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STM Introduzione I materiali sono le sostanze con cui sono composti o realizzati gli oggetti che ci circondano. Sono stati fondamentali e lo sono ancora, per soddisfare le necessità dell’uomo e migliorare la qualità della vita: molti materiali sono nati per questo. A testimoniare ciò sono le epoche,...

STM Introduzione I materiali sono le sostanze con cui sono composti o realizzati gli oggetti che ci circondano. Sono stati fondamentali e lo sono ancora, per soddisfare le necessità dell’uomo e migliorare la qualità della vita: molti materiali sono nati per questo. A testimoniare ciò sono le epoche, i quali nomi, sono dedicati al materiale “scoperto”: - Età della pietro; - Età del Bronzo - Età del ferro; - Età del rame; Le più “antiche” fino ad arrivare alle più moderne contemporanee: - Silicio - Bioplastiche - compositi La particolarità è che il primo gruppo di materiali è il gruppo “naturale”, ovvero l’unico di cui l’uomo poteva farne uso: questi materiali coprono milioni di anni. Il secondo gruppo invece è nato in 150 anni, questo vuol dire che la disponibilità dei materiali è cresciuta enormemente e con essa le opportunità di progresso tecnologico. Inoltre il primo gruppo doveva soddisfare le esigenze primarie, mentre il secondo le esigenze evolute: offrire delle soluzioni innovative ai problemi del tempo. Il seguente grafico mostra, appunto, come dal 1900 ci sia una crescita quasi esponenziale dei materiali: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Classificazione materiali I materiali si possono distinguere secondo diversi criteri: 1. Natura Chimica 2. Uso finale a. Strutturali→ Possiedono proprietà di natura meccanica, per realizzare strutture stabili; b. Funzionali→ svolgono funzioni, in risposta ad uno stimolo esterno. 3. Ordine delle particelle di cui sono composti: a. Cristallini→ disposizione ordinata; b. Amorfi→ disposizione disordinata 4. Tecnologia produttiva; 5. Proprietà elettriche: a. Conduttori; b. Isolanti; c. Semiconduttori. Natura chimica Secondo la natura chimica del materiale possiamo trovare: 1. Materiali Metallici 2. Ceramici 3. Materiali Polimerici Materiali metallici Sono quei materiali composti da metalli o leghe metalliche, ovvero miscele di due metalli o di un metallo ed un non metalli. Si distinguono due tipi di materiali metallici, i quali differiscono dal tipo di metallo o lega, in particolare: 1. Composti da Fe e le sue leghe, le più diffuse sono l'acciaio e la ghisa: entrambe leghe formate dal ferro e dal carbonio; 2. Composti da metalli che non siano il ferro e le loro leghe, i più diffusi sono: a. Rame b. Stagno c. Zinco d. Cobalto E le loro leghe, le quali più diffuse sono quelle del a. Alluminio→ leghe leggere b. Titanio c. Bronzo→Rame+Stagno d. Ottone→ Rame+Zinco Proprietà Questi materiali hanno tutti proprietà comuni: 1. Duttilità e malleabilità: possono dar luogo a prodotti con geometrie complesse; 2. Durezza e resistenza; Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  3. Conducibilità del calore e dell’elettricità; 4. Opacità e lucentezza; 5. Soggettività a corrosione: deriva e dipende dal fatto che interagiscono con l’ambiente circostante. Materiali Ceramici Essi comprendono i materiali inorganici non metallici, essi si dividono in: 1. Tradizionali come: a. Stoviglie b. Vasi e anfore c. Statue; 2. Speciali, con proprietà ottimizzate per applicazioni di nicchia: a. Aeronautica; b. Elettronica 3. Vetri 4. Leganti, come il cemento; 5. Lapidei, come le pietre naturali. Proprietà Le proprietà comuni sono: 1. Fragilità→ essi hanno elevata durezza ma fragilità; 2. Stabilità chimica→ come ad esempio il vetro, non reagisce con composti chimici; 3. Resistenza a temperature elevate; 4. Isolanti termici ed elettrici. Questo perché essi hanno tutti strutture simili. Materiali polimerici Materiali costituiti da lunghe catene o reticolare di molecole contenenti carbonio, essi sono le principali materie plastiche le quali: Polietilene [PE] → può avere diverse strutture, quindi proprietà diverse: ○ PE-HD→ caratterizzato da una forte rigidità utilizzato per giostre o flaconi; ○ PE-LD→ caratterizzato da una forte flessibilità, utilizzato per tubi di irrigazione. Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  Polipropilene [PP] → il quale viene impiegato per diversi utilizzi come: ○ Abbigliamento sportivo; ○ Sedie da design; ○ Giocattoli; ○ Moquettes; ○ Casette da giardino. Polietilentereftalato [PET] → Utilizzato per: ○ Bottiglie per bibite; ○ Barattoli alimentari; ○ Contenitori per alimenti. Polivinilcloruro [PVC]→ caratterizzato da rigidezza e trasparenza per: ○ Infissi di porte e finestre; ○ Tubazioni per fognature; ○ Pavimentazioni per interni; Polistirene [PS] → utilizzato per: ○ Piatti monouso; ○ Contenitori per imballaggio; ○ Vaschette per uso alimentare. Proprietà Le proprietà di essi sono: 1. Bassa densità: leggeri; 2. Flessibilità; 3. Resistenza meccanica limitata; 4. Bassa stabilità termica: non resistono alle alte temperatura; 5. Isolanti termici; 6. Inerti→ non interagiscono con ambienti chimici e sono soggetti ad invecchiamento: foto ossidazione, interagiscono con i raggi UV del sole e scoloriscono. Un'ulteriore categoria è detta Materiali Compositi Materiali Compositi Sono combinazioni di due o più materiali precedentemente citati, per la formazione di un prodotto con caratteristiche migliori dei materiali di precedenza. Sono composti da: - Matrice→ fase continua - Rinforzo→ fase dispersa, in cui si dispongono: - Fibre; - Particelle; - Laminati. Il composto risultante presenta una combinazione ottimale delle caratteristiche di matrice e rinforzo. TORCHIS Questo è il primissimo materiale composito della storia ed è formato da: - Matrice→ Fango/terra argillosa, la quale conferisce resistenza a compressione ma fragilità [Materiali Ceramici]; Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  - Rinforzo→ Paglia/ fibra vegetali, le quali conferiscono resistenza a trazione. Tutti i materiali di questo tipo sono detti Fibrorinforzati. VETRORESINA Formato da: - Matrice Polimerica→ Resina epossidica, la quale conferisce leggerezza ma fragilità; - Rinforzo Ceramico→ Fibre vetro, che garantiscono resistenza a compressione. Essa è utilizzata per: - Scafi delle navi; - Piscine. CLS ARMATO Esso è composto da: - Matrice Ceramica→Calcestruzzo, la quale conferisce resistenza a compressione; - Rinforzo metallico→Barre di acciaio, le quali conferiscono resistenza a trazione. CFREP (Carbon fiber reinforced polymer) Sono utilizzati per ripristini e consolidamento sia in strutture in cls armato che di mura storiche, sono composti da: - Matrice Polimerica→ resina epossidica, conferisce leggerezza ma fragilità; - Rinforzo ceramico→ fibre di carbonio che conferiscono resistenza a compressione Proprietà dei materiali Le proprietà dei metalli possono essere messe in corrispondenza in istogrammi per comprendere meglio l’applicazione ottimale dei singoli materiali. Densità Dal grafico si può notare come Materiali metallici e ceramici siano nella parte più alta, a differenza dei polimeri e compositi che si trovano nella parte più bassa: La scala utilizzata è una scala Logaritmica. Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Rigidità Dal grafico si nota che, a differenza della densità, anche i Compositi si trovano nella parte alta insieme a metallici e ceramici. I polimeri si trovano nella parte bassa del grafico. Resistenza a trazione Come mostra il grafico, l’andamento è esattamente come il grafico relativo alla rigidità: Tenacità a frattura La tenacità a frattura è la quantità di energia assorbita prima della rottura del materiale, si può vedere come i materiali metallici siano nella parte alta, insieme ai compositi, mentre i polimeri e ceramici sono nella parte bassa: ogni materiale fragile non assorbe energia prima di rompersi. Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Conducibilità elettrica Come già detto i metalli sono conduttori, mentre i ceramici e polimerici sono isolanti. Vi è inoltre una categoria in più: i semiconduttori, essi conducono elettricità. Da tutti questi grafici si evince come i materiali compositi siano leggeri ma resistenti. Definizione Le proprietà sono il modo in cui un materiale risponde ad un determinato stimolo, quindi a seconda dello stimolo si possono avere proprietà: - Meccaniche→ se agiscono su un materiale un sistema di forze meccaniche; - Fisiche→ le quali misurano il comportamento di un materiale in corrispondenza di stimoli che: - Fuoco; - Luce; - Campo elettrico; - Campo magnetico - Chimiche→ caratterizzano le capacità del materiale di conservarsi nell’ambiente in cui opera. Composizione-Struttura-Proprietà Le proprietà dipendono da: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  - Composizione chimica; - Struttura→ essa è il modo in cui le particelle sono disposte/sistemate/ordinate nello spazio, per determinare vi sono diversi ordini di grandezza/zoom: 1. Struttura subatomico→ la più zoomata, in cui si evidenziano le particelle subatomiche; 2. Struttura atomica→ si evidenziano atomi e molecole disposte nello spazio, si evidenziano inoltre i legami; 3. Nanostruttura; 4. Microstruttura→ si vede solo dal microscopio ottico: si notano le singole fasi o particelle che costituiscono il sistema; 5. Macrostruttura→ ciò che si nota ad occhio nudo. Ogni livello fornisce informazioni fondamentali per comprendere e prevedere il comportamento del materiale. Si nota come la composizione chimica del materiale non basta per prevedere il comportamento del materiale, ecco due esempi: Oltre alla composizione chimica e struttura sono molto importanti e dipendono gli uni dagli altri anche: - Processo di fabbricazione→ il quale influenza la struttura; - Prestazione→ definita dalle proprietà. Esse sono tutte correlate, e per variarne una bisogna modellare tutte. Struttura e geometria dei solidi ideali Premesse: - Materia→ è tutto ciò di cui sono composti gli oggetti ed ha una massa; - Gli stati della materia→ essi sono tre e dipendono dalle condizioni esterne: T e P - Solido - Liquido - Gassoso Gli ultimi due sono categorizzati Fluidi. Ciò che differenzia tra i tre tipi di stato sono le forze intermolecolari che legano le particelle di cui sono composti i singoli oggetti, in particolare: - I solidi hanno forze intermolecolari molto forti; - I gas hanno particelle indipendenti le une dalle altre. Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Solidi cristallini e solidi amorfi Confronto tra solidi cristallini e amorfi Solidi Cristallini Solidi amorfi Definizione Le particelle costituenti Le particelle costituenti (atomi,molecole o ioni) sono (atomi,molecole o ioni) sono disposte nello spazio in maniera disposte nello spazio in maniera disordinata. Si dicono ad ordine a ordinata, in particolare regolare e corto raggio SRO [Short ray order]; ripetitiva. Si dicono a ordine a lungo raggio LRO [Long ray order]; Esempi Metalli Polimeri Leghe metalliche Vetri Ceramici Ceramici Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  Caratteristiche 1.Termodinamicamente 1.Metastabili→termodinamicament e non stabili→ allo stato cristallino dovrebbero esistere, corrisponde un livello minimo diesistono solo come fasi intermedio energia. tra due sistemi stabili: la conversione nei rispettivi sistemi è 2.Temperatura di fusione netta: talmente lenta che si ha una essa rimane costante fino a stabilizzazione di essi. quando ogni singola particella viene convertita: 2.Temperatura di fusione non ben definita: si parla anche di temperatura di rammollimento: 3.Anisotropia→ le proprietà di un 3.Isotropia→ le proprietà di un materiale dipendono dalla materiale non variano a seconda direzione lungo la quale vengono della direzione lungo la quale misurate. vengono misurate. 4.Spettro di diffrazione a RX→ 4.Spettro Di diffrazione a RX→ presenza di picchi caratteristici non presenta picchi caratteristici Solidi cristallini Per potersi disporre le particelle nei composti cristallini bisogna tener conto di cosa vuol dire insieme ordinato di oggetti→ un insieme è ordinato se possiede la proprietà di simmetria, intesa come un’operazione [rotazione o traslazione] che muove o trasforma un oggetto lasciando però inalterato l’aspetto di esso. Se un solido è ordinato è possibile sostituire ad ogni suo atomo o insieme di atomi un punto, ottenendo così, un reticolo cristallino. Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Reticolo cristallino Per rappresentare un reticolo cristallino bisogna individuare una Cella Elementare→ porzione di reticolo che racchiude nella sua geometria tutte le informazione utili a riprodurre per traslazione l’intero reticolo [individuare le coordinate del punto reticolare]: - 2D→ vi è bisogno di 3 parametri: - 2 lati [a e b]; - 1 angolo compreso tra i due lati [A]. - 2D→ vi è bisogno di 6 parametri: - 3 lati [a,b,c]; - 3 angoli [A,B,C]. Auguste Bravais ha dimostrato come tutti i solidi cristallini possano essere descritti da 7 sistemi cristallini, i quali procedono dal sistema con massima simmetria a quelli con minima simmetria: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Per ogni sistema è possibile identificare 4 reticoli, ma non sempre sono presenti tutti quanti: 1. Semplice→ nessun punto oltre ai vertici della cella; 2. A facce centrate→ un punto al centro di ogni faccia; 3. A corpo centrate→ un punto al centro della cella; 4. Con una faccia centrata→ un punto al centro delle due facce in una sola direzione In particolare: - Ortorombico ne possiede 4; [Foto] - Cubico ha 1,2,3; - Romboedrico ha solo quello semplice; - Esagonale ha 4; - Tetrangolare ha 1 e 3; - Monoclino ha 1 e 4; - Triclino ha solo quello semplice. Classificazione solidi cristallini In base alle forze, e quindi al tipo di legame, che tengono insieme le particella, i soldi possono definirsi: - Solidi reticolari→ vi è un legame primario [ionico,covalente e metallico] in una direzione del reticolo; - Solidi molecolare→ i punti all’interno del reticolo sostituiscono intere molecole, le quali vengono tenute insieme da legami secondari o intermolecolari, maggiormente le forze di Van der Waals. Solidi ideali Per poter parlare di solidi ideali bisogna apporre delle semplificazioni, ovvero bisogna presupporre che: 1. Le particelle siano uguali tra loro e riconducibili a sfere; 2. I legami siano puri; 3. Tutti i siti reticolari siano regolarmente occupati. Inoltre vi è bisogno di 2 parametri che definiscono il grado di compattezza di una struttura: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  1. Numero di Coordinazione [NC] → numero di particelle che circondano una particella scelta come campione e di cui è a contatto; 2. Fattore di Impacchettamento [FI] → rapporto tra il volume proprio degli atomi contenuti in una cella elementare e il volume della cella elementare che li contiene. Solidi ideali covalenti Il legame covalente è il legame nel quale vi è una compartecipazione degli elettroni del livello energetico più esterno, di valenza. Inoltre avviene tra due elementi con elettronegatività simile o uguale ed è direzionale→ è caratterizzato da vincoli geometrici dettati dagli orbitali degli atomi. Non vi sono strutture generali, bensì esistono caratteristiche comuni: 1. Temperatura di fusione molto alta→ questo perché il legame covalente è un legame forte, quindi per poterlo rompere vi è bisogno di una forte energia rappresentata dalla temperatura stessa; 2. Elevata durezza→ dovuta dal fatto che il legame è direzionale, questo implica anche un’estrema fragilità; 3. Isolanti o semiconduttori 4. Insolubili in acqua Tutte queste proprietà derivano dalle strutture reticolari. Forme allotropiche del carbonio Il carbonio ha una caratteristica chiamata allotropia→ possiede forme cristalline differenti: - Ibridazione sp3 - Ibridazione sp2 Ibridazione sp3 L’ibridazione è la ridistribuzione degli elettroni di valenza negli orbitali p. Questa ibridazione in particolare, fa in modo che ci siano 4 orbitali ibridi sp3., il che conferisce al carbonio una geometria tetraedrica con angoli costanti e fissi: 109,5°. Il diamante possiede questa struttura, da essa derivano le sue proprietà: 1. Temperatura di fusione molto alta; 2. Elevata durezza e rigidità; Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  3. Isolante elettrico: non essendoci elettroni liberi, questi non si muovono e non creano energia elettrica; 4. Brillantezza: non essendoci elettroni liberi tutta la luce che colpisce il diamante viene riflessa; 5. Elevata conducibilità elettrica; 6. Densità: δ = 3, 51 𝑔/𝑐𝑚3. Ibridazione sp2 Nell’ibridazione sp2 si formano 3 orbitali sp2 e 1 orbitale p non ibridato. Questo conferisce al carbonio una struttura stratificata tra gli orbitali ibridi e con un orbitale p che mette in correlazione i singoli strati, tramite legami di Van der Waals. La grafite è un materiale anisotropo, la quale è la caratteristica principale. Le altre: - Opaco→ per via dell’orbitale p non ibridato, il quale elettrone assorbe la luce; - Densità→ δ = 2, 26 𝑔/𝑐𝑚3. Altre forme allotropiche del carbonio Le altre forme allotropiche sono: - Grafene→ strato monoatomico del C che conferisce al materiale: - resistenza meccanica forte; - conducibilità termica elevatissima. - Nanotubo→ strati di grafite arrotolati: - Fullereni→ carbonio disposto in modo ordinato in esagoni e pentagoni: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Solidi Ideali ionici Il legame ionico avviene tra elementi con elevata differenza di elettronegatività, dove l’atomo più elettronegativo strappa l’elettrone a quello meno elettronegativo, andando a formare anioni e cationi. Questo tipo di legame è non direzionale. Le caratteristiche dei solidi ideali ionici sono: - Temperatura di fusione elevatissima; - Solubili in acqua, poiché il legame ionico è polare; - Ottimi conduttori di corrente; - Anisotropia: Nella direzione d1 non è favorito lo sfaldamento: nel caso in cui viene sollecitato si frattura; lungo la direzione d2 vi è resistenza alla sollecitazione da taglio. Struttura Affinché si formi la struttura di questi solidi, ci sono delle regole da rispettare: 1. Vincolo di neutralità; 2. Rapporto tra i raggi ionici. Gli ioni, in un solido ionico, si dispongono in modo da rimanere stabili→ affinché avvenga ciò vi è un valore minimo o critico del rapporto dei raggi ionici, oltre il quale il solido non può andare: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Il numero di coordinazione dipende dal rapporto dei raggi ionici→ più aumenta il numero di coordinazione, maggiori sono gli anioni con cui il catione può stare a contatto. Questa è detta regola di Magnus: Dove la geometria delle lacune, indica lo spazio vuoti tra i cationi e anioni. Alcuni esempi di lacune: - 2D - 3D Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Solidi ideali metallici Il legame metallico prevede una schematizzazione in cui il reticolo è formato da cationi e da una nube di elettroni liberi, esso non è direzionale e non prevede nessun vincolo al livello di elettroneutralità. Le caratteristiche di questi solidi: - La temperatura di fusione molto alta, per via del legame forte; - Densità elevata, per via della grande compattezza; - Buona conducibilità elettrica e termica poiché vi è una grande libertà di movimento degli elettroni - Elevata duttilità→ per via della struttura del reticolo cristallino, infatti le forze che legano gli ioni una volta che il reticolo viene soggetto a tiratura o piegamento rimangono invariate, così come la nube di elettroni. Qui entra in gioco il fattore di impacchettamento dato, come già detto, dal rapporto tra il volume degli atomi contenuti in una cella elementare e il volume della cella stessa. Esso è un numero compreso tra 0 e 1 esclusi. Struttura I reticoli, secondo i quali, i metalli cristallizzano sono delle seguenti forme: - Cubico a corpo centrato [CCC]; [f.i=0,68] - Cubico a facce centrate [CFC]; [f.i=0,74] - Esagonale compatto [EC]. [f.i=0,74] Come si dispongono, secondo il modello delle sfere rigide, tali sfere per formare i reticoli: - Disposizione quadrata→ è la più classica [2D]: - Disposizione quadrata [3D] → si pone un piano sopra all’altro di sfere: Grazie a tale disposizione si va a formare la struttura cubica semplice Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  La quale è la meno compatta poiché ha il fattore di impacchettamento minore rispetto alle altre [0.52]. - DIsposizione quadrata espansa [3D] essa si ottiene facendo allontanare tra di loro le file A-A-A e si sovrappongono le sfere nello spazio vuoto [A-B-A-B] → dalla quale viene fuori la struttura cubica a corpo centrato [CCC]: - Disposizione esagonale, essa si ottiene facendo scorrere la riga inferiore e quella superiore→ Se si inseriscono delle sfere negli spazi vuoti C si forma la struttura cubica a facce centrate: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  Queste disposizioni sono le più compatte→ infatti il fattore di impacchettamento è 0,74: valore massimo Riepilogo: Solidi reali e difetti reticolari Per difetto reticolare si intende una mancanza di ordine, questi difetti non sono visti con accezione negativa bensì da essi derivano le proprietà di molti materiali. La concentrazione di questi difetti dipendono da: - condizioni in cui si forma il cristallo; - condizioni esterne a cui è sottoposto [temperatura e pressione ad esempio] I difetti si classificano per le dimensioni di questi: Puntiformi→ riguardano un singolo sito reticolare la cui dimensione è quella di un punto (0); Lineari→ si estendono lungo una direzione del reticolo, la cui dimensione è 1; Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  Planari o di superficie→ interessano tutta la superficie all’interno del reticolo con dimensione 2; Volumetrici→ interessano un’intera porzione all’interno del reticolo con dimensione 3. Difetti puntiformi Essi dipendono dalla natura di essi: 1. Natura fisica [intrinseci] ovvero il difetto deriva dal materiale stesso, essi sono: a. Vacanze→ posizioni reticolari non occupate da nessun atomo: interruzione della periodicità del reticolo; si muove mediante un processo di diffusione. b. Auto Interstiziale→ un atomo dello stesso elemento va ad occupare una posizione reticolare che non dovrebbe essere piena, essi si muovono o migrano mediante un meccanismo di diffusione interstiziale. 2. Natura chimica [estrinseci] ovvero il difetto deriva da elementi diversi, essi sono: a. Sostituzionali→ un atomo di un elemento diverso (soluto) che va ad occupare un sito del materiale ospitante (solvente); b. Interstiziali→ atomo di un elemento diverso che va ad occupare un posto che dovrebbe essere vuoto nel solvente. Essi sono in grado di migrare all’interno del cristallo: meccanismo di diffusione in grado di generare diverse proprietà; inoltre si va a generare una distorsione , la quale dipende dalla dimensione dell’atomo di soluto. Questo crea una riduzione dell'ordine ed un aumento dell’entropia. Esempi di difetti puntiformi sono: Leghe metalliche→ atomi di una certa natura all’interno di un reticolo metallico di differente natura; Drogaggio del silicio→ introduzione, all’interno del reticolo, di difetti costituzionali quali atomi di fosforo arsenico e boro: così facendo se ne modificano le proprietà, in particolare quelle di conducibilità elettrica. Difetti lineari Essi sono le dislocazione e si divide in: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected]  1. Dislocazione a spigolo→ si presentano quando uno strato supplementare di particelle (semipiano) si inserisce tra due strati adiacenti del reticolo (colorato diversamente nella figura, ma le particelle sono le stesse). Questo provoca una compressione dove è inserito il semipiano e una trazione nella parte sottostante; Lo spostamento degli atomi dalla loro posizione di equilibrio nella regione del cristallo circostante la linea di dislocazione aumenta l'energia interna del sistema; la presenza delle dislocazioni gioca un ruolo fondamentale in relazione alla duttilità dei materiali metallici: l’aumento dell’energia interna provoca una minore stabilità. 2. Dislocazione a vite→ alcuni strati di particelle sono spostati rispetto alla loro posizione normale di un'unità atomica. Si verifica durante la formazione del cristallo per uno sforzo di taglio che produce una torsione, per cui i piani reticolari si avvolgono a spirale lungo un asse (linea di dislocazione), formando una rampa elicoidale. Inoltre, si formano due gradini, che individuano lo spostamento degli atomi. Come nel caso precedente, la porzione del cristallo effettivamente distorta è limitata alla zona circostante la linea di dislocazione. Un esempio di difetti di linea: Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Difetti di superficie Essi sono detti bordi di grano→ la regione di separazione tra un grano cristallino e l’altro, e si considera un difetto perché in tale zona di confine si perde quell’ordine presente all’interno del singolo grano, e le forze di legame tra gli atomi sono più deboli. Si considera l’origine di una lega→ si parte da una parte fusa e si procede con una separazione: Avviene in due fasi: - Nucleazione→ formazione di nuclei quando la temperatura è circa quella di fusione, essi iniziano ad avvicinarsi gli uni agli altri - Accrescimento→ una volta che essi si avvicinano raggiungono una dimensione critica: si accrescono ed entra a far parte del grano. Scienza e tecnologia dei materiali - A.A. 2023/2024, [email protected] Vi possono essere due tipi di nucleazione: 1. Nucleazione omogenea→ avviene in un metallo fuso quando esso fa sì che gli atomi forniscono dei nuclei, tale nucleazione richiede, di solito, un notevole sotto- raffreddamento rispetto alla temperatura di solidificazione di equilibrio, in alcuni metalli può raggiungere anche parecchie centinaia di gradi. 2. Nucleazione eterogenea→ avviene in un metallo liquido sulle pareti del suo contenitore oppure su impurezze insolubili che abbassano l’energia libera necessaria per la formazione di un nucleo stabile. Poiché tale energia è più bassa rispetto a quella richiesta durante una nucleazione omogenea, la formazione di nuclei stabili richiede sotto raffreddamenti molto minori. La presenza e le dimensioni dei bordi di grano influenzano le proprietà meccaniche del metallo, in particolare anche la capacità di corrosione intergranulare. Essi impediscono il movimento delle dislocazioni: più sono presenti i bordi di grano e più il metallo è resistente e meno duttile. La dimensione dei bordi di grano dipendono dalla velocità con cui si raffredda la parte fusa: 𝑉𝑅 >>→ vi sono tanti grani ma piccoli, avviene per via di una nucleazione veloce: tali 𝑉𝑅