GRANI E TRASFORMAZIONI DI FASE

4.1 Bordi di grano

Per definizione è l'interfaccia tra due cristalli diversi e solo nel raro caso i due cristalli siano perfettamente allineati allora il bordo non c'è. Il termine è usato in metallurgia per indicare un tipo di difetto strutturale presente nei metalli policristallini, cioè metalli costituiti da un insieme di grani cristallini. 

I bordi di grano hanno 5 gradi di libertà: 3 rotazionali e 2 traslazionali e si dividono in tre classi:

• Coerente: ha zero difetti, ma presenta dei sforzi interni. Questo perché per mantenere la stessa geometria abbiamo dovuto introdurre sforzi.

• Incoerente: al contrario ha zero sforzi, ma difetti. Ha buone proprietà elastiche e basse proprietà chimiche.

• Semi-incoerenza: isto tra i due, ci sono un pò di sforzi e un pò di difetti

APPLICAZIONI: Importanza del grano cristallino e del suo controllo nella gioielleria

4.2 Energia superficiale e interfacce

L'energia superficiale (se tra materiale e gas) e interfacciale ( tra due materiali) si misura in Joule. La forza inoltre è pensabile come una derivata dell'energia. E' definita come l'energia di formazione dal bulk.

In un punto possono incontrarsi al massimo 3 grani. Non possono mai essere quattro perché sono instabili per un motivo termodinamico ( a differenza degli USA  dove c'è il Four Corners che è l'unico punto del territorio degli Stati Uniti d'America in cui quattro stati si toccano: Arizona, Colorado, Nuovo Messico e Utah). 

Per trovare il punto di equilibrio, cioè quel è la geometria finale, basta ragionare con l'energia superficiale e considerare un'equilibrio di forze. 

L'area superficiale della prima immagine è sempre minore della seconda, e quindi quest'ultima è sempre favorita.

Energia superficiale: J/m^2

Energia della superficie: J

4.3 Precipitazione nei bordi di grano

La microstruttura varia in base alla concentrazione iniziale prima del raffreddamento. In tutti i casi comunque la fase precipita hai   bordi di grano. Hai bordi di grano l'energia è sempre maggiore e  quindi ho un maggiore guadagno termodinamico  se faccio crescere li la nuova fase.

La nucleazione è favorita se eterogenea, nel bulk invece sarebbe omogenea. Inoltre si vede che le due fasi morfologiche sono diverse.

Con un delta δ =0 o comunque piccolo il costo di formare un'interfaccia alfa/alfa è molto maggiore dell'interfaccia  alfa/beta (sono più affini).

Se l'angolo del grano è uguale, 120°, allora hanno un'energia simile.

Invece si ha una bagnabilità completa se beta cresce tra due fasi  di alfa ( un esempio naturale è l'acqua che cade su una foglia di loto, idrofilicità e idrofobia).

4.4 Tasso di crescita della nucleazione

In un solido la nuova fase cresce da un piccolo difetto che si forma a livello locale e per pura causalità, essendo sempre un equilibrio dinamico.

Inizialmente se ingrandisco di poco il grano ho un costo maggiore di superficie del volume.  All'inizio se la dimensione è inferiore la raggio critico tendono a dissolversi, mentre se è maggiore il nucleo cresce, e questo avviene per pura statistica. 

Avere quindi un raggio critico r+ piccolo aiuta la formazione della nuova fase. r+= 2 gamma/deltaG

La crescita viene limitata poi dagli altri grani che crescono, fino a finire il volume disponibile.

La formula vale finchè c'è voglia termodinamica, per esempio vicino ad un passaggio di fase non vale.

Ora mi chiedo quanto è veloce la trasformazione della fase per arrivare al 10% per esempio. Considero alle varie temperature le curve sinusoidali.

4.5 Trasformazioni martensitiche

Oppure martensitic, displacyte, diffusionless, military transformation. 

Sono trasformazioni di fase che avvengono nei metalli durante il raffreddamento rapido. Le strutture cristalline del metallo si deformano in modo non uniforme, creando una microstruttura caratteristica a forma di lame. Le trasformazioni martensitiche sono importanti poiché possono influire significativamente sulla durezza e la resistenza meccanica di un metallo.

Realizzo un raffreddamento che fa variare i processi diffusivi che possono far variare la composizione. Comunque sono a basse temperature e quindi ho cinematiche lente. Se continuo a raffreddare si trasforma tutto in martensite.

Creando un grafico T contro t otteniamo  le curve TTT o di Bain.

Es:  Martensitic transformation in transformation toughenining of zirconia-based materials e Martensitic transformation in shape-memory alloys

4.6 Ordine dei tipi di trasformazione di fase

Due tipi di ordine possibili:

Tre tipi  di crescita:

1. Laterale: guardando da molto vicino gli atomi formano dei gradini che danno la possibilità di una crescita (es:  Lateral epitactal grow per realizzare film sottili, ma verticali).

2. Spirale: origine da una dislocazione a vite e si espande in una sola direzione dello spazio. Viene usata per produrre nanofili.

3. Dendriti: morfologie particolari che si sviluppano in tutte le direzioni secondo le quali si forma una nuova fase in determinate condizioni che sono molto particolari. Si trovano nel raffreddamento delle catene di acciaio per esempio e si possono usare per avere aree superficiali elevate e poco porose. Se fatti bene si  possono realizzare cristalli molto incastrati e quindi non presentano creep e scorrimento.