Lega.

Prodotto che si ottiene dall'unione di due o più metalli, o più genericamente elementi chimici, di diversa natura fusi insieme: l. di rame e zinco. ║ Quantità di metallo vile che viene aggiunta al metallo nobile. Nel caso delle monete d'oro o d'argento: il metallo di minor valore fuso insieme con il metallo prezioso per formare l'impasto con cui si coniano le monete. ║ Di buona l., di cattiva o bassa l.: di moneta in cui la quantita di metallo nobile è più o meno elevata. • Metall. - Materiale che ha le caratteristiche principali di un metallo, ma non è composto da un metallo puro bensì dalla miscela di un metallo con uno o più altri elementi (metallici o no). La presenza degli altri elementi fa sì che le proprietà della l. siano diverse da quelle del metallo che ne costituisce la maggior parte, e in generale anche da quelle di tutti gli altri elementi che essa contiene. Sovente le proprietà della l. sono assai particolari, e la si produce appositamente unendo e fondendo diversi metalli o sostanze. Parlando di proprietà dobbiamo intendere sia quelle puramente meccaniche (resistenza a trazione e a fatica, allungamento, durezza, resilienza, ecc.) sia quelle di altro tipo (conducibilità elettrica termica, resistenza alle alte temperature, alla corrosione, aspetto, malleabilità, fusibilità, ecc.). Si deve aggiungere che le l. sono di impiego comune, molto più dei metalli puri. D'altro canto la loro scoperta è antichissima. Fin dall'età del bronzo era noto che fondendo insieme, in particolari rapporti, il rame e lo stagno (entrambi metalli poco duri) si otteneva un "metallo" (la l. ora detta bronzo) molto più duro, più idoneo alla fabbricazione di armi e utensili anche per colata. Nello stesso modo si passò dal ferro all'acciaio, molto più resistente, aggiungendo a questo una piccola percentuale di carbonio. Fra le l. più diffuse di recente introduzione merita di essere ricordata la vasta classe degli acciai inossidabili, che sono l. a base di ferro, contenenti piccole percentuali di carbonio (oltre al silicio, manganese, ecc.) e percentuali più elevate di cromo e di nichel, con eventuali aggiunte di altri elementi (molibdeno, titanio, niobio, alluminio, ecc.). Va ricordato che ogni elemento aggiunto in l. (o, come si suol dire, alligato) ad un altro elemento gli conferisce certe proprietà, e che lo stesso elemento non agisce nello stesso modo quando è alligato con diversi elementi o in diverse percentuali o ancora in presenza di altri diversi alliganti. Così, ad es., per restare in termini di acciai inossidabili, il nichel ed il cromo migliorano le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione, il molibdeno migliora più o meno le stesse caratteristiche, e anche il comportamento alle basse temperature, il titanio ed il niobio impediscono la corrosione intercristallina, l'alluminio ha la funzione di affinare il grano cristallino, e così via. Ogni l. ha le sue caratteristiche e quindi il suo campo specifico di applicazione; sta all'abilità del metallurgista scegliere caso per caso il materiale più adatto per realizzare un certo pezzo. La conoscenza delle l. è ancora molto superficiale. Non si sa a priori quale tipo di l. si può avere unendo due o più elementi, e quale sia il suo comportamento chimico-fisico e meccanico; lo studio è quindi essenzialmente sperimentale. Lo studio iniziale di una l. deve anzitutto fornirne il diagramma di stato. Da questo si può già sapere se una certa l. sarà omogenea (cioè con cristalli fra loro tutti chimicamente uguali) oppure una miscela di varie fasi. Si deve quindi studiare sul diagramma di stato la solubilità dei diversi elementi che formano la l. sia allo stato liquido sia allo stato solido, come per il sistema rame-nichel. In un siffatto sistema la l. solida può avere una composizione qualsiasi compresa fra il 100% di Ni ed il 100% di Cu; gli atomi dei due elementi si sostituiscono a vicenda nel reticolo cristallino del solido. Per i diagrammi di stato di miscele binarie si usa il diagramma T-x o temperatura-composizione, trascurando la pressione che ha poca influenza. Per i sistemi ternari (cioè le l. formate da tre elementi) si dovrebbe ricorrere a diagrammi spaziali, ma se ne usano di solito rappresentazioni piane ottenute per sezioni isoterme di questi. La rappresentazione dei sistemi con più di tre elementi non è possibile in modo semplice. Per tornare ai sistemi binari, che sono i più semplici da trattare, oltre al caso di miscibilità completa allo stato solido e liquido già citato si possono avere moltissimi casi. Ad esempio lo zinco ed il cadmio sono miscibili in tutti i rapporti allo stato liquido, e del tutto immiscibili allo stato solido. Il sistema rame-argento presenta invece miscibilità completa allo stato liquido, e miscibilità parziale allo stato solido. Il sistema stagno-piombo presenta invece anche una miscibilità parziale allo stato liquido, oltre che solido. Il sistema zinco-magnesio presenta la formazione del composto intermetallico MgZn₂, che non è miscibile né con lo zinco né col magnesio. Altri sistemi presentano la formazione di un composto intermetallico che è parzialmente o totalmente solubile con i due elementi. Inoltre vi è sempre la possibilità di formazione di eutettici e di eutettoidi e ciò complica ancora le cose. Un eutettico è un punto di invarianza del diagramma, nel quale la miscela avente la corrispondente composizione solidifica e liquefa invariata; si distingue da un composto in quanto la composizione della miscela che gli corrisponde varia con la pressione, seppure di poco. Un eutettoide è analogo ad un eutettico, ma è relativo ad una trasformazione solido-solido (cioè ad un cambiamento di struttura cristallina) anziché ad un passaggio liquido-solido. Un liquido di composizione eutettica se raffreddato solidifica invariato, dando origine ad una miscela meccanica di cristalli di due fasi diverse. Un solido di composizione eutettoidica, se raffreddato come nel caso precedente, subisce una trasformazione cristallina, dando origine ad una miscela meccanica di due nuove fasi. In base a quanto detto è facile intuire che si possono avere moltissimi casi di diagrammi diversi; relativamente semplice è quello ferro-carbonio, mentre complessi sono quelli del bronzo e dell'ottone. Quando fra i due (o più) componenti di una l. esiste allo stato solido una solubilità non nulla si parla di soluzioni solide. Queste possono essere di diverso tipo. Una soluzione solida si dice di sostituzione se il reticolo della l. solida è quello di uno dei due elementi, e l'altro è presente in certi punti reticolari in sostituzione del primo. Come caso estremo si può avere solubilità completa; è evidente che allora i due elementi devono avere la stessa struttura cristallina. Consideriamo il caso già citato di rame e nichel, solubili (come si è detto) in tutti i rapporti allo stato solido. Entrambi hanno struttura cubica a facce centrate; i cupronichel (cioè le l. rame-nichel) hanno la stessa struttura, solo che i punti reticolari sono occupati alcuni da atomi di nichel e altri da atomi di rame; il rapporto fra i numeri di questi punti è uguale al rapporto globale del numero di atomi di nichel rispetto a quelli di rame. Una soluzione solida di sostituzione è possibile solo se sono verificate alcune condizioni. In particolare i due elementi devono avere elettronegatività poco diversa fra loro (nel caso di Cu e Ni si ha: Cu = 1,9 e Ni = 1,8 secondo Pauling, mentre secondo Little-Jones si ha Cu = 1,75 e Ni = 1,75); anche il raggio atomico deve essere poco diverso. In particolare è possibile avere l. di questo tipo solo se la differenza percentuale dei raggi atomici non supera il 14% circa. Nel caso citato di rame e nichel si hanno i seguenti raggi atomici: Cu = 1,28 Å; Ni = 1,24 Å; la differenza percentuale è quindi del (1,28-1,24) · 100/1,24 = 3,2% circa. Le suddette regole devono valere in ogni caso affinché si abbia una solubilità sensibile di un elemento in un altro. Anche la valenza dei metalli gioca un ruolo importante nella solubilità reciproca (a parte la formazione di composti intermetallici). In effetti, la struttura elettronica di un metallo viene alterata ogni volta che si alliga con esso un elemento estraneo che ha un diverso numero di elettroni di valenza. In particolare gli elementi che tendono a far aumentare il numero di elettroni liberi si sciolgono meglio di quelli che tendono a farlo diminuire; i primi sono naturalmente quelli che hanno più elettroni di valenza del soluto, mentre gli altri sono quelli che ne hanno di meno. Ad es., zinco e rame possono dare soluzioni solide di sostituzione. Il rame è monovalente e lo zinco bivalente, onde la soluzione di zinco in rame aumenta il numero degli elettroni liberi: lo zinco infatti può sciogliersi in grande quantità (fino al 40% circa in atomi). Viceversa se si scioglie rame nello zinco si ha una diminuzione del numero di elettroni liberi; la solubilità del rame nello zinco è infatti molto limitata (fino al 2,4% circa in atomi). In molti casi esiste un limite di solubilità fissato dalla concentrazione degli elettroni. Consideriamo una certa matrice metallica ed allighiamo il metallo introducendovi un numero crescente di atomi di un elemento avente un maggior numero di elettroni di valenza. Facendo questo aumenta la densità degli elettroni liberi nel metallo; di solito la solubilità di questo elemento è tale per cui il massimo aumento del numero di elettroni è del 40% circa. Riprendiamo l'esempio del rame-zinco sopra visto. Se in una massa di rame (un elettrone di valenza) si scioglie dello zinco (2 elettroni di valenza) che si sostituisce in parte agli atomi di rame, per ogni % di atomi di rame che vengono sostituiti (introducendo un % di atomi di zinco) si ha un aumento dell'1% degli elettroni liberi. La solubilità dello zinco nel rame è quindi limitata al 40% (in percentuale di atomi sostituiti). Un'altra serie di l. sono le cosiddette l. interstiziali. In esse gli atomi dell'elemento alligato non si sostituiscono a quelli del metallo base, ma si inseriscono negli interstizi che restano liberi fra gli atomi di questo (che possono essere considerati come sfere a contatto fra loro, fra le quali quindi esistono dei vuoti). Naturalmente questo può avvenire solo se gli atomi dell'elemento alligante sono abbastanza piccoli in confronto a quelli dell'elemento alligato perché la loro introduzione possa avvenire senza distorcere troppo il reticolo cristallino. In generale soluzioni interstiziali si hanno solo se l'elemento alligante è uno dei seguenti: idrogeno, ossigeno, carbonio, boro, azoto, berillio. Si può vedere che per ogni struttura esistono delle posizioni preferenziali nel reticolo per l'introduzione di atomi interstiziali; la solubilità degli elementi alligati in questo modo è però sempre molto bassa. Ciononostante essa è molto importante perché anche piccolissime quantità di certi elementi (carbonio, ossigeno, azoto, idrogeno, ecc.) possono cambiare notevolmente le proprietà del metallo base. Per quanto riguarda la teoria delle l. si è già detto che non si sa ancora molto, e che lo studio è essenzialmente sperimentale. Si sa che l'equilibrio termodinamico di un sistema di più fasi è caratterizzato da un minimo della funzione di Helmoltz, cioè dell'energia libera che indicheremo con F. Essa è definita dalla seguente relazione:

F = U – T · S

essendo U l'energia interna, S l'entropia e T la temperatura assoluta del sistema. Consideriamone la variazione Δ F e le corrispondenti variazioni ΔU e Δ S relativa alla formazione di una l. Si ha che:

ΔF = ΔU – T · ΔS

La formazione della l., cioè della soluzione solida stabile, è possibile solo se ΔF è negativo. In questo caso il ΔU è nella maggior parte dei casi positivo, in quanto la formazione della l. avviene sempre con una certa deformazione del reticolo cristallino, onde l'energia interna aumenta. Il ΔS invece è anch'esso sempre positivo (in quanto la formazione della l. porta ad un maggior disordine rispetto a quello iniziale a fasi pure) ma compare moltiplicato da T (sempre positivo) e col segno meno, pertanto dal prevalere di uno o dell'altro fra i due termini ΔU oppure TΔS si può avere che la formazione della soluzione solida è favorita o no. Varie considerazioni sull'andamento della funzione di Helmoltz per le varie fasi al cambiare della composizione permettono a posteriori la giustificazione della formazione di varie fasi in un certo sistema. Non esistono invece metodi che permettano di legare le proprietà meccaniche di una l. alla sua composizione, se non alcune formule empiriche per gli acciai. Solo la resistività elettrica può essere dedotta qualitativamente a partire dal diagramma di stato; essa infatti è influenzata moltissimo dalla formazione di soluzioni solide, di varie fasi e di composti intermetallici. Ad es. se i due metalli formano una soluzione solida la conducibilità presenta un minimo molto marcato. Citiamo il caso sempre del sistema rame-nichel, miscibili in tutti i rapporti allo stato solido. Posta pari a 57,2 la conducibilità elettrica del rame, il nichel puro l'ha di 8,5 mentre la costantana (l. al 60% di Cu e 40% di Ni circa) l'ha solo di 2. Altre proprietà molto influenzate dalla presenza di elementi di l. sono la temprabilità delle l., ed in generale le loro proprietà dopo trattamento termico. Naturalmente queste caratteristiche sono quanto mai importanti nelle applicazioni pratiche. Ad es. certe l. contengono degli elementi che possono dare composti intermetallici che si separano come fasi a sé durante un opportuno trattamento termico, aumentando la resistenza meccanica del materiale. Questo fenomeno, detto indurimento per precipitazione (o precipitation hardening) è ormai noto ed ampiamente sfruttato. ║ Superreticoli: si è detto che le l. di sostituzione si hanno quando gli atomi del soluto si sostituiscono a quelli del metallo base (o solvente) nei punti nodali del reticolo cristallino. Generalmente la distribuzione di tali atomi è statistica, ma si possono anche avere dei casi (per particolari combinazioni soluto-solvente e in certi campi di composizione) in cui la distribuzione è ordinata. In questo modo gli atomi dell'elemento alligante sono distribuiti in modo che formano essi stessi un reticolo, compenetrato a quello del metallo base, che è detto superreticolo ovvero superstruttura. Generalmente questa è stabile solo a basse temperature, mentre alle alte si ha il disordine completo e la distribuzione statistica degli atomi di soluto voluta dal massimo di entropia. In generale è possibile per ogni caso trovare una temperatura di transizione, cioè di passaggio dalla struttura superreticolo a quella disordinata. Questo passaggio si dice anche trasformazione ordine-disordine (o viceversa). È intuitivo che la formazione di superreticoli è possibile solo se fra gli atomi di soluto e solvente esiste un certo rapporto intero e abbastanza semplice (ad es. 1:1 od 1:3); tra i casi più noti citiamo il sistema rame-oro, che forma due superreticoli in corrispondenza al rapporti Cu:Au pari a 1:1 e 3:1. Entrambi hanno struttura cubica a facce centrate; nel primo superreticolo gli atomi di oro sono posti al centro delle facce laterali della cella elementare, mentre nel secondo (rapporto Cu:Au = 3:1) gli atomi di oro sono posti sugli spigoli della cella elementare, mentre quelli di rame sono al centro delle facce.