Επιστήμη των Υλικών 1Ενότητα 5: Ατέλειες, Καταναγκασμοί

Διδάσκων: Γ.Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητήςΕπιμέλεια: Κωνσταντίνος Πήττας, Διπλ. Μηχ. Μηχ.

Τμήμα Χημικών ΜηχανικώνΠΑΤΡΑ 2014

Άδειες Χρήσης• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε

άδειες χρήσης Creative Commons. • Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που

υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Στόχοι ενότητας

• Όλα τα στερεά περιέχουν ατέλειες. Επιπλέον, η πλαστική παραμόρφωση των στερεών, η δομική τους διαμόρφωση αλλά και πολλές ηλεκτρικές ιδιότητες είναι συχνά αποτέλεσμα της κίνηση των ατελειών. Είναι, επομένως, σημαντικό για τος φοιτητές να είναι εξοικειωμένοι με τους διαφορετικούς τύπους των ατελειών που μπορεί να προκύψουν σε στερεά.

Περιεχόμενα ενότητας

• Ορισμοί• Μοντέλο φυσαλλίδας• Κατηγορίες και είδη ατελειών• Διανύσματα Burgers• Διαταραχές στην καθημερινότητα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι ιδιότητες των υλικών επηρεάζονται σημαντικά από την παρουσία ατελειών στην δομή τους. Πχ. ο καθαρός σίδηρος όταν κραματοποιηθεί με άνθρακα (χάλυβας) αυξάνει δραστικά την σκληρότητά του. Το ίδιο και ο καθαρός άργυρος όταν κραματοποιηθεί με 7,5% με χαλκό (Ag-sterling, κράμα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή οικιακών και άλλων αντικειμένων). Μικροηλεκτρονικές διατάξεις (ημιαγώγιμα υλικά) ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τροποποιούνται με καλά ελεγχόμενες και σε εντοπισμένες περιοχές ειδικές προσμίξεις.

Ιδιαίτερα σημαντικό να γνωρίζουμε τους τύπους των ατελειών καθώς και τον ρόλο που διαδραματίζουν

Η έννοια των διαταραχών ή καταναγκασμών αναφέρθηκε ανεξάρτητα από τους Orowan, Taylor και Polanyi το 1934. Είναι ένας τρόπος για να εξηγήσουμε δύο βασικές παρατηρήσεις σχετικά με την πλαστική παραμόρφωση ενός κρυσταλλικού υλικού.

• Η τάση που απαιτείται για να παραμορφώνει πλαστικά έναν κρύσταλλο είναι πολύ μικρότερη από την τάση που υπολογίζεται για μια κρυσταλλική δομή χωρίς ελαττώματα (ατέλειες).

• Όταν ένα υλικό έχει παραμορφωθεί πλαστικά απαιτείται στη συνέχεια μια μεγαλύτερη τάση για να παραμορφωθεί περαιτέρω.

Σήμερα με την βοήθεια τεχνικών ηλεκτρονικής μικροσκοπίας είναι δυνατόν να παρατηρήσουμε καταναγκασμούς που κινούνται μέσα σε ένα υλικό.

Οι διαταραχές δεν είναι παρά ατέλειες μέσα στους κρυστάλλους

ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ (Καταναγκασμοί - Dislocations)

Τι είναι οι ατέλειες;• Σ’ ένα ιδανικό κρύσταλλο, τα άτομα καταλαμβάνουν καθορισμένες θέσεις

στο κρυσταλλικό πλέγμα. Κάθε θέση καταλαμβάνεται από ένα μόνο άτομο και κάθε άτομο διατηρεί αδιατάραχτη την ηλεκτρονική του δομή με τα ηλεκτρόνια του να έχουν την ελάχιστη δυνατή ενέργεια. Η πραγματική όμως κρυσταλλική κατάσταση διαφέρει από την ιδανική. Τα άτομα βρίσκονται σε μια συνεχή δόνηση περί τη θέση τους στο πλέγμα και επίσης τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινούνται στη μάζα του μετάλλου και να καταλαμβάνουν στάθμες υψηλότερης ενέργειας. Και τα δυο αυτά φαινόμενα θεωρούνται ως ατέλειες.

Οι 4 κατηγορίες ατελειών1. Ατέλειες μηδενικής διάστασης ή σημειακές ατέλειες

1. Ατέλειες υποκατάστασης

2. Ατέλειες παρεμβολής

3. Κενά

Οι 4 κατηγορίες ατελειών2. Ατέλειες μιας διάστασης ή γραμμικές ατέλειες

(διαταραχές) 1. Διαταραχές ακμής

2. Διαταραχές κοχλία

Οι 4 κατηγορίες ατελειών3. Ατέλειες δύο διαστάσεων ή επίπεδες ατέλειες

1. όρια κόκκων

2. σφάλματα στοιβάγματος

3. επιφάνειες διδυμιών

Οι 4 κατηγορίες ατελειών4. Ατέλειες τριών διαστάσεων

1. οι πόροι

2. οι ρωγμές

3. τα ξένα εγκλείσματα

4. κατακρημνίσματα

ΣΗΜΕΙΑΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ• Χηρεύουσες (κενές) θέσεις (vacancies): Απουσία ατόμου σε κάποιο

σημείο του πλέγματος. Υπάρχουν σε όλα τα κρυσταλλικά υλικά. Είναι βασικές για φαινόμενα που αφορούν σε κίνηση ατόμων ή τη διάχυση ατόμων

• Άτομα παρεμβολής (interstitial atoms): Άτομα που παρεμβάλλονται μεταξύ των κανονικών ατόμων του πλέγματος. Μπορεί να είναι είτε ξένα (προσμίξεις, ακαθαρσίες) ή του ιδίου υλικού.

• Προσμίξεις-ακαθαρσίες (impurities): Ξένα άτομα στο υλικό. Άλλα είναι επιθυμητά άλλα όχι (πχ. το πυρίτιο για ηλεκτρονικές εφαρμογές μπορεί το μέγιστο να έχει ένα άτομο πρόσμιξης ανά 10 εκατομμύρια άτομα Si). Για να κατασκευαστούν ημιαγωγοί τύπου p-, n- απαιτούνται κατάλληλες προσμίξεις.

Μοντέλο φυσαλίδας Οι καταναγκασμοί μπορεί να εξηγηθούν με την χρήση απλών μοντέλων όπως αυτό

των φυσαλίδων σε δύο διαστάσεις.

Εικόνα από HRTEM καταναγκασμού σε AlTi.

Μοντέλο φυσαλίδας Εντοπισμός διαφόρων ειδών ατελειών σε ένα κοινο pattern

Στερεά διαλύματα• Στην περίπτωση των στερεών διαλυμάτων κατά την εισαγωγή

ατόμων της διαλυμένης ουσίας στο διάλυμα υποδοχής σχηματίζονται δύο είδη σημειακών ατελειών πρόσμιξης: οι διαπλεγματικές ατέλειες και οι ατέλειες υποκατάστασης. Τα χαρακτηριστικά του διαλύτη και της διαλυμένης ουσίας που επηρεάζονται είναι:1. Ο παράγοντας ατομικού μεγέθους2. Η κρυστάλλικη δομή3. Η ηλεκτραρνητικότητα4. Τα σθένη

ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣΟι γραμμικές ατέλειες προέρχονται από «κακή» διευθέτηση των ατόμων. Είναι ζωτικής σημασίας για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Έχουν κυρίαρχο ρόλο στην πλαστική παραμόρφωση των υλικών. Εκτείνονται κατά μήκος μιας γραμμής ατόμων σε ένα κρυσταλλικό υλικό.• Διαταραχές ακμής (edge dislocations): Την φανταζόμαστε σαν μια

«είσοδο» μισού επιπέδου ατόμων. Συμβολίζονται με το σύμβολο « ». ┴Υπάρχει εντοπισμένη παραμόρφωση. Τα άνω άτομα συμπιέζονται, τα κάτω απομακρύνονται. Το μέγεθος και η διεύθυνση της παραμόρφωσης εκφράζεται με το άνυσμα Burgers (στο σχήμα Α αριστερά προς δεξιά και μέγεθος μια σταθερά πλέγματος).

• Ελικοειδείς (κοχλιωτές) Διαταραχές (screw dislocations): Την φανταζόμαστε σαν να «κόβεται» ένα κελίο στην μέση, το μισό να μετατοπίζεται πάνω και το άλλο μισό κάτω (διάτμηση). Στο σχήμα Β φαίνεται και το αντίστοιχο άνυσμα Burgers

• Μικτού τύπου: Διαταραχές που παρουσιάζουν συστατικά και των δύο ανωτέρω τύπων.

Διάνυσμα Burgers• Όπως φαίνεται και στα σχήματα που ακολουθούν όταν η γραμμική

ατέλεια ολισθίσει από την µία άκρη του κρυστάλλου στην άλλη, τότε το κάτω μέρος του κρυστάλλου (δηλ. αυτό που βρίσκεται κάτω από το επίπεδο ολίσθησης) µετατοπίζεται σε σχέση µε το επάνω κατά µία απόσταση b, που ονοµάζεται διάνυσµα Burgers και είναι χαρακτηριστική ιδιότητα των γραμμικών ατελειών.

• Στις γραµµικές ατέλειες ακµής το διάνυσµα Burgers και η γραµµή της διαταραχής είναι κάθετα µεταξύ τους, µε αποτέλεσµα να ορίζεται πάντοτε µόνο ένα επίπεδο ολίσθησης πάνω στο οποίο µπορεί να ολισθήσει η ατέλεια ακµής.

• Στις ατέλειες έλικα δεν ορίζεται µόνο ένα, αλλά περισσότερα πιθανά επίπεδα ολίσθησης, επάνω στα οποία µπορεί να ολισθήσει η διαταραχή. Έτσι, οι ατέλειες έλικα έχουν τη δυνατότητα, όταν ολισθαίνουν επάνω σε ένα συγκεκριµένο επίπεδο ολίσθησης και συναντήσουν κάποιο εµπόδιο, να αλλάξουν επίπεδο ολίσθησης και να συνεχίσουν την πορεία τους.

Διάνυσμα BurgersΔιαταραχή ακμής (edge dislocation)

Κοχλιωτή Διαταραχή (screw dislocation)

Το διάνυσμα βρίσκεται στο επίπεδο της διαταραχής

Το διάνυσμα είναι κάθετο στο επίπεδο της διαταραχής

Διάνυσμα Burger

ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ - ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΑΤΕΛΕΙΕΣ

Κοχλιωτή ατέλεια

Μικτός τύπος. Η γραμμή ατελειών εκτείνεται στον κρύσταλλο έως το σημείο που η μετατόπιση έχει ολοκληρωθεί (a). Δημιουργείται μια κοχλιωτή (b) και μία γραμμική τύπου ακμής (c)

Ελικοειδείς Διαταραχές στην καθημερινότητα

Παράδειγμα από τοιχοποιία: Η δεξιά μεριά έχει μετακινηθεί ως την εμπρος κατά περίπου μισό τούβλο.

Διαταραχές ακμής στην καθημερινότητα

Επίπεδες ατέλειες • Τα όρια των κόκκων, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, είναι οι

διεπιφάνειες που διαχωρίζουν στα πολυκρυσταλλικά υλικά τους επί μέρους κόκκους. Αποτελούν στενές ζώνες πλάτους δύο έως πέντε ατομικών διαμέτρων, στις οποίες τα άτομα των γειτονικών κόκκων δεν είναι τοποθετημένα όπως προβλέπεται από το κρυσταλλικό πλέγμα και επομένως αποτελούν περιοχές με ατέλειες δομής.

• Τα σφάλματα στοιβάγματος αναφέρονται σε σφάλματα στην προβλεπόμενη διαδοχή των επιπέδων κατά μήκος μιας κρυσταλλογραφικής διεύθυνσης. Περισσότερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα σφάλματα που σχηματίζονται στις δύο δομές συμπαγούς συσσωμάτωσης fcc και hcp.

• Οι διδυμίες παρατηρούνται σε κρυστάλλους όπου ένα μέρος του κρυστάλλου είναι μετατοπισμένο σε σχέση με το υπόλοιπο, έτσι ώστε το ένα μέρος να αποτελεί το κατοπτρικό είδωλο του άλλου ως προς ένα επίπεδο που ονομάζεται επίπεδο διδυμίας

Τα πολυκρυσταλλικά υλικά αποτελούνται από κόκκους (κρυστάλλους) που δημιουργούνται από την διαδοχική προσθήκη ατόμων στο αρχικό πυρήνα (το πρώτο στερεό που δημιουργείται κατά την ψύξη του ρευστού). Οι επιφάνειες παρακείμενων κόκκων που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους είναι τα όρια κόκκων. Οι κόκκοι συνήθως διαφέρουν στον προσανατολισμό των κρυσταλλικών επιπέδων τους.Μονοκρύσταλλοι: Υλικά με την ίδια διάταξη ατόμων σε όλη την μάζα τους, ίδιος κρύσταλλος, μονοκρύσταλλος (πολύτιμες πέτρες, Si wafers για ηλεκτρονικά, ρουμπίνια για οπτικές εφαρμογές

Όρια κόκκων

Ατέλειες διδυμίαςΚόκκοι ορείχαλκου (Brass, κράμα Cu-Zn, προσοχή! όχι μπρούντζος bronze, κράμα Cu-Sn)Φαίνονται χαρακτηριστικές διδυμίες (twining), ατέλειες που οφείλονται στην κατοπτρική διευθέτηση (συμμετρία) ατόμων μεταξύ ορίων. Παράγονται από εφαρμογή διατμητικών τάσεων

Χωρικές ή μακροσκοπικές ατέλειες• Είναι οι ατέλειες μεγάλων διαστάσεων που έχουν ως αποτέλεσμα την

ανομοιογένεια της δομής του υλικού. Τέτοιες είναι τα κενά, οι ρωγμές και οι προσμείξεις. Τα κενά δημιουργούνται σ’ ένα εξάρτημα κατά τη χύτευση του, ενώ οι ρωγμές είτε προϋπάρχουν σ’ ένα εξάρτημα από την παραγωγή του είτε δημιουργούνται κατά τη χρησιμοποίηση του. Οι προσμείξεις είναι ανεπιθύμητες ουσίες που υπάρχουν στο υλικό.

Τέλος διαφάνειας