View
220
Download
4
Category
Preview:
Citation preview
2016. 10. 05.
1
1
Dr. Mészáros Istvánmeszaros@eik.bme.hu
Reális kristályok, rácshibákAnyagismeret – 2016/17
2
AmorfEgykristályosPolikristályos
Rácsállandó: 0,3-0,5 nmSzemcseméret: 0,1 mm
2016. 10. 05.
2
3
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
4
Kristályhiba-típusok• Ponthibák (0 dim.)• Vonalszerű hibák (1 dim.) diszlokációk• Felületszerű hibák (2 dim.)• Térfogati hibák (3 dim.)
2016. 10. 05.
3
5
Ponthibák•Vakancia (üres rácshely)•Saját interszíciós atomok•Idegen atomok (intersztíciós, szubsztitúciós helyen)•Ponthiba komplexek (di-, tri-vakancia, idegen atom-vakancia...)
Termikusan aktivált hibák
6
Vakancia (üres rácshely)
2016. 10. 05.
4
7
Szubsztitúciós atom
8
Intersztíciós atom
2016. 10. 05.
5
9
Ponthiba képződési mechanizmusokFrenkel-mechanizmus
Frenkel hibapár
10
Wagner-Schottky mechanizmus
2016. 10. 05.
6
11
Termikus ponthibák egyensúlyi koncentrációja
KJNRkeNn
A
kTEakt
/1038,1 23
67
int
10)5,1(
30064
21
SIV
erstíciósSajátVakancia
NN
eVeVKT
eVEeVE
Rácstorzulás aktiválási energia
12
0,0E+00
1,0E+19
2,0E+19
3,0E+19
4,0E+19
5,0E+19
6,0E+19
0 500 1000 1500 2000 2500Hőmérséklet [K]
Vakan
ciák s
záma
Vakanciák száma1 cm3 fém~ 1022 atomEakt = 1 eV
2016. 10. 05.
7
13
Ponthibák keletkezése•képlékeny alakváltozás•nem egyensúlyi hűtés•részecske besugárzás (gyors neutron hibakaszkád)
Termikus ponthibák eltűnésediffúziós mozgás• szemcsehatár•éldiszlokáció extrasík (kúszás)
14
Ponthibák ötvözetekben
2016. 10. 05.
8
15
Ponthibák hatása
16
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
2016. 10. 05.
9
17
1 Dimenziós hibákVonalszerű hibák
Diszlokációk
Def. diszlokáció: az elcsúszott és nem elcsúszott tartományok határolóvonala.
18
Jellemzése (Burgers-vektor)Diszlokációk típusaiTulajdonságaiKeletkezése (Frank-Read) EnergiájaKölcsönhatása (reakciók)EltűnéseMozgásaCsúszási rendszerekDiszlokáció sűrűség méréseDiszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásbanLomer diszlokációk (alakítási keményedés)Egykristályok, polikristályok alakváltozása
2016. 10. 05.
10
19
Frenkel-féle folyáshatár modellFrenkel elméleti folyáshatár számítása
Számolt/mért folyáshatár:Fe: 440, Al: 423, Cu: 769
20
Tűkristály (whisker, 1950) kondenzátor Zn, d = 0,1- 0,001 m1934: Fransis Taylor, Orován Emil, Polányi Mihály1960: TEM
Def. diszlokáció: az elcsúszott és nem elcsúszott tartományok határolóvonala.
ÉldiszlokációCsavardiszlokációVegyes diszlokáció
Teljes (perfekt) diszlokációParciális diszlokáció
2016. 10. 05.
11
21
TEM diszlokáció kép 40.000x
22
2016. 10. 05.
12
23
Burgers-kör
24
2016. 10. 05.
13
25
ÉldiszlokációDiszlokáció vonala: lCsúszósík adott nem mozgékonyExtra síkBurgers vektor: bb l
26
CsavardiszlokációDiszlokáció vonala: lNincs egyértelmű csúszósík mozgékonyExtra sík nincs !Burgers vektor: bb II l
2016. 10. 05.
14
27
https://www.youtube.com/watch?v=9W2b_5Lk1js&list=PL61CB5CC26803B918
28
Összetett diszlokációRészleges elcsúszásTérgörbe hálózat0 - 90°
2016. 10. 05.
15
29
Diszlokációk alapvető tulajdonságai•Diszlokáció: elcsúszott és nem elcsúszott részek határa•Vonalszerű (lehet görbe 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(csak teljes diszlokáció esetén, parciális!)•A diszlokáció vonalak csomópontban is találkozhatnak. Itt az eredő Burgers-vektor zérus.
30
Diszlokációk energiájaFeszültség (nyomó , húzó)Energiatöbblet
122
lGbWlGbW
él
cs
)1(2
GEGEpm
2016. 10. 05.
16
31
Képlékeny alakváltozás diszlokációk mozgása.
Diszlokációk szerepe a képlékeny alakváltozásban
32
Diszlokációk mozgása
2016. 10. 05.
17
33
Diszlokációsűrűség változása képlékeny alakváltozás során
DefiníciókLágyított: 1010-1011 m-2
Alakított: 1014-1016 m-2
(alakítási keményedés)
Folyáshatár – diszlokáció sűrűség
34
Diszlokációk mozgásának szabályaiDiszlokáció 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 rendszerekCsúszósík váltás
Csavar keresztcsúszásÉl mászás kúszás (tartós folyás, creep) üregek a szemcsehatáron
2016. 10. 05.
18
3535
Csúszási rendszer: csúszósík és egy hozzá tartozó csúszásiirány. Az elcsúszás a csúszósíkokon rétegesen jelentkezik.
A terhelőerő növekedésével a csúszósíkban fellép az ún. kritkritikus csúsztatófeszültség, amelynél az adott csúszásirendszerben megindul a képlékeny alakváltozás. Alapvetőfeltevés, hogy egy rácstípus bármely csúszási rendszeréhezazonos kritikus csúsztatófeszültség tartozik.
Jellemző csúszási rendszerek: db300010211..
db12111110..db12110111..
hilkkfkkt
Csúszási rendszerek
36
Csúszási rendszerek
Minden csúszási rendszerhez azonos kritikus csúsztatófeszültség tartozik.
2016. 10. 05.
19
37
Lehetséges elcsúszások, FKK (111)
38
Diszlokációk kölcsönhatása
212
22
12
212 bbbbb
bbberedő
eredő
Ellentétes előjelű él-, sodrású csavardiszlokációk kioltják egymást.Ellentétes előjelű diszlokációk kölcsönhatása: = 45° egyensúly < 45° taszítás > 45° vonzásAzonos előjelű diszlokációk kölcsönhatása:sorba rendeződnek kisszögű szemcsehatárEgyesülhetnek, felbomolhatnak (Energetikai feltétel)
b1b2 0 (tompaszög) egyesülnekb1b2 0 (hegyesszög) felbomlik
2016. 10. 05.
20
39
Éldiszlokációk eltűnése
40
Azonos előjelű diszlokációk sorokba rendeződése.Diszlokációsor létrejötte.Kisszögű szemcsehatár.
2016. 10. 05.
21
41
Példák diszlokáció reakciókraa/2 [110] + a/2 [110] 0 kioltása/2 [110] + a/2 [101] a/2 [011] stabila/2 [101] + a/2 [011] a/2 [112] instabil
b1b2 0 (tompaszög) stabil diszlokáció jön létreb1b2 0 (hegyesszög) instabil diszlokáció jön létre, komponensekre bomlik
42
Cottrel-Lomer gát ill. diszlokáció
FKKElcsúszás két síkonEredő diszlok.: metszésvonalStabilÉldiszlokációNincs csúszósíkbanMozgásképtelen
2016. 10. 05.
22
43
Diszlokációk keletkezéseFrank-Read mechanizmus/forrás
02
cos2
DGb
DGb
Max
Félkörívlabiliszárt hurok
44
Frank-Read forrás működése
2016. 10. 05.
23
45
Frank-Read forrás TEM képe (Al)
46
DiszlokációkEgy TKK egykristályban lévő éldiszlokáció Burgers vektora[1 1 1] irányú. A diszlokáció a kristály (1 1 0) síkjában fekszik. Határozzuk meg a diszlokáció vonal Miller-indexeit.
Egy Al (FKK) egykristályban egy [1 2 1] irányú éldiszlokáció van. Adjuk meg a diszlokáció Burgers vektorát.
2016. 10. 05.
24
47
Egykristályok képlékeny alakváltozásaAlakváltozás: csúszósíkok a csúszási irányok mentén elcsúsznak egymáson.
mAF
coscos
coscos
m: Schmid-tényező
48
Egykristályok képlékeny alakváltozásaEgyszerű csúszás: alakváltozás egy csúszási rendszerbenTöbbszörös csúszás: elcsúszás egyszerre több csúszási rendszerben
FKK4 db 111 síkbansíkonként 2 db 110 irányban
2016. 10. 05.
25
49
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
50
Zn egykristály alakváltozása az I. szakaszban
2016. 10. 05.
26
5151
Egykristályok makroszkópikus alakváltozása szakításnál
Ón
Bizmut
Horgany
52
Ikerképződéssel járó képlékeny alakváltozás
Diszlokációs csúszás: elmozdulás csak néhány csúszósíkonIkresedés: az ikertartomány valamennyi síkja egyszerre elmozdul(kollektív mozgás)
2016. 10. 05.
27
53
Polikristályok képlékeny alakváltozásaMinden szemcsében többszörös csúszás.Alakítási keményedés intenzívebb.I. szakasz hiányzik.Mindig nagyobb feszültségek mint az egykristály esetén.
54
Cu egykristály egymást metsző csúszási vonalaiCsúszósík - felület metszésvonala
2016. 10. 05.
28
55
Polikristályos anyagok alakítási keményedéseHall-Petch egyenlet (alsó folyáshatár)
dk
i 0
A határon felhalmozódó diszlokációk feszültségtere indítja meg az alakváltozást a szomszédos krisztallitban.Szemcseméret szemcsehatáron felhalmozódó diszlokációk száma
56
Felületszerű hibák (2D)MakrofelületSzemcsehatár (nagyszögű, kisszögű)Fázishatár (inkoherens, szemikoherens, koherens)Ikersík (ikerhatár)Rétegződési hiba
2016. 10. 05.
29
57
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.
58
SzemcsehatárCsak orientáció eltérés.NagyszögűKisszögű ( < 5°)
Dbtg
2016. 10. 05.
30
59
Nagyszögű szemcsehatár
A dermedés során véletlen orientációjú kristálycsírák össze-nőnek.Az egyes szemcsék csak orientációjukban különböznek.
60
Orientáció
2016. 10. 05.
31
61
Kis- és nagyszögű határ összehasonlítása
62
Fázishatár InkoherensSzemikoherensKoherens
Inkoherens
2016. 10. 05.
32
63
SzemikoherensMisfit diszlokációk
Koherens(Heteroepitaxia)
64
FKK (111) szoros síkok lehetséges elrendeződései
ABCABC FKKABABAB HCP
2016. 10. 05.
33
65
IkerhatárFKKABCABCBACBAPárhuzamos vonal
66
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
2016. 10. 05.
34
67
Rétegződési hiba
ABCABCABABCABCABFKK - HCP - FKKZárt görbe
68
Rétegződési hibaBeékelődött atomok miatt jött létre (külső rétegződési hiba)
2016. 10. 05.
35
6969
Teljes (perfekt) diszlokációkA rácsszerkezet miatt a Burgers-vektorok nem lehetnektetszőlegesek. Az olyan diszlokációkat amelyeknek Burgers-vektorát két szomszédos atom határozza meg, teljes vagyperfekt diszlokációknak nevezzük. Köbös rácsban az [100],[110] és [111] irányú teljes diszlokációk vannak.
Legrövidebb teljes diszlokációk
7070
ABC
AC
C’ 1102a 2116
a
1126a 111
Shockley-féle parciális diszlokáció
f.k.k.
2016. 10. 05.
36
7171
3662
1126211611022222
22
122 aaabbab
aaa
Rétegződési hiba
CBACBACBA
ACBACACBA
CBACBACBA
C’ CA
Elmozdulás
Energia
110
7272
TextúraA szilárdtest részeinek egy külső koordináta-rendszerhez képesti anizotróp elrendeződése.A textúra mechanikai és krisztálytani eredetű lehet.A szemcsék orientációjának meghatározása: Kc – egyedi szemcse lokális koordináta-rendszere (x, y, z) Ks – makroszkopikus lemez koordináta-rendszere (hi, mi, ni)
',cos, jiijij xxgg g
2016. 10. 05.
37
7373
{100}<010>
<001>
{110}
hengerlési irány
Kockatextúra Goss-textura
Speciális textúrák
Axiális textúra: a szemcsék elhelyezkedése olyan,hogy egy adott iránnyal párhuzamosan helyezkednek el.Rúdhúzás, dróthúzás tipikus szerkezete <uvw>
74
Térfogati (3 dim.) hibák• Üregek• Zárványok• Kiválások• Gázbuborékok
2016. 10. 05.
38
75
Kúszási üregsor
Kúszási üregsor
76
Az előadásvázlat az alábbi tankönyvi források felhasználásával készült:
Prohászka J.: Bevezetés az anyagtudományba I. (Műegyetemi Kiadó)M. Tisza: Physical Metallurgy for Engineers (ASM International)Ginsztler J., Hidasi B., Dévényi L.: Alkalmazott anyagtudomány (Műegyetemi Kiadó, 2000.)Prohászka J.: A fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságai (Műegyetemi Kiadó, 2001.)Verő J., Káldor M.: Fémtan (Tankönyvkiadó, 1977.)Káldor M.: Fizikai metallurgia (Műszaki Kiadó, 1990.)
Recommended