Anyagtudomány 2013/14 Kristályok, rácshibák Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu Tematika 1. hét: Bevezetés. 2. hét: Kristályok, rácshibák. 3. hét: Ötvözetek. 4. hét: Mágneses és elektromos anyagok. 5. hét: Szerkezetvizsgálat. 6. hét: Kompozitok. 7. hét: Különleges anyagos és technológiák. Az atomok elrendeződése Hosszú távú rend (kristályok) Az atomok elhelyezkedését jól definiált transzlációval írhatjuk le 1
Kristályok Transzláció Transzláció: r ma Kristályrács 1 na2 pa3 Primitív cella: a bázisvektorok által kifeszített térfogatelem. Csak a sarkain tartalmaz atomot, összesen egy atom található benne. Összetett rács: egyszerűbb geometriai leírás, de több atomot is tartalmaz. Az összes rács besorolható a hét primitív rácstípus egyikébe. 2
Köbös Tetragonális e.k, t.k.k, f.k.k Bravais-rácsok Ortorombos Hexagonális Romboéderes Monoklin Triklin P - Primitive (egyszerű) I - Body P-primitive centered (térben középpontos) I-body centered F - Face centered (felületen középpontos) F-face centered C - Side C-side centered centered (alaplapon középpontos) Egyszerű és összetett rács: FKK mint romboéderes Miller-indexek Pontok Irányok Síkok 3
Rácssíkok közötti távolság d a 2 h k 2 l 2 TKK(110) d 110 a a 2 2 2 Köbös rácsokra [hkl] (hkl)!!! Reális kristályok 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 4
Kristályhiba-típusok Ponthibák (0 dim.) Vonalszerű hibák (1 dim.) Felületszerű hibák (2 dim.) Térfogati hibák (3 dim.) Vakancia Szubsztitúciós atom 5
Intersztíciós atom Frenkel-mechanizmus Wagner-Schottky mechanizmus 6
Ponthibák létrejötte Besugárzás hatására Besugárzó részecskék kiütik a rácsatomokat a helyükről (pl. Frenkel-hibapárok) Hő hatására Ponthibák ötvözetekben Vonalszerű (1 dimenziós) rácshibák Fémek elméleti és mért folyáshatára között óriási eltérés, nem magyarázható mérési hibával Diszlokációelmélet: az alakváltozás nem egy lépésben történik diszlokációk mozgása 7
Diszlokációk Frenkel elméleti folyáshatár számítása Számolt/mért folyáshatár: Fe: 440, Al: 423, Cu: 769 Diszlokációk mozgása Diszlokációk Tűkristály (whisker, 1950) kondenzátor Zn, d = 0,1-0,001 m 1934: Francis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály 1960: TEM Diszlokáció: az elcsúszott és nem elcsúszott tartományok határolóvonala. Éldiszlokáció, csavardiszlokáció, vegyes diszlokáció. 8
Burgers-kör Éldiszlokáció Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra sík Burgers vektor: b b l Csavardiszlokáció Diszlokáció vonala: l Nincs egyértelmű csúszósík mozgékony Extra sík nincs! Burgers vektor: b b II l 9
Vegyes diszlokáció Részleges elcsúszás Térgörbe hálózat 0-90 Diszlokációk alapvető tulajdonságai Diszlokáció: elcsúszott és nem elcsúszott részek határa Lineáris (lehet görbe) Felületen kezdődik és végződik, vagy kristályban záródó görbe Az elmozdulás mértéke a diszlokáció egésze mentén állandó Burgers vektor a legsűrűbb irányban fekszik és b = d Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során Definíciók Lágyított: 10 6-10 7 cm -2 Alakított: 10 12-10 14 cm -2 10
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 Csúszási rendszerek Tetszőleges csúszási rendszerhez azonos kritikus csúsztatófeszültség tartozik. Éldiszlokációk eltűnése 11
Diszlokációk keletkezése Frank-Read mechanizmus/forrás Félkörív labilis zárt hurok 2Gb cos D 2Gb Max D 0 Frank-Read forrás működése Frank-Read forrás TEM képe 12
Felületszerű rácshibák Makroszkópikus felület Kisszögű szemcsehatár Nagyszögű szemcsehatár Fázishatár Koherens fázishatár Ikerhatár Rétegződési hiba Makroszkópikus felület A kristály felületén az atomok magasabb energiaállapotban vannak, mint a kristály belsejében, mivel nem jön létre minden irányban atomi kötés. A felület energiaszintje csökken, ha a felülethez újabb atomok kapcsolódnak. Oxidrétegek kialakulása. Kémiai reakciók. Kisszögű határ Azonos előjelű diszlokációk egymás alá rendeződése <5º 13
Nagyszögű szemcsehatá r A dermedés során véletlen orientációjú kristálycsírák összenőnek. Az egyes szemcsék csak orientációjukban különböznek. Kis- és nagyszögű határ összehasonlítása Fázishatárok 14
Koherens fázishatár A határ két oldalán azonos atomok vannak Mindkét fázisban lehet találni olyan síkot, ahol az atomos elrendeződés megegyezik A fázishatáron a két fázis kristálytani elrendeződéséből következik (tehát adott) az orientáció-különbség Ikerhatár Ikerhatár Koherens határ, mindkét oldalon azonos fázis van A határ két oldala egymás tükörképe Keletkezhet kristályosodáskor és képlékeny alakváltozáskor elsősorban az FKK és HCP kristályokban 15
Ikerhatár Mikroszkópi csiszolatokon párhuzamos egyenesekként jelenik meg Rétegződési hiba Rétegződési hiba 16
Rétegződési hiba Rétegződési hiba Rétegződési hiba Atomok hiánya miatt jött létre (belső rétegződési hiba) 17
Rétegződési hiba Beékelődött atomok miatt jött létre (külső rétegződési hiba) Térfogati (3 dim.) hibák Üregek Zárványok Kiválások Gázbuborékok Üregek 18