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Difetti Estesi
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Come
è stato già detto all’inizio di questa parte, esistono numerosi tipi
di difetti estesi (di linea, di piano, di volume). Esamineremo i
principali, tenendo conto dei fenomeni che maggiormente possono
interessare la chimica dello stato solido.
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Piani
di taglio cristallografico (Crystallographic Shear planes CS)
E’ noto da molto tempo che certi ossidi di metalli di
transizione si potevano preparare in un ampio range di non
stechiometria. Si tratta precisamente degli ossidi WO3~x,
MoO3~x, TiO2-x e altri. Grazie alle ricerche di
Magneli, ci si rese conto che in questi sistemi, invece della formazione
di soluzioni solide continue, si aveva a che fare con una serie di fasi
strettamente collegate tra loro, con formule e strutture molto simili.
Nel rutilo deficiente di ossigeno si ha una serie omologa di fasi
di formula TinO2n-1 con n = 3... 10. Quindi,
Ti8O15 (TiO1.875) and Ti9O17
(TiO1.889) sono due fasi fisicamente distinte.
I fondamenti strutturali su cui si basano queste fasi furono elucidati da
Magneli, Wadsley e altri, e fu coniato il termine ‘crystallographic
shear’ per il tipo di difetto implicato.
Nel rutilo deficiente di ossigeno esistono regioni cristalline con
la normale struttura del rutilo. Queste sono separate tra loro da piani di
‘taglio cristallografico' (piani CS) che sono sottili lamelle di
differente struttura e composizione. Tutte le vacanze di ossigeno sono
concentrate in questi piani. Al crescere della riduzione la variazione
di stechiometria viene aggiustata aumentando il numero dei piani CS e
diminuendo lo spessore dei blocchi di normale rutilo tra piani CS
adiacenti.
Per comprendere le strutture CS consideriamo come si formano tali piani
per riduzione di WO3 (la rappresentazione è più semplice che
nel caso del rutilo).
La struttura di WO3 è un network 3D di ottaedri WO6 collegati
per i sei vertici (struttura tipo ReO3, Figura a).
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Il
primo step nella riduzione porta alla formazione di siti O vacanti e
riduzione di W6+ a W5+. I siti O vacanti non sono
distribuiti a caso, ma sono tutti disposti su specifici piani del
cristallo (Figura a). Come tale la struttura sarebbe instabile, e quindi
si verifica un collasso parziale per eliminare le vacanze e dar luogo ai
piani CS (Figura b). Il risultato di questo processo di ‘condensazione’
è che gli ottaedri dei piani CS hanno in comune dei lati, mentre in WO3
non ridotto gli ottaedri scambiano solo i vertici. Il piano CS (c)
corre obliquamente attraverso la struttura nella direzione indicata.
I piani CS possono essere distribuiti in modo casuale o essere disposti a
intervalli regolari. Se sono casuali possono essere considerati
come un tipo di difetto planare (difetti di Wadsley, dal cristallografo
australiano A. D. Wadsley). Essi causano una variazione continua della
composizione, come nel caso dell’ossido di tungsteno, che va da WO3
a WO2.93. Se, però, i piani CS, sono distribuiti in una
maniera periodica, non casuale, si deve considerare il materiale
come una nuova fase stechiometrica ordinata.
Al crescere della riduzione il numero di piani CS cresce, diminuendo di
conseguenza la loro spaziatura. Rimuovendo progessivamente ioni O2~,
si osservano serie di fasi (serie omologhe) caratterizzate da piani CS
ordinati e da composizioni che variano progressivamente.
Si conoscono fasi degli ossidì dì tungsteno, di molibdeno, di titanio e
di vanadio contenenti piani CS strettamente intervallati. Esempi di serie
omologhe sono riportate sotto:
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Tipiche serie omologhe di
ossidi con piani CS*
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Composto genitore |
Formula della serie |
Range di composizione |
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WO3 |
WnO3n-1 |
WO3-WO2.93 |
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WnO3n-2 (n = 20, 24, 25 e 40) |
WO2.93-WO2.87 |
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MoO3 |
MonO3n-1
(n = 8, 9) |
-- |
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MonO3n-2 (n = 18) |
-- |
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TiO2 |
TinO2n-1
(3 < n < 10) |
TiO1.67-TiO1.90 |
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TinO2n-1 (16 < n <~ 37) |
TiO1.90-TiO1.9375 |
*Sistemi con un solo set di piani CS non
intersecati
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Vi
possono essere serie diverse per lo stesso composto genitore come
conseguenza della diversa orientazione dei piani CS. Per esempio, esistono
due serie omologhe con la stessa formula generale TinO2n-1
(una serie con 3 < n < 10 e l’altra con 16 < n < ~ 37), ma l’orientazione
dei piani CS è ruotata passando da una serie all’altra di 11.53°. Va
notato che nelle forme ridotte di rutilo i piani CS contengono ottaedri
TiO6 che mettono in comune delle faccie, mentre nella struttura
normale del rutilo gli ottaedri hanno in comune lati.
Una immagine HREM di un piano CS in un ossido WO3-x è mostrata
in Figura sotto a sinistra (a). Nella parte b della Figura si vedono i
gruppi di ottaedri con lati in comune disposti nel piano CS. Per meglio
comprendere come i piani CS alterano la stechiometria di WO3 proviamo
a stabilire la stechiometria di uno dei gruppi di quattro ottaedri uniti
(di colore più scuro).
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Il gruppo contiene 4 W e 18
O; di questi 18 O, 14 sono uniti esternamente con altri ottaedri (cioè
sono a ponte tra due W, 6 nel piano, 4 sopra e 4 sotto il piano della
Figura). Gli altri 4 O sono coinvolti nei legami interni del gruppo. La
stechiometria complessiva è data simbolicamente dalla somma [ 4W + (14 x
½)O + 4O] , cioè W4O11. L’effetto sulla
stechiometria di introdurre questo gruppo in modo ordinato può essere
quantificato. Se l’intera struttura fosse composta da questi gruppi la
formula sarebbe appunto W4O11 (invece di W4O12
cioè WO3).Se vi è un ottaedro [ WO6] per ogni
gruppo [ W4O11] la formula complessiva risulta [ W4O11
+ WO3] = W5O14. Possiamo estendere
questo calcolo per generare tutta una serie, sommando un diverso numero di
ottaedri [ WO6] disposti regolarmente fra i gruppi [ W4O11]
:
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W4O11 + 2WO3 = W6O17 |
W4O11 + 3WO3 = W7O20 |
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W4O11 + 4WO3 = W8O23 |
W4O11 + 5WO3 = W9O26 |
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W4O11 + 6WO3 = W10O29 |
W4O11 +
7WO3 = W11O32 |
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La
formula base del gruppo W4O11 può essere scritta WnO3n-1
(n = 4) e può essere usata per tutti gli altri membri della serie
omologa. Cambiando il tipo di gruppo presente nel piano CS, cambia la
serie omologa. In Figura è mostrata la struttura di un membro delle serie
WnO3n-1, con indicata la cella unitaria. All’interno
di essa vi è un gruppo W4O11 e sette ottaedri.
Perciò la formula risulta W4O11 + 7WO3 =
W11O32.
Le strutture che contengono piani CS sono normarmente studiate mediante la
diffrazione a raggi X o mediante HREM. La diffrazione a raggi X su
cristallo singolo è, naturalmente, il metodo più potente per
caratterizzare le strutture cristalline e, da questo punto di vista,
solitamente la microscopia elettronica gioca un ruolo minore; il suo uso
è spesso alla determinazione della cella unitaria per cristalli molto
piccoli e per studiare i difetti come stacking faults e dislocazioni.
Tuttavia, la tecnica di ottenimento di immagini dirette del reticolo
cristallino in microscopia elettronica è molto utile per gli studi
strutturali delle fasi CS. Si può ottenere l’ immagine di una
proiezione della struttura a circa 3 Å di risoluzione, che normarlmente
si presenta come una serie di frange o linee corrispondenti a file degli
atomi metallici più pesanti, che danno la maggior diffrazione. Mentre in
un cristallo ‘perfetto’ la separazione delle frange è regolare, in
presenza di piani CS si notano irregolarità nelle separazioni. Una coppia
di frange con minor separazione del normale può indicare la presenza di
un piano CS. Contando il numero di frange in ogni blocco si può risalire
alla determinazione di una fase in una serie omologa. Se la struttura di
un membro della serie è stata caratterizzata ai raggi X è relativamente
semplice dedurre le strutture degli altri membri mediante microscopia
elettronica. I difetti di Wadsley (piani CS casuali) possono essere
riconosciuti immediatamente come pure molti altri tipi di difetti.
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Strutture a blocchi
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Negli
esempi precedenti i cristalli presentavano un singolo set di piani CS
paralleli e spaziati regolarmente. Le regioni a struttura normale (non
ridotta) sono limitate in strati. Esistono altre specie, come le forme
ridotte di Nb2O5 e degli ossidi misti Nb-Ti e Nb-W,
che presentano piani CS disposti in due set ortogonali (ruotati di 90°
fra di loro).
Le regioni a struttura regolare (non ridotta, di tipo ReO3)
divengono in questi casi, invece che strati infiniti, delle colonne
infinite. Queste strutture a blocchi (‘block structures’ o ‘double
shear’ structures) rappresentano una situazione difettiva di tipo
tridimensionale, e sono caratterizzate dalle dimensioni della sezione dei
blocchi (espresse in base al numero di ottaedri che scambiano i vertici).
Vi sono fasi contenenti blocchi tutti uguali e altre più complesse, con
blocchi di due o tre diverse dimensioni con disposizioni regolari (vedi
Figura). Alcuni esempi hanno formule come Nb25O62,
Nb47O116, W4Nb26O77 e
Nb65O161 F3.
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E’
possibile avere strutture a blocchi diverse per una singola composizione.
Nb2O5 per esempio esiste in 14 differenti polimorfi,
10 dei quali possiedono strutture a blocchi. La struttura di H-Nb2O5,
il polimorfo più stabile ad alta T, deriva da quella di ReO3
con piani CS ricorrenti in due direzioni quasi ortogonali (Figura a lato
sopra). Una immagine reticolare di H-Nb2O5 è
mostrata nella Figura a lato sotto. Tra NbO2.4167 e NbO2.5000
sono state identificate numerose strutture a blocchi con blocchi
diversi: Nb12O29, Nb22O54, Nb47O116
e Nb25O62.
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Colonne pentagonali
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Come
nel caso delle strutture a blocchi anche nel caso delle strutture a
colonne pentagonali (PC structures) siamo in presenza di un tipo di
difetti tridimensionali. La Figura (a) illustra il tipo di unità di base
strutturale, che consiste in un anello pentagonale di cinque ottaedri [MO6].
Queste unità si sovrappongono a dare colonne, che contengono catene
-O-M-O-M-. Le colonne si possono disporre ordinatamente all’interno di
una struttura estesa tipo ReO3, dando una serie omologa al
variare della loro separazione. Un esempio è il composto Mo3O14
(Figura b). Il motivo strutturale è presente anche nei bronzi al
tungsteno tetragonali. Sistemi basati sul fitting di colonne pentagonali
(come nel caso del sistema Ta2O5-WO3) o
di blocchi (come nella serie TinO2n-1) possono dare
luogo ad una sequenza molto grande di strutture ordinate in
corrispondenza ad una variazione quasi continua della composizione.
Sono esempi di quelle che vengono dette strutture infinitamente
adattabili (Anderson 1973).
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Crescite interne
(Intergrowths)
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L’epitassia
e il politipismo sono esempi dei fenomeni detti di crescite
interne (intergrowths) che avvengono attraverso una interfaccia
solido-solido. L’epitassia è di grande interesse tecnologico perchè ha
a che fare con la deposizione di strati sottili (single-crystal films) di
materiali semiconduttori su un appropriato substrato per l’utilizzo nei
circuiti integrati e in devices a stato solido. Esistono molti casi di
intergrowth che non cambiano la composizione, come nel politipismo. Il
fenomeno può essere ricorrente (periodico) o non ricorrente
(disordinato), nel qual caso si conoscono molti esempi che comportano
cambio di composizione. Tutti i casi di epitassia sono infatti esempi di
interfacce solido-solido che implicano cambio di composizione. Si
potrebbero, in linea di principio, considerare questi sistemi come una
classe di strutture modulate in cui le zone di intergrowth
rappresentano la perturbazione periodica. Vi sono molti sistemi in cui il
processo è ricorrente su lunghe distanze, che danno luogo quidi a serie
omologhe di strutture con celle unitarie grandi.
Un esempio importante di intergrowth ricorrente è quello osservato nei
bronzi al tungsteno. Il termine bronzi si applica a ossidi metallici, che
hanno un colore scuro, lucentezza metallica e sono o conduttori metallici
o semiconduttori.
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L’ossido
WO3 ha la struttura tipo ReO3 con ottaedri [WO6]
uniti per i vertici. Al centro delle celle cubiche del network 3D possono
essere ospitati metalli alcalini. Ne derivano specie le cui strutture
dipendono dalle proporzioni di metallo alcalino presente. Vi sono tre tipi
di strutture principali: fasi cubiche con i metalli al centro delle
celle cubiche (come nelle perowskiti), oppure fasi tetragonali e fasi
esagonali (Figura a e b, rispettivamente).
Le proprietà di conduzione elettronica dei bronzi sono dovute al fatto
che la compensazione di carica, che si deve fare per la presenza dei
cationi alcalini M+, avviene per riduzione di alcuni atomi di
tungsteno da +VI a +V.
I bronzi esagonali (b) si formano quando il potassio reagisce con WO3
e la composizione del prodotto è nel range K0.19WO3
– K0.33WO3. Se la proporzione di K è minore la
struttura consiste regioni di WO3 con crescita interna di
strisce ricorrenti della struttura esagonale.
Gli
strati di struttura esagonale possono contenere due file di canali
esagonali o una sola fila (Figura).
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Strutture
simili si osservano per bronzi al tungsteno contenenti altri metalli, come
Rb, Cs, Ba, Sn, Pb. Una immagine HREM del bronzo con il bario, BaxWO3,
è mostrata in Figura a lato e indica chiaramente che si tratta di una
specie a file singole di canali.
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Stacking faults (Difetti di
impilamento)
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Questo
tipo di difetti (difetti di piano) è comune nei materiali con strutture a
strati, specialmente quelli che presentano politipismo.Il cobalto
metallico presenta sia politipismo che difetti di impilamento. Forma due
politipi principali, ccp (ABC) o hcp (AB).
In questi le strutture in due dimensioni sono uguali, cioè nei piani cp,
e differiscono solo nella terza dimensione, cioè nella sequenza degli
strati. Si ha disordine di impilamento o di sovrapposizione (stacking
faults) quando la normale sequenza viene interrotta dalla presenza di
strati ‘sbagliati’, come ad esempio una sequenza
.... ABABABABCABABA....
Il Co sopra i 500 °C è ccp mentre, abbassanda la temperatura
diventa essenzialmente hcp, (probabilità > 90% di una sequenza
corretta AB). In realtà la sequenza è casuale o ricorrente sul
lungo periodo.
Anche la grafite presenta politipismo (normalmente è hcp ma
talora ccp) e disordine di impilamento.
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Bordi dei grani e domini
antifase
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Un
tipo di imperfezione presente in moltissimi cristalli considerati ‘singoli’
è la presenza di una struttura a domini o a mosaico. All’interno
di ciascun dominio, di dimensioni tipicamente attorno a 104 Å,
la struttura è relativamente perfetta, ma all’interfaccia tra i domini
vi è una discontinuità strutturale. Questo mismatch può essere molto
piccolo e può comportare una differenza angolare dell’orientazione tra
i domini di diversi ordini meno di 1°. Le zone di interfaccia tra i grani
sono dette bordi dei grani (grain boundaries) e possono essere
trattate con la teoria delle dislocazioni
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Un
altro tipo di interfaccia, un bordo di antifase (antiphase
boundary), implica uno spostamento laterale relativo di due parti
dello stesso cristallo (vedi Figura per un cristallo AB).
Attraveso l’interfaccia atomi dello stesso tipo si trovano di fronte
(A-A o B-B) e viene invertita la sequenza ... ABAB... sulle righe
orizzontali. Il termine antifase deriva dal fatto che, se
consideriamo gli atomi A e B come le parti positiva e negativa di un’onda,
all’interfaccia si ha un cambio di fase di p. Una conseguenza,
determinabile sperimentalmente, è che all’interfaccia la struttura
subisce una piccola espansione dovuta alla repulsione tra atomi dello
stesso tipo. Ciò è stato osservato ad esempio in leghe come CuAu.
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Cenno alle dislocazioni (e
proprietà meccaniche dei solidi)
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Le dislocazioni sono una
classe molto importante di difetti cristallini. Sono difetti di linea
stechiometrici e sono responsabili delle proprietà meccaniche dei solidi
(ad esempio, la scarsa robustezza dei metalli puri). Le dislocazioni
giocano un ruolo fondamentale in una varietà di fenomeni di stato solido,
come, ad esempio, le transizioni di fase, il meccanismo di crescita dei
cristalli, sia da soluzioni che da vapori, le reazioni dei solidi (che
spesso avvengono su siti attivi superficiali dove emergono dall’interno
del cristallo le dislocazioni). La loro esistenza fu postulata molto prima
di ogni evidenza sperimentale, sulla base di diversi tipi di osservazioni:
a)
i metalli sono generalmente molto più teneri di quanto previsto. I
calcoli, basati sul modello del cristallo perfetto, farebbero prevedere,
ad esempio, una resistenza al taglio molto maggiore di quelle reale (circa
104 volte maggiore). Ciò indica la presenza di qualche tipo di
‘legame debole’ nelle loro strutture che porta ad una facile
scindibilità.
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b)
molti cristalli ben formati mostrano al microscopio ottico o persino a
occhio nudo sulle superfici delle spirali che indicano il meccanismo di
crescita cristallina (Figura). Tali spirali non dovrebbero essere
osservate in un cristallo perfetto.
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c)
le proprietà di malleabilità e duttilità dei metalli sono difficili da
spiegare senza invocare le dislocazioni. Così, ad esempio, nastri di
magnesio metallico possono essere stirati fino a raggiungere una lunghezza
diverse volte maggiore di quella originale, quasi come il chewing gum,
senza rottura.
d) il processo di ‘work-hardening’
dei metalli non si spiega facilmente senza invocare le dislocazioni.
La fragilità dei cristalli di buona qualità fu un mistero per molto
tempo, soprattutto se confrontata col fatto che cristalli di bassa
qualità, contenenti impurezze e difetti, potevano invece presentare
maggiore resistenza, vicina ai valori teorici del cristallo perfetto.
La teoria delle dislocazioni fu proposta da tre ricercatori
indipendentemente nel 1934 (G.I. Taylor, E. Orowan, G. Polyani) per
spiegare i numerosi fatti sperimentali. Le dislocazioni però non furono
direttamente osservate per almeno altri 10 anni.
Le
dislocazioni appartengono a due tipi estremi, ‘edge’ e ‘screw’, o
possono avere ogni carattere intermedio.
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a) Dislocazioni ‘edge’
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Una
semplice dislocazione di questo tipo è costituita da un semipiano
addizionale di atomi (Figura), cioè un piano di atomi che non si
estende sull’intero cristallo. I piani di atomi nella struttura sono
mostrati in proiezione come delle linee. Queste linee sono parallele sono
parallele salvo che nella regione in cui termina il semipiano aggiuntivo.
Il centro della regione distorta è una linea che attraversa il cristallo,
perpendicolarmente al foglio, in corrispondenza della fine del semipiano.
Questa è la linea della dislocazione. Al di fuori di questa
regione distorta il cristallo è essenzialmente normale. La parte
superiore (vedi Figura) deve essere un poco più grande per accomodare il
semipiano addizionale.
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Per
comprendere l’effetto delle dislocazioni sulle proprietà meccaniche dei
cristalli consideriamo l’effetto dell’applicazione di uno sforzo su un
cristallo che possiede una dislocazione ‘edge’ (vedi Figura sotto). La
parte superiore del cristallo è spinta a destra mentre la parte inferiore
verso sinistra. Confrontando (a) e (b), il semipiano extra che termina con
l’atomo 2 in (a) può effettivamente slittare semplicemente rompendo il
legame 3-6 e formando il nuovo legame 2-6 (in realtà sono file di legami
nella direzione perpendicolare al foglio). Così, con una minima spesa, il
semipiano si è mosso di una unità nella direzione dello sforzo
applicato. Se questo processo continua, il semipiano addizionale può
arrivare alla superficie del cristallo come in (c). Se ci sono meccanismi
che generano semipiani, come vediamo in (d) a sinistra, il processo può
continuare fino a sfaldamento completo del cristallo. Per ogni semipiano
generato un altro, uguale ed opposto in orientazione e segno, viene
lasciato dietro in questa migrazione. Il processo di movimento delle
dislocazioni è detto scorrimento (slip). La linea AB in (d)
rappresenta la proiezione del piano su cui si muove la dislocazione (slip
plane).
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Le
dislocazioni sono caratterizzate da un vettore, detto vettore di
Burgers, b. Per trovare il modulo e la direzione di b
è necessario compiere un circuito immaginario da atomo ad atomo attorno
alla dislocazione (e). In regioni normali del cristallo un circuito come
ABCDA, con una tralazione unitaria in ogni direzione, rappresenta un giro
chiuso, con partenza e ritorno ad A. Invece, il circuito 12345 che passa
attorno alla dislocazione non è chiuso perchè 1 e 5 non coincidono. Il
modulo del vettore di Burgers è dato dalla distanza 1-5 e la sua
direzione dalla direzione 1-5 (o 5-1).
Per una dislocazione ‘edge’, b è perpendicolare alla linea
della dislocazione e perpendicolare alla direzione del movimento.
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b)
Dislocazioni ‘screw’
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La
dislocazione tipo ‘screw’ è un poco più difficile da visualizzare
(vedi Figura sotto). In (b), la linea SS’ rappresenta la linea della
dislocazione. Davanti a questa linea il cristallo a cominciato a scorrere,
mentre dietro la linea il movimento non è ancora iniziato.
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L’effetto
dell’applicazione di uno sforzo continuo indicato dalle freccie in (b)
è tale che il gradino di slittamento si estende gradualmente sull’intera
faccia laterale del cristallo, mano a mano che la linea SS’ si muove
verso la faccia posteriore (c). Per trovare il vettore di Burgers,
consideriamo il circuito 12345(a), che passa attorno alla dislocazione. Il
modulo e la direzione del contatto 1-5 sono quelli del vettore b.
Per una dislocazione ‘screw’, il vettore di Burgers è parallelo alla
linea della dislocazione (SS') e perpendicolare alla direzione del moto di
questa linea. Questo è l’opposto di ciò che vale per l’altro tipo di
dislocazione. Si noti che gli atomi 54321 in (a) giacciono su una spirale.
Per entrambi i tipi di dislocazione, il vettore b è parallelo alla
direzione di slittamento.
Anche in questo tipo di dislocazione è necessaria la rottura di un
piccolo numero di legami atomici affinchè la dislocazione possa muoversi.
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Effetti
delle dislocazioni |
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Senza
entrare nel merito dei processi complessi che generano le dislocazioni,
consideriamo brevemente alcune conseguenze associate al movimento delle
dislocazioni stesse. La resistenza meccanica di un metallo puro, col
formarsi di dislocazioni, può essere notevolmente indebolita. Ciò è
ovviamente un pericolo serio per materiali metallici usati nelle
costruzioni. E’ difficile infatti accertarne la resistenza a piccoli
sforzi protratti su un lungo periodo di tempo. Tali piccole
sollecitazioni possono essere infatti sufficienti a generare e muovere
dislocazioni solo molto lentamente, ma i risultati sono cumulativi e,
generalmente, non reversibili; si può così, senza apparente ragione,
verificare una catastrofica rottura. |
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D’altro
canto, come le dislocazioni possono indebolire notevolmente un metallo,
così esse possono determinare l’effetto opposto, cioè aumentarne la
resistenza e la durezza. Un meccanismo consiste nell’incatenare le
dislocazioni a certe impurezze atomiche, come gli atomi interstiziali di
carbonio nel Fe. Una dislocazione si muove liberamente fino a che non
incontra l’impurezza e viene effettivamente intrappolata e bloccata da
questa (Figura).
Un processo molto importante per rendere maggiore la resistenza
meccanica di un metallo è la lavorazione di indurimento (work-hardening).
Percuotendo un metallo con un maglio si genera un enorme numero di
dislocazioni che, in un materiale policristallino, presentano un gran
numero di orientazioni.
Le dislocazioni iniziano a muoversi nel cristallo ma, prima o poi, si
fermano. I confini dei grani provvedono efficacemente a fermare il
movimento; infatti quanda una dislocazione esce da un grano ne deforma
la superficie e lo sforzo imposto ai grani adiacenti può impedire alla
dislocazione di procedere oltre e raggiungere la superficie del
cristallo. Inoltre, poichè la regione attorno ad una dislocazione
risulta deformata, due dislocazioni possono respingersi a vicenda se si
avvicinano troppo. Troppe dislocazioni generano un intrappolamento e
ciascuna dislocazione non riescere a procedere in avanti ne all’indietro.
Cio’ rafforza notevolmente il metallo (strain-hardening).
Questi metalli induriti possono essere resi nuovamente malleabili e
duttili mediante annealing ad alta T. Le alte temperature
consentono agli atomi di muoversi e le dislocazioni possono
riorganizzarsi o annullarsi.
E’ a tutti familiare il fatto che un filo di metallo tenero può
essere ripetutamente piegato avanti e indietro e che dopo un po’ si
rifiuta di farsi piegare e si spezza. Ad ogni piega si creano sempre
più dislocazioni che scorrono nel metallo, fino al punto in cui il loro
numero è tanto elevato che si impediscono a vicenda il movimento. A
questo punto il filo metallico è incapace di ulteriori deformazioni
plastiche e si rompe alla sollecitazione successiva.
Anche il problema della crescita dei cristalli (crystal growth) è stato
risolto invocando l’esistenza di dislocazioni ‘screw’.
Supponiamo di voler far crescere un grande cristallo per esposizione di
un piccolo frammento cristallino a vapori della specie. Dal vapore le
unità (atomiche, molecolari) condenseranno ai nodi reticolari più
facilmente e velocemente se i vicini del sito da occupare si trovano
già in posizione. Quindi una nuova unità sarà poca attratta da un
piano cristallino perfetto, più attratta da un gradino tra due piani e
ancora più attratta da un angolo (Figura sotto).
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Se
si assume il modello del cristallo perfetto e che la crescita avvenga
piano dopo piano, la condensazione deve avvenire sopra un piano perfetto
sottostante (a). A causa della debolezza delle interazioni in (a) un
tale processo avviene troppo lentamente per accordarsi con le velocità
di crescita sperimentali. Risulta più facile un processo di
condensazione come in (b) o meglio ancora in (c). Se il cristallo
contiene una dislocazione a vite (screw) come in (d), l’aggiunta di
unità (come mostrato) consente alla struttura planare locale di
crescere a spirale indefinitamente attorno alla dislocazione. I
cristalli possono crescere più rapidamente in questo modo perchè la
nucleazione di nuovi piani
non richiede mai il meccanismo (a). |