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| Die plastische Verformung
aller Kristalle (= aller Metalle) erfolgt ausschließlich durch die
Erzeugung und Bewegung von Versetzungen |
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OK - wir haben verstanden. Wenn wir
unterstellen, dass die Erzeugung von Versetzungen den meisten Kristallen keine
Problem bereitet (ist so), bleibt nur die Frage, wie leicht oder schwer es
einer Versetzung fällt, sich zu bewegen. |
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Ganz von alleine geht es
erfahrungsgemäß ja nicht. Man muss schon mehr oder weniger
kräftig drücken oder ziehen, bevor sich ein Material plastisch
verformt, d.h. sich die Versetzungen in Inneren bequemen durch den Kristall zu
laufen. |
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Die minimale mechanische Spannung, die man dazu
braucht, heißt Fließgrenze (als RP in
Zugversuchsdiagramm
eingezeichnet). Die Fließgrenze ist (für Metalle) nichts anderes als
die wohlbekannte Härte; auch
wenn sie anders gemessen wird und eigene Maßeinheiten hat (der
Link
gibt Auskunft). Hier sind nochmals einige pardigmatischem Spannungs -
Dehnungsdiagramme: |
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| Prinzipbild |
Reale Materialien |
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Also - was bestimmt die
Fließgrenze oder Härte eines gebenen Metalls? |
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Man könnte es erraten: die Art und Zahl der
Hindernisse, die eine Versetzung auf ihren Weg von hier nach da überwinden
muss. Als Hindernisse kommen natürlich (!?) nur Kristallgitterdefekte in
Betracht |
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Die Versetzung spürt alles!
Fremdatome sind Hindernisse, genauso wie Ausscheidungen Korngrenzen, Voids,
.... |
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Deshalb ist Eisen oder Aluminium mit ein paar
Kohlenstoff bzw. Kupferatomen (= extrinsische Punktdefekte) deutlich
härter als reines Eisen; feinkörnige Materialien sind härter als
grobkörnige, und Kristalle die schon viele Versetzung enthalten sind
härter als relativ versetzungsfreie. Das Bild links zeigt den Einfluss von
Kohlenstoff auf die Fliessgrenze RP und die maximale
Zugfestigkeit RM von Eisen. |
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Der letzte Punkt macht die Theorie der
plastischen Verformung zu einem der schwierigeren Kapitel der
Materialwissenschaft, denn was passiert (per Versetzungsbewegung) hängt
davon ab, was passiert (plastische Verformung erhöht die Versetzungsdichte
und macht weitere Versetzungsbewegung schwieriger) und was früher passiert
ist (bereits vorverformte Metalle brechen früher). |
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Der letzte Punkt eröffnet aber auch
ungeheure Möglichkeiten für die Metalltechnik: Ich kann die
Verformungseigenschaften eines Materials auf unglaublich viele Arten
beeinflussen und damit optimieren; das Bild unten zeigt, wo's langgeht. |
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Was bei Stahl so möglich ist. |
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Leicht zu merken: Alle Defektsorten können miteinander
wechselwirken. |
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Atomare Fehlstellen lagern sich an
Versetzungen an (mit teilweise schrecklichen Langzeitkonsequenzen);
Versetzungen beranden zweidimensionale Defekte; Korngrenzen emittieren oder
absorbieren AF's und Versetzungen, ... |
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SiO2 Ausscheidung in Si mit ersten Versetzungen. |
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Defekte können sich dadurch
auch umwandeln: Ein für die
Mikroelektronik sehr relevantes Beispiel:
- Interstitielle Sauerstoffatome im Überschuss (beim Abkühlen)
lagern sich zu einer Ausscheidungen zusammen.
- Die Ausscheidung ist durch eine Phasengrenze berandet.
- Die Phasengrenze ist eine gute Versetzungsquelle.
- Bei internen Spannungen (z. B. wegen Temperaturgradienten) werden
Versetzungen erzeugt und laufen los.
- Eine Versetzung erreicht einen Transistor. Der Kristtall ist im kritischen
Bereich nicht länger versetzungsfrei; das Produkt landet im Müll
Die beiden TEM Bilder rechts und links zeigen den Anfang einer solchen
Versetzungsbildung. Im Zentrum (dunkel) die (amorphe) SiO2
Ausscheidung. Die mit "A" bezeichnete Ausscheidung rechts produziert
Versetzungsringe. |
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SiO2 Ausscheidung in Si als Versetzungsquelle. |
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Das ist kein theoretisches
Horrorszenario, sondern traurige Realität in der Halbleitertechnologie.
Die Tatsache, dass es funktionierende Halbleiterbauelemente gibt zeigt aber,
dass man derartige Schweinereien vermeiden kann. Schon wahr, aber: |
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© H. Föll (MaWi für ET&T - Script)
