Dislocazione

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Dislocazione a spigolo.
Dislocazione a vite.

Una dislocazione è, in scienza dei materiali, un difetto stechiometrico di linea presente in una struttura cristallina. Si tratta cioè di un difetto che, a differenza dei difetti puntuali, è un difetto esteso (difetto lineare).

Ci sono due tipi principali di dislocazione:

  • dislocazione a spigolo (nota anche col termine in inglese edge dislocation e col termine dislocazione a cuneo);
  • dislocazione a vite (nota anche col termine in inglese screw dislocation).

Tale distinzione è prevalentemente formale: le dislocazioni presenti nei solidi cristallini reali raramente sono puramente a spigolo o puramente a vite, presentando invece aspetti di entrambe. Una dislocazione di questo tipo è quindi chiamata dislocazione mista (o col termine inglese mixed dislocation).

La presenza di dislocazioni influenza notevolmente molte proprietà dei materiali reali.

Il movimento e la moltiplicazione di una dislocazione[modifica | modifica sorgente]

Fino agli anni venti del Novecento una delle ricorrenti sfide della scienza dei materiali era spiegare la plasticità dal punto di vista microscopico. Un tentativo di calcolare lo sforzo di taglio per il quale un piano atomico scivola sopra un altro in un cristallo portò alla formulazione di

 \tau_m = \frac {G} {2 \pi\ } \,

per un materiale con modulo di elasticità tangenziale G. Dato che quest'ultimo nei metalli varia tra 20 000 e 150 000 MPa, risultava difficile conciliare i valori di τm così calcolato con quelli sperimentali di vari ordini di grandezza più piccoli (tra i 0,5 e i 10 MPa).

Nel 1934 Egon Orowan, Michael Polanyi e Geoffrey Ingram Taylor, quasi contemporaneamente, capirono che la deformazione plastica può essere spiegata con la teoria delle dislocazioni. Le dislocazioni possono muoversi se gli atomi, da uno dei piani confinanti, rompono i loro legami e si ricongiungono con gli atomi dello spigolo della dislocazione. Persino un semplice modello della forza richiesta per muovere una dislocazione mostra che lo strappo è possibile con una tensione minore che in un cristallo perfetto (da qui deriva la caratteristica malleabilità di un metallo).

Nel 1950, infine, Frederick Charles Frank e Thornton Read arrivarono di nuovo contemporaneamente e indipendentemente a un modello per la spiegazione del fenomeno dell'incrudimento in campo plastico come moltiplicazione e propagazione nei piani di scorrimento delle dislocazioni dalle sorgenti di Frank-Read, cosiddette dato che pubblicarono assieme.

La dislocazione, sottoposta a sforzo di puro taglio, scorre preferibilmente lungo un piano passante per essa e perpendicolare al vettore di Burgers, piano che nelle condizioni più favorevoli coincide con quello di massima densità atomica. I sistemi di piani e direzioni di massimo addensamento atomico sono detti sistemi di scorrimento.

Mentre due dislocazioni di opposta orientazione, quando si incontrano, si annullano vicendevolmente, non è possibile che una singola dislocazione possa sparire.

Quando la dislocazione incontra particelle di fase diversa dalla matrice, può superarle con meccanismi diversi, dipendenti dal tipo di dislocazione, dalla temperatura, dallo sforzo applicato, dalle caratteristiche del reticolo:

  • meccanismo di Orowan: per dislocazioni lineari che devono superare due o più particelle;
  • per salto: per dislocazioni lineari che si scontrano con atomi interstiziali o con vacanze;
  • per scorrimento deviato: una dislocazione elicoidale si sposta su un piano parallelo a quello originario;
  • una dislocazione può addirittura tagliare una particella se vi è una continuità del piano di scorrimento (particella coerente con la matrice);
  • al limite la dislocazione si blocca contro la particella dando avvio a un impilamento.

Un materiale sottoposto a deformazione a freddo (cioè a temperatura minore di quella di ricristallizzazione) vede aumentare le dislocazioni al suo interno grazie al meccanismo di Frank-Read, che prevede la nascita di dislocazioni anulari a partire da una dislocazione lineare con estremi fissi. Il graduale aumento di densità delle dislocazioni comporta una sempre maggiore resistenza al movimento delle stesse e quindi un incrudimento del materiale. Tale incrudimento, se indesiderato, viene eliminato con il trattamento termico di ricottura.

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