Metalli e leghe: Rapporto tra deformazione elastica e moto delle dislocazioni

Questa relazione era già stata ipotizzata negli anni ’30, quando le dislocazioni erano state solamente ipotizzate (non esistevano infatti i microscopi elettronici a trasmissione). In seguito, l’osservazione delle dislocazioni fisiche negli anni ’50 ha confermato questa ipotesi.

Una dislocazione è un semipiano aggiuntivo all’interno di un cristallo perfetto, i cui piani cristallini potrebbero scorrere l’uno sull’altro soltanto rompendo un numero elevato di legami forti. Nel caso di cristalli reali difettati (con dislocazioni), per fare scorrere il semipiano aggiuntivo è necessario rompere un numero molto inferiore di legami atomici. Questa è la ragione per la quale la deformazione plastica è favorita all’interno di un cristallo reale difettato rispetto al cristallo perfetto. La resistenza teorica di un cristallo perfetto privo di deformazioni è estremamente più grande rispetto alla resistenza di un cristallo reale. 

Questo ha un impatto dal punto di vista produttivo-tecnologico: quelli che chiamiamo difetti (dislocazioni) non hanno una connotazione negativa, infatti la presenza di dislocazioni è un vantaggio. Si considerino ad esempio i metalli: molte tecniche di lavorazione dei metalli prevedono deformazioni sia a freddo sia a caldo. Un processo di laminazione prevede di assottigliare lo spessore di una lamina metallica facendola passare tra due rulli: questo assottigliamento è possibile proprio grazie al moto delle dislocazioni e il metallo va incontro a una deformazione permanente. Con un metallo costituito solo da cristalli perfetti senza dislocazioni, sarebbe impossibile la lavorazione tramite laminazione, dal momento che la forza applicata per far scorrere i piani atomici l’uno sull’altro sarebbe troppo grande. 

Le dislocazioni si possono muovere lungo il piano di scorrimento e alla fine si ottiene una specie di “gradino” sulla superficie esterna del cristallo. Se si muovono molte dislocazioni, invece, l’effetto è una deformazione macroscopica e visibile. 

Si può effettuare un’analogia tra il moto delle dislocazioni e il moto di un bruco o di una piega lungo un tappeto: il bruco ha molte zampe ma ne muove solamente un paio alla volta (la sua gobba è assimilabile al semipiano in eccesso che si sta muovendo), quindi il movimento della gobba si propaga lungo tutta lunghezza del bruco stesso, così come il movimento della dislocazione da sx a dx all’interno del cristallo (quest’ultimo risulta deformato di un passo atomico). 

Lo stesso avviene nel caso del tappeto: per farlo muovere si può creare una gobba (dislocazione) e farla muovere lungo il tappeto: in questo modo si muoverà il tappeto stesso.

Essendo la dislocazione un semipiano aggiuntivo, all’interno del cristallo si avranno degli sforzi di compressione nella porzione del cristallo che contiene la dislocazione (gli atomi sono più schiacciati), mentre nella porzione di cristallo al di sotto della dislocazione avremo dei campi tensionali di trazione (gli atomi vengono allontanati). 

Questi campi tensionali possono interagire tra loro, come se fossero dotati di un segno: gli stati tensionali di compressione sono dotati di segno +, mentre gli stati tensionali di trazione sono dotati di segno -. Dislocazioni dotate dello stesso segno (campi tensionali uguali) tendono a respingersi; al contrario, campi tensionali opposti tendono ad attrarsi. 

Nella figura in alto vi sono due dislocazioni che hanno in comune il piano di scorrimento: vi sono due semipiani aggiuntivi dalla stessa parte, quindi campi tensionali di compressione e campi tensionali di trazione dalla stessa parte. Le due dislocazioni tendono a respingersi. 

Nella figura in basso, invece, vi sono due dislocazioni con lo stesso piano di scorrimento ma segno opposto (nella dislocazione a sx il semipiano aggiuntivo sarà posto al di sopra del piano di scorrimento, mentre nella dislocazione di dx sarà posto al di sotto del piano di scorrimento). Si hanno quindi campi tensionali opposti che si attraggono: le dislocazioni si annullano. Quindi, nel momento in cui dislocazioni di segno opposto si incontrano, tenderanno ad annullarsi, scomparendo. 

Moltiplicazione delle dislocazioni

Quando si applica una sollecitazione su un materiale, le dislocazioni presenti in esso cominciano a muoversi. Cosa accade quando queste dislocazioni, muovendosi, incontrano ostacoli? Gli ostacoli possono essere altre dislocazioni, inclusioni o bordi di grano. In questo caso le dislocazioni si moltiplicano: la dislocazione originaria deve aggirare l’ostacolo dando origine a due dislocazioni. Se queste incontrano a loro volta un ostacolo, daranno origine ciascuna ad altre due dislocazioni (da 1 a 4 dislocazioni). Quindi, durante la deformazione plastica, nel corso del moto delle dislocazioni, il loro numero aumenta in modo significativo. Più le dislocazioni aumentano, più il moto diventa difficoltoso, dal momento che iniziano a interagire tra loro e contrastarsi (le dislocazioni sono ostacoli le une per le altre). Sarà quindi necessario fornire al materiale una sollecitazione più elevata per consentire il moto delle dislocazioni; più il materiale si deforma più sarà necessario aumentare la forza esterna affinché il materiale continui a deformarsi. 

Il moto delle dislocazioni è favorito lungo quelle direzioni cristallografiche in cui gli atomi sono più vicini tra loro, dette direzioni compatte. 

Nella figura a si ha un sistema cubico facce centrate (CFC) in cui il piano a maggior compattazione atomica è quello diagonale, quindi le dislocazioni si muoveranno più facilmente lungo questo piano. 

Ci possono essere più sistemi di scorrimento (ad alta compattazione atomica) a seconda della struttura del reticolo cristallino. Nel caso dei sistemi cubico corpo centrato (CCC) o cubico facce centrate (CFC) avrò molti sistemi di scorrimento, poiché ci sono molti piani ad alta compattazione atomica. Viceversa, in sistemi quali l’esagonale compatto avrò pochi sistemi di scorrimento. 

I materiali metallici sono tipicamente policristallini: ognuno dei cristalli ha la propria orientazione dei piani reticolari, che è diversa rispetto a quella dei cristalli adiacenti. Le dislocazioni si possono muovere all’interno del singolo cristallo, ma quando raggiungono la frontiera del cristallo stesso (ossia il bordo di grano) dovrebbero “saltare” nel grano adiacente: questo è possibile se i grani adiacenti sono orientati in modo favorevole, quindi il disallineamento tra i grani deve essere modesto. Se così non è, posso forzare questo “salto” aumentando il carico esterno: la deformazione non può avvenire se le dislocazioni non possono muoversi da un grano cristallino a quelli adiacenti.