Reális kristályok, kristályhibák

Átírás

1 Reális kristályok, kristályhibák Gyakorlati fémek szilárdsága kevesebb, mint 1 %-a az ideális modell alapján számítható szilárdságnak Tiszta Si villamos vezetőképességét 10-8 tömegszázalék bór adalékolása a kétszeresére növeli KRISTÁLYHIBÁK 1 Kristályhiba-típusok Ponthibák (0 dimenziós) Vonalszerű hibák, 1 dimenziós: diszlokációk Felületszerű hibák (2 dimenziós) Térfogati hibák (3 dimenziós) 2 1

2 Ponthibák Termikusan aktivált hibák: Vakancia (üres rácshely) Saját interszíciós atomok Idegen atomok (intersztíciós, szubsztitúciós helyeken) Ponthiba komplexek (di-, tri-vakancia, idegen atom-vakancia...) 3 Vakancia (üres rácshely) 4 2

3 Szubsztitúciós (helyettesítéses) atom 5 Intersztíciós (beékelődéses) atom 6 3

4 Ponthiba képződési mechanizmusok Frenkel-mechanizmus Frenkel hibapár: vakancia és intersztíciós atom együttese 7 Wagner-Schottky mechanizmus felületi üres hely vándorlása a szilárdtest belsejébe 8 4

5 Termikus ponthibák egyensúlyi koncentrációja n = N e k = R N A E akt kt = 1, J / K Rácstorzulás aktiválási energia E E Vakancia Saját int erstíciós T = 300K (1eV,5eV ) N N V SI 10 = 1 2eV 67 = 4 6eV 9 Ponthibák keletkezése képlékeny alakváltozás nem egyensúlyi hűtés részecske besugárzás (gyors neutron hibakaszkád) Termikus ponthibák eltűnése diffúziós mozgás szemcsehatár éldiszlokáció extrasík (kúszás) 10 5

6 Diszlokációk Frenkel elméleti folyáshatár számítása Számolt/mért folyáshatár: Fe: 440, Al: 423, Cu: innen folytatni 12 6

7 Tűkristály (whisker, 1950) kondenzátor Zn, d = 0,1-0,001 µm 1934: Fransis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály 1960: Átvilágító elektronmikroszkópia (TEM) Definíció: Diszlokáció: a kristályban az elcsúszott és az el nem csúszott tartományok határoló vonala Éldiszlokáció Csavardiszlokáció Vegyes diszlokáció Teljes (perfekt) diszlokáció Parciális diszlokáció 13 Burgers-kör 14 7

8 Éldiszlokáció Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra sík Burgers vektor: b b l 15 Csavardiszlokáció Diszlokáció vonala: l Nincs egyértelmű csúszósík mozgékony Extrasík sincsen! Burgers vektor: b b II l 16 8

9 Diszlokációk alapvető tulajdonságai Diszlokáció: elcsúszott és nem elcsúszott részek határa Lineáris (lehet görbült is) Felületen kezdődik és végződik, kristályban záródó görbe Az elmozdulás mértéke a diszlokáció egésze mentén állandó Burgers vektor a legsűrűbb irányban fekszik és b = d 17 Diszlokációk energiája Feszültség (nyomó, húzó) Poisson szám (0,5-0,2): Energiatöbblet W W cs él = Gb 2 l 2 Gb l = 1 ν ε ν = ε σ = merőerőleges párhuzamos E ε τ = G γ E = 2G(1 + ν ) 18 9

10 Diszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásban Képlékeny alakváltozás diszlokációk mozgása. 19 Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során Definíciók Lágyított: m -2 Alakított: m

11 Diszlokációk mozgásának szabályai Diszlokáció csak abban a síkban tud csúszni amelyben a vonala és a Burgers vektora fekszik. Éldiszlokáció: 1 sík Csavardiszlokáció: sík (elméletileg) Diszlokáció mozgása mindig a legsűrűbb síkban és a legsűrűbb irányban történik. Csúszási rendszerek Csúszósík váltás Csavar keresztcsúszás Él mászás kúszás (tartós folyás, creep) üregek a szemcsehatáron 21 Csúszási rendszerek Tetszőleges csúszási rendszerhez azonos kritikus csúsztatófeszültség tartozik

12 Síkok Miller-indexei Síkok Miller-indexei x y z + + = 1 A B C hx + ky + lz = q ( hkl) { hkl} 23 Irányok Miller-indexei T = ua1 + va2 + wa3 [ uvw] uvw 24 12

13 Lehetséges elcsúszások, FKK (111) 25 Diszlokációk kölcsönhatása Ellentétes előjelű éldiszlokációk, ellentétes sodrású csavardiszlokációk kioltják egymást. Ellentétes előjelű diszlokációk kölcsönhatása: θ = 45 egyensúly θ < 45 taszítás θ > 45 vonzás Azonos előjelű diszlokációk kölcsönhatása: sorba rendeződnek kisszögű szemcsehatár Egyesülhetnek, felbomolhatnak. (Energetikai feltétel) b + b b b 1 2 eredő 2 = b 2 1 eredő + b b b 1 2 b 1 b 2 < 0 (tompaszög) egyesülnek b 1 b 2 > 0 (hegyesszög) felbomlik 26 13

14 Éldiszlokációk eltűnése 27 Diszlokációk keletkezése Frank-Read mechanizmus (diszlokáció forrás) Félkörív labilis zárt hurok 2Gb τ = cosα D 2Gb τ Max = D α =

15 Frank-Read forrás működése 29 Frank-Read forrás TEM képe 30 15

16 Egykristályok képlékeny alakváltozása Alakváltozás: csúszósíkok a csúszási irányok mentén elcsúsznak egymáson. F cos β τ = = σ cos β cosα = σ m A cosα m: Schmid-tényező 31 Egykristályok képlékeny alakváltozása Egyszerű csúszás: alakváltozás egy csúszási rendszerben Többszörös csúszás: elcsúszás egyszerre több csúszási rendszerben FKK 4 db {111} síkban 2-2 <110> irányban 32 16

17 Egykristályok képlékeny alakváltozása I. : egyszerű csúszás (lépcsős felület, sok diszlokáció mozgása Frank-Read) II.: bonyolult / többszörös csúszás (Lomer-gátak erős alakítási keményedés) III.: keresztcsúszás, ikerképződés 33 Zn egykristály alakváltozása az I. szakaszban Cu egykristály egymást metsző csúszási vonalai Csúszósík - felület metszésvonala 34 17

18 Ikerképződéssel járó képlékeny alakváltozás Diszlokációs csúszás: elmozdulás csak néhány csúszósíkon Ikresedés: az ikertartomány valamennyi síkja elmozdul 35 Sokkristályos anyagok képlékeny alakváltozása Minden szemcsében többszörös csúszás. Alakítási keményedés intenzívebb. I. szakasz hiányzik. Mindig nagyobb feszültségek mint az egykristály esetén

19 Polikristályos anyagok alakítási keményedése Hall-Petch egyenlet (alsó folyáshatár) σ 0 = σ i + k d A határon felhalmozódó diszlokációk feszültségtere indítja meg az alakváltozást a szomszédos krisztallitban. Szemcseméret szemcsehatáron felhalmozódó diszlokációk száma 37 Felületszerű hibák (2D) Makrofelület Szemcsehatár (nagyszögű, kisszögű) Fázishatár (inkoherens, szemikoherens, koherens) Ikersík Rétegződési hiba 38 19

20 Szemcsehatár Nagyszögű Kisszögű (θ = 1-5 ) Θ tg Θ = b D 39 Fázishatár Inkoherens Szemikoherens Koherens Inkoherens 40 20

21 Szemikoherens Koherens (Heteroepitaxia) 41 FKK (111) szoros síkok lehetséges elrendeződései ABCABC ABABAB FKK HCP 42 21

22 Ikerhatár FKK ABCABCBACBA Párhuzamos vonalak a mikroszkópi képen. 43 Rétegződési hiba ABCAB C ABCABC C sík egy felülete hiányzik! FKK - Hexagonális - FKK Zárt görbe 44 22

23 FKK - Szoros hexagonális 45 Térfogati hibák (3D) (üregek, repedések) Kúszási üregsor 46 23