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 mechanizmusok Frenkel-mechanizmus

Frenkel hibapár:

vakancia és intersztíciós atom együttese

8

Wagner-Schottky mechanizmusfelületi üres hely vándorlása a szilárdtest

belsejébe

9

Termikus ponthibák egyensúlyi koncentrációja

KJN

Rk

eNn

A

kT

Eakt

/1038,1 23

67

int

10

)5,1(

300

64

21

SI

V

erstíciósSaját

Vakancia

N

N

eVeV

KT

eVE

eVE

Rácstorzulás aktiválási energia

10

Ponthibák keletkezése•képlékeny alakváltozás•nem egyensúlyi hűtés•részecske besugárzás (gyors neutron hibakaszkád)

Termikus ponthibák eltűnésediffúziós mozgás• szemcsehatár•éldiszlokáció extrasík (kúszás)

11

DiszlokációkFrenkel 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 határoló vonala

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

CsavardiszlokációDiszlokáció vonala: l

Nincs egyértelmű csúszósík mozgékony

Extrasík sincsen !

Burgers vektor: b

b II 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

1

2

2

lGbW

lGbW

él

cs

)1(2

GE

G

E

párhuzamos

esmerőerőleg

18

Képlékeny alakváltozás diszlokációk mozgása.

Diszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásban

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-indexeiSíkok Miller-indexei

hkl

hkl

qlzkyhxC

z

B

y

A

x

)(

1

23

Irányok Miller-indexei

uvw

uvw

awavauT 321

24

Lehetséges elcsúszások, FKK (111)

25

Diszlokációk kölcsönhatása

212

22

12

21

2 bbbbb

bbb

eredő

eredő

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 szemcsehatárEgyesülhetnek, felbomolhatnak. (Energetikai feltétel)

b1b2 0 (tompaszög) egyesülnek

b1b2 0 (hegyesszög) felbomlik

26

Éldiszlokációk eltűnése

27

Diszlokációk keletkezéseFrank-Read mechanizmus (diszlokáció forrás)

0

2

cos2

D

GbD

Gb

Max

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.

mA

F

coscos

cos

cos

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)

d

ki 0

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°)

D

btg

39

Fázishatár

InkoherensSzemikoherensKoherens

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

46

47