Appunti di Scienze dei materiali

DIFETTI NEL RETICOLO CRISTALLINO

ATOMI INTERSTIZIALI MONODIMENSIONALI (perché riguardano un'intera linea all'interno del reticolo): le DISLOCAZIONI; BIDIMENSIONALI (BORDI DI GRANO); TRIDIMENSIONALI (INCLUSIONI, ZONE AMORFE, PRECIPITATI, PORI). Queste tipologie di difetti sono sempre presenti all'interno dei materiali reali, presenti nelle diverse tipologie.

DIFETTI PUNTUALI

Nel momento in cui consideriamo un materiale reale, il reticolo può presentare delle posizioni vuote, che prendono il nome di vacanze. All'interno del reticolo una posizione reticolare che dovrebbe essere occupata dall'atomo del metallo che stiamo considerando va a risultare vuota. Questi difetti sono importanti anche solo perché i difetti puntuali vanno a modificare la situazione del reticolo. Quello che è bene considerare è che l'assenza di alcuni atomi nelle posizioni reticolari porta gli atomi adiacenti alla posizione che rimane vuota a spostare la loro posizione, avvicinandosi. Ovviamente

non riusciranno a colmare totalmente la posizione mancante. Quindi si avrà un leggero allungamento dei legami degli atomi della prima cintura con la seconda. Per quanto riguarda gli atomi interstiziali. Abbiamo visto che nel momento in cui andiamo a riempire un piano atomi con degli atomi, questi riescono anche nel migliore dei casi ad occupare solo una parte del volume disponibile; vuol dire quindi che ci sono delle zone all'interno del reticolo che restano vuote, zone chiamate interstizi. E allora questi atomi interstiziali si posizioneranno in questi spazi vuoti. L'inserimento di questi atomi porta di nuovo una piccola modifica della posizione degli atomi della prima cintura, perché l'atomo nonostante sia piccolo costringe gli atomi del reticolo a spostarsi leggermente e in questo caso i legami degli atomi della prima cintura rispetto a quelli della seconda cintura saranno più corti. Ultimo caso è quello degli atomi sostituzionali. In questo casoalcuni degli atomi principali del reticolo ideale vanno ad essere sostituiti nelle posizioni reticolari da atomi di diversa natura. Abbiamo delle minime variazioni della condizione del reticolo: l'atomo estraneo va ad avere una dimensione leggermente più grande rispetto a quella del reticolo, e questo porta gli atomi della prima cintura a allontanarsi leggermente. In questo caso, l'atomo può avere diametro superiore o inferiore rispetto agli atomi del reticolo stesso. La presenza di questi difetti che vanno ad interessare un'unica posizione del reticolo, portano a delle deviazioni della distanza di legame. Questo va ad influire su una condizione energetica del reticolo e può avere delle conseguenze. Piccola precisazione: questi difetti appartengono a tutti i materiali cristallini. Per semplicità utilizzeremo molto di più i materiali metallici, ma dobbiamo ricordare che c'è un'altra grande famiglia dei materiali cristallini che

Sono i ceramici. Quello che abbiamo detto vale anche per i ceramici con il legame covalente, ma c'è una piccola varianza per quanto riguarda i ceramici ionici.

Reticolo di un ceramico ionico: anioni e cationi che vanno ad avere un diametro differente. La sfera con il diametro maggiore sarà l'anione (aggiungo un elettrone e quindi la dimensione dell'atomo sarà più grande). In questo caso anche nei ceramici ionici esistono dei difetti puntuali, ma i ceramici ionici vanno ad avere un'elettroneutralità complessiva perché le cariche positive vanno a equivalere quelle negative, quindi abbiamo una carica complessiva nulla. Nel momento in cui pensiamo alla presenza di un difetto, dobbiamo preoccuparci di questa elettro neutralità. Nel momento in cui immaginiamo di avere una vacanza di un catione, avremo le cariche negative superiori a quelle positive; il materiale ha due possibilità per riportare l'elettro neutralità:

abbiamo in quantità minore (SOLUTO). Questo processo di miscelazione avviene a livello atomico, dove gli atomi del soluto si inseriscono tra gli atomi del solvente. Nel caso delle leghe sostituzionali, gli atomi del soluto sostituiscono gli atomi del solvente nella struttura reticolare. Questo avviene quando gli atomi del soluto hanno dimensioni e proprietà chimiche simili a quelli del solvente. Ad esempio, nella lega di bronzo, il rame è il solvente e lo stagno è il soluto. Nel caso delle soluzioni solide interstiziali, gli atomi del soluto si inseriscono negli interstizi tra gli atomi del solvente. Questo avviene quando gli atomi del soluto sono più piccoli degli atomi del solvente. Ad esempio, nella lega di acciaio, il ferro è il solvente e il carbonio è il soluto. Le leghe hanno proprietà diverse rispetto ai metalli puri a causa della presenza di questi atomi estranei. Possono avere una maggiore resistenza meccanica, una maggiore durezza, una maggiore resistenza alla corrosione o altre proprietà specifiche. La scelta dei soluti e delle proporzioni nella lega può essere fatta per ottenere le proprietà desiderate. In conclusione, le leghe sono ottenute miscelando atomi di soluto con atomi di solvente per creare soluzioni solide sostituzionali o interstiziali. Questo processo di legatura tra atomi diversi conferisce alle leghe proprietà uniche e desiderabili.

Vado ad aggiungere in quantità minori che chiamo soluto. Per la soluzione solida sostituzionale vado ad avere una lega, basata su soluzione solida interstiziale, tutte le volte che un atomo estraneo andrà ad occupare le posizioni reticolari solo se rispetta 4 regole; infatti la sostituzione di un atomo di solvente con uno di soluto è possibile se questi hanno:

• Stessa valenza;
• Stesso reticolo cristallino;
• Elettronegatività simile;
• Differenza dei raggi <15%.

Sulla base di questa differenza possiamo avere diverse condizioni di miscibilità: totale, parziale o immiscibili.

Dall'altro lato abbiamo la soluzione solida interstiziale (lega): atomi di piccole dimensioni che si inseriscono negli interstizi. L'aggiunta degli atomi di soluto nelle posizioni interstiziali porta sempre e solo alla formazione di soluzioni solide parzialmente miscibili. Tutto questo è possibile per un meccanico fondamentale: la diffusione allo stato solido:

solvente puro, iniziamo ad aggiungere soluto e questo piano piano diffonderà (come nella diffusione allo stato liquido). Si tratta di un movimento degli atomi. Meccanismo che avviene grazie ad una forza motrice che è il gradiente di concentrazione: partiamo da una situazione in cui il gradiente di concentrazione è massimo, abbiamo da una parte tutti gli atomi di A e dall'altra tutti gli atomi di B. Man mano che passa il tempo, nelle condizioni opportune che favoriscono la diffusione allo stato solido, questo gradiente di concentrazione tende a spingere gli atomi di A ad andare nel volume del solido B e viceversa, fino ad arrivare alla condizione perfetta (50% di A e 50% di B). Questa condizione di equilibrio è associata ad un tempo infinito perché in realtà la diffusione allo stato solido richiede tantissimo tempo. Possiamo definire attraverso la prima legge di Fick, il flusso atomico: quantità di materia che fluisce nell'unità di tempo,

nell'unità di superficie. Nel momento in cui abbiamo un flusso atomico, questo dipenderà dal gradiente di concentrazione dC/dx attraverso un coefficiente, chiamato di diffusione o di diffusività. Coefficiente che dipende dall'energia di attivazione del moto atomico. In realtà, ognuno dei difetti che abbiamo conosciuto ha la possibilità di muoversi all'interno del reticolo cristallino. La presenza delle vacanze, a livello microscopico, favorisce la diffusione. Questo meccanismo va ad avere un'importanza fondamentale in alcuni processi con cui realizziamo dei materiali: la cementazione degli acciai è basata sulla diffusione allo stato solido. L'altra famiglia che si ottiene grazie alla diffusione è quella relativa ai ceramici, ottenuti a partire da polveri. Il processo più semplice per dare la forma alle polveri è la sinterizzazione: passaggio da un compatto di polveri ad un oggetto compatto. La diffusioneallo stato solido viene favorita a più alte temperature. L'atomo di carbonio che diffonde nel reticolo del ferro va ad avere valori diversi di diffusività a seconda che il ferro sia in configurazione CCC o in configurazione CFC. Piccola precisazione: quello che cambia non è solo la diffusività, ma anche la solubilità del carbonio. La diffusività ci misura la velocità di procedere nella direzione x di un dato flusso atomico. La diffusività del carbonio, nel momento in cui il ferro è a CFC è minore di quella del ferro a CCC, questo dipende dal FIA delle due celle che stiamo considerando. Abbiamo detto che il carbonio per diffondere deve saltare da un interstizio all'altro, in una struttura meno compatta come quella CCC il carbonio si muove più velocemente. La solubilità è la quantità di soluto che possiamo inserire all'interno del reticolo del solvente. In questo caso, lasolubilità del carbonio nel ferro CFC è maggiore di quelle nel ferro a CCC. Tutto dipende dagli spazi degli interstizi presenti: nel caso del ferro CCC, il raggio dell’interstizio è minore dell’altra configurazione. La solubilità non è altro che la misura degli interstizi in cui possiamo posizionare gli atomi di carbonio. DISLOCAZIONI Difetti monodimensionali, o difetti di linea. Cosa sono? Non sono altro che semipiani aggiuntivi. Se consideriamo diversi piani del reticolo, possiamo riconoscere al centro una fila di atomi che non ha la prosecuzione nella parte inferiore del reticolo. In realtà, quella fila al disopra del segno di perpendicolare, non è altro che un semipiano. Quindi, la dislocazione nasce dal fatto che durante la solidificazione gli atomi non sono così perfetti da creare completi piani dappertutto; si possono creare dei semipiani, quindi lasciano una parte del reticolo non coperto da questo semipiano. Nel momento ino degli atomi nella parte superiore del reticolo, si trova in uno stato di tensione perché i legami tra gli atomi sono allungati rispetto alla loro lunghezza di legame normale. Questo crea una zona di deformazione nel reticolo. Nella parte inferiore del reticolo, invece, gli atomi sono in uno stato di compressione perché i legami tra gli atomi sono accorciati rispetto alla loro lunghezza di legame normale. Questo è dovuto alla presenza del semipiano aggiuntivo che ha spostato gli atomi nella parte superiore del reticolo. Man mano che ci allontaniamo dal vertice del semipiano, gli atomi ritrovano la loro posizione e l'ordine nel reticolo. Le zone di tensione e compressione si riducono e gli atomi tornano alla loro lunghezza di legame normale. In conclusione, l'inserimento di un semipiano in un reticolo perfetto provoca perturbazioni nella struttura atomica, creando zone di tensione e compressione. Questo fenomeno è importante da considerare quando si studiano le proprietà dei materiali cristallini.