Metallurgia

Difettologia nei materiali metallici e meccanismi di rafforzamento

Strutture cristalline di base

Le possibili strutture cristalline di base sono principalmente tre:

• Reticolo cubico a corpo centrato (ccc)
• Reticolo cubico a facce centrate (cfc)
• Reticolo esagonale compatto (exc; piombo, grafite, …)

È possibile definire delle posizioni di riferimento perché, pur vibrando, gli atomi si trovano intorno ad un punto di equilibrio. Compattazione atomica nelle varie disposizioni: 72% per cfc e exc ma nella sovrapposizione dei piani abbiamo che per il cfc il primo e il terzo stato di atomi non saranno più coincidenti (ABCA), cosa che succede nell’esagonale compatto (ABAB); questo comporta una differenza nella possibilità di avere piani di scorrimento che danno deformazioni plastiche.

Strutture ordinate

Quando abbiamo due o più elementi si parla di “soluzioni solide” dove nel reticolo il composto B va in parte a sostituire le posizioni del composto A.

Reticolo cfc: atomi di B si trovano in posizioni preferite (Cu + Au); le posizioni atomiche nei vertici contano per un ottavo perché condivisi tra 8 reticoli, le facce sono condivise tra 2 cubi adiacenti (infatti la formula chimica è Au Cu) perché ho 8 atomi di rame che contano per un ottavo e 6 di oro che contano per un mezzo.

Reticolo ccc: un piano di rame e un atomo di zinco -> l’atomo centrale di Zn vale 1, quindi rapporto stechiometrico CuZn.

Energia di legame

Distanza interatomica “a” è funzione delle dimensioni degli atomi, delle forze positive tra i protoni e della stabilizzazione dovuta alla nuvola elettronica che compensa la repulsione e contribuisce a definire le posizioni. Comprimendo gli atomi (a -> 0) l’energia di legame cresce significativamente. Applicando trazione oltre il valore di minima energia, invece, l’energia cresce e il materiale si deforma prima elasticamente e poi plasticamente. L’energia di legame condiziona il comportamento meccanico del materiale perché modifica il diagramma sigma-epsilon (modulo elastico elevato).

Dilatazione termica

Per materiali puri, maggiore l’energia di legame, minore il contributo dell’aumento di temperatura alla variazione di a₀ (distanza caratteristica). Stessa cosa vale per accoppiamenti di materiali ma la curva si alza quindi va tenuto conto di questo diverso comportamento al variare della temperatura. Maggiore l’energia di legame, maggiore il modulo elastico e la temperatura di fusione. Anche il reticolo cristallino ha influenza (ccc ha massimi valori).

Difetti reticolari

• Puntuali -> vacanze
• Lineari -> dislocazioni
• Bidimensionali -> bordi di cristalli (grains boundaries)
• Volume -> difetti di impilamento (stacking faults)

Vacanze: Carenza di una posizione atomica; sempre presenti a temperatura ambiente (tenderebbero a zero allo zero assoluto). Avvicinandosi alla temperatura di fusione le vacanze aumentano e il materiale fonde diventando amorfo. Le vacanze giustificano lo spostamento di specie chimiche all’interno del reticolo cristallino solido metallico. È possibile con trattamenti termici che gli elementi leganti e le impurezze nel materiale si spostino nel reticolo per cambiare fase o dare più omogeneità, ecc.

Dislocazioni: Dislocazione a spigolo in 2; carenza di semipiani al di sotto di “2”.

Legge di Schmidt: campione con carico assiale. Considero una generica sezione ellittica comunque orientata di un angolo teta rispetto al carico e la forza viene quindi divisa in una componente normale e una di taglio (τ) nel piano. τ causa gli scorrimenti dei piani (mentre σ porta alla frattura dei legami chimici) quindi il materiale è deformato ma il legame metallico non è danneggiato.

Valori di tensione e taglio massimi si ottengono per angoli di 45°.

• A PA per θ=90-φ=45° → τ=0.5s cos θ
• AP P per θ=0° oppure θ=90° → τ=0
• τ = A cos φ A cos θ cos φs

In una certa sezione avrò più grani cristallini i cui piani sono diversamente orientati e quindi potrei averne uno orientato a 45° che inizia a manifestare scorrimento ma quelli adiacenti vedono una τ molto più bassa e dunque resistono. Per questo la presenza di grani diversamente orientati è fondamentale per rafforzare il materiale.

Equilibrio stabile

In assenza di dislocazioni lo scorrimento deve interessare un interopiano di atomi e quindi la τ deve essere elevatissima: la deformazione può essere teoricamente ottenuta ma questa condizione non è utile se il materiale deve subire una lavorazione. Inoltre non è possibile avere a temperatura ambiente un materiale senza difetti e dislocazioni. Con bassa densità di dislocazione la sigma di snervamento (yield strength) è molto alta. Oltre un valore critico di minima sigma, la tensione cresce di nuovo a causa dell’incrudimento (durante l’incrudimento le dislocazioni si muovono e si incontrano quindi o si annullano o si sommano). È possibile avere deformazioni permanenti anche a carichi particolarmente modesti a causa del movimento di una dislocazione che possiamo indurre con un basso carico di taglio e questo può essere vantaggioso in alcuni casi applicativi.

Meccanismi di rafforzamento

Meccanismi di rafforzamento che si manifestano dei materiali per incrementarne le caratteristiche:

• Deformazione plastica -> incrudimento
• Bordi di grano -> grani cristallini
• Soluzione solida -> miscela di elemento B in A
• Presenza di seconda fase -> compositi con una seconda fase omogeneamente distribuita

Incrudimento (strain hardening)

L’incrudimento è una deformazione plastica a freddo che causa l’aumento delle dislocazioni. In un campione incrudito a cui viene applicato un carico la deformazione resta elastica fino a valori di sigma maggiori rispetto al precedente. Ripetendo ancora il ciclo di carico di avrà un nuovo aumento poiché abbiamo incrudito una seconda volta. Alla fine la somma delle deformazioni sarà dato dai contributi di ogni ciclo a meno dei vari ritorni elastici. Gli innalzamenti di incrudimento sono associabili al fatto che le dislocazioni si sono mosse, sono aumentate in numero e hanno interferito tra loro così che il carico necessario a indurre una nuova deformazione è aumentato. In generale in un materiale metallico questo si verifica con piccole variazioni dei valori relativi (ma non degli andamenti) a seconda della struttura cristallina.

L’incrudimento causa:

• Piccole diminuzioni della densità
• Diminuzione della conducibilità elettrica
• Piccoli aumenti del coefficiente di espansione termica
• Aumento della reattività chimica
• Diminuzione della resistenza alla corrosione
• Variazioni delle proprietà tensionali

Dimensione dei grani

Un materiale reale è formato da una serie di cristalli (all’interno dei quali abbiamo dei reticoli tra loro uguali e ugualmente orientati) che sono orientati diversamente nello spazio 3D (ma uguale reticolo). Lungo i bordi dei grani le distanze atomiche risultano diverse da quelle del reticolo.