E3-Defekte: Versetzungen und Leerstellen

Thema

Die Temperatur dieses Metalls bestimmt gemäß einer Arrhenius-Gleichung die Gleichgewichtskonzentration von Leerstellen in seinem Kristallgitter: Jede Leerstelle, ein Gitterplatz, der eigentlich von einem Atom besetzt sein sollte, aber leer bleibt, erfordert eine spezifische Bildungsenergie. Je höher die Temperatur des Metalls ist, desto mehr Leerstellen kann es trotz dieses Energieaufwands im thermischen Gleichgewicht aufrechterhalten. Eine höhere Temperatur führt somit gemäß der Arrhenius-Gleichung zu einer höheren Gleichgewichtskonzentration von Leerstellen.

Unabhängig von diesen Leerstellen speichert die Versetzungsdichte dieses Metalls – die Gesamtlänge der Versetzungslinien pro Volumeneinheit – im elastischen Verformungsfeld um jede Versetzung Energie, die auch nach Wegfall der sie verursachenden Belastung im Gitter erhalten bleibt. Eine höhere Versetzungsdichte führt zu einer größeren Menge an von den Versetzungen gespeicherter Energie, da mehr Versetzungslinien ihr eigenes Spannungsfeld zu dieser Energie beitragen. Die Versetzungsdichte ist nicht konstant: Die plastische Verformung des Metalls führt gemäß dem Kocks-Mecking-Modell zu einer progressiven Erhöhung, da sich vorhandene Versetzungen vermehren und durch ihre Bewegung aneinander vorbei neue Versetzungen erzeugen. Mit zunehmender plastischer Verformung steigt die Versetzungsdichte gemäß diesem Modell weiter an, allerdings mit abnehmender Rate, da sich diese Versetzungen auch gegenseitig annihilieren.

Dieselbe Versetzungsdichte nimmt mit zunehmender plastischer Verformung gemäß dem Kocks-Mecking-Modell weiter zu. Daher nutzt dieses Modell mit seiner anfänglichen Leerstellenkonzentration und Versetzungsdichte diese Defektdichte – sowohl Punkt- als auch Liniendefekte –, um zwei unterschiedliche Aspekte des Metalls zu steuern: Erstens dient sie als Eingangsgröße für ein anderes Modell innerhalb dieses Systems, das die mechanische Festigkeit des Metalls gemäß den Hall-Petch- und Taylor-Beziehungen beschreibt. Zweitens steuert diese Leerstellenkonzentration zusammen mit der Temperatur die Diffusionskinetik, die von einem anderen Modell innerhalb dieser Gruppe beschrieben wird, da diese Leerstellen benachbarten Atomen den Sprung von einem Gitterplatz zum anderen ermöglichen. Die Tatsache, dass diese Versetzungsdichte mit zunehmender plastischer Verformung gemäß dem bereits vorgestellten Kocks-Mecking-Modell weiter ansteigt, bedeutet, dass ein weiteres Modell innerhalb dieser Gruppe dasselbe Kocks-Mecking-Modell zur Beschreibung der Verfestigung dieses Metalls verwendet.

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