Difetti di ordine superiore, bidimensionali.

Difetti di superficie

Ci sono 2 sottotipologie:

• Superfici esterne
• Bordi di grano

Superfici esterne: la superficie esterna di ogni materiale può essere considerata di per sé un difetto perché è una regione del materiale più reattiva: ci sono dei legami atomici monchi/troncati perché gli atomi superficiali non sono completamente circondati da atomi vicini. La superficie esterna è a contatto diretto con l’ambiente che può ad esempio essere aggressivo per vari motivi, quindi è più facilmente aggredibile da agenti esterni.

Bordi di grano (BDG): in un solido cristallino in 3 dimensioni, ciascun cristallo che lo compone è avvolto da una sorta di involucro (una “pelle”) chiamato bordo di grano. Sostanzialmente, i bordi di grano sono quelle regioni di confine che separano porzioni monocristalline (grani) adiacenti di un materiale policristallino.

Se si taglia un solido policristallino, quello che si vede al microscopio ottico è simile all’immagine sotto rappresentata.

 Le regioni delimitate dai contorni neri sono i singoli cristalli che compongono il materiale; i contorni neri che  delimitano i cristalli sono i bordi di grano.

I bordi di grano possono essere rappresentati come una superficie nello spazio, visto che il materiale tridimensionale è come se avvolgesse il cristallino e all'interno di singoli grani cristallini gli atomi hanno un orientamento definito, mentre nelle zone corrispondenti ai bordi di grano l’arrangiamento atomico è inesistente. I bordi di grano sono zone di cattivo arrangiamento atomico, gli atomi sono disposti casualmente, sono una zona altamente energetica e reattiva. I bordi di grano possono essere particolarmente suscettibili alla corrosione intergranulare, ovvero tra i grani cristallini.

Tipicamente, i bordi di grano hanno lo spessore di qualche diametro atomico: non sono zone a spessore nullo (non sono interfacce nette) ma non sono neanche ad elevato spessore.

Ci può essere un’interazione tra dislocazioni e bordi di grano, perché le dislocazioni si possono muovere all'interno del materiale e quando raggiungono i bordi di grano tendono ad accumularsi e se l'energia fornita all'esterno è sufficiente possono “saltare” da un grano all'altro. La difficoltà di questo “salto” è il disallineamento di questi grani, la dislocazione deve cambiare la propria orientazione e allinearsi in modo congruente con i piani atomici del cristallo adiacente, c'è una sorta di barriera energetica che la dislocazione deve superare. 

In corrispondenza dei bordi di grano si possono anche a accumulare oltre alle dislocazioni le impurezze, quindi difetti atomici di vario genere. Ovviamente i bordi di grano si trovano sia nei materiali ceramici che metallici.  Per porre in evidenza i bordi grano è possibile attaccare chimicamente il materiale, per esempio con un acido che dissolve i bordi di grano stesso. In entrambe le micrografie abbiamo grani, cristalli più o meno tutti della stessa dimensione, senza orientazioni preferenziali, abbiamo cristalli cosiddetti equiassici, cioè più o meno tondeggianti. 

Nei materiali policristallini non ci sono orientazioni preferenziali di cristalli in quanto i cristalli sono tondeggianti e quindi i materiali sono isotropi. Quindi le loro proprietà meccaniche, funzionali, elettriche e termiche non dipendono dalla direzione lungo la quale vengono misurate.