Solubilità nelle leghe metalliche

Solubilità allo stato solido e punti caratteristici nei diagrammi di fase

Nell'ambito delle leghe metalliche, la solubilità allo stato solido è un concetto chiave per comprendere le proprietà e il comportamento delle leghe durante il raffreddamento e la solidificazione. Quando due metalli sono completamente solubili allo stato solido, le curve di liquidus e solidus nel diagramma di fase si estendono tra le temperature di fusione dei singoli metalli puri. In alcuni casi, queste curve possono intersecarsi in un punto di minimo, noto come punto eutettico, dove la lega presenta la più bassa temperatura di fusione possibile per quella composizione, o in un punto di massimo, che indica una temperatura di fusione superiore a quella dei componenti puri. Questi punti di non varianza, o punti invarianti, sono cruciali per la comprensione delle transizioni di fase e della solidificazione isoterma. Un esempio di sistema con solubilità completa allo stato solido e un punto eutettico è la lega ferro-nichel (Fe-Ni), che mostra un punto di minimo per una composizione di circa il 60% di nichel.

Solubilità parziale allo stato solido e fenomeni di segregazione

La solubilità parziale allo stato solido si verifica quando due metalli formano una soluzione solida omogenea a temperature elevate, ma al diminuire della temperatura, la miscibilità si riduce e si formano due o più fasi solide con composizioni differenti. Questo fenomeno è guidato dalla diffusione atomica e può portare alla segregazione di elementi, con la formazione di microstrutture caratteristiche come le zone di miscela. Durante il raffreddamento, la lega passa da uno stato liquido a una soluzione solida omogenea e, successivamente, alla separazione in fasi solide con composizioni diverse a causa della limitata solubilità. Un esempio classico è rappresentato dalle leghe oro-platino, che mostrano una solubilità parziale allo stato solido e la formazione di due fasi solide distinte a temperature inferiori.

Trasformazione eutettica in leghe con solubilità limitata

In alcune leghe con solubilità parziale allo stato solido, il diagramma di fase può presentare un punto eutettico, dove la curva del liquidus raggiunge un minimo e si verifica una lacuna di solubilità a basse temperature. Se la lacuna di solubilità si estende a temperature più elevate, le linee di solvus possono intersecare la curva del solidus, indicando una completa miscibilità allo stato liquido ma una limitata solubilità allo stato solido. Alla temperatura eutettica, si ha la coesistenza di una fase liquida e due fasi solide, configurando un punto di invarianza. Un esempio è la lega alluminio-magnesio, dove il limite di solubilità del magnesio nell'alluminio è del 14,9% alla temperatura eutettica di 451°C, e la microstruttura eutettica è composta da un composto intermetallico Al3Mg2 e magnesio.

Interpretazione dei diagrammi di fase per l'analisi delle leghe

L'interpretazione dei diagrammi di fase è fondamentale per prevedere il comportamento delle leghe durante il raffreddamento e la solidificazione. Una lega pura solidifica a una temperatura ben definita, mentre una lega con composizione intermedia può presentare una solidificazione graduale con la formazione di soluzioni solide di composizioni diverse. Inoltre, alcune leghe possono mostrare una lacuna di miscibilità allo stato solido, con la precipitazione di una nuova fase solida. Le leghe con composizione vicina a quella eutettica solidificano formando una struttura eutettica, un aggregato cristallino di due fasi solide, caratterizzato da un arresto termico durante il raffreddamento, che indica un punto di invarianza. La comprensione dei diagrammi di fase è quindi essenziale per la progettazione e l'ottimizzazione delle proprietà delle leghe per applicazioni specifiche.