Reális kristályok, kristályhibák

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

2. Kristályhiba-típusok • Ponthibák (0 dimenziós) • Vonalszerű hibák, 1 dimenziós: diszlokációk • Felületszerű hibák (2 dimenziós) • Térfogati hibák (3 dimenziós)

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

4. Vakancia (üres rácshely)

5. Szubsztitúciós (helyettesítéses) atom

6. Intersztíciós (beékelődéses) atom

7. Ponthiba képződési mechanizmusokFrenkel-mechanizmus Frenkel hibapár: vakancia és intersztíciós atom együttese

8. Wagner-Schottky mechanizmusfelületi üres hely vándorlása a szilárdtest belsejébe

9. Termikus ponthibák egyensúlyi koncentrációja Rácstorzulás  aktiválási energia

10. Ponthibák keletkezése • képlékeny alakváltozás • nem egyensúlyi hűtés • részecske besugárzás (gyors neutron hibakaszkád) • Termikus ponthibák eltűnése • diffúziós mozgás • szemcsehatár • éldiszlokáció extrasík (kúszás)

11. Diszlokációk Frenkel elméleti folyáshatár számítása Számolt/mért folyáshatár: Fe: 440, Al: 423, Cu: 769

12. Tűkristály (whisker, 1950) kondenzátor Zn, d = 0,1- 0,001 m 1934: Fransis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály 1960: Átvilágító elektronmikroszkópia (TEM) • Definíció: • Diszlokáció: a kristályban az elcsúszott és az el nem csúszott tartományok határolóvonala Éldiszlokáció Csavardiszlokáció Vegyes diszlokáció Teljes (perfekt) diszlokáció Parciális diszlokáció

13. Burgers-kör

14. 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 bII l

16. 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

18. Diszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásban Képlékeny alakváltozás  diszlokációk mozgása.

19. Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során Definíciók Lágyított: 1010-1011 m-2 Alakított: 1014-1016 m-2

20. 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.

22. Síkok Miller-indexei Síkok Miller-indexei

23. Irányok Miller-indexei

24. Lehetséges elcsúszások, FKK (111)

25. Diszlokációk kölcsönhatása Ellentétes előjelű éldiszlokációk, ellentétes sodrású csavardiszlokációk kioltják egymást. Ellentétes előjelű diszlokációk kölcsönhatása:  = 45° egyensúly  < 45° taszítás  > 45° vonzás Azonos előjelű diszlokációk kölcsönhatása: sorba rendeződnek  kisszögű szemcsehatár Egyesülhetnek, felbomolhatnak. (Energetikai feltétel) b1b2 0 (tompaszög)  egyesülnek b1b2 0 (hegyesszög)  felbomlik

26. Éldiszlokációk eltűnése

27. Diszlokációk keletkezése Frank-Read mechanizmus (diszlokáció forrás) Félkörív labilis zárt hurok

28. Frank-Read forrás működése

29. Frank-Read forrás TEM képe

30. Egykristályok képlékeny alakváltozása Alakváltozás: csúszósíkok a csúszási irányok mentén elcsúsznak egymáson. 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. 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. 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.

36. Polikristályos anyagok alakítási keményedése Hall-Petch egyenlet (alsó folyáshatár) 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. Szemcsehatár Nagyszögű Kisszögű ( = 1-5°)

39. Inkoherens Szemikoherens Koherens Fázishatár Inkoherens

40. Szemikoherens Koherens (Heteroepitaxia)

41. FKK (111) szoros síkok lehetséges elrendeződései ABCABC FKK ABABAB HCP

42. Ikerhatár FKK ABCABCBACBA Párhuzamos vonalak a mikroszkópi képen.

43. Rétegződési hiba …ABCABCABCABC… C sík egy felülete hiányzik! FKK - Hexagonális - FKK Zárt görbe

44. FKK - Szoros hexagonális

45. Térfogati hibák (3D)(üregek, repedések) Kúszási üregsor