Strutture cristalline

Descrivere quali siano le differenti strutture cristalline dei materiali, quali tipologie di difetti si possano riscontrare e quale sia l’effetto della presenza dei difetti

Ci sono 7 strutture cristalline: cubico, esagonale, tetragonale, romboedrico, ortorombico, monoclino, triclino. A partire da questi reticoli esistono 14 reticoli di Bravais. Le strutture prevalenti sono cubica e esagonale, a cui corrispondono i reticoli cubico a facce centrate (CFC), cubico a corpo centrato (CCC) e esagonale compatto.

Ci sono tre tipologie di difetti:

-          Difetti di punto: Vacanze, cioè mancanza di un atomo à le vacanze non sono ferme, gli atomi si spostano da una vacanza all’altra e questo permette diffusione allo stato solido. Difetto autointerstiziale: uno degli atomi del reticolo rimane incastrato in una posizione in cui normalmente non sarebbe, causando una deformazione del reticolo. Impurezze: è presente un atomo esterno al reticolo, che può essere sostituzionali se la dimensione si questo atomo esterno è simile a quella degli atomi del reticolo, interstiziale se invece è piccolo.

-          Difetti di linea: Dislocazioni a spigolo: parte di una linea del reticolo maca. Dislocazione a vite: parte del reticolo è sfalsato. Questi difetti permettono ai materiali duttili di subire deformazione plastica: quando il materiale viene sottoposto a sforzo la dislocazione si sposta (i legami si formano e si spezzano così da permetterne il movimento). Nei materiali fragili invece le dislocazioni non riescono a scorrere e se gli sforzi sono troppo intensi il materiale si rompe.

-          Divetti di superficie: quando il materiale cristallino si sta formando inizialmente sono presenti vari centri di cristallizzazione che durante l’accrescimento si incontrano, formando bordi di grano. In queste porzioni il materiale può subire più facilmente l’attacco chimico. Inoltre i bordi di grano ostacolano il moto delle dislocazioni

Che differenza c’è tra un materiale amorfo e uno cristallino in termini di struttura e proprietà?

Un materiale cristallino presenta una struttura interna ordinata e regolare, con un’unità di base che si ripete nello spazio, ad esempio come succede nel diamante o nel quarzo. Un materiale amorfo non presenta ordine a lungo raggio; un esempio è il vetro. 

I materiali amorfi sono trasparenti siccome al loro interno non sono presenti discontinuità, mentre nei materiali cristallini, la trasparenza o opacità dipende dalla struttura e dalla presenza di difetti.

I materiali cristallini hanno una temperatura di fusione ben definita a cui avviene la transizione solido-liquido. Gli amorfi invece non hanno una transizione ben definita ma passano attraverso uno stato gommoso in cui il materiale è rammollito.

Materiali a struttura cristallina: descrivere i reticoli di Bravais

I reticoli di Bravais descrivono come sono disposti gli atomi all’interno di un reticolo cristallino. I reticoli di Bravais sono 14, raggruppati in 7 sistemi cristallini. I principali reticoli di Bravais sono:

-          Cubico corpo centrato (CCC): gli atomi si trovano ai vertici di un cubo e anche in mezzo al cubo stesso.  Ogni cella elementare contiene 2 atomi.

-          Cubico facce centrate (CFC): gli atomi si trovano ai vertici di un cubo e anche in mezzo a ciascuna delle facce del cubo stesso. Ogni cella elementare contiene 4 atomi. È una struttura molto compatta e generalmente più duttile.

-          Esagonale compatto: gli atomi sono disposti ai 12 vertici del reticolo, in mezzo alle facce esagonali e a metà altezza ci sono altri 3 atomi a formare un triangolo.

Indicare e descrivere le possibili strutture cristalline che caratterizzano le leghe ferrose

Le leghe ferrose possono presentare diversa struttura cristallina a seconda di composizione e temperatura:

-          Reticolo cubico a corpo centrato (CCC): tipico della ferrite alfa, stabile a T ambiente.

-          Reticolo cubico a facce centrate (CFC): tipico dell’austenite, stabile fino a 1400°C circa. Questa struttura è più compatta.

-          Reticolo cubico a corpo centrato (CCC): tipico della ferrite gamma, stabile a T ancora più elevate

Il passaggio da una struttura cristallina ad un’altra senza variazione della composizione, ma solo per effetto della temperatura prende il nome di trasformazione allotropica.

Descrivere i possibili meccanismi di rafforzamento nelle leghe metalliche

Per rendere un materiale più resistente è necessario ostacolare il movimento delle sue dislocazioni, siccome la deformazione plastica avviene a causa del loro scorrimento. I principali meccanismi di rafforzamento sono:

-          Rafforzamento per soluzione solida: l’aggiunta di altri atomi nel reticolo cristallino genera deformazioni locali a causa della differente dimensione atomica. Queste distorsioni ostacolano il movimento delle dislocazioni.

-          Rafforzamento per precipitazione: grazie a opportuni trattamenti termici è possibile far precipitare fini particelle di una seconda fase nella matrice metallica. Le dislocazioni devono aggirare questi precipitati e il loro moto è ostacolato.

-          Presenza di bordi di grano: i bordi di grano sono una barriera al movimento delle dislocazioni. Con grani più piccoli aumenta il numero di bordi di grano e quindi la resistenza.

-          Incrudimento: quando un materiale viene lavorato a freddo si formano nuove dislocazioni. Se il loro numero è molto elevato allora si ostacolano a vicenda, aumentando la resistenza del materiale.