2014.02.18.
Anyagtudomány – 2013/14
Kristályok, rácshibák
Dr. Szabó Péter János
[email protected]
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
2014.02.18.
Kristályok
Transzláció
Kristályrács Transzláció: r ma1 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
2014.02.18.
e.k, t.k.k, f.k.k
Köbös Tetragonális
Bravais-rácsok
Ortorombos Romboéderes
Hexagonális
Monoklin
Triklin
P - Primitive (egyszerű) I - Body centered (térben P-primitive középpontos) I-body centered F - Face centered (felületen F-face centered középpontos) centered C - SideC-side centered (alaplapon középpontos)
Egyszerű és összetett rács: FKK mint romboéderes
Miller-indexek • Pontok • Irányok • Síkok
3
2014.02.18.
Rácssíkok közötti távolság d
a h k2 l2 2
TKK (110)
d110
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
2014.02.18.
Kristályhiba-típusok • • • •
Ponthibák (0 dim.) Vonalszerű hibák (1 dim.) Felületszerű hibák (2 dim.) Térfogati hibák (3 dim.)
Vakancia
Szubsztitúciós atom
5
2014.02.18.
Intersztíciós atom
Frenkel-mechanizmus
Wagner-Schottky mechanizmus
6
2014.02.18.
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
2014.02.18.
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
2014.02.18.
Burgers-kör
Éldiszlokáció Diszlokáció vonala: l Csúszósík adott nem mozgékony Extra sík Burgers vektor: b
bl
Csavardiszlokáció Diszlokáció vonala: l Nincs egyértelmű csúszósík mozgékony Extra sík nincs ! Burgers vektor: b
b II l
9
2014.02.18.
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: 106-107 cm-2 Alakított: 1012-1014 cm-2
10
2014.02.18.
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
2014.02.18.
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
2014.02.18.
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
2014.02.18.
Nagyszögű szemcsehatá r A dermedés során véletlen orientációjú kristálycsírák összenőnek. Az egyes szemcsék csak orientációjukban különböznek.
Kis- és nagyszögű határ összehasonlítása
Fázishatárok
14
2014.02.18.
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
2014.02.18.
Ikerhatár Mikroszkópi csiszolatokon párhuzamos egyenesekként jelenik meg
Rétegződési hiba
Rétegződési hiba
16
2014.02.18.
Rétegződési hiba
Rétegződési hiba
Rétegződési hiba Atomok hiánya miatt jött létre (belső rétegződési hiba)
17
2014.02.18.
Rétegződési hiba Beékelődött atomok miatt jött létre (külső rétegződési hiba)
Térfogati (3 dim.) hibák • • • •
Üregek Zárványok Kiválások Gázbuborékok
Üregek
18
