ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2009/10. Rácshibák. Dr. Mészáros István Dr. Reé András. Az előadás fő pontjai

Átírás

1 ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Anyagismeret 2009/10 Rácshibák Dr. Mészáros István Dr. Reé András 1 Az előadás fő pontjai A rácshibák jelentősége Pontszerű (0 méretű) hibák Vonalszerű hibák (1 méretű), diszlokációk Felületszerű hibák (2 méretű) Térfogati hibák (3 méretű) 2 1

2 A rácshibák jelentősége A rácshibák nagyon kis koncentrációban is gyökeresen megváltoztatják az anyagok tulajdonságait. A rácshibák nélkül : a fémek szilárdsága sokkal nagyobb lenne a kerámiák szívóssága sokkal nagyobb lenne a félvezetők nem működnének a kristályoknak nem lenne színük. 3 Ponthibák Üres rácshely (vakancia) Idegen atomok - intersztíciós helyen - szubsztitúciós helyen Saját intersztíciós atomok Komplex ponthibák 4 2

3 Üres rácshely 5 Szubsztitúciós atom 6 3

4 Intersztíciós atom 7 Ponthiba képződési mechanizmusok Frenkel-mechanizmus Frenkel hibapár 8 4

5 Wagner-Schottky mechanizmus Az üres rácshely a kristályhatáron keletkezik és diffúzió révén jut a kristály belsejébe. A W S-hiba keletkezésének sokkal nagyobb a valószínűsége, mint a Frenkel-hibának. 9 Termikusan aktivált ponthibák egyensúlyi koncentrációja n = N e k = n ü N R N A E akt kt = 1, J / K E E Vakancia Saját int erstíciós T = 300K (1eV, 5eV ) N N V SI 10 = 1 2 ev 67 = 4 6 ev exponenciális jelleg Rácshiba-koncentráció T Rácstorzulás aktiválási energia 10 5

6 Ponthibák keletkezése képlékeny alakváltozás nem egyensúlyi hűtés részecske besugárzás (gyors neutron) Termikus ponthibák eltűnése diffúziós mozgás szemcsehatáron éldiszlokáció extrasík kúszása 11 Pontszerű hibák hatása Feszültség MPa Neutronnnal besugárzott Lágy alakváltozás % Feszültség MPa Edzett Lassan hűtött Alakváltozás % alakváltozás Alakváltozás % Alumínium Réz 12 6

7 Vonalszerű hibák - Diszlokációk A diszlokáció az a vonalszerű tartomány, amely a kristály elcsúszott és el nem csúszott részét elválasztja. 1934: Fransis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály 1950: Tűkristály (whisker) 1960: TEM 13 Diszlokációk fajtái Éldiszlokáció Csavardiszlokáció Vegyes diszlokáció Diszlokációk (TEM x) 14 7

8 Burgers-kör 15 Éldiszlokáció l Extra sík Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra félsík Burgers vektor: b b l 16 8

9 Csavardiszlokáció Diszlokáció vonala: l Nincs egyértelmű csúszósík, ezért mozgékony Extra sík nincs Burgers vektor: b b II l 17 Összetett diszlokáció Részleges elcsúszás Térgörbe hálózat

10 Diszlokációk jellemzői 1. A diszlokáció vonala vagy a kristályban záródó görbe, vagy annak a felületén kezdődik és ott is végződik. 2. A diszlokációt a Burgers-vektora jellemzi. 3. Az éldiszlokáció Burgers-vektora merőleges a diszlokáció vonalára. Az éldiszlokáció látszólag egy félsík beékelődése. 4. A csavardiszlokáció Burgers-vektora párhuzamos a diszlokáció vonalával. A csavardiszlokáció mozgékonyabb, mivel nem tartozik adott csúszósíkhoz. 5. Ugyanabban a síkban mozgó ellentétes éldiszlokációk, illetve közös tengelyű ellentétes sodrású csavardiszlokációk találkozásuk esetén megsemmisítik egymást. 6. Az elmozdulás mértéke a diszlokáció egésze mentén állandó. 7. Burgers vektor a legsűrűbb irányban fekszik és b = d. 19 Diszlokációk energiája Feszültség (nyomó, húzó) Rugalmas energia W W él cs 2 = G b l 2 G b l = 1 ν ε m ν = ε σ = p E ε τ = G γ E = 2G(1 + ν ) 20 10

11 Diszlokációk és a képlékeny alakváltozás kapcsolata Képlékeny alakváltozás diszlokációk mozgása 21 A diszlokációk és a hernyó mozgásának analógiája 22 11

12 Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során Lágyított: m -2 Alakított: m -2 (alakítási keményedés) Folyáshatár diszlokáció sűrűség 23 Frank-Read-forrás működése 24 12

13 Éldiszlokációk eltűnése 25 Felületszerű hibák Kétdimenziós határok, amelyek olyan tartományokat választanak el, amelyeknek a két oldalán különböző orientációjú, illetve különböző rácsszerkezetű részek találhatók. Mivel a felületszerű hibák mentén az atomi kötések rendje nem teljesen szabályos (mint a kristály belsejében), ezért ezen felületek energiája növeli a rács szabadenergiáját

14 Felületszerű hibák típusai Makrofelület (kristályfelület) Szemcsehatár (nagyszögű, kisszögű) Fázishatár (inkoherens, szemikoherens, koherens) Ikersík Rétegződési hiba 27 Kristályfelület A kristályfelületen lévő atomok nagyobb energiájú helyzetben vannak, mint a kristály belsejében lévők, mivel nem jön létre minden irányban atomi kötés. A felület energiaszintje csökken, ha a felülethez új atomok kapcsolódnak. - Oxidréteg kialakulása Felület - Kémiai reakciók 28 14

15 Szemcsehatár A polikristályos testekben a szemcsehatár választja el a különböző orientációjú tartományokat, a szemcséket, vagy más néven krisztallitokat (szabálytalan felületű kristály). θ θ Határfelületi energia 30 θ Kisszögű szemcsehatár θ<5º Nagyszögű szemcsehatár θ>15º 29 Fázishatár Inkoherens Szemikoherens Koherens Inkoherens 30 15

16 Szemikoherens Koherens 31 Ikersík Koherens határ, azonos fázis az ikersík mindkét oldalán Kis felületi energiájú hiba Tükörszimmetria meghatározott kristálytani síkokhoz viszonyítva 32 16

17 FKK (111) legsűrűbb illeszkedésű síkok lehetséges elrendeződései ABCABC... FKK ABABAB... LIH 33 Ikerhatár FKK ABCABCBACBA Párhuzamos vonal(ak) 34 17

18 Rétegződési hiba ABCABCABABCABC FKK - LIH - FKK Zárt görbe 35 Térfogati hibák (üregek, repedések) Kúszási üregsor 36 18

19 Mikrorepedés új felület Mikrorepedés keletkezik, amikor a belső atomi kötések felszakadnak, és új felület jön létre. Ilyen hiba jöhet létre szemcsehatárok és más kristályhibák környezetében. 37 Fogalmak Ponthiba Frenkel-hibapár Wagner Schottkymechanizmus Üres rácshely Szubsztitúciós atom Intersztíciós atom Burgers-kör Burgers-vektor Diszlokáció vonala Éldiszlokáció Csavardiszlokáció Vegyes diszlokáció Diszlokáció energiája Krisztallit-, szemcsehatár Kisszögű szemcsehatár Nagyszögű szemcsehatár Inkoherens fázishatár Szemikoherens fázishatár Koherens fázishatár Ikersík Rétegződési hiba Térfogati hiba Mikrorepedés 38 19