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Grani Cristallini: quando le dimensioni contano

Le caratteristiche dei metalli si basano sulla loro microstruttura, tra i parametri che incidono su questa uno dei più importanti sono i grani cristallini. Vediamo perché...

Categorie Chimica · Fisica
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In natura esistono molti materiali metallici, con caratteristiche molto diverse tra l’uno e l’altro. In un precedente articolo abbiamo visto come intervenendo sulle sue caratteristiche interne anche lo stesso materiale può avere prestazioni molto differenti. Questo succede perché le proprietà dei metalli dipendono dalla loro struttura interna o microstruttura. Il comportamento dei materiali si può modificare intervenendo su molti parametri, qui vedremo solo i grani cristallini.

Microstrutture monocristalline e policristalline

In generale, gli atomi che compongono un materiale solido sono disposti secondo una configurazione ordinata che prende il nome di reticolo cristallino. Questo reticolo, almeno in teoria, tende a mostrare le stesse caratteristiche del materiale che vediamo ad occhio nudo, proprio perché queste sono dettate principalmente dalle interazioni che gli atomi che lo compongono hanno tra loro, e di conseguenza da come questi si dispongono nello spazio.

Reticolo Cristallino

Nella pratica, ciò sarebbe possibile solo se l’oggetto che stiamo considerando fosse composto da un unico reticolo cristallino continuo che lo va a comporre interamente. Materiali di questo tipo prendono il nome di “Monocristallini e sono estremamente difficili e quindi costosi da produrre. La maggior parte dei materiali che utilizziamo per produrre oggetti di qualsiasi tipo sono invece “Policristallini”, ovvero composti da milioni di piccoli cristalli incastrati tra loro, detti grani cristallini. I confini tra i vari grani cristallini sono detti bordi di grano. Inoltre, andando a guardare all’interno dei grani, quello che si nota è che il reticolo cristallino di ognuno di essi è orientato in modo differente.

Grani Cristallini
Credits: W. Bowman Correlating Nanoscale Grain Boundary Composition with Electrical Conductivity in Ceria, Materials Science 2016

Grani Cristallini, come le dimensioni influenzano la resistenza dei materiali

I grani cristallini possono assumere diverse forme (equiassici, aciculari, etc.), qui ci focalizzeremo principalmente sui grani equiassici, che hanno un aspetto più o meno simile a quello di un poligono regolare. La forma e le dimensioni dei grani sono fortemente dipendenti dal processo con cui questo viene prodotto, se consideriamo un materiale che parte liquido, quando questo raffredda la solidificazione non è omogenea ma parte da alcuni punti di nucleazione. In queste aree si inizia a formare il materiale solido che poi si espanderanno fino a diventare i grani cristallini.

Grani Cristallini

Una volta che la struttura dei grani viene a crearsi, il materiale è ancora caldo. Quando la temperatura del materiale è abbastanza alta avviene il fenomeno detto di crescita dei grani (“Grain Growth”) dove alcuni grani tenderanno a crescere invadendo il campo degli altri. Di conseguenza, diventa evidente che si avranno grani più grandi se il raffreddamento è lento, ad esempio nel caso di un materiale che viene raffreddato in forno, e grani più piccoli se il raffreddamento è più rapido, come ad esempio nel caso del raffreddamento in aria, perché il fenomeno del grain growth non avrà il tempo di avvenire.

Grani Cristallini
Credits: R. Pei S. Korte-Kerzel, T. Al-Samman Normal and abnormal grain growth in magnesium: Experimental observations and simulations, Journal of Materials Science & Technology Volume 50, 1 August 2020, Pages 257-270.

In base a quello che abbiamo visto finora, possiamo facilmente comprendere che quanto più i grani sono piccoli, tanti più saranno i bordi di grano. Ciò è importante perché quando il materiale viene deformato, i bordi di grano rappresentano un ostacolo significativo allo scorrimento del materiale. Se consideriamo di fare riferimento ad un materiale metallico, che quindi ha comportamento elastico prima del punto di snervamento e plastico dopo questo punto, possiamo intuire che questo comportamento andrà a cambiare in base ai bordi di grano.

Esattamente come abbiamo visto con l’accumulo di dislocazioni, il fatto che i bordi di grano rappresentino un ostacolo allo scorrimento del materiale porta il materiale a raggiungere il comportamento plastico più tardi quando viene deformato, con il risultato che servirà una forza maggiore per snervarlo. In sostanza, dei grani cristallini più piccoli (e quindi un maggior numero di bordi di grano) rendono il materiale più resistente, questo fenomeno è descritto dalla cosiddetta legge di Hall-Petch. Di contro, quanto più saranno numerosi i bordi di grano, tanto più il comportamento del materiale tenderà ad essere fragile, quindi il tratto plastico sarà più breve e la rottura tenderà ad avvenire di schianto.

FONTI VERIFICATE

  • Jones Ashby, Engineering Materials 1 4e (2012)
  • R. Pei S. Korte-Kerzel, T. Al-Samman Normal and abnormal grain growth in magnesium: Experimental observations and simulations, Journal of Materials Science & Technology Volume 50, 1 August 2020, Pages 257-270
  • W. Bowman Correlating Nanoscale Grain Boundary Composition with Electrical Conductivity in Ceria, Materials Science 2016