background image

ISSUES TO ADDRESS...

•  

What types of defects arise in solids?

• Can the number and type of defects be varied

and controlled?

• How do defects affect material properties?

• Are defects undesirable?

• How do point defects in ceramics differ from those

in metals?

• In ceramics, how are impurities accommodated

in the lattice and how do they affect properties?

1

CHAPTER 5:

IMPERFECTIONS IN SOLIDS


background image

background image

background image

The properties of some materials are profoundly influenced
by the presence of imperfections. Consequently,
it is important to have a knowledge about the types of
imperfections that exist and the roles they play in affecting
the behavior of materials. For example, the mechanical
properties of pure metals experience significant
alterations when alloyed (i.e., when impurity atoms are
added)—for example, brass (70% copper–30% zinc) is
much harder and stronger than pure copper (Section
7.9).

Why study Imperfections in solids?


background image

Thus far it has been tacitly assumed that perfect order exists 
throughout crystalline materials on an atomic scale. However, such 
an idealized solid does not exist; all contain large numbers of 
various defects or imperfections.


background image

2

TYPES OF IMPERFECTIONS

By “crystalline defect” is meant a lattice irregularity having one or 
more of its dimensions on the order of an atomic diameter.

Classification of crystalline imperfections is frequently made according 
to geometry or dimensionality of the defect.

Several different imperfections are discussed in this chapter, including 
point defects (those associated with one or two atomic positions), linear 
(or one-dimensional) defects, as well as interfacial defects, or 
boundaries, which are two-dimensional.


background image

2

•  Vacancy atoms
•  Interstitial atoms
•  Substitutional atoms

•  Dislocations

•  Grain Boundaries

Point defects

Line defects

Area defects

TYPES OF IMPERFECTIONS


background image

The simplest of the point defects is a 

vacancy

, or vacant lattice site,one 

normally occupied from which an atom is missing. 

self-interstitial

is an atom from the crystal that is crowded into an 

interstitial site, a small void space that under ordinary circumstances 
is not occupied.


background image

Impurity point defects

are found in solid solutions, of which

there are two types: substitutional and interstitial. For the
substitutional type, solute or impurity atoms replace or
substitute for the host atoms.

There are several features of the solute and solvent atoms that
determine the degree to which the former dissolves in the latter.
1. Atomic size factor
2. Crystal structure
3. Electronegativity
4. Valences


background image

3

•  

Vacancies

:

-vacant atomic sites in a structure.

Vacancy

distortion 
of planes

•  

Self-Interstitials

:

-"extra" atoms positioned between atomic sites.

self-

interstitial

distortion 
of planes

POINT DEFECTS


background image

background image

Boltzmann's constant

 

(1.38 x 10-23 J/atom K) 
(8.62 x 10-5 eV/atom K)





N

D

N

 exp

Q

D

k

T











No. of defects

No. of potential 
defect sites.

Activation energy

Temperature

Each lattice site 

is a potential 

vacancy site

4

•  Equilibrium concentration varies with temperature!

EQUIL. CONCENTRATION:

POINT DEFECTS


background image

5

•  We can get Q  from

an experiment.

•  Measure this...

•  Replot it...

1/

T

N

ND

ln

1

-

QD

/k

slope

MEASURING ACTIVATION 

ENERGY


background image

6

•  Find the equil. # of vacancies in 1m   of Cu at 1000C.
•  Given:

3

8.62 x 10-5 eV/atom-K

0.9eV/atom

1273K





N

D

N

 exp

Q

D

k

T











For 1m3, N =

NA

ACu

  x

x 1m3 = 8.0 x 1028 sites 

= 2.7 

· 10

-4

•  Answer:

ESTIMATING VACANCY CONC.


background image

7

•  Low energy electron

microscope view of
a (110) surface of NiAl.

•  Increasing T causes

surface island of
atoms to grow.

•  Why?

The equil. vacancy

conc. increases via atom
motion from the crystal
to the surface, where 

they join the island.

Reprinted with permission from 

Nature

(K.F. 

McCarty, J.A. Nobel, and N.C. Bartelt, "Vacancies in
Solids and the Stability of Surface Morphology",
Nature, Vol. 412, pp. 622-625 (2001).  Image is
5.75 

mm by 5.75 mm.)  Copyright (2001) Macmillan 

Publishers, Ltd.

OBSERVING EQUIL. VACANCY CONC.

Click on image to animate


background image

Interstitial solid solution applies to carbon in α-
iron. The carbon atom is small enough to fit with 
some strain in the interstice (or opening) among 
adjacent Fe atoms in this important steel 
structure.

But the interstitial solubility is quite low since the size mismatch of the site to the radius of a 

carbon atom is only about 1/4


background image

Random, substitution solid solution 

can occur in Ionic Crystalline 

materials as well.  Here of NiO in 

MgO. The O

2

arrangement is 

unaffected. The substitution occurs 

among Ni

2+

and Mg

2+

ions.


background image

A substitution solid solution of Al

2

O

3

in MgO is 

not as simple as the case of NiO in MgO. The 

requirement of charge neutrality in the overall 

compound permits only two Al

3+

ions to fill 

every threeMg

2+

vacant sites, leaving oneMg

2+

vacancy.


background image

Iron oxide, Fe

1

x

O with x 

≈ 0

.

05

, is an example 

of a nonstoichiometric compound. Similar to 

the case of Figure 4.6, both Fe

2+

and Fe

3+

ions 

occupy the cation sites, with one Fe

2+

vacancy 

occurring for every two Fe

3+

ions present.


background image

8

•  

Frenkel Defect

--

a cation is out of  place.

•  

Shottky Defect

--

a paired set of cation and anion vacancies.

•  

Equilibrium concentration of defects 

  

~ e

Q

D

/ kT

Adapted from Fig. 13.20, 

Callister 5e. (Fig. 13.20 is from 
W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, 
and J. Wulff, 

The Structure and 

Properties of Materials, Vol. 1, 

Structure, John Wiley and 
Sons, Inc., p. 78.)  See Fig. 
12.21, 

Callister 6e.

DEFECTS IN CERAMIC 

STRUCTURES


background image

9

Two outcomes if impurity (B) added to host (A):

•  

Solid solution

of 

B

in 

A

(i.e., random dist. of point defects)

•  Solid solution of 

B

in 

A

plus particles of a new

phase (usually for a larger amount of B)

OR

Substitutional

alloy

(e.g., 

Cu

in 

Ni

)

Interstitial

alloy

(e.g., 

C

in  

Fe

)

Second phase particle
--different 

composition

--often different structure.

POINT DEFECTS IN ALLOYS


background image

10

•  Low energy electron

microscope view of
a (111) surface of Cu.

•  Sn islands move along

the surface and "alloy"
the Cu with Sn atoms,
to make "bronze".

•  The islands continually

move into "unalloyed"
regions and leave tiny
bronze particles in
their wake.

•  Eventually, the islands

disappear.

Reprinted with permission from: A.K. Schmid, 
N.C. Bartelt, and R.Q. Hwang, "Alloying at 
Surfaces by the Migration of Reactive Two-
Dimensional Islands", Science, Vol. 290, No. 
5496, pp. 1561-64 (2000).  Field of view  is 1.5 

mm and the temperature is 290K.

ALLOYING A SURFACE

Click on image to animate


background image

11

•  

Impurities must also satisfy 

charge balance

•  

Ex:  NaCl

•  

Substitutional cation impurity

•  

Substitutional anion impurity

initial geometry

 O2- impurity

O2-

Cl-

anion vacancy

Cl-

resulting geometry

IMPURITIES


background image

12

It is often necessary to express the 

composition

(or 

concentration) of an alloy in terms of its constituent 
elements. 

The two most common ways to specify composition
are 

weight

(or mass) percent and 

atom

percent.

COMPOSITION


background image

12

•  Weight %

Two descriptions:

•  Atom %

•  Conversion between wt % and at% in an A-B alloy:

CB = 

C'B

AB 

C'A

AA

 

+

 C'B

AB

x 100

•  Basis for conversion:

COMPOSITION


background image

Wt. % and At. % -- An example

'

'

Typically we work with a basis weight (100g or 1 kg) or moles

given: alloy by weight -- 60% Cu, 40% Ni 

600

9.44

63.55 /

400

6.82

58.69 /

9.44

.581 or 58.1%

9.44 6.82

6.82

.41

9.44 6.82

Cu

Ni

Cu

Ni

g

n

m

g m

g

n

m

g m

C

C

9 or 41.9%


background image

Converting Between: (Wt% and 

At%)

'

1

2

1

1

2

2

1

'

2

1

2

1

2

2

1

'

1

1

1

'

'

1

1

2

2

'

2

2

2

'

'

1

1

2

2

100

100

100

100

C

A

C

C

A

C

A

C

A

C

C

A

C

A

C

A

C

C

A

C

A

C

A

C

C

A

C

A

 

 

Converts from 
wt% to At% 
(A

i

is atomic 

weight)

Converts from 
at% to wt% (A

is atomic 
weight)


background image

13

•  are line defects,
•  cause slip between crystal plane when they move,
•  produce permanent (plastic) deformation.

Dislocations

:

Schematic of a Zinc (HCP):

•  before deformation

•  after tensile elongation

slip steps

LINE DEFECTS


background image

Linear Defects (

Dislocations

)

– Are one-dimensional defects around which atoms are misaligned

• Edge dislocation:

– extra half-plane of atoms inserted in a crystal structure
– b (the berger’s vector) is  (perpendicular) to dislocation line

• Screw dislocation:

– spiral planar ramp resulting from shear deformation
– is  (parallel) to dislocation line

Burger’s vector, b:

is a measure of lattice distortion and is measured 

as a distance along the close packed directions in the lattice


background image

background image

background image

background image

background image

Dislocations & Crystal Structures

• Structure:  

close-packed

planes & directions
are preferred.

view onto two
close-packed
planes.

close-packed plane (bottom)

close-packed plane (top)

close-packed directions

• Comparison among crystal structures:

FCC:  many close-packed planes/directions;
HCP:  only one plane, 3 directions;
BCC:  none “super-close” many “near close”

• Specimens that 

were tensile
tested.

Mg (HCP)

Al (FCC)

tensile direction


background image

14

• Dislocations slip planes 

incrementally

...

• The dislocation line (the moving red dot)...

...separates slipped material on the left

from unslipped material on the right.

Simulation of dislocation
motion from left to right
as a crystal is sheared.

(Courtesy P.M. Anderson)

INCREMENTAL SLIP

Click on image to animate


background image

15

• Dislocation motion requires the successive bumping

of a half plane of atoms (from left to right here).

• Bonds across the slipping planes are broken and

remade in succession.

Atomic view of edge
dislocation motion from
left to right as a crystal
is sheared.

(Courtesy P.M. Anderson)

BOND BREAKING AND 

REMAKING

Click on image to animate


background image

16

Grain boundaries

:

•  are boundaries between crystals.
•  are produced by the solidification process, for example.
•  have a change in crystal orientation across them.
•  impede dislocation motion.

grain 

boundaries

heat 

flow

Schematic

Adapted from Fig. 4.7, 

Callister 6e.

Adapted from Fig. 4.10, 

Callister 6e.  (Fig. 

4.10 is from 

Metals Handbook, Vol. 9, 9th edition, 

Metallography and Microstructures, Am. Society for 
Metals, Metals Park, OH, 1985.) 

~ 8cm

Metal Ingot

AREA DEFECTS:  GRAIN 

BOUNDARIES


background image

Typical optical micrograph 

of a grain structure, 100

×

The material is a low-

carbon steel. The grain 

boundaries have been 

lightly etched with a 

chemical solution so that 

they reflect light differently 

from the polished grains, 

thereby giving a distinctive 

contrast. (From 

Metals 

Handbook

, 8th ed., Vol. 7: 

Atlas of Microstructures of 
Industrial Alloys

, American 

Society for Metals, Metals 

Park, OH, 1972.)


background image

Specimen for the calculation of the grain-size number, 

G is defined at a magnification of 

100×

. This material 

is a low-carbon steel similar to that shown in Figure 

4.18. (From 

Metals Handbook

, 8th ed., Vol. 7: 

Atlas of 

Microstructures of Industrial Alloys

, American Society 

for Metals, Metals Park, OH, 1972.)


background image

background image

17

• Useful up to 2000X magnification.
•  Polishing removes surface features (e.g., scratches)
•  Etching changes reflectance, depending on crystal

orientation.

close-packed planes

micrograph of
Brass (Cu and Zn)

Adapted from Fig. 4.11(b) and (c), 

Callister 6e.

(Fig. 4.11(c) is courtesy

of J.E. Burke, General Electric Co.

0.75mm

OPTICAL MICROSCOPY (1)


background image

18

Grain boundaries...

•  are imperfections,
•  are more susceptible

to etching,

•  may be revealed as

dark lines,

•  change direction in a

polycrystal.

Adapted from Fig. 4.12(a) 
and (b), 

Callister 6e.

(Fig. 4.12(b) is courtesy
of L.C. Smith and C. 
Brady,  the National 
Bureau of Standards, 
Washington, DC [now the 
National Institute of 
Standards and 
Technology, Gaithersburg, 
MD].)

OPTICAL MICROSCOPY (2)


background image

19

•  Atoms can be arranged and imaged!

Carbon monoxide 

molecules arranged 

on a platinum (111) 

surface.

Photos produced from 
the work of C.P. Lutz, 
Zeppenfeld, and D.M. 
Eigler.  Reprinted with 
permission from 
International Business 
Machines Corporation, 
copyright 1995.

Iron atoms 

arranged on a 

copper (111) 

surface.  These 

Kanji characters 

represent the word 

“atom”.

SCANNING TUNNELING 

MICROSCOPY


background image

Two-dimensional schematics give a comparison of (a) 

a crystalline oxide and (b) a non-crystalline oxide. The 

non-crystalline material retains short-range order (the 

triangularly coordinated building block), but loses 

long-range order (crystallinity). This illustration was 

also used to define glass in Chapter 1 (Figure 1.8).


background image

Bernal model of an amorphous metal structure. The 

irregular stacking of atoms is represented as a 

connected set of polyhedra. Each polyhedron is 

produced by drawing lines between the centers of 

adjacent atoms. Such polyhedra are irregular in shape 

and the stacking is not repetitive.


background image

A chemical impurity such 

as Na

+

is a glass modifier, 

breaking up the random 

network and leaving 

nonbridging oxygen ions. 

[From B. E. Warren, 

J. Am. 

Ceram. Soc. 24

, 256 

(1941).]


background image

Schematic illustration of 

medium-range ordering in a 

CaO–SiO

2

glass. Edge-sharing 

CaO

6

octahedra have been 

identified by neutron-diffraction 

experiments. [From P. H. Gaskell 

et al., 

Nature 350

, 675 (1991).]


background image

Summary

• Point

Line

Surface

and 

Volumetric

defects exist in solids.

• The number and type of defects can be varied and 

controlled 

– controls vacancy conc.
– amount of plastic deformation controls # of dislocations
– Weight of charge materials determine concentration of 

substitutional or interstitial point ‘defects’

• Defects affect material properties (e.g., grain boundaries 

control crystal slip).

• Defects may be desirable or undesirable 

– e.g., dislocations may be good or bad, depending on whether 

plastic deformation is desirable or not.

– Inclusions can be intention for alloy development




رفعت المحاضرة من قبل: abdalla Alhamdany
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 137 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل