Una dislocazione è un difetto o irregolarità cristallografica lineare all’interno di una struttura cristallina che contiene un brusco cambiamento nella disposizione degli atomi. L’ordine cristallino viene ripristinato su entrambi i lati di una dislocazione, ma gli atomi su un lato si sono spostati o scivolati. Le dislocazioni definiscono il confine tra le regioni scivolate e quelle non schiacciate del materiale e non possono terminare all’interno di un reticolo e devono estendersi fino a un bordo libero o formare un anello all’interno del cristallo., Una dislocazione può essere caratterizzata dalla distanza e dalla direzione del movimento che provoca agli atomi nel reticolo che è chiamato vettore di hamburger. Il vettore Hamburger di una dislocazione rimane costante anche se la forma della dislocazione può cambiare.
Esistono vari tipi di dislocazione, con dislocazioni mobili note come dislocazioni glissili e immobili chiamate sessili. Il movimento delle dislocazioni mobili consente agli atomi di scivolare l’uno sull’altro a bassi livelli di stress ed è noto come scivolamento o scivolamento., Il movimento delle dislocazioni può essere migliorato o ostacolato dalla presenza di altri elementi all’interno del cristallo e nel tempo, questi elementi possono diffondersi alla dislocazione formando un’atmosfera di Cottrell. Il pinning e la rottura da questi elementi spiega alcuni del comportamento cedevole insolito visto con gli acciai. L’interazione dell’idrogeno con le dislocazioni è uno dei meccanismi proposti per spiegare l’infragilimento da idrogeno.,
Le dislocazioni si comportano come se fossero un’entità distinta all’interno di un materiale cristallino in cui alcuni tipi di dislocazione possono muoversi attraverso il materiale piegandosi, flettendo e cambiando forma e interagendo con altre dislocazioni e caratteristiche all’interno del cristallo. Le dislocazioni sono generate deformando un materiale cristallino quali i metalli, che possono indurli ad iniziare dalle superfici, particolarmente alle concentrazioni di sforzo o all’interno del materiale ai difetti ed ai confini del grano., Il numero e la disposizione delle dislocazioni danno origine a molte delle proprietà dei metalli come duttilità, durezza e resistenza allo snervamento. Il trattamento termico, il contenuto di lega e la lavorazione a freddo possono modificare il numero e la disposizione della popolazione di dislocazione e il modo in cui si muovono e interagiscono per creare proprietà utili.
Simulazione di dislocazioni in alluminio. Vengono mostrati solo atomi non cristallini.,
Generare dislocationsEdit
Quando i metalli sono sottoposti a lavorazione a freddo (deformazione a temperature relativamente basse rispetto al materiale assoluto della temperatura di fusione, T i m {\displaystyle T_{m}} cioè, in genere meno di 0,4 T i m {\displaystyle 0.4T_{m}} ) la densità delle dislocazioni aumenta a causa della formazione di nuove dislocazioni. La conseguente crescente sovrapposizione tra i campi di deformazione delle dislocazioni adiacenti aumenta gradualmente la resistenza a ulteriori movimenti di dislocazione. Ciò causa un indurimento del metallo mentre la deformazione progredisce., Questo effetto è noto come indurimento da sforzo o indurimento da lavoro.
La densità di dislocazione ρ {\displaystyle \ rho } in un materiale può essere aumentata dalla deformazione plastica mediante la seguente relazione:
τ τ ρ {\displaystyle \tau \propto {\sqrt {\rho }}} .
Poiché la densità di dislocazione aumenta con la deformazione plastica, un meccanismo per la creazione di dislocazioni deve essere attivato nel materiale., Tre meccanismi per la formazione di dislocazione sono la nucleazione omogenea, l’iniziazione del confine del grano e le interfacce tra il reticolo e la superficie, i precipitati, le fasi disperse o le fibre di rinforzo.
Nucleazione omogeneamodifica
La creazione di una dislocazione per nucleazione omogenea è il risultato della rottura dei legami atomici lungo una linea nel reticolo. Un piano nel reticolo viene tranciato, causando 2 mezze planimetrie o dislocazioni opposte. Queste dislocazioni si allontanano l’una dall’altra attraverso il reticolo., Poiché la nucleazione omogenea forma dislocazioni da cristalli perfetti e richiede la rottura simultanea di molti legami, l’energia richiesta per la nucleazione omogenea è elevata. Ad esempio , lo stress richiesto per la nucleazione omogenea nel rame è stato dimostrato essere τ hom G = 7.4 × 10 − 2 {\displaystyle {\frac {\tau _{\text{hom}}}{G}}=7.4\volte 10^{-2}}, dove G {\displaystyle G} è il modulo di taglio del rame (46 GPa). Risolvere per τ hom {\displaystyle \ tau _ {\text {hom}}\,\!}, vediamo che lo stress richiesto è 3,4 GPa, che è molto vicino alla forza teorica del cristallo., Pertanto, nella deformazione convenzionale la nucleazione omogenea richiede uno stress concentrato ed è molto improbabile. L’iniziazione del contorno del grano e l’interazione dell’interfaccia sono fonti più comuni di dislocazioni.
Le irregolarità ai confini del grano nei materiali possono produrre dislocazioni che si propagano nel grano. I gradini e le sporgenze al confine del grano sono un’importante fonte di dislocazioni nelle prime fasi della deformazione plastica.,
Frank–Read sourceEdit
La sorgente Frank–Read è un meccanismo che è in grado di produrre un flusso di dislocazioni da un segmento appuntato di una dislocazione. Lo stress piega il segmento di dislocazione, espandendosi fino a creare un ciclo di dislocazione che si libera dalla sorgente.
SurfacesEdit
La superficie di un cristallo può produrre dislocazioni nel cristallo. A causa dei piccoli passi sulla superficie della maggior parte dei cristalli, lo stress in alcune regioni sulla superficie è molto più grande dello stress medio nel reticolo. Questo stress porta a dislocazioni., Le dislocazioni vengono quindi propagate nel reticolo nello stesso modo dell’iniziazione del confine del grano. Nei singoli cristalli, la maggior parte delle dislocazioni si forma in superficie. La densità di dislocazione 200 micrometri nella superficie di un materiale è stata dimostrata essere sei volte superiore alla densità nella massa. Tuttavia, nei materiali policristallini le sorgenti superficiali non hanno un effetto importante perché la maggior parte dei grani non sono in contatto con la superficie.
Interfacciemodifica
L’interfaccia tra un metallo e un ossido può aumentare notevolmente il numero di dislocazioni create., Lo strato di ossido mette la superficie del metallo in tensione perché gli atomi di ossigeno si comprimono nel reticolo e gli atomi di ossigeno sono sotto compressione. Ciò aumenta notevolmente lo stress sulla superficie del metallo e di conseguenza la quantità di dislocazioni formate sulla superficie. La maggiore quantità di stress sui gradini della superficie provoca un aumento delle dislocazioni formate ed emesse dall’interfaccia.
Le dislocazioni possono anche formarsi e rimanere nel piano di interfaccia tra due cristalli., Ciò si verifica quando la spaziatura del reticolo dei due cristalli non corrisponde, causando un disadattamento dei reticoli all’interfaccia. Lo stress causato dal reticolo misfit viene rilasciato formando dislocazioni disadattate regolarmente distanziate. Le dislocazioni disadattate sono dislocazioni di bordo con la linea di dislocazione nel piano dell’interfaccia e il vettore Hamburger nella direzione dell’interfaccia normale. Le interfacce con dislocazioni disadattate possono formarsi ad esempio come risultato della crescita epitassiale del cristallo su un substrato.
Irradiazioneedit
I loop di dislocazione possono formarsi nel danno creato dall’irradiazione energetica., Un ciclo di dislocazione prismatica può essere inteso come un disco compresso extra (o mancante) di atomi e può formarsi quando gli atomi interstiziali o i posti vacanti si raggruppano insieme. Ciò può accadere direttamente a seguito di cascate di collisione singole o multiple, che si traducono in densità localmente elevate di atomi interstiziali e posti vacanti. Nella maggior parte dei metalli, i loop di dislocazione prismatica sono i cluster energeticamente più preferiti di atomi auto-interstiziali.,
Interazione e sistemamodiFica
Dislocazioni geometricamente necessariemodifica
Le dislocazioni geometricamente necessarie sono disposizioni di dislocazioni che possono ospitare un grado limitato di flessione plastica in un materiale cristallino.I grovigli di dislocazioni si trovano nella fase iniziale della deformazione e appaiono come confini non ben definiti; il processo di recupero dinamico porta alla formazione di una struttura cellulare contenente confini con disorientamento inferiore a 15° (limiti di grano a basso angolo).,
PinningEdit
L’aggiunta di punti di pinning che inibiscono il movimento delle dislocazioni, come gli elementi di lega, può introdurre campi di stress che alla fine rafforzano il materiale richiedendo uno stress applicato più elevato per superare lo stress di pinning e continuare il movimento di dislocazione.
Gli effetti dell’indurimento da deformazione per accumulo di dislocazioni e la struttura del grano formata ad alta deformazione possono essere rimossi mediante un appropriato trattamento termico (ricottura) che favorisce il recupero e la successiva ricristallizzazione del materiale.,
Le tecniche di lavorazione combinate di tempra e ricottura consentono il controllo della densità di dislocazione, del grado di entanglement di dislocazione e, infine, del carico di snervamento del materiale.
Bande antiscivolo persistentimodifica
Il ciclo ripetuto di un materiale può portare alla generazione e al raggruppamento di dislocazioni circondate da regioni relativamente prive di dislocazione. Questo modello forma una struttura simile a una scala nota come banda di slittamento persistente (PSB)., I PSB sono cosiddetti, perché lasciano segni sulla superficie dei metalli che, anche se rimossi mediante lucidatura, ritornano nello stesso punto con il ciclismo continuato.
Le pareti PSB sono prevalentemente costituite da dislocazioni dei bordi. Tra le pareti, la plasticità viene trasmessa dalle dislocazioni delle viti.
Dove i PSB incontrano la superficie, si formano estrusioni e intrusioni, che sotto ripetuti carichi ciclici, possono portare all’avvio di una crepa da fatica.,
MovementEdit
GlideEdit
Le dislocazioni possono scivolare in piani contenenti sia la linea di dislocazione che il vettore Hamburger, il cosiddetto piano di planata. Per una dislocazione a vite, la linea di dislocazione e il vettore Hamburger sono paralleli, quindi la dislocazione può scivolare in qualsiasi piano contenente la dislocazione. Per una dislocazione del bordo, la dislocazione e il vettore Hamburger sono perpendicolari, quindi c’è un piano in cui la dislocazione può scivolare.,
ClimbEdit
La salita di dislocazione è un meccanismo alternativo di movimento di dislocazione che consente a una dislocazione del bordo di spostarsi dal suo piano di scivolamento. La forza trainante per la salita di dislocazione è il movimento dei posti vacanti attraverso un reticolo cristallino. Se un posto vacante si sposta vicino al confine del mezzo piano extra di atomi che forma una dislocazione del bordo, l’atomo nel mezzo piano più vicino al posto vacante può saltare e riempire il posto vacante. Questo spostamento dell’atomo sposta il posto vacante in linea con il mezzo piano degli atomi, causando uno spostamento, o salita positiva, della dislocazione., Il processo di un posto vacante che viene assorbito al confine di un mezzo piano di atomi, piuttosto che creato, è noto come salita negativa. Poiché la salita di dislocazione deriva da singoli atomi che saltano in posti vacanti, la salita avviene in incrementi di diametro di singolo atomo.
Durante la salita positiva, il cristallo si restringe nella direzione perpendicolare al mezzo piano extra degli atomi perché gli atomi vengono rimossi dal mezzo piano. Poiché la salita negativa comporta un’aggiunta di atomi al mezzo piano, il cristallo cresce nella direzione perpendicolare al mezzo piano., Di conseguenza, lo sforzo compressivo nella direzione perpendicolare al mezzo piano promuove la salita positiva, mentre lo sforzo di trazione promuove la salita negativa. Questa è una differenza principale tra slittamento e salita, poiché lo slittamento è causato solo dallo stress di taglio.
Un’ulteriore differenza tra lo slittamento della dislocazione e la salita è la dipendenza dalla temperatura. La salita avviene molto più rapidamente alle alte temperature rispetto alle basse temperature a causa di un aumento del movimento dei posti vacanti. Slip, d’altra parte, ha solo una piccola dipendenza dalla temperatura.,
Valanghe di dislocazionemodifica
Valanghe di dislocazione si verificano quando si verificano più movimenti simultanei di dislocazioni.
Dislocazione VelocityEdit
la Dislocazione di velocità è in gran parte dipende dalla sollecitazione di taglio e di temperatura, e spesso possono essere in forma con una legge di potenza funzione:
v = A t m {\displaystyle v=A\tau ^{m}}
in cui Un {\displaystyle A} è un materiale costante, τ {\displaystyle \tau } di applicazione della sollecitazione di taglio, m {\displaystyle m} è una costante che diminuisce con l’aumentare della temperatura., Lo sforzo aumentato del taglio aumenterà la velocità di dislocazione, mentre la temperatura aumentata diminuirà tipicamente la velocità di dislocazione. Una maggiore dispersione dei fononi a temperature più elevate è ipotizzata come responsabile di un aumento delle forze di smorzamento che rallentano il movimento della dislocazione.
