MSE Notes - Imperfections in Solids.docx

7 Pages

Materials Science & Engineering
Course Code
Scott Ramsay

This preview shows pages 1 and half of page 2. Sign up to view the full 7 pages of the document.
Imperfections in Solids Point Defects in Metals  Vacancy  ­atom is missing from a lattice site  ­all crystalline solids contain vacancies  ­presence of vacancies increases entropy of crystal  ­equilibrium number of vacancies N  fvr a given quality of material depends on increases  with temperature according to:  −Q v N vN ×exp( kT ) where:  N – total number of atomic sites  Q v– energy required  T – absolute temperature in Kelvins  k – Boltzmann’s constant  ­N vN is usually on the order of 10  (1/10 000 lattice sites will be empty)  ­self­interstital: atom from crystal that is crowded into an interstitial site, a small void  space that is ordinarily not occupied  ­formation of this defect is not highly probable  Point Defects in Ceramics  ­since ceramic materials contain ions of at least two kids, defects for each ion type may  occur  ­highly improbably there are appreciable concentrations of anion interstitals  ­defect structure: used to designate the types and concentrations of atomic defects in  ceramics  ­electroneutrality: state that exists when there are equal numbers of positive and negative  charges from the ions  ­conditions of electroneutrality must be maintained in ceramics  ­as a consequence, defects in ceramics do not occur alone  ­Frenkel defect: cation vacancy and cation interstitial pair  ­cation leaves normal position and moves into an interstitial site  ­no change in charge because cation maintains same positive charge as interstitial  ­Schottky defect: cation vacancy­anion vacancy pair  ­occurs in AX materials, removes one cation and one anion from interior of crystal and  placing them both at an external surface  ­if no other defects are present, material is stoichiometric  ­nonstoichiometry occurs when two valence states exist for one of the ion types (ex. Iron  with multiple oxidation states)  ­number of each ion types depends on temperature and ambient oxygen pressure  −Q −Q N fr ×exp( f)¿N =s ×exp( s) 2kT 2kT Impurities in Solids  Metals  ­most metals are alloys: impurity atoms have been added intentionally to impart specific  characteristics to the material  ­alloying is used to improve mechanical strength and corrosion resistance  ­addition of impurity atoms results in formation of solid solution  Solid Solution  ­forms when solute atoms are added to host material  ­crystal structure is maintained and no new structures are formed  ­compositionally homogeneous: impurity atoms are randomly and uniformly dispersed  within solid  ­two types of impurity point defects: substitutional and interstitial  ­substitutional: solute or impurity atoms replace or substitute for host atoms  ­four features of solvent and solute atoms determine degree it dissolves:  1. Atomic size factor: appreciable quantities of a solute may be accommodated in this  type of solid solution only when difference in atomic radii between two atom types is less  than about 15%. Otherwise, solute atoms will create substantial lattice distortions and a  new phase will form  2. Crystal structure: for appreciable solid solubility, crystal structures of metals for both  atom types must be the same  3. Electronegativity: more electropositive one element and the more electronegative the  other, greater the likelihood that they will form an intermetallic compound instead of a  substitutional solid solution  4. Valences: other factors being equal, a metal will have a stronger tendency to dissolve  another metal of higher valency than one of lower valency  Impurities in Ceramics  ­impurity atoms can form solid solutions in ceramic materials as well  ­interstitial: ionic radius of the impurity must be relatively small in comparison to anion  ­substitutional: impurity will substitute for the host ion to which it is most similar in  electrical sense (i.e. if impurity atom normally forms a cation in a ceramic material, it  will probably substitute for a host cation)  ­to achieve any appreciable solid solubility of substituting impurity atoms, ionic size and  charge must be very nearly the same as those of one of the host ions  ­for impurity ion having a charge different from host ion for which it substitutes, crystal  must compensate for this difference in charge so electroneutrality is maintained with  solid Point Defects in Polymers ­similar to those found in metals in crystalline regions of polymeric materials  ­chain ends are considered defects because they are chemically dissimilar to normal chain  units  ­vacancies are also associated with chain ends  Specification of Composition  Weight Percent  ­for an alloy that contains two hypothetical atoms denoted by 1 and 2, concentration of 1  in wt%, C1 is defined as  C1= m1 ×100 m1+m2  Atom Percent ­number of moles of an element in relation to total moles of elements in alloy  ­number of moles in some specified mass of element 1 is:  m' n m1 1 A1 Concentration in terms of atom percent of element 1 in an alloy containing 1 and 2 atoms  C1’ is: ' nm1 C1= n +n ×100 m1 m2 Composition Conversions  ­sometimes it is necessary to convert from one composition scheme to another (i.e.  weight percent to atom percent)  Equations for converting between compositions:  Sometimes it is necessary to convert concentration from wt% to mass of one component  per unit volume of material. Equations are:  To determine density and atomic weight of a binary alloy:  Dislocations  ­linear or one  dimensional defect around some  atoms which are  misaligned  Edge  dislocation ­extra portion of  plane of atoms, the edge of which  terminates  within the crystal  ­linear defect 
More Less
Unlock Document

Only pages 1 and half of page 2 are available for preview. Some parts have been intentionally blurred.

Unlock Document
You're Reading a Preview

Unlock to view full version

Unlock Document

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.