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Le dislocazioni, motore della deformazione plastica

La comprensione delle proprietà meccaniche dei metalli non può prescindere dallo studio delle dislocazioni. Si tratta di difetti lineari (unidimensionali) del reticolo cristallino che consistono in un disallineamento degli atomi rispetto alla loro configurazione ordinata ideale.

Sebbene il termine "difetto" possa suggerire un'imperfezione negativa, le dislocazioni sono in realtà i costituenti fondamentali che permettono ai materiali metallici di deformarsi plasticamente ed esibire, a livello macroscopico, proprietà imprescindibili per il loro utilizzo, come la duttilità e la malleabilità. Senza la presenza delle dislocazioni, la deformazione dei materiali metallici richiederebbe sforzi meccanici elevatissimi, rendendo di fatto impossibile, o estremamente difficile, ogni lavorazione di interesse tecnologico.

Meccanismi di deformazione, ruolo delle dislocazioni e loro tipologie

In altri termini, le dislocazioni sono i soggetti responsabili della deformabilità plastica dei metalli. Il meccanismo attraverso cui il reticolo si deforma permanentemente è lo scorrimento (slip) dei piani cristallografici, che risulta enormemente agevolato dalla presenza di questi difetti.

Le dislocazioni non sono tutte dello stesso tipo, ma si distinguono principalmente in base alla geometria della distorsione reticolare prodotta. In linea teorica esistono due forme fondamentali di dislocazione, ma le più comuni nei materiali reali sono le configurazioni miste, che sono una combinazione delle seguenti:

• Dislocazione a spigolo (edge): è definita dall'inserimento di un semipiano cristallografico supplementare all'interno del reticolo. Il vettore di Burgers, che specifica l'entità e la direzione della distorsione, è perpendicolare alla linea di dislocazione.
• Dislocazione a vite (screw): può essere visualizzata come una rampa elicoidale prodotta da uno sforzo di taglio che sposta una porzione del cristallo rispetto all'altra. In questo caso, il vettore di Burgers è parallelo alla linea di dislocazione.
• Dislocazione mista: rappresenta la configurazione più comune nei materiali reali, presentando componenti sia a spigolo che a vite. Rappresenta, di fatto, una combinazione più o meno articolata delle prime due forme.

Per approfondire la trattazione sulle dislocazioni e il loro impatto sulla meccanica cristallina e sulla deformabilità di un metallo, esamineremo tre temi cardine alla base di questa teoria, ormai fortemente supportata da moltissime evidenze sperimentali:

• la dinamica atomica dello scorrimento
• l'interazione tra dislocazioni e barriere microstrutturali
• l'evoluzione della densità di difetti legata all'incrudimento.

Questi tre aspetti descrivono, rispettivamente, come le dislocazioni si muovono, come vengono ostacolate e come la loro densità evolve durante la deformazione plastica.

1. Dinamica atomica e sistemi di scorrimento (slip systems)

La deformazione plastica nei metalli cristallini non avviene per spostamento casuale, ma attraverso un processo ordinato chiamato, in inglese, slip (scorrimento).

In un reticolo cristallino ideale, privo di difetti reticolari, la deformazione plastica richiederebbe la rottura simultanea di tutti i legami atomici lungo un piano di taglio.Lo sforzo teorico stimato per gli acciai comuni è attorno ai 13 GPa. Nella realtà, la presenza delle dislocazioni permette lo scorrimento del reticolo attraverso il movimento di un singolo semipiano alla volta, con livelli di sforzo notevolmente inferiori.

Questo processo è analogo al movimento di un bruco o allo spostamento di una piega in un tappeto: la dislocazione percorre il piano di scorrimento compiendo piccoli "salti" di un passo reticolare alla volta, riducendo lo sforzo necessario all'attivazione della deformazione a soli 5-10 MPa (sempre nel caso di acciai comuni).

In sintesi, possiamo affermare che la deformabilità di un metallo è direttamente proporzionale alla mobilità di questi difetti all'interno della matrice cristallina del metallo: più le dislocazioni sono libere di muoversi, più il materiale è deformabile.

Le dislocazioni non si muovono casualmente, ma seguono percorsi preferenziali che minimizzano la distorsione atomica durante il moto. Il risultato è un sistema di scorrimento, a sua volta identificato da un piano di scorrimento e da una direzione di scorrimento.

Diamo una definizione di questi elementi:

• Piano di scorrimento: è solitamente il piano cristallografico caratterizzato dalla maggiore densità atomica (densità planare) e dalla maggiore distanza interplanare (spazio fisico che separa due piani paralleli e adiacenti di atomi all'interno di un cristallo).
• Direzione di scorrimento: corrisponde alla direzione all'interno del piano di scorrimento lungo la quale gli atomi sono più fittamente impaccati (massima densità lineare).

Una grandezza che caratterizza la natura di una dislocazione e il suo impatto sulla struttura cristallina è il Vettore di Burgers, precedentemente citato. Nel dettaglio questo vettore indica la direzione di scorrimento del cristallo e l'entità della deformazione plastica locale: la direzione di questo vettore corrisponde alla direzione di scorrimento della dislocazione, mentre la sua grandezza è pari al più piccolo vettore di traslazione del reticolo nella direzione di scorrimento.

Il numero di sistemi di scorrimento attivi determina la deformabilità plastica posseduta da un metallo. Ad esempio per i reticoli cristallini più comuni si ha:

• Reticolo cubico a facce centrate (es. rame, alluminio, acciaio con struttura austenitica): possiede 12 sistemi di scorrimento su piani densissimi, garantendo un'elevata duttilità ad esempio anche a temperature basse (criogeniche).
• Reticolo cubico a corpo centrato (es. acciaio con struttura ferritica): possiede fino a 48 piani di scorrimento, anche se i principali a temperatura ambientale sono 12; i piani non sono densamente impaccati come nel reticolo cubico a facce centrate. Di conseguenza il moto delle dislocazioni risulta più difficoltoso e fortemente dipendente dalla temperatura, fenomeno che è alla base della transizione tenace-fragile.
• Reticolo esagonale compatto: (titanio fase alfa, magnesio, zinco): ha solo 3 sistemi primari a temperatura ambiente, il che ne limita drasticamente la deformabilità plastica a freddo.

2. Interazione con barriere e ostacoli reticolari

Le dislocazioni interagiscono costantemente con altri difetti del reticolo, che agiscono come ostacoli al loro moto, aumentando così la resistenza del materiale. Tra questi difetti troviamo:

• Bordi grano: rappresentano barriere bidimensionali dove i piani di scorrimento subiscono una discontinuità. Durante la deformazione, le dislocazioni si propagano fino a incontrare ostacoli fisici, come appunto i bordi di grano che rappresentano una delle barriere più efficaci: poiché i grani adiacenti hanno orientazioni cristallografiche differenti, una dislocazione che raggiunge il confine deve cambiare direzione o arrestarsi a causa della discontinuità dei piani di scorrimento.

Quando una dislocazione incontra un bordo grano, il suo moto viene arrestato, portando al fenomeno dell'impilamento (pile-up). Un materiale a grano fine, possedendo una maggiore superficie di bordi grano per unità di volume, offre un numero elevatissimo di ostacoli al moto dei difetti, incrementando così la resistenza meccanica del materiale secondo la legge di Hall-Petch.

La legge di Hall-Petch stabilisce che la resistenza allo snervamento di un materiale metallico policristallino aumenta all'aumentare della finezza della sua microstruttura, ovvero al diminuire della dimensione dei grani cristallini. Più piccoli sono i grani, maggiore è la forza necessaria per la deformazione.

• Atomi di lega (soluzioni solide): gli atomi estranei (interstiziali come il carbonio o sostituzionali come il nichel) generano campi di tensione che "ancorano" le dislocazioni, richiedendo uno sforzo maggiore per rimetterle in moto.
• Precipitati: nanoparticelle disperse nella matrice bloccano il moto delle dislocazioni. Se i precipitati sono incoerenti, le dislocazioni devono circondarli (meccanismo di Orowan), lasciando dietro di sé dei "loop" che incrementano ulteriormente la resistenza.

3. Moltiplicazione, incrudimento, recupero e ricristallizzazione

Le dislocazioni giocano un ruolo fondamentale nel processo di incrudimento.

Durante la deformazione plastica il numero di dislocazioni non rimane costante, ma aumenta esponenzialmente. Questa moltiplicazione avviene principalmente tramite il meccanismo di Frank-Read, secondo cui una linea di dislocazione ancorata a due ostacoli si curva sotto sforzo fino a richiudersi su se stessa (un po’ come una bolla o un anello), generando una nuova dislocazione.

Con il procedere della deformazione, questo meccanismo aumenta progressivamente la densità delle dislocazioni. Queste, trovandosi sempre più in stretta prossimità, per effetto delle forze repulsive generate si ostacolano reciprocamente, rendendo la deformazione sempre più difficoltosa.

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In altri termini, maggiore è la deformazione imposta, maggiore è lo sforzo necessario per produrne di nuova. È proprio questo il fondamento dell'incrudimento. A livello macroscopico, l’aumento delle dislocazioni provoca un aumento del carico di snervamento e della durezza a scapito della deformabilità residua che diminuisce drasticamente. Ad esempio, in un acciaio ricotto, cioè trattato termicamente in modo da avere pochissime dislocazioni, la densità è bassa e ammonta a circa 10³–10⁴ per mm², ma dopo una forte deformazione plastica può salire a circa 10⁹–10¹⁰ per mm².

I trattamenti termici utilizzati per eliminare o attenuare gli effetti dell'incrudimento derivante dalla deformazione plastica a freddo sono genericamente definiti ricotture. Questi processi sfruttano l'energia termica per riportare il materiale verso uno stato di maggiore stabilità termodinamica, ripristinando la sua deformabilità.

A seconda della temperatura e del tempo di mantenimento, si distinguono due fasi principali di ripristino delle proprietà originali: il recupero (recovery) e la ricristallizzazione.

• Recupero (recovery): questo trattamento avviene riscaldando il metallo a basse temperature, inferiori alla temperatura minima di ricristallizzazione; le dislocazioni si riorganizzano in configurazioni a minore energia, riducendo le tensioni residue senza variare la durezza.
  
  
  • → Meccanismo fisico: gli atomi, grazie all'agitazione termica, si diffondono da posizioni ad elevata energia verso configurazioni di maggiore equilibrio. Le dislocazioni si riorganizzano in strutture a minore energia, riducendo le tensioni interne.
  • → Effetti sulle proprietà: durante il recupero, la durezza e la resistenza meccanica non variano in modo significativo. Tuttavia, si osserva una drastica riduzione delle tensioni residue e un parziale ripristino delle proprietà fisiche, come la conduttività elettrica e termica.
  • → Esempi: nei bronzi, riscaldamenti tra 250°C e 300°C inducono il recupero (recovery) eliminando le tensioni senza far decadere eccessivamente la durezza e la resistenza.
    
    
• Ricristallizzazione: sopra una temperatura critica (circa 0,4-0,5 rispetto alla temperatura di fusione), nucleano nuovi grani equiassici privi di deformazione, eliminando completamente l'incrudimento e ripristinando la duttilità originaria. Gli aspetti caratterizzanti sono:
  
  
  • → Meccanismo fisico: gli originari grani deformati e allungati iniziano a trasformarsi in un nuovo set di grani equiassici e privi di tensioni attraverso processi di nucleazione e accrescimento.
  • → Effetti sulle proprietà: questo trattamento provoca un brusco calo della durezza e della resistenza meccanica, ma consente di recuperare completamente la duttilità e la capacità di subire ulteriori deformazioni plastiche.
  • → Parametri critici: la ricristallizzazione è favorita da un elevato grado di incrudimento iniziale. Maggiore è la deformazione subita, più bassa sarà la temperatura necessaria per innescare il processo e più fine sarà il grano finale.

È importante non eccedere con la temperatura o i tempi di mantenimento dopo la ricristallizzazione. Se il riscaldamento prosegue, alcuni grani iniziano ad accrescersi a spese di altri per ridurre l'energia superficiale del sistema. Un grano troppo grosso (ingrossamento del grano) è generalmente indesiderato poiché provoca un decadimento delle proprietà meccaniche complessive.

Fonti e riferimenti tecnici per approfondimenti

• Boniardi, M. V., & Casaroli, A. (2017, 2022). Metallurgia degli acciai - Parte prima. Esine (BS): Lucefin/ Trafilix S.p.A.
  • → Nota: Tratta la fisica dei metalli, i difetti di linea (dislocazioni), i meccanismi di rafforzamento e i diagrammi di stato.
• Boniardi, M. V., & Casaroli, A. (2022). Metallurgia degli acciai - Parte seconda. Esine (BS): Lucefin S.p.A. / Trafilix S.p.A.
  • → Nota: Focalizzato sulle prove meccaniche (trazione, durezza, resilienza, fatica) e sulle diverse famiglie di acciai da costruzione.
• Nicodemi, W. (2000, 2007). Metallurgia - Principi generali. Bologna: Zanichelli.
• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction (10th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.

Questo articolo è stato scritto dall'Ing. Sergio Rusconi, ingegnere meccanico e Responsabile Tecnico con una lunga esperienza nel settore della trafilatura e della lavorazione della lamiera. Collaboratore abituale di Expometals, è specializzato nell'analisi tecnica approfondita dei processi industriali.