RETICOLI CRISTALLINI E LORO DIFETTI
RETICOLI CRISTALLINI Tutti i metalli, con l’eccezione del mercurio, sono allo stato solido alla temperatura ambiente. Allo stato solido, gli atomi sono disposti in modo regolare . Essi formano una struttura ordinata e ripetitiva, chiamata reticolo cristallino. In tale reticolo gli atomi sono disposti ai nodi. Gli elettroni più interni restano legati ai nuclei, quelli più esterni possono muoversi facilmente. Considerazioni puramente geometriche permettono di affermare che esistono solo 14 modi diversi di costruire dei reticoli nello spazio e questi prendono il nome di reticoli di Bravais . La sovrapposizione di piani cristallini ad elevata compattezza permette di formare reticoli cristallini ad elevata densità . Esempi di reticoli a massima compattezza sono l’ esagonale compatto e il cubico a facce centrate(CFC) La sovrapposizione di piani cristallini a compattezza ridotta permette formare reticoli cristallini con densità inferiore, un esempio è il reticolo cubico a corpo centrato .(CCC). Questi tre sono i reticoli cristallini di maggior rilevanza per quanto concerne il corso di metallurgia che stiamo trattando. Vediamo una immagine che ci riporta i 3 tipi di reticoli cubici:
Inseriamo adesso l’esagonale compatto:
Vediamo infine i reticoli tetragonali , di interesse dal momento che saranno coinvolti quando parleremo della martensite:
DIFETTI CRISTALLINI Dobbiamo sapere che i metalli e le relative leghe, presentano tutta una serie di difetti cristallini che fanno diminuire la loro resistenza meccanica . Cerchiamo di elencare quali sono codesti e proviamo inoltre a comprendere perché fanno diminuire la proprietà di sopra citata. Quando parliamo di difetti cristallini possiamo distinguere difetti puntuali, difetti lineari, difetti superficiali e, infine, difetti tridimensionali. Analizziamoli. DIFETTI PUNTUALI
Una cosa fondamentale: i difetti puntuali hanno ragione termodinamica di esistere, nel senso che ad una certa temperatura superiore allo 0 K, questi sono causati dal movimento vibrazionale e rototraslazionale degli atomi. Tra i difetti puntuali possiamo annoverare: 1)vacanze; 2) auto-interstiziale; 3) impurezza interstiziale; 4,5) impurezza sostituzionale. Vediamo qualche immagine esplicativa a riguardo:
La vacanza è una posizione reticolare libera , in quanto vi è la mancanza di un atomo. L’interstiziale è un atomo che occupa una posizione non coincidente con la posizione reticolare normale. Può essere dello stesso tipo della matrice(ed abbiamo in questo caso un autointerstiziale) oppure può essere un’ impurezza(ed abbiamo in questo caso un’ impurezza interstiziale). Parliamo infine di impurezza sostituzionale quando un atomo diverso dalla matrice, si sostituisce a uno di questi. Il numero delle vacanze aumenta esponenzialmente con la temperatura secondo la relazione: Nv= Ns * e^-[Qv/(Kb*T)] In cui: Nv = Numero di vacanze in condizioni di equilibrio Ns = Numero di posizioni reticolari regolari Qv = Energia necessaria per formare una vacanza in un reticolo ideale kB = costante di Boltzmann T = Temperatura in Kelvin
DIFETTI LINEARI
Quando parliamo di difetti lineari, parliamo essenzialmente di dislocazioni. Cos’è una dislocazione? Una dislocazione non è altro che un difetto stechiometrico di linea presente in una struttura cristallina. Ci sono due tipi principali di dislocazione: •
dislocazione a spigolo (nota anche col termine in inglese edge dislocation e col termine dislocazione a cuneo);
• •
dislocazione a vite (nota anche col termine in inglese screw dislocation).
Tale distinzione è prevalentemente formale: le dislocazioni presenti nei solidi cristallini reali raramente sono puramente a spigolo o puramente a vite, presentando invece aspetti di entrambe. Una dislocazione di questo tipo è quindi chiamata dislocazione mista (o col termine inglese mixed dislocation). Le dislocazioni nascono soprattutto nei processi di solidificazione , ma non hanno ragione termodinamica di esistere(come era il caso dei difetti puntuali). Vediamo qualche immagine a riguardo e cerchiamo di capire cosa siano:
La dislocazione a spigolo corrisponde all'introduzione di un semi piano supplementare nel reticolo cristallino che offre l'immagine di uno spigolo. Per definire una dislocazione si utilizza il metodo seguente: si sceglie un verso positivo sulla linea di dislocazione e si traccia un circuito nel cristallo intorno alla dislocazione. Questo circuito presenta un difetto di chiusura b denominato vettore di Burgers. Le dislocazioni, se sollecitate, si muovono:
Inoltre, sempre se sollecitate, si moltiplicano addirittura! Questo fenomeno va sotto il nome di meccanismo di Frank-Read.
I punti in rosso possono essere bordi-grano, intersezioni con altre dislocazioni, piccole inclusioni ecc. I bordi grano riescono a fermare, almeno parzialmente, le dislocazioni(li superano grazie ad un aumento della sollecitazione o della temperatura). La relazione di Hall-Patch ci dice che al diminuire del diametro medio del grano cristallino, aumenta il carico di snervamento Rs, secondo la seguente relazione:
Rs = a + b D-1/2 in cui a e b sono due costanti e D il diametro medio del grano.
Anche i precipitati possono bloccare le dislocazioni, almeno temporaneamente. Comunque questi possono essere superati mediante vari meccanismi incrementando la sollecitazione. Uno di questi è il meccanismo di Orowan, che consiste nell’oltrepassare le particelle precipitate lasciando in corrispondenza di queste due dislocazioni circolari.
DIFETTI SUPERFICIALI
I difetti superficiali sono la superfice stessa del metallo, i bordi grano e i difetti di impilamento. BORDI GRANO
In cristallografia, con il termine bordo di grano si indica l'interfaccia tra due grani (anche detti "cristalliti") di un materiale policristallino.
I bordi grano sono difetti associati con un eccesso di energia per unità di area . I grani più grandi tendono a crescere a spese dei grani più piccoli , con un conseguente aumento della dimensione media ed una diminuzione dei grani per unità di volume. DIFETTI DI IMPILAMENTO
Il difetto di impilamento consiste nell’inserimento di un piano estraneo nella sequenza. Ad esempio, l’inserimento di un piano C in una sequenza AB. Esempio sequenza ideale:
ABABABABABABAB Esempio di sequenza “difettata”:
ABABCABABAB DIFETTI TRIDIMENSIONALI
Tra i difetti tridimensionali citiamo i micro e macro vuoti e le inclusioni non metalliche. Molto più visibili dei precedenti difetti esaminati, addirittura visibili anche ad occhio nudo. Tra le particelle non metalliche citiamo ossidi e solfuri, per quanto riguardo i micro e macro vuoti si hanno quando si hanno condizioni di porosità:
Facciamo infine, prima di terminare il capitolo, un cenno ai principali meccanismi di diffusione.
DIFFUSIONE Gli atomi si muovo all’interno di solidi mediante: - diffusione sostituzionale; - diffusione interstiziale; - percorsi ad elevata diffusività (bordi grano, superfici libere, dislocazioni). La diffusione è influenzata da: - specie che diffondono e mezzo diffondente; - temperatura; - microstruttura. Nei cristalli i principali meccanismi diffusivi sono due: - diffusione per vacanze ; - diffusione interstiziale.
