Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης
Σημειακές ατέλειες Στοιχειακά στερεά Ατέλειες των στερεών Αυτοπαρεμβολή σε ενδοπλεγματική θέση Κενή θέση Αριθμός κενών θέσεων Q υ : Ενέργεια σχηματισμού κενής θέσης
Προσμίξεις-στερεά διαλύματα (το υλικό αποτελείται από μία κρυσταλλική φάση) Στοιχειακά στερεά Άτομα διαλύτη Ενδοπλεγματική ατέλεια ή ατέλεια παρεμβολής Ατέλεια αντικατάστασης Άτομα διαλυμένης ουσίας
Προσμίξεις-στερεά διαλύματα (το υλικό αποτελείται από μία κρυσταλλική φάση) Ατομική ακτίνα r ατόμου πρόσμιξης παρεμβολής (ενδοπλεγματική ατέλεια) σε δομή bcc Scanning Probe Microscopy (111)-type Si Οκταεδρική bcc (100) Στερεο-γεωμετρίες ενδοπλεγματικών ατελειών Τετραεδρική
Παράγοντες διαλυτότητας των ατόμων/ιόντων διαλυμένης ουσίας (προσμίξεων) Καλή διαλυτότητα σημαίνει διατήρηση της αρχικής κρυσταλλικής δομής του διαλύτη παρά την εισχώρηση στην δομή του ατόμων της διαλυμένης ουσίας ως ατέλειες αντικατάστασης. Ο σχηματισμός η όχι μίας (ή και περισσοτέρων) δευτερεύουσας φάσης (εων) λόγω της ύπαρξης ατελειών από άλλο στοιχείο εξαρτάται δραστικά από τους παρακάτω παράγοντες: Παρόμοια ατομική/ιοντική ακτίνα (καλή διαλυτότητα με 15% διαφορά). Τάση σχηματισμού όμοιας κρυσταλλικής δομής για τα άτομα διαλύτη και διαλυμένης ουσίας. Παρόμοια ηλεκτραρνητικότητα και σθένος. Παραδείγματα Cu-Ni (Στερεό διάλυμα) Cu Ni R ατομική (nm) 0.128 0.125 Δομή fcc fcc Ηλεκτ/τα 1.9 1.8 Σθένος 1+,2+ 2+ Fe-C (C σε θέσεις παρεμβολής) Fe C R ατομική (nm) 0.124 0.071 Δομή bcc hcp Ηλεκτ/τα 1.8 2.5 Σθένος 2,3+ 2,4+-
Επίδραση ατελειών στις ιδιότητες των υλικών Οι μικρές σε αριθμό ατέλειες προκαλούν παραμόρφωση του άμεσου γειτονικού ατομικού-ιοντικού περιβάλλοντός τους, αλλά όχι δημιουργία δευτερεύουσας φάσης πρόσμιξης. Όταν οι ατέλειες είναι εκτεταμένες σε αριθμό προκαλούν σημαντικές αλλαγές στην κρυσταλλική/ηλεκτρονιακή/μαγνητική δομή του υλικού, με επίπτωση στις διαστάσεις της μοναδιαίας κυψελίδας, στις μηχανικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές οπτικές και θερμικές ιδιότητες του υλικού και εμφάνιση δευτερευουσών φάσεων. Υπάρχει συνήθως ένα όριο συγκέντρωσης της διαλυμένης ουσίας πέρα από το οποίο έχουμε σχηματισμό δευτερευουσών φάσεων, αλλά αυτό εξαρτάται και από τις συνθήκες και το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το υλικό. Στερεά διαλύματα δεν δημιουργούν μόνο τα μεταλλικά στοιχεία, αλλά υπάρχουν και σε διμερείς ή ανώτερης τάξης (τριμερείς, τετραμερείς κτλ) ενώσεις π.χ. κεραμικά υλικά (οξείδια, σουλφίδια, νιτρίδια). Fe 2-x Al x O 3 / Zn 1-x Cd x S /Ga 1-x Mn x N 0 < x < 1
% κατά βάρος ή μάζα (wt%) Σύσταση-συγκέντρωση κράματος ή στερεού διαλύματος m 1, m 2 : μάζες Α 1, Α 2 : Ατομικά βάρη (στοιχειακά κράματα ή στερεά διαλύματα) % κατά άτομο ή ατομικά (at%) Μετατροπές συστάσεων Για ένα διμερές κράμα η μέση πυκνότητα ρ ave και το μέσο ατομικό βάρος Α ave Με βάση την πυκνότητα ρ wt% -> ρ (kg/m 3 ή g/cm 3 )
Διάνυσμα Burgers Διαταραχές-Γραμμικές ατέλειες Διαταραχή ακμής B Γραμμήδιαταραχής Γραμμή διαταραχής ακμής Η διεύθυνση της παραμόρφωσης του πλέγματος δίνεται από το διάνυσμα Burgers
Ελικοειδής διαταραχή B // Γραμμήδιαταραχής Επίπεδο ολίσθησης Διεύθυνση της γραμμής διαταραχής
Ατομικές θέσεις πάνω από το επίπεδο ολίσθησης Ελικοειδής διαταραχή (κάτοψη) Ατομικές θέσεις κάτω από το επίπεδο ολίσθησης
Ελικοειδής διαταραχή
Μικτή διαταραχή B ούτε,ούτε // με γραμμή διαταραχής
Μικτή διαταραχή (κάτοψη) Το διάνυσμα Burgers παραμένει το ίδιο σε όλα τα σημεία κατά μήκος της γραμμής διαταραχής και στα μεταλλικά υλικά συνήθως «δείχνει» προς μία κρυσταλλογραφική διεύθυνση μέγιστης πυκνότητας.
Εικόνα διαταραχών σε ένα δείγμα κράματος Ti όπως καταγράφηκε με την βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου διέλευσης.
Ατέλειες σε (Ce0.5Zn0.5)O2
Επιφανειακές και διεπιφανειακές ατέλειες Εξωτερικές οριακές επιφάνειες των υλικών ελεύθεροι δεσμοί α-fe (bcc) a 0.287 nm D max 3.5 nm V 8.1 nm 3 a
Διαχωριστικά όρια μεταξύ κόκκων του υλικού Απόκλιση των κρυσταλλογραφικών διευθύνσεων σε μικρή ή μεγάλη γωνία Μεγαλύτεροι κόκκοι -> μικρότερη επιφάνεια -> μικρότερη επιφανειακή ενέργεια Μικρότεροι κόκκοι -> μεγαλύτερη επιφάνεια μεγαλύτερη επιφανειακή ενέργεια -> χημικά δραστικότερο υλικό Μικρότεροι κόκκοι -> τα άτομα των προσμίξεων «προτιμούν» ενεργειακά να βρίσκονται στα όρια μεταξύ των κόκκων. Σε υψηλές θερμοκρασίες οι κόκκοι μεγεθύνονται ως αποτέλεσμα της τάσης μείωσης της συνολικής ενέργειας της διαχωριστικής επιφάνειας.
Διαχωριστικά όρια κόκκων μικρής γωνίας απόκλισης Παράδειγμα επικλινούς (tilt) διαχωριστικού ορίου καθώς οι ατέλειες ακμής ευθυγραμμίζονται στα όρια της μικρής γωνίας θ. tilt twist Παράδειγμα στρεβλού (twist) διαχωριστικού ορίου προκύπτει από μία παράταξη ελικοειδών ατελειών.
Διδυμίες (Κατοπτρικό) Επίπεδο διδυμίας Μηχανικές διδυμίες (συνήθως σε bcc και hcp μέταλλα) Διδυμίες θερμικής επεξεργασίας (ανόπτησης) (συνήθως σε fcc μέταλλα)
Εικόνες οπτικού μικροσκοπίου Λείανση επιφάνειας Κράμα Cu-Zn Λείανση επιφάνειας Κράμα Fe-Cr
Άλλες ατέλειες Σφάλματα επιστοίβασης (ABC-ABC-ABC ACB-ABC.) Εμφάνιση ρωγμών Πολυφασικά υλικά (αλλαγή φάσης) Μαγνητικές περιοχές (magnetic domains) σε μαγνητικά διατεταγμένα υλικά Πορώδη υλικά, εγκλείσματα Ατομικές δονήσεις, φωνόνια, ρήξη δεσμών και τήξη