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Perché alcuni metalli resistono alla deformazione? Scopriamo il mistero dell'atmosfera di Cottrell!
Nella scienza dei materiali, il concetto di atmosfera di Cottrell fu proposto per la prima volta da A. H. Cottrell e B. A. Bilby nel 1949 per spiegare come le dislocazioni in alcuni metalli siano fissate da atomi interstiziali quali boro, carbonio o azoto. Questo fenomeno si verifica nei materiali con strutture cubiche a corpo centrato (BCC) e cubiche a facce centrate (FCC), come il ferro o il nichel, in cui sono presenti piccoli atomi di impurità. Questi atomi interstiziali distorcono leggermente il reticolo e creano attorno ad esso un campo di stress residuo associato. Questo campo di stress si attenua quando gli atomi interstiziali si diffondono verso la dislocazione e, quindi, dopo che gli atomi si sono diffusi nel nucleo della dislocazione, vi rimangono per lungo tempo, formando l'atmosfera di Cottrell.
L'insieme di questi atomi interstiziali può ridurre efficacemente l'energia della dislocazione, ostacolandone al contempo l'ulteriore movimento; pertanto, la dislocazione è "ancorata" all'atmosfera di Cottrell.
L'atmosfera di Cottrell ha anche un impatto importante sul comportamento meccanico dei materiali. Il fissaggio della dislocazione fa sì che, a temperatura ambiente, la dislocazione non venga facilmente disarmata e quindi si osserva il punto di snervamento superiore nel diagramma sforzo-deformazione. Dopo questo punto di snervamento superiore, le dislocazioni graffate diventano sorgenti di Frank-Read, producendo nuove dislocazioni non ancorate che sono libere di muoversi, determinando la deformazione del materiale in modo più plastico. Dopo un periodo di trattamento di invecchiamento, il punto di snervamento superiore viene ripristinato poiché gli atomi si ri-diffondono nel nucleo della dislocazione. L'atmosfera di Cottrell determina quindi anche la formazione della zona di Lüders, che diventa un ostacolo alla produzione durante lo stiramento profondo e la produzione di lastre di grandi dimensioni.
Per eliminare gli effetti dell'atmosfera di Cottrell, alcuni acciai speciali rimuovono tutti gli atomi interstiziali. Questi acciai, come l'acciaio senza giochi, vengono decarbonizzati e viene aggiunta una piccola quantità di titanio per rimuovere l'azoto.
Gli studi hanno dimostrato che l'atmosfera di Cottrell e la resistenza alla viscosità da essa causata rappresentano un fattore importante nella deformazione ad alta temperatura, il che rende più difficile il movimento delle dislocazioni.
Anche l'influenza dell'atmosfera di Cottrell sul comportamento dei materiali ad alte temperature equivalenti è estremamente importante. Quando il materiale è sottoposto a condizioni di creep, il movimento di dislocazione che accompagna l'atmosfera di Cottrell introduce una resistenza, che rallenta il processo di deformazione plastica. Questa forza di resistenza F_drag può essere rappresentata da quanto segue in determinate condizioni:
F_drag = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Qui D_sol è la diffusività degli atomi di soluto nel materiale di base, Ω è il volume atomico, v è la velocità delle dislocazioni, J è la densità del flusso di diffusione e c è la concentrazione del soluto. La presenza dell'atmosfera di Cottrell e l'influenza della resistenza alla viscosità si sono rivelate cruciali nel processo di deformazione ad alta temperatura sotto stress moderato e hanno anche occupato un posto nella categoria di degradazione della legge di potenza.
Fenomeno simile
Sebbene l'atmosfera di Cottrell sia un effetto universale, meccanismi simili si verificano quando le condizioni sono più particolari. Ad esempio, l'effetto Suzuki si manifesta come la segregazione delle molecole di soluto verso difetti di impilamento. Nei sistemi cubici a facce centrate, quando una dislocazione si divide in due dislocazioni parziali, tra le due parti si formano difetti esagonali impilati e molto ravvicinati. H. Suzuki predisse che la concentrazione degli atomi di soluto a questo confine sarebbe stata diversa da quella nel volume e, pertanto, che l'attraversamento del campo di questi atomi di soluto avrebbe prodotto anche una maggiore resistenza al moto di dislocazione, simile all'effetto dell'atmosfera di Cottrell.
Inoltre, l'effetto Snoek coinvolge l'attrito interno prodotto dalla migrazione a corto raggio degli atomi di soluto interstiziali nel reticolo α-Fe quando viene applicato stress, un effetto che è anche pronunciato in Porter o altri materiali di lega, aumentando l' resistenza e tenacità del materiale.
Materiali e possibilità per future esplorazioni
In materiali quali metalli e semiconduttori (ad esempio cristalli di silicio) si verificano dislocazioni descritte dall'atmosfera di Cottrell, un fenomeno cruciale per la resistenza alla deformazione dei metalli e per le loro applicazioni. In futuro, con ricerche approfondite sul comportamento dei materiali, si potrà esplorare il potenziale applicativo dell'atmosfera di Cottrell nella progettazione di nuovi materiali e si potranno sviluppare leghe ancora più avanzate per ottimizzare le proprietà dei materiali.
In che modo esatto la scienza dei materiali del futuro utilizzerà la conoscenza dell'atmosfera di Cottrell per migliorare le proprietà e la tenacità dei metalli?
