chimica dei materiali i - ii modulo - difetti estesi
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Parte delle slide utilizzate a lezione dalla Professoressa Binetti.TRANSCRIPT
Chimica dei materiali I (II mod.)Corso di laurea in Scienza dei materiali
A.A. 05/06 Docente: Simona Binetti
Difetti estesi:
•Dislocazioni
•Bordi grano
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Difetti nei solidi: classificazione •0D: difetti di punto (vacanze, interstiziali, impurezze)
•1D: difetti lineari (dislocazioni,)
•2D: difetti planari (stacking faults, bordi grano (presso i quali cambia interamente l'orientamento dei piani di reticolo da un grano all'altro)
•3D: difetti di volume (difetti estesi, voids, inclusioni, segregazioni)
Le dislocazioni sono i difetti maggiormente studiati(1930) Le dislocazioni permettono di spiegare come mai i metalli sono sperimentalmente più soffici delle previsioni teoriche. Calcoli di resistenza alla deformazione di metalli danno valori di 4 ordini di grandezza superiori a quelli sperimentali .
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Il concetto di dislocazione : da dove provieneQuando un solido viene deformato, localmente su ogni punto si esercitano delle pressioni : Stress ( ) (N.m2 o Pa)
1. Uniaxial stresses (forze normali alla superficie)2. Shear stresses (forze tangenti alla superficie)
Strain
l
l
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Elasticità- Plasticità dei materiali
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b
E
G
E = modulo di Young
Applicazioni della legge di Hooke
G = modulo di scorrimento (modulo di shear)
l
dl rapporto di Poisson
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Edge dislocation
Screw dislocation
b // linea dislocazione
b perpendicolare alla linea dislocazione
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Vettore di Burger
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Dislocazione mista
o posizione atomica sopra il piano di scorrimento
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Movimento di una dislocazione
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Moto di Glide e Climb
Il processo di climb è un moto non conservativo e consiste in un movimento della dislocazione al di fuori del suo piano di scorrimento,in direzione perpendicolare a tale piano (difetti di punto)
Il processo di glide di una dislocazione viene detto conservativo, cioè non implica un aumento o una diminuzione degli atomi del cristallo, ma solo un loro diverso riarrangiamento.
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Si muove parallela
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Dislocazioni
• Slip System
{111} <110>
12 slip System FCC
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12
121224
336
N°
Più fragili
4x 3
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Distribuzione delle dislocazioni
Le dislocazioni sono dispose in 3D network-
Densità di dislocazioni di un materiale è definita come la lunghezza totale della dislocazione in un volume unitario
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Considerazioni termodinamiche, relative alle dislocazioni:non sono un difetto di equilibrio.
perché la ricottura rende più tenero un materialeperché le dislocazioni in cristalli FCC si scindano in dislocazioni parzialiperché le figure di attacco indicano la presenza di dislocazioniPerché le dislocazioni interagiscono tra di loroPerché le dislocazioni “attirano” impurezze
Energia associata alla dislocazione è in grado di spiegare :
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Energia elastica della dislocazione screw
2 1
0
1log
4
rE Gb
r
Dove:•G è il modulo di shear•b il vettore di Burger•ro = 10-9 m •G =1010 N/m2
r
b
Compressione
Trazione
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Energia elastica della dislocazione screw
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2
mod
bz r
z z
dr
stress G
G ulo di shear
energia di deformazione per unità di volume é
21 1
2 2 2z z
dE bG
dV r
1
0
22 1
0
1 12 log
2 2 4rr
b rE G rdr Gb
r r
= tg
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o
ytg
z
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o
ytg
z
G
KxF
kxE
2
2
1
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Dislocazioni edge
• Se si vuole calcolare l'energia per unità di lunghezza si deve tenere conto anche che sono in gioco stress compressivi 2
1
0
1log
4 1
(3 2 )
2(3 )
b rE G
v r
k Gv
K G
= modulo di Poisson, K modulo elastico di bulk
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• Energia elastica per unità di lunghezza al di fuori del core della dislocazione
• r0= 10-9 m e r1 l’intero cristallo
• G= 4x1010 Nm-2
• b = 2.5 10-10 m
• Cristallo di 0.01 mm
• E= 3.2 10-9 Jm-1
1
4ln
2
2
0
lGbE
lGbE
r
R
Se n = 1/3 l’energia di una dislocazione lineare è circa 3/2 di quella di una dislocazione elicoidale della stessa lunghezza
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Un dislocazione curva avrà una tensione lineare
2Gbl
ET
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Distribuzione delle dislocazioni
Le dislocazioni sono dispose in 3D network-
Densità di dislocazioni di un materiale è definita come la lunghezza totale della dislocazione in un volume unitario
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•Dislocazioni si attraggono o si respingono tra di loro •Impurezze interstiziali tendono a migrare verso la regione in trazione di una dislocazione lineare, abbassando in tal modol’energia di deformazione•Impurezze sostituzionali migrano verso la regione in compressione
•L’energia di un cristallo può essere diminuita se queste si allineano una sopra l’altro provocando bordi grano
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• Reazioni tra dislocazioni : e’ favorita se
• Dissociazione di una dislocazione se :
• Incrudimento e indurimento per precipitazione
2 2 21 2 3b b b
2 2 21 2 3b b b
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Locking di una dislocazioneCi sono, quindi solo due modi per fare un cristallo resistente alla deformazione :
• 1. fare un cristallo perfetto privo di dislocazioni (e ciò è praticamente impossibile da realizzare)
• 2. oppure impedire il moto delle dislocazioni
Locking da parte di una impurezzaStrain-hardening e ricottura
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Meccanismo di generazioni di dislocazioni : sorgente di Frank Read
BC si muove , perchè la tensione è sul piano di scorrimento Si flette fino ad equilibrare la tensione applicata AB e CD rimangono fissi (perchè non c’è tensione sul loro piano)
Ho 2 dislocazioni elicoidaliche si attraggono e si annulano
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Incrudimento : All’aumentare della densità delle dislocazioniaumenta la frequenza di intersezione delle dislocazionie quindi necessaria una tensione via via crescente per provocare ulteriore deformazione
Ricottura: riscaldato ad alta temperatura (> temperatura di fusione)Annealing: migrazione alla supeficie, interazioni , annullamenti,
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Dislocazioni e difetti di punto • La condensazione di vacanze può creare
dislocazioni
•Moto di climb
Supersaturazione di Vacanze - Precipitazione
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Dislocazioni e stacking fault
• Stacking fault = difetto di impacchettamento: ABABABABCABAB
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Eteroepitassia: mismatch reticolare : dislocazioni
Misfit dislocations compensate for differences in the lattice constantsby concentrating the misfit in one-dimensional regions - the dislocation lines
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Elastically strainedthin film
Film with misfit dislocations
• Misfit dislocation networks arise in thin films to relieve the lattice mismatch between film and substrate. If the lattice mismatch is small enough, or the film is thin enough, the full film can be elastically strained preventing the formation of misfit dislocations. This is not the case for many metal/metal systems even for one layer films.
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Metodi per individuare la presenza di dislocazioni
Metodi superficialiMetodi di decorazioneTEMDiffrazione raggi X
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Metodi sperimentali
• Etching chimici
• TEM• SEM + EBSD (Electron Beam spectroscopy
Refection)
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Metodi per individuare la presenza di dislocazioni
Attacchi chimici
Densità di dislocazioni < 1010m-2
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Tungsteno:
Silicio:
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Metodi di “decorazione”
1958 Amelinckx rilevò dislocazioni in KCl introducendo AgCl
•Utilizzo di luce polarizzata per visualizzare fenomeni di birifrangenzaindotti dalle dislocazioni
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Topografia a raggi X
applicabile per D < 1010m-2
Si: Il campione viene orientato in modo che un set di piani sia incondizione di Bragg e si raccolga l’intensità diffratta
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TEM (Transmission Electron Microscopy)
Immagine TEM di una lega di titanio51450X
E= 100keVSpessore = 100nm – 1000nm
= 3.7 pm at 100 keV
Risoluzione: 0.2 –0.4 nm
Bright field :Fascio trasmesso dal campioneDark field: fascio diffratto
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Quasi tutti i materiali naturali o artificiali sono aggregati di grani cristallini di diverse dimensioni, con diversa orientazione cristallina, separati da “bordi di grano”.Tutti i materiali di interesse ingegneristico sono complesse misture di diverse specie atomiche, aggiunte di proposito opresenti come impurezze.Il livello della microstruttura è quello dove il material scientist ottimizza e ingegnerizza le proprietà finali del materiale, usando un mix di regole empiriche e intuizione chimico-fisica.Le deviazioni dalla cristallinità, come bordi di grano, inclusioni, dislocazioni, impurezze, formano la microstruttura.Determinano durezza, duttilità, proprietà elettroniche e magnetiche, di una lega o di un composto. La microstruttura dipende dalla storia termica e dalla sequenza dei trattamenti (o processing, fusione, annealing, lavorazionimeccaniche, ricristallizzazione) del materiale.
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Bordi grano
• Il bordo di grano è definito come l'interfaccia di separazione tra due grani A e B dello stesso materiale cristallino
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Bordi grano e dislocazioni
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Spazio tra le due edge dislocazioni : D= b/sin = b/
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Un bordo grano (Gb) generalmente è un misto tra un tilt e un twist gb
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Random High Angle Grain Boundary:E non dipende più da
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Twin Boundary
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Coincidence Site Lattice: • Definition:
The relation between the number of lattice points in the unit cell of a CSL and the number of lattice points in a unit cell of the generating lattice is called (Sigma); it is the unit cell volume of the CSL in units of the unit cell volume of the elementary cells of the crystals
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indice di coincidenza , rappresenta la densità reciproca dei siti coincidenti ,
= 1 = 3 twin boundary
• Bassi valori di sono i più diffusi
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Bordi grano :
• Sono direttamente “coinvolti”in :– Proprietà meccaniche– Fenomeni di trasporto– Proprietà elettriche– Reazioni chimiche
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Fattori che influenzano la diffusione
• Temperatura
• Meccanismo di diffusione ( I , V)
• Natura delle specie
• Microstruttura
Autodiffusione di Ag