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Untersuchungen zur Plastizität und Versetzungsanordnung von Strontiumtitanat
(2002) Taeri-Baghbadorani, Shahram; Rühle, Manfred (Prof. Dr.)
In der vorliegenden Arbeit wurden mittels dynamischer Druckversuche das plastische Verformungsverhalten von Strontiumtitanat-Einkristallen untersucht, deren Druckachse parallel zu folgenden kristallographischen Richtungen lag: <001>, <011>, <112> und <345>. Die Proben mit <001>-Druckachse wurden im Temperaturbereich zwischen 78K und 1810K verformt und die mit den anderen o.g. Orientierungen zwischen RT und 1810K. Die Dehngeschwindigkeit von 10-4 s-1 wurde bei Grundgeschwindigkeit für alle Verformungen angewandt. Bei genügend hohen Temperaturen lassen sich die STO-Einkristalle plastisch verformen, wie es i.A. bei Keramiken der Fall ist. Mit Abnahme der Verformungstemperatur setzt innerhalb eines relativ engen Temperaturintervalls (etwa 50K) sprödes Verhalten ein. Das spröde Verhalten geht allerdings bei tieferen Verformungstemperaturen für alle untersuchten Orientierungen erneut in ein duktiles über. Aus den „wahren Spannungs-Dehnungs-Diagrammen“ ließ sich die kritische Fließspannung σc und die Bruchspannung σBr bestimmen. Im folgenden werden die wichtigen Ergebnisse dieses temperaturabhängigen Verformungsverhaltens zusammengefaßt. 1. Bereich A - duktil (T<1000K): Der Bereich A umfaßt die Temperaturen von 78K bzw. RT bis etwa 1000K. Unterhalb RT nimmt die kritische Schubspannung mit sinkender Temperatur zu. Dagegen wurde etwa oberhalb RT bis nahezu zum Ende des Bereiches A keine Temperaturabhängigkeit für die kritische Schubspannung gefunden. Der Betrag der plastischen Dehnung hängt im Bereich A von der Probenorientierung und der Verformungstemperatur, aber nicht von der Dehngeschwindigkeit ab. Beispielsweise lassen sich die <001>-Proben bei RT bis 7% plastisch verformen, bevor sich durch Bildung vieler kleiner Risse das Versagen der Probe ankündigte. Im Gegensatz dazu lassen sich die untersuchten Proben anderer Orientierungen bei RT nur um weniger als 2% plastisch verformen. Die Untersuchungen ergaben, daß sich die <001>-Proben am stärksten plastisch verformen lassen. Die plastische Verformbarkeit nimmt mit steigender Temperatur ab (z.B. maximale plastische Dehnung von <001>-Proben bei 78K ist etwa 9%, bei 950K nur noch weniger als 2%). Das primäre Gleitsystem im Bereich A ist <011>{ }. Die Versetzungsgleitung ist allerdings sehr inhomogen, es bilden sich relativ hohe Gleitstufen auf den Seitenflächen der Druckproben aus. Die inneren Spannungsfelder zwischen den {011}-Gleitebenen sind in <001>-Proben selbst mit bloßem Auge sichtbar. Für die leichte Gleitfähigkeit der <011>-Versetzungen, deren große Beweglichkeit der Grund für die Plastizität im Bereich A ist, sprechen die relativ niedrigen Schubspannungen. Bereich B - spröde (für <001>-Druckachse: 1000K-Proben mit bei etwa 1500K und für die anderen untersuchten Druckachsen bei etwa 1250K. STO ist im Bereich B stets spröde. Die Proben brechen hier bereits noch im elastischen Teil der Verformung. Die Bruchspannung nimmt erstaunlicherweise mit steigender Temperatur zu. Die beim Bruch entstehenden Stücke sind umso kleiner, je höher die Temperatur bzw. die Bruchspannung ist. 2. Bereich C - duktil (für <001>-Druckachse: T>1500K; für weitere Druckachsen: T>1250K): Der Bereich C beginnt für die <001>-Proben bei etwa 1500K, für alle anderen Proben bei ungefähr 1250K. Ein weiterer markanter Unterschied zwischen den <001>-Proben und den Proben mit anderen Orientierungen besteht darin, daß die kritische Schubspannung bei <001>-Proben extrem höher ist als die bei anderen Proben. Der Grund für die o.g. Unterschiede ist, daß im Bereich C ein anderes Gleitsystem bei den <011>-, <112>- und <345>-Proben tätig wird, nämlich das mit der <001>-Gleitrichtung. Die <001>-Versetzungen haben oberhalb etwa 1250K geringere Peierls-Barriere als die <011>-Versetzungen und daher gleiten sie schon durch eine geringere thermische Aktivierung bei niedrigeren Spannungen. Die <001>-Versetzungen können in den <001>-Proben nicht gleiten, da für diese Konfiguration der entsprechende Schmidfaktor gleich Null ist. Für die <001>-Proben ist immer noch <011>{ } das primäre Gleitsystem. Diese Beoachtung kann durch die bisher bekannten Mechanismen der Versetzungsbewegung und -wechselwirkung mit anderen Versetzungen und/oder mit Gitterdefekten in Einkristallen interpretiert werden. Die allmähliche Abnahme der Mobilität der <011>-Versetzungen mit steigender Temperatur im Bereich A, ist die Ursache für den duktil-spröden Übergang der Strontiumtitanat-Einkristalle. Die Mobilitätsabnahme kann durch die bei hohen Temperaturen ablaufenden Umwandlungsprozesse des <011>-Versetzungskerns begründet werden.