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Corso di Metallurgia Difetti reticolari  DIFETTI RETICOLARI I materiali metallici reali presentano un certo numero di difetti reticolari. Questi difetti modificano il regolare posizionamento nello spazio degli atomi. I difetti reticolari influenzano sensibilmente le proprietà dei...

Corso di Metallurgia Difetti reticolari  DIFETTI RETICOLARI I materiali metallici reali presentano un certo numero di difetti reticolari. Questi difetti modificano il regolare posizionamento nello spazio degli atomi. I difetti reticolari influenzano sensibilmente le proprietà dei metalli… non sempre in modo negativo (es. influenzano la deformabilità della lega, facilitano la diffusione allo stato solido, etc). 2 I difetti reticolari possono essere suddivisi in: - Difetti di punto (es. vacanze e atomi interstiziali) - Difetti di linea o difetti 1D (i.e., dislocazioni) - Difetti di superficie o difetti 2D (es. bordi di grano) - Difetti di volume o difetti 3D (es. difetti d’impilamento e difetti macroscopici: pori, cricche, inclusioni). Atomi interstiziali e loro diffusione Esempi di difetti di punto 3 Difetti di Punto: vacanza reticolare La mancanza di un atomo in una delle posizioni reticolari viene detta vacanza. Tutti i solidi contengono vacanze… è impossibile ottenere un solido completamente esente da vacanze. Le vacanze possono essere utili o dannose. Sono viste positivamente quando interessa promuovere i processi diffusivi per limitare i gradienti di concentrazione in diverse zone del pezzo (fenomeni che tendono a omogeneizzare la composizione chimica). Sono visti negativamente nei casi in cui causano riduzioni di proprietà meccaniche, soprattutto nelle applicazioni ad alta temperatura. 4 Il numero di vacanze reticolari, Nv cresce con la temperatura. 5 Difetti di Punto: atomi interstiziali e sostituzionali Gli atomi interstiziali sono atomi posizionati in spazi che in un reticolo ideale sarebbero vuoti (i.e., interstizi). L’atomo interstiziale è più grande dello spazio a disposizione → introduce una distorsione del reticolo. Gli atomi sostituzionali sono atomi diversi dall’elemento che caratterizza il materiale (solvente), che vanno a sostituirsi ad esso. NB: anche in questo caso si produce una deformazione del reticolo. 6 NB: attenzione alla terminologia! - Anche i metalli cosiddetti “puri” contengono sempre delle piccole quantità di impurezze (atomi estranei), misurate in ppm. - Nelle leghe gli elementi vengono aggiunti intenzionalmente. In tal caso sono chiamati alliganti e misurati in percentuale in peso. - In base all’elemento di lega (i.e., alligante) e alle quantità aggiunte al metallo si possono avere 3 casi: 1) Soluzioni solide: l’elemento 2) Composti: gli atomi si dispongono aggiunto è solubile nel reticolo ordinati e in rapporto stechiometrico del metallo base 3) Immiscibilità: gli elementi A e B rimangono separati nella lega. 7 Soluzioni solide: Sostituzionali: gli atomi di soluto vanno in sostituzione a quelli del solvente in posizioni ordinarie del reticolo. Interstiziali: gli atomi di soluto vanno a disporsi negli interstizi del reticolo del solvente. 8  Quando soluzioni solide interstiziali e quando sostituzionali? Dobbiamo considerare i raggi atomici dei diversi elementi. Nel caso degli acciai (il ferro è il solvente): RFe= 0,124 nm RCr= 0,125 nm Raggi atomici confrontabili → soluzioni sostituzionali Fe-Cr o Fe-Mn. RMn= 0,126 nm RC = 0,077 nm Raggi atomici molto diversi → soluzione interstiziale di Fe-C. 9  Esempi di soluzioni solide sostituzionali NB: le frecce verdi indicano zone del reticolo sottoposte a compressione e quelle rosse in trazione. 10  Esempi di soluzioni solide sostituzionali Esempio di una soluzione solida di ferro, carbonio e altri elementi di lega → acciaio. Solvente: Fe. Elementi di lega: Mn, Cr, Ni, Si, C. Solo il C è in posizione interstiziale (atomo molto + piccolo del Fe). 11 Difetti di linea - Una dislocazione è un difetto lineare attorno a cui gli atomi sono fuori posto e che può spostarsi nel reticolo sotto l’azione di sforzi applicati. (NB: è il loro movimento a rendere possibile la deformazione plastica). - Esistono 3 tipi differenti di dislocazione: a spigolo, a vite, miste. Dislocazione a spigolo Vettore di Burger Asse della dislocazi one a spigolo Vettore di Burgers, b: definisce l’ampiezza e la direzione della distorsione del reticolo. 12 Il difetto è centrato intorno alla linea in corrispondenza dell’estremità del semipiano di atomi aggiunto denominato asse della dislocazione (per le dislocazioni a spigolo tale linea è perpendicolare al piano del foglio). Piano di scorrimento Piano di scorrimento Tipi di dislocazioni a spigolo: Positiva (Ʇ): quando il semipiano è situato sopra quello di scorrimento. Negativa (Τ): quando il semipiano è situato sotto quello di scorrimento. 13  Esempio di dislocazione a spigolo positiva e schematizzazione delle zone del reticolo interessate da sollecitazioni che causano deformazioni localizzate 14 Dislocazione a vite Asse della dislocazione Vettore di Burger 15 Dislocazioni miste Sono dislocazioni che presentano caratteristiche comuni a quelle a spigolo e a vite. → La maggior parte delle dislocazioni che si trovano in un materiale cristallino sono miste. 16 Difetti di superficie Bordi di grano: passando dal «molto piccolo» (atomi e distanze inter-atomiche) al «piccolo» (grano cristallino) troviamo i bordi di grano che sono disomogeneità di posizionamento degli atomi lungo le superfici tra grano e grano, formate durante la solidificazione. Reticolo cristallino Grano cristallino contenente una con all’interno dislocazione numerosissime dislocazioni 17  Esempi di microstrutture (grani cristallini) CuZn42: ottone (lega di rame) 6061: lega di alluminio (razza di un cerchio forgiato) NB: la dimensione dei grani cristallini nelle leghe metalliche di uso comune è generalmente compresa tra 10 e 100 m. 18 Difetti di superficie - In corrispondenza dei bordi grano la densità atomica è inferiore e questo facilita i fenomeni diffusivi. Diffusione di atomi interstiziali in reticolo ideale (alta temperatura) 19 Difetti di volume 1) Difetti di impilamento: difetto di volume microscopico dovuto all’irregolarità nella sequenza di impilamento dei piani atomici. Struttura CFC Manca un piano B Struttura HCP (EC) Struttura CFC 20 Difetti di volume 2) Porosità e inclusioni non metalliche: difetti di volume macroscopici prodotti in fase di solidificazione, la cui forma e distribuzione può essere modificata nelle fasi di lavorazione Porosità da ritiro Inclusioni non metalliche Sia la mancanza di materiale (porosità), che le inclusioni non metalliche sono considerati difetti del materiale, che producono una riduzione delle caratteristiche meccaniche (es. l’elevata porosità e la presenza di ossidi di grandi dimensioni in genere producono una diminuzione della resistenza e della duttilità della lega metallica). 21