DIFETTI RETICOLARI

1. DIFETTI RETICOLARI Zerodimensionali — Difetti Puntiformi: atomi mancanti o situati in posizioni fuori dalla regolarità reticolare (vacanze, interstiziali); Unidimensionali — Difetti lineari: gruppi di atomi in posizioni non regolari rispetto al reticolo cristallino (dislocazioni a spigolo e a vite); Bidimensionali — Difetti Planari: interfacce fra regioni omogenee del materiale (bordi di grano, superfici esterne); Tridimensionali — Difetti Volumetrici: difetti di tipo esteso (vuoti, cricche).

2. DIFETTI PUNTIFORMI I difetti puntiformi possono riguardare o atomi in difetto rispetto alla struttura reticolare considerata, oppure in eccesso. Si dice “vacanza” una posizione reticolare mancante di un atomo e pertanto “vuota”. Si dice “interstiziale” un atomo situato nello spazio compreso fra gli atomi occupanti normali posizioni reticolari. Tale atomo può essere dello stesso elemento del cristallo ospitante, e si dirà allora autointerstiziale, oppure un’impurezza di un altro elemento. Numero di vacanze reticolari all’equilibrio Ad una certa T : Dove n= numero vacanze N= numero atomi Ev = energia attivazione vacanza

3. 1. vacanza; 2. autointerstiziale; 3. atomo interstiziale; 4. atomo sostituzionale di dimensioni minori delle dimensioni dell’elemento che costituisce la matrice; 5. atomo sostituzionale di dimensioni maggiori delle dimensioni dell’elemento che costituisce la matrice. NOTA: Le frecce rappresentano il verso degli sforzi locali introdotti dalla presenza dei difetti.

4. Soluzioni solide • Le soluzioni solide sono formate da una matrice di atomi (solvente) in cui sono presenti atomi di un secondo elemento (soluto). La quantità massima di soluto che può essere presente in condizioni d’equilibrio è detta solubilità. • Le soluzioni solide sono omogenee su larga scala. Nella matrice di atomi di solvente gli atomi di soluto occupano posizioni o reticolari o interstiziali. Nel caso in cui gli atomi di soluto occupino posizioni reticolari parleremo di soluzioni solide sostituzionali, se essi occupano posizioni interstiziali le diremo soluzioni solide interstiziali. • C’è inoltre la possibilità che gli atomi di soluto formino composti chimicamente stabili con gli atomi di solvente chiamati “seconde fasi”. SOLUZIONI SOLIDE SOSTITUZIONALI L’atomo di soluto occupa posizioni reticolari. Se gli atomi di soluto sono disposti in maniera ordinata si parla di s.s. ordinate, altrimenti di s.s. disordinate

5. Regole di Hume-Rothery • Dimensioni atomiche: per non creare eccessivi sforzi sul reticolo, i due elementi non devono avere dimensioni eccessivamente diverse. In particolare il soluto non deve avere un raggio atomico che differisca per più del 15% da quello del solvente. • Strutture cristalline: le strutture cristalline di soluto e solvente puri devono essere quanto più simili possibile, ovvero devono essere la stessa. • Elettronegatività: le elettronegatività delle due specie di atomi devono essere quanto più simili possibile. In caso contrario sarà maggiore la probabilità che si creino composti ionici e non soluzioni sostituzionali. • Valenza: le valenze degli atomi devono essere quanto più simili possibili.

6. Soluzioni solide interstiziali Importanza delle dimensioni atomiche. le strutture metalliche sono molto dense e gli spazi vuoti nei reticoli BCC, FCC e HCP sono molto piccoli. E’ necessario quindi che gli atomi di soluto abbiano raggi atomici molto piccoli. I principali atomi interstiziali sono infatti l’idrogeno, il boro, il carbonio e l’azoto. FCC ottaedriche (½, ½, ½) e (½, 0, 0) (¼, ¼, ¼) FCC tetraedriche BCC tetraedriche (½, ¼, 0), BCC ottaedriche (½, 0, 0) e (½, ½, 0) + centro facce

7. DIFETTI LINEARI – TEORIA DELLE DISLOCAZIONI La presenza di difetti lineari è stata teorizzata analizzando la differenza fra le tensioni reali e teoriche necessarie per indurre deformazioni plastiche in un materiale, ovvero per indurre scorrimento fra piani reticolari adiacenti di un cristallo. Proviamo a calcolare la tensione critica necessaria per innescare moti di scorrimento di un piano reticolare su un altro in un cristallo ideale. per piccoli spostamenti In campo elastico tmaxsperimentale =

8. ‘Una dislocazione è un difetto di linea che separa una regione deformata del cristallo dalla restante regione indeformata’ Dislocazione a spigolo Movimento di una dislocazione a spigolo

9. Una dislocazione è caratterizzata da due grandezze: la linea di dislocazionee il vettore di Burgers, b. La linea di dislocazione identifica la presenza dei difetti che danno origine alla dislocazione stessa, il vettore di Burgers rappresenta la direzione, l’entità e verso della deformazione associata alla dislocazione. circuitazione di Burgers

10. bparallela alla Linea dislocazione b perpendicolare Linea dislocazione

11. Dislocazioni miste: Dislocazioni a spigolo: Dislocazioni a vite: Difetti lineari: DISLOCAZIONI

12. Sforzi associati ad una dislocazione • La presenza di difetti implica una certa distorsione del reticolo cristallino, con zone di compressione o di trazione o di sforzi di taglio. Una dislocazione a spigolo è caratterizzata soprattutto da sforzi di trazione (+) e di compressione (-), quella a vite esclusivamente da sforzi di taglio.

13. Comportamento delle dislocazioni come ‘cariche elettriche’ richiamo di atomi/impurezze interstiziali

14. , Sistemi di scorrimento Le dislocazioni si muovono su piani privilegiati (piani di scorrimento) e direzioni provilegiate (direzioni di scorrimento). L’insieme dei piani di scorrimento e deille direzioni di scorrimento si chiamano SISTEMI DI SCORRIMENTO. I piani e le direzioni coincidono con quelle rispettive di massimo addensamento atomico. Lo scorrimento (dal termine glide) identifica il moto delle dislocazioni in assenza di ostacoli. In presenza di ostacoli le dislocazioni attivano altri tipi di moto energeticamente meno favoriti, come ad esempio: moti di climb (non conservativo) per le dislocazioni a spigolo e moti di cross-slip (conservativo) per quelle a vite. 6{110} X 2 111 = 12 S.S. primario 4 {111} X 3110 = 12 S.S. primario 1{0001} X 3 = 3 S.S.primario

15. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Energia di una dislocazione Deformazione: Sforzo di taglio: Energia elastica del tubo per unità di lunghezza: Distorsione del cristallo nelle vicinanze di una dislocazione a vite. E  L tendono ad essere rettilinee E b2 b tende ad essere minimo

16. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Forza agente su una dislocazione Lavoro della forza di taglio alla fine della deformazione: Lavoro della forza agente sulla dislocazione: Dall’eguaglianza dei due lavori si ottiene: Forza ortogonale alla linea di dislocazione

17. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Moti di scorrimento (GLIDE) Interessano tutte le tipologie di dislocazioni Dislocazioni a spigolo Dislocazioni a vite Dislocazione a spigolo: VB ortogonale alla linea di dislocazione, moto parallelo a VB Dislocazione a vite: VB parallelo alla linea di dislocazione, moto ortogonale a VB Dislocazione mista: nelle zone a carattere a spigolo il moto è parallelo a VB, in quelle a carattere a vite è ortogonale.

18. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Il moto di puro scorrimento si ha solo in casi ideali. Presenza di ostacoli e di difetti nelle dislocazioni portano ad una maggiore difficoltà e complessità dei moti delle dislocazioni.

19. Difetti lineari: DISLOCAZIONI CROSS SLIP. Moto conservativo DISLOCAZIONI a VITE La mobilità delle dislocazioni a vite è molto maggiore di quella delle dislocazioni a spigolo Non c’è più il vincolo di perpendicolarità fra direzione della dislocazione e vettore di Burgers Una dislocazione in S ha la possibilità di procedere nel piano (111) o nel piano (1-11)

20. Difetti lineari: DISLOCAZIONI CLIMB. Moto non conservativo (attivato con la temperatura) Proprio delle dislocazioni a spigolo Termicamente attivato 100 – 1000 volte meno “facile” dello scorrimento

21. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Intersezione di 2 dislocazioni Movimento delle dislocazioni: Intersezione di 2 dislocazioni Formazione di un difetto Kink: Gradino contenuto nel piano di scorrimento. Jog: Gradino perpendicolare al piano di scorrimento.

22. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Sorgenti di dislocazioni: un metallo sottoposto a sforzo aumenta la propria densità di dislocazioni. Meccanismo di generazione di dislocazioni:

23. Difetti lineari: DISLOCAZIONI Superamento di ostacoli: Con gli stessi meccanismi le dislocazioni sono anche in grado di superare difetti puntiformi, lasciando solamente un anello intorno al difetto:

25. DIFETTI PLANARI BORDI DI GRANO. I bordi di grano sono regioni di ‘saldatura’ tra i diversi cristalli componenti il materiale e sono zone di esiguo spessore ad alta distorsione reticolare. Normalmente, in virtù di tali distorsioni, i bdg sono regioni più resistenti meccanicamente del resto del cristallo. GEMINATI. La geminazione si riferisce allo scorrimento di piani reticolari per entità inferiore al passo reticolare ed è tipica dei reticoli esagonali. Nei reticoli FCC si può verificare al massimo per “errori” di impilamento dei piani reticolari. Il piano si dice geminato in quanto è un piano di riflessione per la struttura. Tali difetti possono essere importanti nella deformazione plastica a bassa temperatura (in cui è favorito rispetto allo scorrimento). DIFETTI VOLUMETRICI : microvuoti, microcricche