03-eloadas racshibak a kristalyosodas toervenyszerusegei

8/10/2019 03-Eloadas Racshibak a Kristalyosodas Toervenyszerusegei

http://slidepdf.com/reader/full/03-eloadas-racshibak-a-kristalyosodas-toervenyszerusegei 1/54

Anyagtudomány 3. előadás1

Anyagtudomány - 3. Előadás

Rácshibák-rácsrendezetlenségek

2010/2011. tanévI. félév

2010. szeptember 20.




Kristályhibák, rácsrendezetlenségek

A kristályszerkezetr ől eddig tanultak ideális kristály-

szerkezetre vonatkoztak

Az ideális kristály fogalma

A reális kristályok jellemzői

a kristályrács felépítése korántsem tökéletes

különféle rácshibák, rácsrendezetlenségek

zavarják meg az ideális felépítést

Következménye: szerkezet-érzékenytulajdonságok




A tulajdonságok osztályozása

Szerkezet-érzéketlen tulajdonságok

értékük nem függ a rácsfelépítés esetleges

zavaraitól, pl.

hő- és villamos vezetőképesség

fajhő

Szerkezet-érzékeny tulajdonságok

értékük jelentősen függ az ideális rácsfelépítéstől

való eltéréstől

szilárdsági tulajdonságok (Rp, Rm, HB, stb.) és alakváltozási tulajdonságok (A5, Zc, stb.)




A rácshibák osztályozása

Pontszer ű, nulla-dimenziós

Vonalszer ű, egydimenziós

Felületszer ű, kétdimenziós rácshibák




Pontszer ű, nulla-dimenziós rácshibák

Pontszer ű rácshibát okozhatnak

saját atomok vakanciák (Frenkel, ill. Schottky típusú)

interstíciós atomok

idegen atomok szubsztitúciós atomok

interstíciós atomok




Vakancia, mint pontszer ű rácshiba

5.1. ábra




Üres rácshely keletkezése

Frenkel-féle mechanizmussal

5.2. ábra

kT

E

ü

ü

e N n

A keletkező üres rácshelyekszáma T hőmérsékleten




Vakancia keletkezése

Wagner - Schottky mechanizmussal

5.3. ábra




Idegen atomok, mint pontszer ű

rácshibák

5.4. ábraa) b)

Interstíciós idegen atom Szubsztitúciós idegen atom




Vonalszer ű, egydimenziós rácshibák

diszlokációk

éldiszlokációk csavardiszlokációk

a diszlokációk értelmezése

beékelődött extra fél síkkal szemléltethetők

a diszlokáció tengelye irányában (atomiméretekben) nagyméretű rendezetlenségetokoz

jellemzése a Burgers vektorral, illetve a Burgers körrel




Az éldiszlokáció szemléltetése

5.6. ábra

Extra félsík

b

| |

b

t




A Burgers vektor és a Burgers-kör

értelmezése

5.5. ábra

B

CD

E A

u

u

b

a) b)

D C

BA




A csavardiszlokáció szemléltetése

5.7. ábra

t A csavar-diszlokáció

tengelye

u

b




A csavardiszlokáció kétdimenziós

ábrázolása

5.8. ábra

b

t

u




Összetett vonalszer ű rácshibák

keletkezésének szemléltetése

b

D

b

u

5.8. ábra




Felületszer ű, kétdimenziós rácshibák

krisztallográfiai kötöttség nélküli rácshibák

szemcsehatár hiba

szub-szemcsehatár hiba

fázishatár

koherens,

szemi-koherens

inkoherens

krisztallográfiai kötöttséggel rendelkező rácshibák

ikerhatár

rétegződési hiba




Nagyszögű szemcsehatár-hiba

5.9. ábra

d




A koherens fázishatár keletkezésének

feltételei

• A fázishatár két oldalán azonos atomok alkossák akét fázist

• a két fázisnak legalább egy olyan közös kristálytani

síkjának kell lennie, amelyet azonos atomos

rendezettség jellemez

• a két fázis határán az orientáció-különbség

meghatározott értékű kell legyen




Koherens fázishatár

a vas és fázisai között

5.10. ábra

(110) (100) (100) (110)

a) b) c)




Ikerkristály, mint felületszer ű hiba

5.11. ábra

X X'

YY'

Ikersík




Szabályos lapközepes köbös (fcc) és tömötthexagonális kristály (hcp) kristály felépítése

5.12. ábra

(111)

sík

(0001) sík

a) b)




Szabályos fcc kristály rétegződése

A-sík





A-sík





A-sík

B-sík





A-sík

B-sík

C-sík





A-sík

B-sík

C-sík

A-sík

ABC ABC ABC ...




A lapközepes köbös kristály (hcp)(111) síkjainak szabályos rétegződése

ö ö á á ( )




Tömött hexagonális kristály (hcp)(0001) síkjainak szabályos rétegződése

A-sík

B-sík

AB AB AB ...

Tö ött h áli k i tál íkj i k




Tömött hexagonális kristály síkjainakszabályos rétegződése

S tik á l t ét ődé i hib




Sematikus vázlat a rétegződési hibakeletkezésének szemléltetéséhez

5.13. ábra

A

B

C

A

B

C

AB

C

A

B

A

B

C

A

B

A

B

C

A

B

CC

A szabályos sík

ismétlődés

• fcc kristályra

ABC ABC ABC

• hcp kristályra AB AB AB

a jellemző




Anyagtudomány

A kristályosodás törvényszer űségei




Termodinamikai alapfogalmak I.

– Termodinamikai rendszer fogalma

– Az alkotók (komponensek - K) fogalma

• egyalkotós

• többalkotós termodinamikai rendszerek

– A fázis (F) fogalma

• homogén (egynemű) rendszer fogalma• heterogén (több nemű) rendszer fogalma




Termodinamikai alapfogalmak II.

– Fázis fogalma

• a fázisok típusai – gáz,

– folyékony

– szilárd» színfém

» szilárd oldat

» fémes vegyület




Termodinamikai alapfogalmak III.

– Az állapottényezők fogalma, csoportjai

• hőmérséklet (T),

• nyomás (p),• fajtérfogat (V)

• koncentráció (c)

– A szabadságfok (SZ) fogalma – A Gibbs-féle fázisszabály

F + SZ = K + 2 (bármely termodinamikai

rendszerre)F + SZ = K + 1 (fémes termodinamikai

rendszerekre, mivel p=állandó)




Színfém kristályosodásának elemzése

• a szabad-

entalpiákváltozása

– folyékony és

– szilárd fázisra

4.1. ábra

Hőmérséklet, T ( oC )

S z a b a d e n t a l p i a

, G

Gszilárd

Gfolyadék

T0

T krit




Színfém hűlésgörbéjének elemzése

H ő m é r s é k l e t

idő (s)

Q

Q

Q0

T0

Q

Q

Q0

T0

Q

Q

Q0

T0

T (oC )

a) b) c)

idő (s) idő (s)

T

T (oC ) T (oC )

4.2. ábra




A kristályosodás elemi folyamatai

• kristálycsírák keletkezése

– homogén kristálycsíra

– heterogén kristálycsíra• kristálycsírák növekedése

– kristálynövekedési mechanizmusok

• poliéderes, szemcsés• dendrites

– rendezetlen

– oszlopos, sugaras• szferolitos




A kristálycsírák keletkezése

• kristálycsírák keletkezése,

– a kristályosodási képesség (Kk) fogalma• a stabilis (homogén) kristálycsíra keletkezésének

feltétele

a rendszer összegezett szabad-entalpiájánakcsökkenése

A szabad-entalpia változása a




A szabad-entalpia változása akristálycsíra méretének függvényében

S z a b a d e n t a l p i a v á l t o z á s a ,

G

kristálycsíra mérete, r r krit

Gö

krit

Gf = 4 r 2

Gö = a rendszer összes

a térfogati szabad entalpia változása

GV = r 3 4

3L T

T0

a felületi szabad entalpia változása

szabad entalpiájának változása

4.3. ábra




A kristályosodási képesség elemzése

• a kristályosodási

képesség definíciója

Kk [1/mm3

.s]• befolyásoló para-

méterek

– a túlhűtés mértékeT [oC]

– a hűtési sebesség

v [o

C/s]

4.4. ábra

T (oC )

Kk

Kk1Kk2

T

v1

v2

A kritikus kristálycsíra méret változása




A kritikus kristálycsíra méret változásaa túlhűtéssel

okrit

2 Tr L T

4.5. ábra

Heterogén kristály csíra képződési




Heterogén kristály csíra képződésimechanizmus

T (oC )

K k

K k1

T 1

K k2

K i

4.6. ábra

A kristálycsírák növekedése,




A kristálycsírák növekedése,kristályosodási mechanizmusok

• a kristályosodás elemi folyamatai – stabilis (növekedésre képes) kristálycsírák

keletkezése (Kk)

– a kristálycsírák növekedése

• a kristályosodás sebessége - KS [mm/s]

• a kristályosodás módja

A k i tál dá i b é




A kristályosodási sebesség

• Fogalma:

a kristály lineáris

növekedési sebes-sége

• Jele és mérték-

egységeKs [mm/s]

T (oC )

K k

K s

K k1

K k2

K s

T

4.7. ábra

A polikrisztallin kristályosodás módjai




A polikrisztallin kristályosodás módjai

• poliéderes, szemcsés

• dendrites – rendezetlen dendrites

– oszlopos, sugaras dendrites

• szferolitos

A poliéderes szemcsés kristályosodás




A poliéderes, szemcsés kristályosodás

a) b) c) d) e)

4.9. ábra

A dendrites kristályosodás




A dendrites kristályosodás

– rendezetlen dendrites oszlopos dendrites

4.10. ábra 4.11. ábra

A szferolitos kristályosodás




A szferolitos kristályosodás

– Példa: a gömbgrafitos öntöttvas kristályosodása

4.12. ábra

A kristályos szerkezet módosítása




A kristályos szerkezet módosítása

• alapvető a kristályosodási képesség és a

kristályosodási sebesség viszonya

– a finomszemcsés szerkezet előállítása

Kk >> Ks

a jó mechanikai tulajdonságok (elsősorban a

szívósság) szükséges feltétele

– a durvaszemcsés szerkezet előállítása

Kk << Ks

egykristályok előállítására

speciális elektrotechnikai célokra (Siegykristály)

térfogatalakítás előgyártmány előállításra

A szemcseszerkezet és a mechanikai




tulajdonságok kapcsolata

• a Hall-Petch összefüggés

2

1

kd R R o p

200

150

100

50

0

R p

( M P a )

2 4 6 8 d -1/2

0,25 0,0278

d, mm

Acél

Réz

Aluminium

0,06 0,01250

4.8. ábra

Polimorfizmus és allotrópia




Polimorfizmus és allotrópia

• a polimorfizmus fogalma: különböző

hőmérséklet-tartományokban máskristályrendszer szerinti kristályosodás

többalakúság

• fémek polimorfizmusa: az allotrópia

– allotróp módosulatok

– allotróp átalakulások

A vas allotróp átalakulása és módosulatai




A vas allotróp átalakulása és módosulatai

H ő m

é r s é

e t

Idő

500

1000

1500

ferromágneses

-vas

paramágneses

-vas (= -vas)

-vas

-vas

-vas

A5

= 1536 oC

Ac4

= 1392 oC

Hevítés Hűtés

Ar4

= 1392 oC

Ac3

= 911 oC

(Ac2

) = 769 oC

Ar3

= pl. 898 oC

(Ar2

) = 769 oC

sztk

a = 2,86x10-7 mm

szfk

a = 3,63x10-7 mm

sztk

a = 2,93x10-7 mm

Curie pont

oC

4.17. ábra

03-eloadas racshibak a kristalyosodas toervenyszerusegei

Documents