Difetti e Deformazione Plastica -...
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Difetti e Deformazione Plastica Ing. Nadia Ucciardello
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Difetti e Deformazione Plastica
Ing. Nadia Ucciardello
Difetti di superficie
Le superfici sono importanti nello studio dei materiali metallici per molteplici
aspetti: attrito e abrasione, saldature, reazioni chimiche (corrosione,
ossidazione ecc.), comportamento meccanico di corpi sottili, fatica ecc.
La superficie è un difetto comunque presente in un solido reale. Essa
rappresenta un punto di discontinuità del reticolo cristallino.
Difetti di impilamento (stacking faults)
La struttura cfc è costituita da una sequenza di impilamento dei piani cristallini
secondo lo schema ABCABCABC… mentre quella hcp secondo lo schema
ACACAC… Se queste sequenze sono alterate il cristallo cfc potrebbe avere
una porzione con struttura hcp e viceversa. Per esempio se nella sequenza
ABCABCABC di un metallo cfc venisse a mancare un piano di tipo B avremmo
ABCACABC. Una porzione pari a quattro piani atomici si presenterebbe con
struttura hcp. Questo si definisce difetto di impilamento intrinseco.
In un difetto di impilamento estrinseco dove è presente uno strato di tipo C in più.
La sequenza è ABCACBCA e anche in questo caso una porzione del cristallo si
presenta con struttura hcp.
I difetti di impilamento (stacking faults) possono avere origine, come già visto in
precedenza, dalla aggregazione su un piano cristallino di vacanze o di
autointerstiziali. Possono inoltre essere generati durante la deformazione plastica
del metallo.
Bordi di grano
Un materiale policristallino è un aggregato di cristalli o “grani”, che differiscono tra
loro per l’orientazione. Le zone di contatto tra grani diversi si dicono bordi di grano
o giunti intergranulari.
a)- giunto con una componente di flessione e una di torsione;
b)- giunto di flessione (tilt boundary) asimmetrico;
c)- giunto di torsione (twist boundary);
d)- giunto di flessione (tilt boundary) simmetrico.
Giunti a basso angolo
Quando l’angolo di disallineamento tra i
due grani limitrofi < 10° si parla di
giunto a basso angolo. Un giunto di
flessione simmetrico si può pensare
come una fila di dislocazioni a spigolo,
la cui distanza h varia con l’angolo di
disallineamento secondo la
relazione:
dove b è il modulo del vettore di
Burgers. Per piccoli valori di (giunto a
basso angolo), la spaziatura tra le
dislocazioni vale
h
barctg
22
bh
Nel caso di un giunto di
flessione asimmetrico ci sono 2
gruppi di dislocazioni a spigolo
aventi distanze h1 e h2 disposte
su piani perpendicolari
Il giunto di torsione a basso
angolo è costituito da una griglia
a croce di 2 insiemi di
dislocazioni a vite.
La caratteristica di questo giunto
è che ci sono zone dove gli atomi
dei due cristalli combaciano
relativamente bene e altre invece
dove la struttura è altamente
distorta.
Giunti ad alto angolo
Quando l’angolo di disallineamento
> 10° si parla di giunti ad alto
angolo.
Un bordo di grano è una regione di
energia relativamente alta poiché
gli atomi nel bordo non
combaciano perfettamente coi
rispettivi reticoli cristallini. In
generale, l’energia che compete
ad un giunto intercristallino cresce
al crescere dell’angolo .
Quando i due grani si trovano in una di queste particolari posizioni, si dice
che essi formano un reticolo di coincidenza e che il bordo di grano è un
giunto speciale.
Struttura cristallina Asse di
rotazione
Angolo
di rotazione
Densità delle
Coincidenze
B.C.C.
[100]
[110]
[110]
[111]
[111]
36.9
70.5
38.9
60.0
38.2
1/5
1/3
1/9
1/3
1/7
F.C.C.
[100]
[110]
[111]
[111]
36.9
38.9
22.0
38.2
1/5
1/9
1/7
1/7
Effetti chimici ai bordi di grano
La diffusione avviene ai bordi più facilmente che nel corpo del cristallo per il
maggior disordine atomico e per i legami più deboli. Allo stesso modo è
logico pensare che nel bordo esistono zone dove atomi estranei possono
esser alloggiati meglio che altrove nel reticolo. Le impurità tendono a
muoversi verso i bordi e quindi ad addensarsi in queste posizioni dando
luogo spesso a precipitati.
In presenza di un mezzo corrosivo, le impurità favoriscono un attacco
preferenziale lungo il bordo. Questo è stato osservato anche nei metalli di
alta purezza. Si è altresì osservato che la corrosione intergranulare dipende
dalla disorientazione dei grani: grani con piccole disorientazioni sono più
difficili da aggredire chimicamente.
Negli acciai il problema della formazione di precipitati lungo i bordi dei grani
può costituire un serio problema in presenza di agenti corrosivi. Per
esempio, la formazione di carburi nei confini di grano impoverisce la
matrice nelle zone adiacenti di elementi di lega e quindi si produce
un’alterazione locale della composizione e delle proprietà del materiale.
Geminati
La geminazione è dovuta al movimento
coordinato degli atomi che si trovano
dallo stesso lato di un certo piano,
detto piano di geminazione, rispetto
quelli che si trovano dal lato opposto.
Come risultato di tale movimento le
posizioni reticolari delle due parti del
cristallo diventano speculari rispetto al
piano di geminazione. Fig. (alto)
mostra un geminato nella struttura cfc.
La sequenza di impilamento è
simmetrica rispetto al piano di
geminazione A: CABCACBACB. In
basso è invece mostrato il movimento
che porta alla formazione del
geminato: i piani cristallini nella parte
superiore del cristallo subiscono degli
scorrimenti di entità sempre maggiore
man mano che ci si allontana dal piano
di geminazione.
La geminazione costituisce un modo di deformazione dei cristalli metallici
alternativa allo scorrimento. Le caratteristiche di questo processo di
deformazione sono:
a) la geminazione interessa un ben definito volume di materiale, entro il
quale il cristallo mantiene la stessa struttura ma non l’orientazione
originaria;
b) mentre nello slittamento ciascun atomo si muove di una o più distanze
atomiche, nella geminazione si sposta di una frazione di distanza
interatomica;
c) affinchè si possa riprodurre la struttura originaria del cristallo, l’entità dello
spostamento in ciascun piano può assumere un unico valore, dipendente
dalla distanza dal piano di geminazione.
Geminati coerenti ed incoerenti
Si definiscono geminati incoerenti quei geminati in cui il bordo del geminato
non coincide col piano di geminazione. I geminati coerenti sono quelli in cui
c’è coincidenza.
L’energia di un bordo di geminazione è molto sensibile alla orientazione.
La tabella seguente confronta per alcuni metalli l’energia di geminati coerenti,
incoerenti e bordi di grano. Come si può vedere, l’energia più bassa compete
alla struttura più ordinata del geminato coerente.
In fig. si mostra la foto di un geminato che presenta rispetto al cristallo da
cui si è formato un’interfaccia coerente ed una incoerente. Si possono ben
distinguere in quanto quella coerente è piana mentre quella incoerente ha
forma irregolare.
Rappresentazione schematica di un geminato incoerente (sinistra). I
geminati coerenti hanno energia superficiale inferiore di quella dei
geminati incoerenti (destra).
Superfici tra fasi solide diverse
Le superfici interfase sono le superfici che
separano due fasi diverse presenti nel
metallo. Si possono presentare tre diverse
situazioni nelle superfici tra fasi solide
diverse:
coerenza totale,
semi-coerenza,
incoerenza totale.
Si parla di coerenza totale quando i piani
cristallini della prima fase (fase )
combaciano esattamente lungo
l’interfaccia con i piani della seconda fase
(fase ) .
In figura è rappresentata in (a) un caso di
coerenza totale ideale poiché i piani reticolari
delle due fasi hanno esattamente la stessa
spaziatura e c’è continuità reticolare attraverso
l’interfaccia. Per questo non si determinano
stress elastici. Di fatto questa è una situazione
ideale, che in realtà non si verifica mai.
In (b) abbiamo un’altro caso di coerenza totale
tra fasi con piani cristallini aventi diversa
spaziatura, tuttavia la diversa orientazione dei
due grani permette un perfetto combaciamento
degli atomi all’interfaccia. Anche in questo caso
non sono presenti stress elastici.
In (c) viene mostrata un’interfaccia con coerenza totale dove la diversa
spaziatura tra i piani delle due fasi determina stress elastici. Questo è il caso
più frequente e si parla di coerenza totale reale.
Se a e a sono le distanze interplanari nelle fasi e , lo stress elastico
vale :
= ( a - a ) / a
Quando non esiste nessun tipo di relazione tra le due fasi e quindi nessun
tipo di combaciamento, l’interfaccia si presenta come mostrato nella figura
sotto (interfaccia incoerente).
Dimensione media del grano
Le proprietà di un materiale metallico sono altamente influenzate dalla
dimensione dei grani. La dimensione media dei grani si può descrivere
convenzionalmente con il numero ASTM (American Society for Testing and
Materials) n usando l’ espressione:
dove N è il numero medio di grani per pollice quadrato ad un ingrandimento
di 100x. A valori di n crescenti corrispondono dimensioni medie del grano
decrescenti.
1n2N
Area del bordo di grano
Assumendo la forma dei grani come cubica, l’area di bordo di grano AG.b in
pollici quadrati per pollice cubo di metallo si può esprimere:
(inch2 /inch3)
dove N è il numero di grani per pollice quadrato a 100x. Passando ai centimetri
(cm2 /cm3)
2
1
4
.b.G)10Nx(3A
2
1
4
.b.G)10Nx(
54.2
3A
Orientazione del grano
Grande importanza per le proprietà di un
materiale ha la distribuzione delle
orientazioni dei grani che compongono il
policristallo. Il complesso di queste
orientazioni si definisce tessitura
cristallina. La rappresentazione della
tessitura è costituita dalla O.D.F.
(Orientation Distribution Function).
Forti tessiture sono principalmente
causate da:
1-deformazione plastica,
2-ricristallizzazione e crescita del grano,
3- trasformazioni di fase.
Un materiale metallico con forte tessitura,
cioè con orientazioni preferenziali dei grani
cristallini, mostra in genere una spiccata
anisotropia delle proprietà meccaniche.
Inclusioni e porosità
DEFORMAZIONE PLASTICA
DEFORMAZIONE PLASTICA
Geometria dello scorrimento
Nei cristalli la deformazione plastica avviene per scorrimento di dislocazioni in
particolari piani (piani di scorrimento) lungo particolari direzioni
cristallografiche (direzioni di scorrimento) giacenti nei piani di scorrimento.
Un piano di scorrimento e una direzione di scorrimento definiscono un
sistema di scorrimento.
Il meccanismo dello scorrimento è semplicemente il movimento di
dislocazioni il cui vettore di Burgers giace parallelo alla direzione di
scorrimento.
Alcuni metalli deformano con sistemi di scorrimento diversi a temperature
diverse. Oltre che per scorrimento, alcuni metalli possono deformare anche
per geminazione.
Linee di scorrimento
Se si sottopone a trazione un metallo, la
cui superficie è stata preventivamente
lucidata a specchio, si possono osservare
le linee di scorrimento. Ogni linea di
scorrimento è un gradino, la traccia
lasciata sulla superficie dalla fuoriuscita di
più dislocazioni che si sono mosse su un
singolo piano di scorrimento. Quando
molte linee di scorrimento sono
raggruppate si parla di bande di
scorrimento.
Le linee di scorrimento nei metalli dove la
deformazione ha luogo su un solo gruppo
di piani si presentano come linee diritte
mentre esse sono ondulate nei metalli
dove gli scorrimenti avvengono su più
piani.
Cu (fcc)
Fe-Al (bcc)
Deformazione di monocristalli
Anche se i metalli di interesse per l’ ingegneria industriale sono
principalmente policristallini, per comprendere i meccanismi della
deformazione plastica conviene occuparsi prima dei sistemi più semplici,
cioè dei monocristalli.
Un concetto fondamentale è quello di stress critico c cioè il minimo
sforzo, risolto nel piano di scorrimento e nella direzione di scorrimento,
utile per innescare la deformazione plastica.
Determiniamo per un monocristallo sottoposto a trazione la componente
dello stress applicato nel piano e nella direzione di scorrimento.
è l’ angolo tra la normale al piano di scorrimento e
l’asse di trazione, è l’ angolo tra la direzione di
scorrimento e l’asse di trazione. Essendo A l’area della
sezione normale del cilindro, A/cos è l’area della sezione
contenente il piano di scorrimento; la componente del
carico nel piano di scorrimento nella direzione di
scorrimento è Pcos. Per cui lo stress risolto r risulta
essere:
coscos
cos/
cos
A
P
A
P
r
Una delle prime idee sviluppate per spiegare l’incrudimento fu quella del back-
stress sulle sorgenti dovuto a dislocazioni bloccate da ostacoli presenti nel
cristallo.
Le barriere che bloccano il moto delle dislocazioni possono essere di tipo
diverso:
- precipitati,
- atomi estranei,
- dislocazioni immobili (sessili),
- grovigli di dislocazioni, ecc.
Nei policristalli anche i bordi di grano sono ostacoli importanti per il moto delle
dislocazioni. Trattando di monocristalli, ovviamente, ci si disinteressa di questo
ultimo aspetto.
Sperimentalmente si osserva che le curve - di monocristalli possono
presentare 3 stadi in campo plastico
