Difetti di superficie e bordi di grano

Finora abbiamo considerato difetti di punto e di linea, ma esistono imperfezioni che si estendono su intere superfici all’interno del solido: i bordi di grano, le superfici esterne, le interfacce fra domini. Sono difetti bidimensionali, e proprio perche coinvolgono molti atomi insieme hanno un peso enorme sulle proprieta meccaniche e sulla reattivita dei materiali reali.

Vediamo perche un materiale reale e fatto di tanti cristalli, che cosa sono i bordi di grano e come bloccano le dislocazioni, perche la superficie di un cristallo e un difetto a se, e come queste imperfezioni controllano resistenza e reattivita.

Dal cristallo singolo al policristallo

Un singolo cristallo perfetto, con tutti gli atomi allineati in un unico reticolo continuo, e l’eccezione, non la regola. La quasi totalita dei metalli, delle ceramiche e dei materiali tecnici e policristallina: e un mosaico di tantissimi piccoli cristalli, i grani, ciascuno con il proprio reticolo orientato in una direzione diversa. Tra un grano e l’altro, dove due reticoli con orientazioni differenti si incontrano, c’e una regione di disallineamento: il bordo di grano. Anche all’interno di un singolo cristallo, del resto, si trovano spesso domini leggermente disorientati l’uno rispetto all’altro, separati da bordi di sottograno.

Il bordo di grano

Il bordo di grano e la superficie di separazione fra due grani con orientazioni reticolari diverse. Lungo questa interfaccia gli atomi non riescono a sistemarsi in modo regolare per nessuno dei due reticoli: la struttura e localmente disordinata, gli atomi sono impacchettati meno perfettamente e l’energia e piu alta che nell’interno del grano. Quando il disorientamento fra i grani e molto piccolo (frazioni di grado), il bordo si descrive addirittura come una fila di dislocazioni allineate, ed e detto bordo di sottograno o a piccolo angolo. Quando il disorientamento e grande, il bordo e una regione disordinata vera e propria.

Perche i bordi di grano irrobustiscono

Ecco l’aspetto piu importante per la meccanica dei materiali. Le dislocazioni, responsabili della deformazione plastica, si muovono facilmente all’interno di un grano, ma non riescono ad attraversare il bordo: trovano dall’altra parte un reticolo orientato diversamente, su cui il loro piano di scorrimento non prosegue. Cosi le dislocazioni si fermano al bordo e si accumulano dietro come in un ingorgo. Per continuare a deformare il materiale serve quindi piu sforzo. La conseguenza pratica e una regola fondamentale della metallurgia: piu i grani sono piccoli, piu il materiale e resistente, perche aumenta la superficie totale dei bordi che ostacolano le dislocazioni. Affinare la grana e una delle leve principali per irrobustire un metallo.

σ_y = σ₀ + k · d^−1/2  ·  resistenza crescente al diminuire della grana d

La superficie come difetto

Anche la superficie esterna del cristallo e a tutti gli effetti un difetto bidimensionale. Gli atomi superficiali hanno meno vicini di quelli interni: i loro legami sono in parte «insaturi», incompleti. Questa insaturazione rende la superficie energeticamente piu alta e chimicamente piu reattiva dell’interno. E proprio sulla superficie, e nei punti dove le dislocazioni o i bordi di grano emergono, che si concentrano l’adsorbimento, la catalisi, l’inizio della corrosione e la nucleazione delle reazioni allo stato solido. Il legame fra superficie e reattivita e approfondito nei cluster su superfici e catalisi.

Perche conta nella pratica

I difetti di superficie e i bordi di grano sono cio che separa il comportamento ideale di un cristallo da quello reale di un componente. La resistenza e la tenacita di un acciaio, la resistenza al creep di una superlega, la velocita con cui un metallo si corrode, l’attivita di un catalizzatore solido dipendono in larga parte dalla microstruttura, cioe dalla dimensione dei grani e dallo stato delle superfici. Per chi seleziona materiali o ne controlla i trattamenti termomeccanici, leggere una microstruttura e ragionare in termini di bordi di grano e di superfici e una competenza quotidiana, complementare alla comprensione dei difetti puntuali e delle dislocazioni trattati negli altri articoli del cluster.

Domande frequenti

Che cos’e un bordo di grano?

E la superficie di separazione fra due cristalli (grani) con orientazioni reticolari diverse in un materiale policristallino. Lungo il bordo gli atomi sono disposti in modo irregolare, perche nessuno dei due reticoli prosegue ordinatamente: l’impacchettamento e meno denso e l’energia piu alta. E un difetto bidimensionale che influenza fortemente le proprieta meccaniche e la reattivita del materiale.

Perche un metallo a grana fine e piu resistente?

Perche le dislocazioni, che producono la deformazione plastica, non riescono ad attraversare i bordi di grano e vi si accumulano. Piu i grani sono piccoli, maggiore e la superficie totale dei bordi e piu numerosi gli ostacoli al movimento delle dislocazioni: serve quindi piu sforzo per deformare il materiale. Esiste anche una legge quantitativa che lega la resistenza all’inverso della radice della dimensione dei grani.

Perche la superficie di un cristallo e piu reattiva?

Perche gli atomi superficiali hanno meno vicini di quelli interni e quindi legami in parte incompleti, insaturi. Questa insaturazione rende la superficie energeticamente piu alta e chimicamente piu reattiva: e li, e nei punti dove emergono dislocazioni e bordi di grano, che si concentrano adsorbimento, catalisi, corrosione e nucleazione delle reazioni allo stato solido.

Che differenza c’e tra bordo di grano e bordo di sottograno?

Il bordo di grano vero e proprio separa cristalli con orientazioni molto diverse ed e una regione disordinata. Il bordo di sottograno, o a piccolo angolo, separa domini disorientati di pochissimo (frazioni di grado) all’interno dello stesso cristallo, e si puo descrivere semplicemente come una fila di dislocazioni allineate. E una distinzione di grado di disorientamento fra i due reticoli che si incontrano.

Perche i materiali reali sono policristallini?

Perche durante la solidificazione o la cristallizzazione i cristalli nucleano in moltissimi punti contemporaneamente e crescono ciascuno con la propria orientazione, fino a incontrarsi. Ne risulta un mosaico di grani separati da bordi. Ottenere un cristallo singolo perfetto richiede tecniche speciali e lente; nella pratica industriale quasi tutti i metalli e le ceramiche sono policristallini, con proprieta dominate dalla loro microstruttura.