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Die verschiedenen Defekttypen sind
nicht unabhängig voneinander, sondern stehen in vielfältiger und
dynamischer Beziehung zueinander. Dazu einige Beispiele, die sofort einleuchten
und die im vorherigen Kapitel schon angeklungen sind: |
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Dreidimensionale Defekte sind notwendigerweise von
zweidimensionalen Defekten begrenzt, denn
ihre Oberfläche ist per definitionem eine Phasengrenze. Das hat sofortige
weitreichende Konsequenzen: |
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Die Gesamtenergie des dreidimensionalen Defekts ist
immer gegeben durch die Energie die im Defektvolumen steckt plus der Energie der Phasengrenze. |
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Die Energie des Volumens kann man
als Nettobilanz in einem Energievergleich auffassen: x Frematome
sind statistisch im Gitter verteilt oder in
einer Ausscheidung konzentriert. Bei tiefen Temperaturen ist i.d.R. die
Ausscheidung günstiger, die Volumenenergiebilanz ist dann negativ. Die
Gesamtenergie des Kristalls sinkt also wenn sich die Verunreinigungen
ausscheiden; für kugelförmige Ausscheidungen mit Radius
r nimmt sie also mit – const. · 4/3pr3 ab. |
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Die Energie der
Phasengrenzfläche ist aber immer
positiv, ihr Anteil an der Gesamtenergie wächst dementsprechend mit
g · 4pr2. Graphisch sieht das immer so aus: |
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Die mit r3
abnehmende Volumenenergie "gewinnt" mit wachsendem Radius immer gegenüber der mit
r2 wachsenden Oberflächenenergie. Aber für
kleine Radien ist die
Grenzflächenenergie der bestimmende Term. |
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Dies bedeutet, daß bei der
Bildung einer Ausscheidung die Energie immer erst anwächst, bevor sie abnimmt! Der
energetisch günstigere Zustand kann damit nur durch Überwinden einer
Energiebarriere erreicht
werden, es bedarf einer Nukleation, einer Keimbildung der Ausscheidung, bevor durch Wachstum
der Ausscheidung immer mehr Energie gewonnen werden kann, so daß das
Wachstum "von alleine" abläuft. |
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So einfach ist das
Konzept einer Enrgiebarriere und der ungeheuer
wichtige Prozeß der Keimbildung zu verstehen! |
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Dreidimensionale Defekte können aber auch durch
Diffusion und Zusammenlagerung (= Agglomeration, "clustern") von
nulldimensionalen Defekten entstehen. |
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Treffen sich viele Leerstellen an einem Platz,
entsteht ein Void, das leuchtet sofort ein. Auch hier
ist der dreidimensionale Defekt durch den zweidimensionalen Defekt
"Oberfläche" begrenzt, die obigen Überlegungen treffen voll
zu. |
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Sebstverständlich können auch auch
substitutionelle oder interstitielle Fremdatome per Diffusion agglomerieren; es
resultiert eine Ausscheidung. |
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Gezeigt sind
dieselben Bilder, die schon im
vorhergehenden Unterkapitel 4.1.5 die
Stapelfehler illustrierten; nur im Sinn des obigen Rezepts weitergezeichnet.
Die Berandung der Stapelfehler sieht sehr nach einer Stufenversetzung aus. Der
zugehörige eindimensionale Defekt ist auch eine (Stufen)versetzung, aber
keine richtige oder vollständige
Versetzung, sondern eine sogenannte Partialversetzung. |
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Der Burgersvektor dieser
Partialversetzungen ist nämlich kein
Translationsvektor des Gitters! Würde man im obigen Bild einen Umlauf
machen, der einem Burgersumlauf entpricht, findet man b = a/3<111>
als Burgersvektor der Partialversetzung, also keinen Translationsvektor. |
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Einfacher erhält man dieses
Ergebnis, wenn man das Volterra Rezept anwendet (Schneiden,
Verschieben um a/3<111>, Material einfüllen oder entnehmen,
zusammenfügen, feststellen, dass die Schnittflächen nicht
"passen", den resultierenden Stapelfehler, wenn man'as trotzdem tut,
in Kauf nehmen). Partialversetzungen mit diesem Burgersvektor heißen
allgemein auch Frank -
Versetzungen. |
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Um das ganze noch etwas zu
verkomplizieren, sei nur zur Illustration noch hinzugefügt: Ein
Stapelfehler kann auch noch durch eine andere Sorte von Partialversetzungen
berandet werden, durch sogenannte Shockley - Versetzungen mit den Burgersvektor
a/6<112>. |
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Wer das genauer wissen möchte,
betätigt den Link. |
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Die Beziehung zwischen Versetzungen
und atomaren Fehlstellen ist die Grundlage der Metallurgie. |
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Aus relativ weichen reinen Metallen wird durch
"Verunreinigen" oder Legierung das harte Gebrauchsmetall. |
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Weiches Schmiedeeisen und ein
bißchen Kohlenstoff macht harten Stahl - allerdings mit noch tausend
Tricks drumherum; wenn man den alten
Schmiedegeschichten
glaubt. |
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Es ist ganz einfach - im
Prinzip. |
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Versetzungsbewegung macht plastische Verformung,
und das geht umso einfacher ("weiches Material"), je leichter es ist,
die Versetzungen zu bewegen. |
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Atomare Fehlstellen aller Arten (und die von
ihnen stammenden Ausscheidungen) behindern die Versetzungsbewegung, das
Material wird härter. |
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Allerdings sollte man die
Versetzungsbewegung nicht ganz unmöglich machen - denn dann ist das
Material spröde, und das ist auch
nicht gut. |
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Denn ein Schwert sollte sich weder verbiegen
("weich"), noch brechen ("spröde"), sondern allenfalls
ein bißchen elastisch biegen oder etwas eindellen. |
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Jetzt wollen wir es genug sein
lassen. Wir ahnen, daß es weitere Beziehungen gibt (z. B. zwischen
Versetzungen und Korngrenzen). Statt weitere Beispiele zu betrachten, nehmen
wir nur einen Merksatz mit, der sehr große Bedeutung hat |
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Defekte sind oft korreliert und treten gemeinsam auf.
Aus "kleinen" Defekten können "große" Defekte
entstehen
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Der letzte Satz wird und wurde in der
Halbleitertechnik oft leidvoll erfahren: Aus einer Handvoll Fremdatome, die
atomar verteilt niemand stören würden, entwickeln sich wenn man Pech
hat, massive Defekte, die das Bauelement "killen". Statt Umsatz
produziert man Abfall. Einige Beispiele dazu im
Link. |
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Zum Schluß noch eine kleine
Illustration gekoppelt mit einer Übung |
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| Übung 4.2-3 |
| Defekte finden, identifizieren
und Varianten diskutieren |
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Und dann selbstredend noch der
"Multiple Choice test; |
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© H. Föll (MaWi 1 Skript)
