Materiali Policristallini

La maggior parte dei solidi inorganici ha struttura policristallina, inclusi tutti i metalli comuni, molte ceramiche, rocce e ghiaccio. Il grado di cristallinità di un solido ha importanti effetti sulle sue proprietà fisiche. I materiali policristallini sono costituiti da minuscoli monocristalli noti come cristalliti.

Un cristallite è un piccolo o anche microscopico cristallo che si forma, ad esempio, durante il raffreddamento di molti materiali. L’orientamento dei cristalliti può essere casuale senza una direzione predominante, chiamata struttura casuale, dovuta probabilmente alle condizioni di crescita dei cristalli. La struttura a fibre è un esempio di quest’ultimo caso. I cristalliti vengono anche chiamati grani. Le aree in cui i cristalliti si incontrano sono conosciute come i confini dei grani. I materiali policristallini o multicristallini o policristalli sono solidi composti da molti cristalliti di varie dimensioni e varie orientazioni.

Mentre la struttura di un cristallo (monocristallino) è altamente ordinata e il suo reticolo è continuo e ininterrotto, i materiali amorfi, come il vetro e molti polimeri, non sono cristallini e non mostrano alcuna struttura in quanto i loro costituenti non sono disposti in modo ordinato . Le strutture policristalline e le fasi paracristalline si collocano tra questi due estremi.

La texture è la distribuzione degli orientamenti cristallografici di un campione policristallino. Un campione in cui questi orientamenti sono completamente casuali viene detto privo di texture. Se gli orientamenti cristallografici non sono casuali, ma hanno un orientamento preferenziale, il campione avrà una texture debole, moderata o forte, in funzione della percentuale di cristalli aventi l’orientamento preferito.
La texture è presente in quasi tutti i materiali ingegnerizzati e può avere una grande influenza sulle proprietà dei materiali.

L’orientazione delle fibre, la texture ed il grado di cristallinità sono caratteritiche che possono essere analizzate mediante la X-Ray Diffraction.

Materiali privi di Texture

Berillio

Come esempio di materiale policristallino privo di struttura abbiamo preso un disco di berillio, mostrato nella immagine sotto, e ne abbiamo ricavato il diffrattogramma Laue per trasmissione, mostrato nella immagine più sotto.

Il risultato ottenuto è un anello concentrico di intensità pressochè uniforme, prodotto dalla diffrazione dei cristalliti di cui è costituito il materiale. Il fatto che l’intensità sia uniforme lungo tutto il cerchio significa che i cristalliti hanno orientazione casuale e quindi la diffrazione avviene a tutte le angolazioni. Un materiale di questo tipo è privo di texture.
Dal diffrattogramma ottenuto possiamo anche ricavare una indicazione delle dimensioni dei cristalliti : il fatto che gli aloni siano uniformi e non siano visibili i singoli spot significa che i cristalliti sono molto piccoli. Se invece i grani avessero dimensioni maggiori sarebbero più evidenti gli spot prodotti dalla diffrazione dei singoli grani.

Nickel

L’immagine sotto è il diffrattogramma Laue di una sottile lastrina di Nickel. Si nota l’anello concentrico uniforme prodotto dalla diffrazione dei cristalliti di grana molto fine.

Zinco

L’immagine sotto è il diffrattogramma Laue di una sottile lastrina di Zinco. Si notano i singoli spot di diffrazione prodotti da cristalliti di grana grossa. Non vi è evidenza della presenza di orientazioni preferenziali.

 

Materiali con Texture

Presentiamo dei casi di materiali che presentano un certo grado di orientazione dei cristalliti. Spesso l’orientazione dei cristalliti viene ottenuta in seguito a processi di lavorazione dei metalli come laminazione oppure estrusione.

Alluminio

Abbiamo esaminato con tecnica Laue un campione di foglio di alluminio, probabilmente ottenuto mediante laminazione a freddo. Le immagini sotto mostrano il set-up della misura ed il diffrattogramma.

Dal diffrattogramma si notano degli spot di diffrazione disposti ai due lati del centro del fascio trasmesso. La presenza di questi spot di diffrazione, al posto di un anello uniforme, individua una direzione preferenziale di orientazione dei cristalliti, probabilmente coincidente con la direzione di laminazione.

Rame

Abbiamo esaminato con tecnica Laue un campione di foglio di rame, probabilmente ottenuto mediante laminazione a freddo. Le immagini sotto mostrano il set-up della misura ed il diffrattogramma.

Il diffrattogramma è interessante perchè evidenzia la presenza di numerosi spot di diffrazione ben definiti : segno della presenza di cristalliti a grana grossa. Inoltre gli spot non sono disposti uniformemente ad anello ma si concentrano in direzioni definite, che corrispondono probabilmente alle direzioni di deformazione al quale il materiale è stato sottoposto.

Manganese

Abbiamo esaminato con tecnica Laue un campione di foglio sottile di manganese, probabilmente ottenuto mediante laminazione a freddo. L’immagine sotto mostra il diffrattogramma, nel quale si può notare la presenza di alcune orientazioni preferenziali.

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