7. Meccanismi di indurimento.
Il limite elastico sy è ottenuto qualora il campo di sollecitazioni applicate provoca lo spostamento irreversibile delle dislocazioni attraverso l'insieme della struttura. Se si desidera aumentare questo limite (parametro macroscopico), si deve aumentare la difficoltà dello spostamento delle dislocazioni (scala microscopica). A questo scopo, si debbono generare degli ostacoli al movimento di dislocazioni.
Si può schematizzare il problema ammettendo che il limite elastico di un materiale policristallino (mono o polifasico) è composto di due parti:
• Il limite elastico intrinseco si del monocristallo.
• L'effetto della policristallinità essenzialmente collegato all'azione dei giunti grano.
7.1. Limite elastico intrinseco.
In un cristallo relativamente perfetto, per spostare una dislocazione isolata, si deve esercitare una forza detta di PEIERLS-NABARRO legata alla rottura dei legami al livello del cuore della dislocazione e la cui stima è difficile. Questa forza è più importante nel caso di materiali caratterizzati da legami direzionali (cristalli covalenti), mentre è debole nel caso dei metalli, con una maggiore importanza per i CCC piuttosto che per i CFC ed EC.
L'introduzione per sostituzione oppure inserimento di un atomo estraneo nella struttura genera un campo di sollecitazioni in vicinanza dell'impurezza che interagisce con il campo di sollecitazione della dislocazione in movimento, rendendo tale movimento più difficile.
La precipitazione di una seconda fase costituisce uno dei migliori metodi per aumentare la resistenza alla deformazione plastica di un materiale.
Nel caso in cui delle particelle non deformabili ( ad esempio G elevato) sono disperse in una matrice, il superamento di una "linea" di precipitati da parte di una dislocazione si può ottenere solo mediante incurvamento della dislocazione fra le particelle, che esige una sollecitazione supplementare che può essere valutato mediante un calcolo analogo a quello utilizzato per il funzionamento di una sorgente di Frank-Read (figura 15).
Fig. 15
Si deve sottolineare che un precipitato coerente (stessa struttura della matrice, continuità dei piani cristallini), potendo essere tagliato da una dislocazione, ha una interazione con questa superiore a quella di un precipitato incoerente (struttura differente dalla matrice) (figura 16).
Fig. 16
Esiste una taglia limite al di sotto della quale l'efficacia diviene inferiore; lo stesso avviene se la particella ha una taglia importante.
Nel caso in cui si deformi un materiale oltre il suo limite elastico, la resistenza continua ad aumentare. E' l'effetto del consolidamento, definibile come un indurimento dovuto alla interazione delle dislocazioni fra di loro.
Si può mostrare che la sollecitazione necessaria per produrre una deformazione plastica in un materiale indurito per consolidamento è:
Ne segue che se la densità delle dislocazioni varia linearmente con la deformazione, la forma della curva sforzo-deformazione è parabolica, come si osserva sperimentalmente.
Se si aumenta gradualmente la temperatura di un metallo deformato, le dislocazioni tendono a riarrangiarsi, ad annichilirsi, con un conseguente abbassamento del limite elastico: questo è il fenomeno della restaurazione che precede la recristallizzazione (formazione di nuovi grani ed abbassamento brusco del limite elastico del materiale).
7.2. Effetto dei bordi dei grani
Se si suppone che sotto l'effetto di uno sforzo di taglio t in un grano A, delle dislocazioni a spigolo si spostano su uno stesso piano di scorrimento orientato favorevolmente (legge di Schmid). Questo grano subisce una deformazione plastica che, in generale, non si propaga nel grano B, perchè non c'è continuità nel piano di scorrimento. La deformazione plastica si propagherà da un grano all'altro per un valore critico dello sforzo di taglio, che è legato alla dimensione media del grano "d" (relazione di Hall-Petch):
Questa legge, ben rispettata sperimentalmente, mostra che ad un affinamento del grano corrisponde un aumento del limite elastico.