Lega (metallurgia)

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. 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. Il risultato è una sostanza metallica con proprietà differenti da quelle dei relativi componenti.

Le leghe sono ideate solitamente per avere proprietà più desiderabili di quelle dei loro componenti. Per esempio l'acciaio è più forte 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, Cl), 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

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

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.

Le leghe includono:

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