Difetti e Deformazione Plastica. Ing. Nadia Ucciardello

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1 Difetti e Deformazione Plastica Ing. Nadia Ucciardello

2 Difetti di superficie Le superfici sono importanti nello studio dei materiali metallici per molteplici aspetti: attrito e abrasione, saldature, reazioni chimiche (corrosione, ossidazione ecc.), comportamento meccanico di corpi sottili, fatica ecc. La superficie è un difetto comunque presente in un solido reale. Essa rappresenta un punto di discontinuità del reticolo cristallino.

3 Difetti di impilamento (stacking faults) La struttura cfc è costituita da una sequenza di impilamento dei piani cristallini secondo lo schema ABCABCABC mentre quella hcp secondo lo schema ACACAC Se queste sequenze sono alterate il cristallo cfc potrebbe avere una porzione con struttura hcp e viceversa. Per esempio se nella sequenza ABCABCABC di un metallo cfc venisse a mancare un piano di tipo B avremmo ABCACABC. Una porzione pari a quattro piani atomici si presenterebbe con struttura hcp. Questo si definisce difetto di impilamento intrinseco.

4 In un difetto di impilamento estrinseco dove è presente uno strato di tipo C in più. La sequenza è ABCACBCA e anche in questo caso una porzione del cristallo si presenta con struttura hcp. I difetti di impilamento (stacking faults) possono avere origine, come già visto in precedenza, dalla aggregazione su un piano cristallino di vacanze o di autointerstiziali. Possono inoltre essere generati durante la deformazione plastica del metallo.

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6 Bordi di grano Un materiale policristallino è un aggregato di cristalli o grani, che differiscono tra loro per l orientazione. Le zone di contatto tra grani diversi si dicono bordi di grano o giunti intergranulari. a)- giunto con una componente di flessione e una di torsione; b)- giunto di flessione (tilt boundary) asimmetrico; c)- giunto di torsione (twist boundary); d)- giunto di flessione (tilt boundary) simmetrico.

7 Giunti a basso angolo Quando l angolo di disallineamento tra i due grani limitrofi < 10 si parla di giunto a basso angolo. Un giunto di flessione simmetrico si può pensare come una fila di dislocazioni a spigolo, la cui distanza h varia con l angolo di disallineamento secondo la relazione: b h 2arctg 2 dove b è il modulo del vettore di Burgers. Per piccoli valori di (giunto a basso angolo), la spaziatura tra le dislocazioni vale b h

8 Nel caso di un giunto di flessione asimmetrico ci sono 2 gruppi di dislocazioni a spigolo aventi distanze h 1 e h 2 disposte su piani perpendicolari

9 Il giunto di torsione a basso angolo è costituito da una griglia a croce di 2 insiemi di dislocazioni a vite. La caratteristica di questo giunto è che ci sono zone dove gli atomi dei due cristalli combaciano relativamente bene e altre invece dove la struttura è altamente distorta.

10 Giunti ad alto angolo Quando l angolo di disallineamento > 10 si parla di giunti ad alto angolo. Un bordo di grano è una regione di energia relativamente alta poiché gli atomi nel bordo non combaciano perfettamente coi rispettivi reticoli cristallini. In generale, l energia che compete ad un giunto intercristallino cresce al crescere dell angolo.

11 Quando i due grani si trovano in una di queste particolari posizioni, si dice che essi formano un reticolo di coincidenza e che il bordo di grano è un giunto speciale. Struttura cristallina Asse di rotazione Angolo di rotazione Densità delle Coincidenze B.C.C. [100] [110] [110] [111] [111] /5 1/3 1/9 1/3 1/7 F.C.C. [100] [110] [111] [111] /5 1/9 1/7 1/7

12 Effetti chimici ai bordi di grano La diffusione avviene ai bordi più facilmente che nel corpo del cristallo per il maggior disordine atomico e per i legami più deboli. Allo stesso modo è logico pensare che nel bordo esistono zone dove atomi estranei possono esser alloggiati meglio che altrove nel reticolo. Le impurità tendono a muoversi verso i bordi e quindi ad addensarsi in queste posizioni dando luogo spesso a precipitati. In presenza di un mezzo corrosivo, le impurità favoriscono un attacco preferenziale lungo il bordo. Questo è stato osservato anche nei metalli di alta purezza. Si è altresì osservato che la corrosione intergranulare dipende dalla disorientazione dei grani: grani con piccole disorientazioni sono più difficili da aggredire chimicamente. Negli acciai il problema della formazione di precipitati lungo i bordi dei grani può costituire un serio problema in presenza di agenti corrosivi. Per esempio, la formazione di carburi nei confini di grano impoverisce la matrice nelle zone adiacenti di elementi di lega e quindi si produce un alterazione locale della composizione e delle proprietà del materiale.

13 Geminati La geminazione è dovuta al movimento coordinato degli atomi che si trovano dallo stesso lato di un certo piano, detto piano di geminazione, rispetto quelli che si trovano dal lato opposto. Come risultato di tale movimento le posizioni reticolari delle due parti del cristallo diventano speculari rispetto al piano di geminazione. Fig. (alto) mostra un geminato nella struttura cfc. La sequenza di impilamento è simmetrica rispetto al piano di geminazione A: CABCACBACB. In basso è invece mostrato il movimento che porta alla formazione del geminato: i piani cristallini nella parte superiore del cristallo subiscono degli scorrimenti di entità sempre maggiore man mano che ci si allontana dal piano di geminazione.

14 La geminazione costituisce un modo di deformazione dei cristalli metallici alternativa allo scorrimento. Le caratteristiche di questo processo di deformazione sono: a) la geminazione interessa un ben definito volume di materiale, entro il quale il cristallo mantiene la stessa struttura ma non l orientazione originaria; b) mentre nello slittamento ciascun atomo si muove di una o più distanze atomiche, nella geminazione si sposta di una frazione di distanza interatomica; c) affinchè si possa riprodurre la struttura originaria del cristallo, l entità dello spostamento in ciascun piano può assumere un unico valore, dipendente dalla distanza dal piano di geminazione.

15 Geminati coerenti ed incoerenti Si definiscono geminati incoerenti quei geminati in cui il bordo del geminato non coincide col piano di geminazione. I geminati coerenti sono quelli in cui c è coincidenza. L energia di un bordo di geminazione è molto sensibile alla orientazione. La tabella seguente confronta per alcuni metalli l energia di geminati coerenti, incoerenti e bordi di grano. Come si può vedere, l energia più bassa compete alla struttura più ordinata del geminato coerente.

16 In fig. si mostra la foto di un geminato che presenta rispetto al cristallo da cui si è formato un interfaccia coerente ed una incoerente. Si possono ben distinguere in quanto quella coerente è piana mentre quella incoerente ha forma irregolare.

17 Rappresentazione schematica di un geminato incoerente (sinistra). I geminati coerenti hanno energia superficiale inferiore di quella dei geminati incoerenti (destra).

18 Superfici tra fasi solide diverse Le superfici interfase sono le superfici che separano due fasi diverse presenti nel metallo. Si possono presentare tre diverse situazioni nelle superfici tra fasi solide diverse: coerenza totale, semi-coerenza, incoerenza totale. Si parla di coerenza totale quando i piani cristallini della prima fase (fase ) combaciano esattamente lungo l interfaccia con i piani della seconda fase (fase ).

19 In figura è rappresentata in (a) un caso di coerenza totale ideale poiché i piani reticolari delle due fasi hanno esattamente la stessa spaziatura e c è continuità reticolare attraverso l interfaccia. Per questo non si determinano stress elastici. Di fatto questa è una situazione ideale, che in realtà non si verifica mai. In (b) abbiamo un altro caso di coerenza totale tra fasi con piani cristallini aventi diversa spaziatura, tuttavia la diversa orientazione dei due grani permette un perfetto combaciamento degli atomi all interfaccia. Anche in questo caso non sono presenti stress elastici.

20 In (c) viene mostrata un interfaccia con coerenza totale dove la diversa spaziatura tra i piani delle due fasi determina stress elastici. Questo è il caso più frequente e si parla di coerenza totale reale. Se a e a sono le distanze interplanari nelle fasi e, lo stress elastico vale : = ( a - a ) / a

21 Quando non esiste nessun tipo di relazione tra le due fasi e quindi nessun tipo di combaciamento, l interfaccia si presenta come mostrato nella figura sotto (interfaccia incoerente).

22 Dimensione media del grano Le proprietà di un materiale metallico sono altamente influenzate dalla dimensione dei grani. La dimensione media dei grani si può descrivere convenzionalmente con il numero ASTM (American Society for Testing and Materials) n usando l espressione: N 2 n 1 dove N è il numero medio di grani per pollice quadrato ad un ingrandimento di 100x. A valori di n crescenti corrispondono dimensioni medie del grano decrescenti.

23 Area del bordo di grano Assumendo la forma dei grani come cubica, l area di bordo di grano A G.b in pollici quadrati per pollice cubo di metallo si può esprimere: ) G.b. A 3(Nx10 (inch 2 /inch 3 ) dove N è il numero di grani per pollice quadrato a 100x. Passando ai centimetri A (Nx10 ) G.b (cm 2 /cm 3 )

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25 Orientazione del grano Grande importanza per le proprietà di un materiale ha la distribuzione delle orientazioni dei grani che compongono il policristallo. Il complesso di queste orientazioni si definisce tessitura cristallina. La rappresentazione della tessitura è costituita dalla O.D.F. (Orientation Distribution Function). Forti tessiture sono principalmente causate da: 1-deformazione plastica, 2-ricristallizzazione e crescita del grano, 3- trasformazioni di fase. Un materiale metallico con forte tessitura, cioè con orientazioni preferenziali dei grani cristallini, mostra in genere una spiccata anisotropia delle proprietà meccaniche.

26 Inclusioni e porosità

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28 DEFORMAZIONE PLASTICA

29 Geometria dello scorrimento DEFORMAZIONE PLASTICA Nei cristalli la deformazione plastica avviene per scorrimento di dislocazioni in particolari piani (piani di scorrimento) lungo particolari direzioni cristallografiche (direzioni di scorrimento) giacenti nei piani di scorrimento. Un piano di scorrimento e una direzione di scorrimento definiscono un sistema di scorrimento. Il meccanismo dello scorrimento è semplicemente il movimento di dislocazioni il cui vettore di Burgers giace parallelo alla direzione di scorrimento. Alcuni metalli deformano con sistemi di scorrimento diversi a temperature diverse. Oltre che per scorrimento, alcuni metalli possono deformare anche per geminazione.

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32 Linee di scorrimento Se si sottopone a trazione un metallo, la cui superficie è stata preventivamente lucidata a specchio, si possono osservare le linee di scorrimento. Ogni linea di scorrimento è un gradino, la traccia lasciata sulla superficie dalla fuoriuscita di più dislocazioni che si sono mosse su un singolo piano di scorrimento. Quando molte linee di scorrimento sono raggruppate si parla di bande di scorrimento. Le linee di scorrimento nei metalli dove la deformazione ha luogo su un solo gruppo di piani si presentano come linee diritte mentre esse sono ondulate nei metalli dove gli scorrimenti avvengono su più piani. Cu (fcc) Fe-Al (bcc)

33 Deformazione di monocristalli Anche se i metalli di interesse per l ingegneria industriale sono principalmente policristallini, per comprendere i meccanismi della deformazione plastica conviene occuparsi prima dei sistemi più semplici, cioè dei monocristalli. Un concetto fondamentale è quello di stress critico c cioè il minimo sforzo, risolto nel piano di scorrimento e nella direzione di scorrimento, utile per innescare la deformazione plastica. Determiniamo per un monocristallo sottoposto a trazione la componente dello stress applicato nel piano e nella direzione di scorrimento.

34 è l angolo tra la normale al piano di scorrimento e l asse di trazione, è l angolo tra la direzione di scorrimento e l asse di trazione. Essendo A l area della sezione normale del cilindro, A/cos è l area della sezione contenente il piano di scorrimento; la componente del carico nel piano di scorrimento nella direzione di scorrimento è Pcos. Per cui lo stress risolto r risulta essere: r Pcos A/ cos P cos cos A

35 Una delle prime idee sviluppate per spiegare l incrudimento fu quella del backstress sulle sorgenti dovuto a dislocazioni bloccate da ostacoli presenti nel cristallo. Le barriere che bloccano il moto delle dislocazioni possono essere di tipo diverso: - precipitati, - atomi estranei, - dislocazioni immobili (sessili), - grovigli di dislocazioni, ecc. Nei policristalli anche i bordi di grano sono ostacoli importanti per il moto delle dislocazioni. Trattando di monocristalli, ovviamente, ci si disinteressa di questo ultimo aspetto. Sperimentalmente si osserva che le curve - di monocristalli possono presentare 3 stadi in campo plastico

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