La struttura cristallina nei metalli e nelle leghe

I metalli cristallizzano molto facilmente perché il legame metallico non è direzionale e gli atomi, inizialmente presenti nella fase fluida come ad esempio nel metallo fuso, vanno rapidamente ad occupare una determinata posizione in un reticolo cristallino. La cristallizzazione dei metalli avviene, quindi senza dover ricorrere a particolari accorgimenti: conseguenza della facile cristallizzazione è la natura policristallina degli stessi, con cristalli “grani” di dimensioni variabili dai centesimi di millimetro a qualche centimetro. Diverse proprietà dei metalli dipendono dalla loro natura policristallina e, in particolare, dalla dimensione dei grani. Per esempio, la presenza di grani grossolani può portare alla presenza di incrinature durante le operazioni di fucinatura ed inoltre le zone di confine tra grani sono le più esposte alla corrosione. All’interno dei grani le posizioni del reticolo cristallino sono occupate da atomi del metallo. Le celle elementari più comuni sono la cubica a corpo centrato, la cubica a facce centrate e la esagonale. Esempi delle celle dei principali metalli sono riportate in tabella:

Celle elementari di alcuni metalli
Cubica a corpo centrato Cubica a facce centrate Esagonale Altre
SodioPotassioBarioVanadioMolibdeno

Cromo

Tungsteno

Ferro alfa

ArgentoRameOroPiomboAlluminio

Nichel

Platino

Palladio

Ferro gamma

 

MagnesioZincoCadmioCobaltoTitanio Stagno bianco(tetragonale)Gallio (rombica)

 

Le leghe sono materiali metallici costituiti da due o più specie di cui almeno una è un metallo. La struttura delle leghe è più complicata di quella dei metalli puri, dato che vi si devono impacchettare due o più tipi di atomi di raggio diverso.

Essendo i raggi metallici degli elementi del blocco d molto vicini, il problema del loro impacchettamento si risolve con facilità. Gli elementi danno vita a un vasto campo di leghe, perché un tipo di atomo può prendere il posto di un altro senza distorcere più di tanto l’originaria struttura cristallina. Le leghe presentano proprietà meccaniche, termiche e chimiche spesso migliori rispetto a quelle dei metalli puri. Le leghe sono delle soluzioni solide e sono distinte in due tipi :

–         Leghe di sostituzione

–         Leghe interstiziali

Una lega che vede la sostituzione di alcuni atomi di un metallo ad opera di quelli di un altro viene detta lega di sostituzione.

Gli elementi capaci di dar luogo a leghe di sostituzione hanno atomi il cui raggio atomico presenta differenze non superiori al 15%. Poiché nelle leghe di sostituzione sussistono sia pur lievi differenze di dimensioni e di struttura elettronica, gli atomi del soluto distorcono la forma del reticolo e ostacolano il flusso degli elettroni. Sarà opportuno rammentare che, per soluto, si intende il metallo meno abbondante.

La distorsione del reticolo rende più difficile lo scorrimento dei piani atomici e, di conseguenza, mentre godrà di minore conduttività termica ed elettrica, la lega di sostituzione sarà più dura e più forte. Diversi fattori concorrono a determinare la miscibilità tra metalli allo stato solido: perché si abbia una grande miscibilità occorre che il metallo solvente e il metallo soluto abbiano lo stesso reticolo cristallino, altrimenti la miscibilità è scarsa.

Per esempio, il piombo e lo stagno sono miscibili tra loro soltanto entro limiti piuttosto ristretti perché, come risulta dalla tabella posseggono reticoli cristallini diversi. Grande miscibilità è presentata da metalli che, oltre ad avere la medesima struttura reticolare, presentano volume atomico ed elettronegatività simili.

Per esempio rame e nichel sono entrambi metalli che presentano un reticolo cristallino cubico a facce centrate e, data la loro vicinanza nella tavola periodica, hanno volumi atomici ed elettronegatività simili. Ne consegue che questi due metalli sono miscibili tra loro in qualunque rapporto: si può passare infatti da leghe in cui il solvente è il rame a leghe in cui il solvente è il nichel senza introdurre sensibili modifiche al reticolo cristallino.

L’acciaio è una lega che contiene il 2% o anche meno di carbonio disciolto nel ferro. Gli atomi di carbonio sono molto più piccoli di quelli del metallo, quindi non possono sostituirli nel reticolo cristallino; la loro piccolezza permette piuttosto che si adattino agli interstizi o lacune del reticolo.

Il materiale che ne deriva si chiama lega interstiziale. Il ferro presenta due forme cristalline diverse, denominate rispettivamente ferro alfa e ferro gamma. Il ferro alfa che è la forma più stabile a temperature inferiori ai 912 °C è cubico a corpo centrato e può disciogliere piccole quantità ( meno dello 0.04% ) di carbonio interstiziale. Il ferro gamma, stabile alle alte temperature, ha struttura cubica a facce centrate, e può ospitare maggiori quantità ( fino al 2% ) di carbonio interstiziale, nel centro della cella cubica.

La soluzione solida di carbonio nel ferro gamma presenta una buona lavorabilità: nei processi di lavorazione a caldo, l’acciaio viene riscaldato proprio per consentire la formazione di tale soluzione. Affinché due elementi possano dar luogo a una lega interstiziale il raggio atomico di quello che funge da soluto deve essere circa il 60% di quello del metallo che funge da ospite.

Gli atomi interstiziali interferiscono con la conduttività elettronica e con il movimento degli atomi che costituiscono il reticolo: quest’ultima restrizione ha la conseguenza di rendere la lega più dura e più forte rispetto al solo metallo ospite.  Alcuni metalli inglobano negli interstizi del loro reticolo un gran numero di atomi di idrogeno. Per esempio il vanadio e il magnesio danno leghe in cui vi sono due atomi di idrogeno per ogni atomi di metallo.

Alcune leghe risultano più tenere dei metalli che le compongono. La presenza dei voluminosi atomi di bismuto favorisce l’intenerimento dei metalli e ne abbassa il punto di fusione. Leghe basso fondenti si impiegano per controllare i getti d’acqua in alcuni impianti antincendio: il calore dell’incendio fonde la lega e ciò attiva l’ impianto prima che il fuoco si estenda.

Le deformazioni plastiche dei metalli ( fucinatura, laminazione, trafilatura) sono di notevole importanza, perché permettono di conferire a un metallo la forma richiesta per i diversi impieghi (cavi, travi, lamiere ecc.).

Modellare un metallo significa, in sostanza, far scorrere alcuni strati di atomi rispetto agli altri. Se i metalli fossero cristalli perfetti, lo scorrimento degli strati atomici richiederebbe sforzi enormi. Oggi si ritiene che lo scorrimento sia facilitato da imperfezioni denominate dislocazioni, presenti nel reticolo cristallino. La più semplice dislocazione è quella a cuneo rappresentata in figura:

reticolo

essa è interpretabile come un piano di atomi in più, infilato fra i normali piani reticolari. Nello scorrimento all’interno di un cristallo perfetto occorrerebbe vincere, simultaneamente, le attrazioni fra gli atomi in tutti i filari; in presenza di dislocazioni, invece, è coinvolto un filare di atomi alla volta e, quindi, lo scorrimento risulta più facile.

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Author: Chimicamo

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