4.4 Zusammenfassung / Merkpunkte zu Kapitel 4: Reale Kristalle

Kristalle enthalten Kristallgitterdefekte, die man nach ihrer Dimensionalität einteilt
Kristallgitterdefekte schematisch
Nulldimensionale Defekte oder Punktdefekte, Punktfehler, atomare Defekte.  
EindimensionaleDefekte oder Versetzungen.  
 Zweidimensionale Defekte oder Flächendefekte.  
Dreidimensionale Defekte oder Volumendefekte.  
         
Intrinsische nulldimensionale Defekte sind Leerstelle und (Eigen)zwischengitteratom; sie müssen für thermisches Gleichgewicht mit einer Konzentraion ni vorhanden sein  
ni  =  a · exp – Ev,iF
kT
Ev,iF  =  Bildungesenthalpie der Leerstelle (V)
oder des Zwischengitteratoms (i)
Extrinsische nulldimensionale Defekte sind interstitielle und substitutionelle Fremdatome; ihre Konzentration ist ""fremdbestimmt".  
Die Diffusion von atomaren Fehlstellen ist die Grundlage fast aller Materialbearbeitung!
 
Versetzungen sind durch Linienvektor t und Burgersvektor b gekennzeichnet  
Versetzungserzeugung durch Schneiden und Verschieben
Die geometrische Konfiguration kann am einfachsten durch eine "Schneiden und Verschieben" Konstruktion veranschaulicht werden  
Regeln: Burgersvektor b = kleinstmöglicher Translationsvektor des Gitters; Linienvektor t im Prinzip beliebig, aber meist auf dichtest gepackter Ebene.
Stufenversetzung: Winkel(b, t) = 90o
Schraubenversetzung: Winkel(b, t) = 0o
 
   
Versetzungsdichte rV = Gesamtlänge aller Versetzungen pro cm
Versetzungen ermöglichen plastische
(= bleibende) Verformung;
ohne (bewegliche) Versetzungen
wären alle Kristalle spröde.
rV » (103 - 1012) cm–3
je nach Verformungszustand
 
   
Flächendefekte sind die Oberfläche, Korn-und Phasengrenzen sowie Stapelfehler; sie sind durch ihre Energie g pro cm–2 gekennzeichnet  
Korn- und Phasengrenzen
Intrinsicher Stapelfehler
Stapelfehler
In den üblichen Polykristallen dominieren die dann immer reichlich vorhandene Korngrenzen einige wichtige Eigenschaften.
Phasengrenzen begrenzen notwendigerweise den dreidimensionalen Defekt "Ausscheidung"; Stapelfehler sind durch Versetzungen berandet.  
     
Volumendefekte sind in erster Linie Einschlüsse von 2. Phasen ("Ausscheidungen" oder "Präzipitate") und "Voids", Hohlräume
Sio2 Ausscheidung in Si mit ausgeworfenen Versetzungen
Ausscheidungen sind extrem wichtig für z.B. Metallurgie. Sie entstehen durch Zusammendiffundieren von Fremdatomen  
Die erforderliche Keimbildung muß jedoch immer zuerst eine Energiebarriere überwinden  
Die durch die Ausscheidungsbildung erzeugten mechanischen Spannungen können durch Versetzungserzeugung abgebaut werden  
         
Zwischen allen Defektarten bestehen enge Beziehungen.
Stapelfehler schematisch
Defekte sind oft korreliert und treten gemeinsam auf.
Aus "kleinen" Defekten können "große" Defekte entstehen
Oxidationsinduziertes Stapelfehlersystem in Si
Atomare Fehlstellen lagern sich zu zweidimensionalen (Stapelfehler) oder dreidimensionalen Agglomeraten (Ausscheidungen, Voids) zusammen.  
Zweidimesionale Defekte sind von eindimensionalen Defekten (= Versetzungen) begrenzt.  
Ausscheidungen sind von Phasengrenzen umgeben.  
Phasen- und Korngrenzen enthalten spezielleVersetzungen.  
   
Entascheidend für die Bildung größerer Defekte ist die Keimbildung.
Energiebarriere bei Keimbildung
Bei der Bildung einer Ausscheidungen mit Radius r konkurrieren z.B. Energieabsenkung durch Verringerung der Punktfehlerübersättigung (µr3) mit der Energieerhöhung durch die notwendige Phasengrenze (µr2).  
Für kleine Ausscheidungen (= Keime) ist die Energiebilanz ungünstig; es existiert eine Energiebarriere.  
Durch Manipulation dieser Energiebarriere können Ausscheidunge vermieden oder bewußt gefördert werden.
     
Die Gesamtheit der Kristallgitterdefekte in ihrer spezifischen Anordnung heißt das Gefüge des Materials.
Perlit Gefüge
Etwas eingeschränkter und basierend auf der Historie, ist das Gefüge das, was man im Lichtmikroskop nach geeigneter Anätzung (= Sichtbarmachung) von Gefügebestandteilen sieht.  
Im Bild sieht man beispielsweise die langezogenen Fe3C Ausscheidungen in Stahl (Zementit Lamellen) sowie eine Korngrenze. Was man nicht sieht sind Versetzungen und Punktdefekte im bcc Eisen (= Ferrit).
Fragebogen
Multiple Choice Fragen zu 4.

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© H. Föll (MaWi 1 Skript)