Tecnologia Meccanica Proff. Luigi Carrino Antonio Formisano Difetti cristallini

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1 Difetti cristallini

2 DIFETTI CRISTALLINI Nessun cristallo è perfetto I difetti influenzano le proprietà meccaniche, le proprietà chimiche e quelle elettriche I difetti possono essere classificati come o difetti di punto/zero dimensioni o difetti di linea (dislocazioni)/una dimensione o difetti bidimensionali o difetti macroscopici tridimensionali (cricche, pori e inclusioni)

3 DIFETTI DI PUNTO - VACANZA La vacanza è formata dall assenza di un atomo La vacanza si forma (una su atomi) durante la cristallizzazione o la mobilità degli atomi L energia di formazione è 1 ev La mobilità delle vacanze determina un gruppo di vacanze Sono dovute a deformazione plastica, raffreddamento rapido o bombardamento di particelle energetiche come i neutroni Vacanza Le vacanze si muovono per formare un gruppo di vacanze

4 DIFETTI DI PUNTO - INTERSTIZIALI Gli atomi in un cristallo, talvolta, occupano un sito interstiziale Possono essere indotti da irradiazione (onde elettromagnetiche); generalmente, non si formano naturalmente Questo difetto determina una distorsione strutturale

5 DIFETTI DI PUNTO NEI CRISTALLI IONICI Il complesso deve mantenere la neutralità di carica Se due particelle di carica opposta non sono presenti, si forma una bivacanza catione-anione. Questo è il difetto di Schottky Il difetto di Frenkel si forma quando il catione si muove nel sito interstiziale Questi difetti aumentano la conduttività elettrica Gli atomi di impurità (sostituzionali o interstiziali) sono considerati difetti di punto

6 DIFETTI DI PUNTO NEI CRISTALLI IONICI

7 DISTORSIONI DEL RETICOLO CRISTALLINO

8 DIFETTI DI LINEA - DISLOCAZIONI Le distorsioni nel reticolo cristallino sono concentrate attorno ad una linea Formate durante: o solidificazione o deformazione permanente o condensazione di vacanze Differenti tipi di difetto di linea: o dislocazione a spigolo o dislocazione a vite o dislocazione mista

9 DISLOCAZIONE A SPIGOLO Formata dall inserimento di semipiani di atomi extra dislocazione a spigolo positiva dislocazione a spigolo negativa

10 DISLOCAZIONE A VITE Formata dagli sforzi di taglio applicati a regioni di un cristallo perfetto separato da un piano di taglio Distorsione del reticolo sottoforma di una scala a spirale

11 DISLOCAZIONE MISTA La maggior parte dei cristalli hanno componenti di entrambi i tipi di dislocazione La dislocazione, avendo una disposizione atomica irregolare, apparirà come linee scure quando osservata al microscopio elettronico a scansione Struttura di una dislocazione del ferro deformata al 14% a -195 C

12 DISLOCAZIONE Se al cristallo viene applicato un sufficiente carico di taglio, una dislocazione iniziale può muoversi lungo il piano di scorrimento con il risultato finale di allungare il cristallo di una distanza atomica

13 IL VETTORE DI BURGERS Il vettore di Burgers è un mezzo per caratterizzare, in un cristallo, l'orientazione e l'intensità di una dislocazione. In particolare, il vettore è perpendicolare o parallelo alla linea di dislocazione, a seconda che la dislocazione sia a spigolo o a vite, e di ampiezza pari alla più piccola distanza di spostamento degli atomi attorno alla dislocazione.

14 VETTORE DI BURGERS PER DISLOCAZIONE A SPIGOLO Prendiamo in esame la sezione di un cristallo perfetto e di un cristallo contenente una dislocazione a spigolo. In entrambi gli schemi è tracciato un circuito orario che, nel caso del cristallo perfetto, ha il punto iniziale coincidente con quello finale, mentre nell'altro caso ciò non si verifica. Il vettore b che unisce il punto iniziale con quello finale viene chiamato vettore di Burgers della dislocazione. Secondo questa definizione in una dislocazione a spigolo la dislocazione è perpendicolare al suo vettore di Burgers.

15 VETTORE DI BURGERS PER DISLOCAZIONE A VITE È mostrato un circuito in un cristallo con una dislocazione a vite. Il punto di partenza non coincide con quello di arrivo. Il vettore b che unisce i due punti si chiama vettore di Burgers della dislocazione. A differenza di quanto avviene per le dislocazioni a spigolo, una dislocazione a vite è parallela al suo vettore di Burgers e si muove, nel suo piano di scorrimento, in una direzione perpendicolare al vettore di Burgers. In ogni caso un piano di scorrimento è quello che contiene sia la dislocazione che il suo vettore di Burgers.

16 DIFETTI PLANARI Bordi di grano Difetti di impilamento Geminati Bordi a basso/alto angolo di incidenza

17 DIFETTI PLANARI BORDI DI GRANO I bordi di grano, in quanto zone a maggior contenuto di energia libera, sono chimicamente più reattivi dei grani stessi; i grani tendono ad accrescersi ad elevate temperature riducendo così l energia totale interfacciale essendo quest ultima inferiore in materiali a grana cristallina più grossa. Atomi di impurezze sono preferenzialmente segregati lungo i bordi e processi diffusivi avvengono più velocemente lungo i bordi di grano. Essi inoltre giocano un ruolo importante nelle deformazioni plastiche, poiché possono determinare la formazione di dislocazioni e ostacolarne il moto. I difetti superficiali, influenzano quindi notevolmente le proprietà dei materiali.

18 DIFETTI PLANARI BORDI DI GRANO I bordi di grano separano i grani. I bordi di grano si formano durante la solidificazione, quando cristalli formati da nuclei diversi si incontrano tra loro restrizioni imposte dai grani vicini, diverso orientamento, disadattamento atomico.

19 DIFETTI PLANARI BORDI DI GRANO Formati dalla crescita simultanea di cristalli che si incontrano Ampiezza = 2-5 diametri atomici Alcuni atomi nei bordi di grano hanno maggiore energia Limitano il flusso plastico e prevengono il movimento delle dislocazioni Visione 3D di grani Bordi di grano nell acciaio 1018

20 GRANA CRISTALLINA FINE E GROSSOLANA

21 DIMENSIONI DEL GRANO Minore è la dimensione di grano, maggiori sono i bordi di grano Maggiori bordi di grano significa maggiore resistenza allo scorrimento (la deformazione plastica è dovuta allo scorrimento) Più grani significa proprietà meccaniche più uniformi Influenzano le proprietà meccaniche del materiale Equazione di Petch-Hall Tensione di snervamento y Costanti del materiale 0 k y d Diametro medio del grano

22 MISURA DELLA DIMENSIONE DI GRANO Il numero n, dimensione di grano ASTM, è una misura di dimensione di grano n < 3 grani grossi 4 < n < 6 grani medi 7 < n < 9 grani fini n > 10 grani ultrafini N = 2 n-1 N = numero di grani per pollice quadrato di un provino pulito e attaccato chimicamente a 100 X n = numero dimensione di grano 200 X 200 X Acciaio 1018 laminato a freddo, n=10 Acciaio 1045 laminato a caldo, n=8

23 MISURA DELLA DIMENSIONE DI GRANO

24 DIAMETRO MEDIO DI GRANO Il diametro medio di grano rappresenta immediatamente la dimensione di grano Una linea di lunghezza nota viene tracciata su una micrografia Si conta il numero di grani intersecati Dal rapporto tra numero di grani intersecati e lunghezza della linea si ottiene n L d = C/n L M C = 1.5 (costante per metallografie tipo) M è l ingrandimento 3 inch, 5 grani

25 DIFETTI PLANARI DIFETTI DI IMPILAMENTO Spesso, particolarmente nelle strutture cristalline compatte ad alto numero di coordinazione (CFC ed EC), si osservano difetti nel modo di impilamento dei piani. Questi piani hanno una struttura corretta, ma si susseguono senza rispettare l'ordine che loro compete. Ad esempio nei materiali CFC i piani compatti del tipo {111} sono impilati secondo una sequenza ABCABCABCABC. Un difetto di impilamento è costituito da una sequenza anormale, ad es. ABCABABC

26 DIFETTI PLANARI DIFETTI DI IMPILAMENTO Sia CFC che EC sono fortemente impacchettati ed hanno APF = 0.74 Il cristallo CFC è fortemente impacchettato nel piano (111), mentre EC nel piano (0001)

27 DIFETTI PLANARI DIFETTI DI IMPILAMENTO Differenze Strutturali tra EC e CFC Si consideri un piano di atomi (Piano A ) Piano A vuoto a vuoto b Un altro piano di atomi (piano B ) è posto sui vuoti a del piano A Piano A Piano B vuoto a vuoto b Il terzo piano di atomi è posto sui vuoti b del piano B (identico al piano A ) cristallo EC Il terzo piano di atomi è posto sui vuoti a del piano B. Si ottiene un terzo piano C cristallo CFC Piano A Piano B Piano A Piano A Piano B Piano C

28 DIFETTI PLANARI GEMINATI Geminato: regione nella quale si ha l immagine speculare della struttura dall altra parte del bordo (la struttura ABCABCABC... passa alla struttura simmetrica CBACBACBA... seguendo la sequenza ABCABCABCBACBACBA...) Formati durante la deformazione plastica e la ricristallizzazione Piano di geminato Geminato

29 DIFETTI PLANARI BORDI A BASSO ED ALTO ANGOLO DI INCIDENZA Quando la disposizione di una dislocazione a spigolo è orientata in modo che sembra disorientare o inclinare 2 regioni del cristallo si forma un difetto bidimensionale chiamato bordo a basso angolo di incidenza. L angolo di disorientamento è < 10. Se l orientazione è maggiore di 20, il bordo viene considerato un generale bordo grano.

30 METALLOGRAFIA Per osservare i bordi di grano, il provino di metallo deve essere montato per essere maneggiato facilmente Il provino dovrebbe essere poi levigato e pulito con differenti gradi di carte e soluzioni abrasive La superficie viene poi attaccata chimicamente Si producono solchi minuscoli ai bordi di grano I solchi non riflettono intensamente la luce. Per questo vengono osservati al microscopio ottico

31 EFFETTO DELL ATTACCO CHIMICO Acciaio non attaccato 200 X Acciaio attaccato 200 X Ottone non attaccato 200 X Ottone attaccato 200 X

32 L OSSERVAZIONE MICROGRAFICA Come facciamo ad osservare la microstruttura? Osservazione micrografica Occorre preparare il campione: 1. Taglio 2. Inglobamento 3. Preparazione 4. Osservazione Il taglio è un momento delicato della preparazione del provino, occorre separare la zona di interesse senza alterarla e/o modificarne la microstruttura. In genere si adopera un tipo di taglio abrasivo su macchinari speciali. Sistema di raffreddamento della zona di taglio

33 L OSSERVAZIONE MICROGRAFICA I provini da osservare al microscopio (Ottico - SEM - TEM - AFM) sono spesso troppo piccoli per poter essere adoperati tal quali; occorre dunque rendere più agevoli le operazioni di lucidatura e osservazione inglobando i provini in dei cilindri di materiale polimerico opportunamente scelto.

34 L OSSERVAZIONE MICROGRAFICA I provini, una volta inglobati, vanno preparati; la preparazione consiste di due fasi: Una fase di levigatura, in cui la superficie del provino viene portata a rugosità prossima allo zero con una serie di cicli di levigatura su carte abrasive via via più fini, fino ad arrivare ad adoperare polvere di diamante su dei panni di feltro in bagno d acqua; La fase successiva è quella dell attacco chimico, in cui il provino è attaccato sul lato lucidato da una soluzione corrosiva che consuma in modo rapido i bordi dei grani mettendo in evidenza le caratteristiche morfologiche.

35 L OSSERVAZIONE MICROGRAFICA Metallografia di un rivetto della chiglia dell RMS Titanic (materiale: acciaio; inclusioni: ossidi di silicio)