero gradi di liberta’. Il punto eutettico e’ quindi invariante: avviene a una temperatura e a una composizione perfettamente determinate, e finche’ le tre fasi coesistono la temperatura non cambia. Per questo durante la solidificazione eutettica la curva di raffreddamento mostra un arresto netto, simile a quello di un metallo puro.

La microstruttura lamellare

Poiche’ le due fasi solide nascono insieme dallo stesso liquido, si dispongono in una microstruttura intima e regolare, tipicamente a lamelle alternate di α e β. La ragione e’ la diffusione: mentre cresce una lamella ricca dell’elemento A, davanti ad essa il liquido si arricchisce di B, favorendo la crescita affiancata di una lamella ricca di B, e cosi’ via. Il risultato e’ una struttura fine e regolare che conferisce all’eutettico proprieta’ meccaniche peculiari.

Leghe ipo- e iper-eutettiche

Le leghe a composizione diversa da quella eutettica si dividono in due famiglie. Le leghe ipo-eutettiche (meno dell’elemento B della composizione eutettica) formano per prime cristalli primari di α mentre raffreddano, e solo il liquido rimanente, una volta raggiunta la composizione eutettica, solidifica come eutettico. Le leghe iper-eutettiche formano per prime cristalli primari di β. In entrambi i casi la microstruttura finale e’ fatta di grandi cristalli primari immersi in una matrice eutettica lamellare.

Esempi tipici

Il sistema piombo-stagno (Pb-Sn) e’ l’esempio classico: la lega eutettica fonde a 183°C, ben al di sotto dei punti di fusione di piombo e stagno presi singolarmente. Questa bassa temperatura di fusione e’ esattamente cio’ che la rendeva preziosa nelle storiche leghe da saldatura. Un altro esempio industriale di primo piano e’ l’alluminio-silicio (Al-Si): le leghe da fonderia di alluminio sfruttano l’eutettico Al-Si per ottenere ottima colabilita’ e buona resistenza, ed e’ la famiglia di leghe leggere piu’ usata nei getti.

Perche’ conta nella pratica

L’eutettico spiega perche’ certe leghe fondono a bassa temperatura e perche’ le leghe da fonderia hanno buona colabilita’: la composizione vicina all’eutettico ha un intervallo di solidificazione ristretto e riempie bene gli stampi. Riconoscere una microstruttura ipo- o iper-eutettica al microscopio dice molto sulla composizione e sul processo di un componente. Nel controllo qualita’ dei getti e dei giunti saldati, leggere la microstruttura eutettica e’ un’abilita’ diagnostica diretta.

Domande frequenti

Che cos’e’ il punto eutettico?

E’ la composizione di una lega che fonde e solidifica a una temperatura unica, la piu’ bassa del sistema, inferiore ai punti di fusione di entrambi i componenti puri. Nel diagramma e’ il punto in cui i due rami del liquidus si incontrano in un minimo. La lega eutettica solidifica tutta insieme trasformando il liquido in due fasi solide, L → α + β.

Perche’ il punto eutettico e’ invariante?

Perche’ al punto eutettico coesistono tre fasi (liquido piu’ due solidi) e la regola delle fasi per un binario a pressione costante (F = C − P + 1) da’ F = 0. Con zero gradi di liberta’, temperatura e composizioni sono fisse e, finche’ le tre fasi coesistono, la temperatura resta costante: la curva di raffreddamento mostra un arresto, come per un metallo puro.

Perche’ la microstruttura eutettica e’ lamellare?

Perche’ le due fasi solide nascono contemporaneamente dallo stesso liquido. Mentre cresce una lamella ricca di un elemento, il liquido davanti ad essa si arricchisce dell’altro, favorendo la crescita affiancata di una lamella della seconda fase. Questo accoppiamento, guidato dalla diffusione, produce le tipiche lamelle alternate fini e regolari delle due fasi.

Qual e’ la differenza tra leghe ipo- e iper-eutettiche?

Dipende da quale fase solidifica per prima. Le leghe ipo-eutettiche formano cristalli primari di una fase (α) prima di raggiungere l’eutettico; le iper-eutettiche formano cristalli primari dell’altra fase (β). In entrambi i casi la microstruttura finale e’ fatta di grandi cristalli primari immersi in una matrice eutettica lamellare, e la proporzione tra i due si ricava con la regola della leva.

Quali sono esempi industriali di eutettico?

Il piombo-stagno, la cui lega eutettica fonde a 183°C, base delle storiche leghe da saldatura, e l’alluminio-silicio, che e’ la famiglia di leghe da fonderia di alluminio piu’ diffusa proprio perche’ sfrutta l’eutettico per ottenere ottima colabilita’. In entrambi la bassa temperatura di fusione e il ridotto intervallo di solidificazione sono il vantaggio tecnologico decisivo.