Reális kristályok, rácshibák Anyagtudomány gyakorlat 2006/2007 I.félév Gépész BSC
Valódi, reális kristályok Reális rács – rendezetlenségeket, rácshibákat tartalmaz Az anyagok tulajdonságainak bizonyos csoportja megmagyarázható és megérthető az ideális rács leírása alapján – szerkezet-érzéketlen tulajdonságok, pl. hő és villamos vezetőképesség, fajhő – más tulajdonságok csak a reális kristályszerkezet alapján értelmezhetők – szerkezet-érzékeny tulajdonságok, pl. szilárdsági és alakváltozási jellemzők.
A rácshibák osztályozása geometriai kiterjedésük alapján Pontszerű – nulldimenziós Vonalszerű – egydimenziós Felületszerű – kétdimenziós
Pontszerű – nulldimenziós rácshibák
Saját fajtájú atomok okozta rácshibák: Vakancia – számuk a hőmérséklet növelésével exponenciálisan nő, jelentőségük: diffúzió Intersztíciós helyzetű saját atom Keletkezési mechanizmusuk elméleti megfontolásai Frenkel féle hibapár Wagner-Schottky féle mechanizmus
Idegen atomok okozta pontszerű rácshibák:
Szubsztitúciós helyzetű idegen atom – szubsztitúciós szilárd oldat Intersztíciós helyzetű idegen atom – intersztíciós szilárd oldat
Pontszerű – nulldimenziós rácshibák
Vakancia, mint pontszerű rácshiba
Üres rácshely keletkezésének Frenkel-féle mechanizmusa
Pontszerű – nulldimenziós rácshibák
Vakancia keletkezésének Schottkyféle mechanizmusa
Pontszerű – nulldimenziós rácshibák
a)
b)
Idegen atomok által okozott pontszerű rácshibák a) Interstíciós idegen atom b) Szubsztitúciós idegen atom
Egydimenziós – vonalszerű rácshibák – diszlokációk Jellemzésük: a diszlokáció tengelye t a diszlokációt létrehozó csúszás irányvektora u Burgers-vektor b
A diszlokációk fajtái Éldiszlokáció – extra félsík beékelődése t u║b Csavardiszlokáció – a diszlokáció tengelyére merőlegesen elhelyezkedő atomok csavarfelületet alkotnak t ║ u ║ b Összetett vonalszerű rácshibák – térgörbe diszlokációk
A diszlokációk fajtái: éldiszlokáció
A
G
E b A
B
B G u
G u
D
C
a)
D
C
b)
A Burgers-vektor származtatása éldiszlokáció esetén
A diszlokációk fajtái Extra félsík
G t G b
G | b|
Az éldiszlokáció szemléltetése beékelődött extrafélsíkkal
A diszlokációk fajtái t
A csavar-diszlokáció tengelye
b
G u
u G b
Csavardiszlokáció sematikus térbeli ábrázolása
Csavardiszlokáció kétdimenziós ábrázolása
G t
A diszlokációk fajtái D
u b
b
Összetett vonalszerű rácshibák keletkezésének szemléltetése
Diszlokációk hálózata, sűrűsége A diszlokációk a reális kristályokban általánosan térbeli hálózatot alkotnak. Mennyiségük jellemzése: diszlokációsűrűség – ρ egységnyi
felület hány diszlokációt metsz , mértékegysége pl.1/m2 egységnyi térfogatra eső diszlokációk hossza mértékegysége pl. cm/cm3
A diszlokációk energiája és kölcsönhatásaik Diszlokációk által okozott rácstorzulás, feszültség – az anyagban többlet-energiát képviselnek Kölcsönhatásaik magyarázata: az energiaminimumra való törekvés Jelentőségük: a képlékeny alakváltozás mechanizmusának, az alakváltozási keményedés és az alakított fémes anyag hevítése során lezajló folyamatoknak a megértéséhez nélkülözhetetlen
Kétdimenziós - felületszerű rácshibák
Kristálytani kötöttség nélküli kétdimenziós rácshibák - bármely kristálytani rendszerben előfordulhatnak
Szemcsehatár Szubszemcsehatár Fázishatár
Krisztallográfiai kötöttséggel rendelkező kétdimenziós rácshibák
Ikerhatár Rétegződési hiba
Szemcsehatárhiba dermedéskor
keletkezik, az eltérő orientációjú kristálycsírákból növekedő szemcsék eltérő irányítottságúak - a dermedés végén szabálytalan felülettel találkoznak nagyszögű szemcsehatár, nagymértékű rendezetlenség, magas energiaszint jellemzi
Szemcsehatárhiba θ
d
Szemcsehatár-hiba, mint felületi rácsrendezetlenség
Szubszemcsehatár néhány
percnyi szögeltérés – kisebb energiaszint, kisebb fokú rendezetlenség, mint a nagyszögű szemcsehatárnál éldiszlokációk felsorakozása mozaikblokkok, keletkezésük a diszlokációk mozgásával, rendeződésével magyarázható - poligonizáció
Fázishatárhibák és fajtáik különböző fázisok közötti szemcsehatárok koherens (összefüggő) fázishatár - kis energiasűrűségű rácshiba szemikoherens inkoherens
Fázishatárhiba - koherens koherens
(összefüggő) fázishatár
feltételei : azonos
atomok forduljanak elő a fázishatár két oldalán, a két fázis kristályrácsainak kell legyen egy olyan hálózati síkja, ahol az atomok elrendezése azonos, az orientáció-különbség meghatározott értékű, a rácstípustól függő kell legyen
Fázishatárhiba - koherens
(110)
(100)
a)
b)
(100)
(110) c)
Összefüggő (koherens) fázishatár kialakulása a vas a és g fázisai között
Fázishatárhiba - szemikoherens szemikoherens
(félig összefüggő)
fázishatár feltételei: az
előbbiek közül két feltétel teljesül, de a harmadikban kis eltérés adódik részleteiben koherens, de szemcsehibák sorozatával illeszkedik
Fázishatárhiba - inkoherens inkoherens nagy
(nem összefüggő) fázishatár
energiájú rácshiba, a fázishatáron lévő atomok között nincsenek olyanok, amelyek mindkét oldalon lévő kristályokhoz szabályosan kapcsolódnak
Krisztallográfiai kötöttséggel rendelkező kétdimenziós rácshibák ikerkristály
hiba - nem különböző fázisok között jön létre, teljes koherencia, nagy szögeltérés - kis energiasűrűségű rácshiba rétegződési hiba - atomsíkok sorrendjében szabálytalan ismétlődés
Ikerkristály hiba keletkezése: Sztk
és hexagonális rácsban képlékeny alakváltozás során Szfk rácsban csak kristályosodáskor
Ikerkristály hiba Ikersík Y
X
X'
Az ikerkristály képződés vázlata
Y'
Rétegződési hiba atomsíkok
sorrendjében szabálytalan
ismétlődés Pl. hexagonális rács ABABAB szfk rács ABCABC ettől való, helyi eltérés a rétegződési hiba
Rétegződési hiba (111) sík
a)
(0001) sík
b)
A felületen középpontos köbös kristály és a tömött hexagonális kristály felépítésének összehasonlítása
Rétegződési hiba A B C A B C A B C A B C
A B C A B A B C A B C
Sematikus vázlat a rétegződési hiba keletkezésének értelmezéséhez
