Uma liga é uma mistura de elementos químicos, que forma uma substância impura (mistura) que mantém as características de um metal. Difere de um metal impuro porque, com uma liga, os elementos adicionados são bem controlados para produzir propriedades desejáveis, enquanto metais impuros (como o ferro forjado) são menos controlados, embora sejam frequentemente considerados úteis. As ligas são obtidas pela mistura de dois ou mais elementos, sendo pelo menos um deles um metal. Geralmente é chamado de metal primário ou metal base, e o nome desse metal também pode ser o nome da liga. Os demais constituintes podem ou não ser metais, mas, quando misturados com a base fundida, serão solúveis e, portanto, dissolverão-se na mistura.
As propriedades mecânicas das ligas são geralmente bastante diferentes daquelas dos seus constituintes individuais. Um metal normalmente muito macio (maleável), como o alumínio, pode ser alterado ligando-o a outro metal macio, como o cobre. Embora ambos os metais sejam muito macios e dúcteis, a liga de alumínio resultante terá uma resistência muito maior. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro aumenta sua ductilidade e confere maior resistência ao formar uma liga conhecida como aço. Devido à sua elevada resistência, mas ainda assim substancial tenacidade, e à sua capacidade de ser bastante alterado pelo tratamento térmico, o aço é uma das ligas mais úteis e comuns no mundo moderno. Ao adicionar cromo ao aço, sua resistência à corrosão pode ser melhorada, criando o aço inoxidável, enquanto a adição de silício alterará suas características elétricas, produzindo aço elétrico.
Assim como o óleo e a água, um metal fundido nem sempre pode se misturar com outro elemento. Por exemplo, o ferro puro é quase completamente imiscível com o cobre. Mesmo quando os constituintes são solúveis, cada um terá normalmente um ponto de saturação, além do qual uma proporção maior do constituinte não pode ser adicionada. O ferro, por exemplo, pode conter no máximo 6,67% de carbono. Embora os elementos de uma liga normalmente devam ser solúveis no estado líquido, eles nem sempre podem ser solúveis no estado sólido. Se os metais permanecerem solúveis quando sólidos, a liga forma uma solução sólida, tornando-se uma estrutura homogênea composta por cristais idênticos, chamada de fase “Fase (matéria)”. Se à medida que a mistura esfria os componentes se tornam insolúveis, eles podem se separar para formar dois ou mais tipos diferentes de cristais, criando uma microestrutura heterogênea de diferentes fases, algumas com mais de um constituinte do que a outra.
Contudo, em outras ligas, os elementos insolúveis podem não se separar até que ocorra a cristalização. Se resfriados muito rapidamente, eles primeiro cristalizam como uma fase homogênea, mas ficam supersaturados com componentes secundários. Com o passar do tempo, os átomos dessas ligas supersaturadas podem se separar da rede cristalina, tornando-se mais estáveis e formando uma segunda fase que serve para fortalecer os cristais internamente.
Algumas ligas, como a eletro "Electro (liga)"), uma liga de prata e ouro, ocorrem naturalmente. Às vezes, os meteoritos são formados a partir de ligas naturais de ferro e níquel, mas não são nativos da Terra. Uma das primeiras ligas feitas pelo homem foi o bronze, que é uma mistura dos metais estanho e cobre. O bronze era uma liga extremamente útil para os antigos, porque era muito mais forte e mais duro do que qualquer um dos seus componentes. O aço era outra liga comum. No entanto, nos tempos antigos, só poderia ser criado como um subproduto acidental do aquecimento do minério de ferro nos processos de fundição "Fundição (metalurgia)") durante a fabricação do ferro. Outras ligas antigas incluem estanho, latão e ferro fundido. Na era moderna, o aço pode ser produzido de diversas maneiras: variando apenas o teor de carbono, produzindo ligas macias como o aço carbono ou ligas duras como o aço para molas. Os aços-liga podem ser feitos adicionando outros elementos, como cromo, molibdênio, vanádio ou níquel, resultando em ligas como aço rápido ou aço para ferramentas. Pequenas quantidades de manganês são normalmente ligadas à maioria dos aços modernos devido à sua capacidade de remover impurezas indesejadas, como fósforo, enxofre e oxigênio, que podem ter efeitos prejudiciais à liga. No entanto, a maioria das ligas não foi criada até o século XIX, como vários tipos de compostos de alumínio, titânio, níquel e magnésio. Algumas superligas modernas, como incoloy), inconel e hastelloy, podem consistir em uma infinidade de elementos diferentes.
Uma liga é tecnicamente um metal impuro, mas quando se refere a ligas, o termo impurezas geralmente denota elementos indesejáveis. Essas impurezas vêm dos metais básicos e dos elementos de liga, mas são removidas durante o processo de produção. Por exemplo, o enxofre é uma impureza comum no aço, que se combina facilmente com o ferro para formar sulfeto de ferro, que é muito frágil e cria pontos fracos no metal.[21] Lítio, sódio e cálcio são impurezas comuns em ligas de alumínio, que podem ter efeitos adversos na falha estrutural das peças fundidas. Em contraste, metais puros que contêm impurezas indesejadas são frequentemente chamados de metais impuros e geralmente não são chamados de ligas.[22].