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Disposizione atomica nelle leghe

1910
Metallurgist analyzing atomic arrangement in alloys under a microscope in a laboratory.

Alloys are classified based on atomic arrangement. In substitutional alloys, atoms of the solute element replace atoms of the solvent in the crystal lattice, common when atomic sizes are similar. In interstitial alloys, smaller solute atoms, like carbon in iron, fit into the spaces (interstices) between the larger solvent atoms. This structural difference fundamentally dictates the alloy’s mechanical properties.

The distinction between substitutional and interstitial solid solutions is fundamental to physical metallurgy and alloy design. The type of solid solution that forms is primarily governed by the relative sizes of the solute and solvent atoms. Substitutional alloys typically form when the atomic radii of the two elements are within about 15% of each other, a guideline known as the Hume-Rothery size-factor rule. When a solute atom replaces a solvent atom, it introduces localized lattice strain, which impedes dislocation motion and thus increases the material’s strength and hardness, but often reduces its duttilità. Examples include brass (zinc in copper) and bronze (tin in copper).

Le leghe interstiziali, d'altra parte, si formano quando gli atomi di soluto sono significativamente più piccoli di quelli di solvente, consentendo loro di occupare i siti interstiziali all'interno del reticolo cristallino senza spostare un atomo di solvente. Gli atomi interstiziali comuni sono idrogeno, boro, carbonio e azoto. La presenza di questi atomi causa una significativa distorsione del reticolo, che fornisce un meccanismo molto efficace per bloccare il movimento delle dislocazioni, portando a un sostanziale aumento di durezza e resistenza. L'esempio più importante è l'acciaio, in cui gli atomi di carbonio occupano i siti interstiziali nel reticolo del ferro. La quantità di carbonio e la sua posizione, che può essere controllata mediante trattamento termico, determinano le proprietà finali dell'acciaio, dall'acciaio duttile a basso tenore di carbonio all'acciaio duro e fragile ad alto tenore di carbonio.

UNESCO Nomenclature: 3308
– Metallurgy

Tipo

Principio fisico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • John Dalton’s atomic theory
  • scoperta delle strutture cristalline attraverso la diffrazione dei raggi X da parte di William Henry Bragg e William Lawrence Bragg
  • concetti di base delle miscele e delle soluzioni chimiche
  • primi studi metallografici delle microstrutture metalliche

Applicazioni

  • progettazione di acciai ad alta resistenza (carbonio interstiziale nel ferro)
  • creazione di ottone resistente alla corrosione (zinco sostitutivo nel rame)
  • sviluppo dell'argento sterling per la durevolezza (rame sostitutivo nell'argento)
  • formulazione di elementi riscaldanti in nichel-cromo (nichel e cromo sostitutivi)

Brevetti:

NA

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