Imperfections in Solids

 

 

Point Defects

 

Vacancies and Self-Interstitials

 

A vacancy is lattice position that is vacant because the atom is missing. It is createdwhen the solid is formed. There are other ways of making a vacancy, but thealso occur naturallas result of thermal vibrations.

An interstitial is an atom that occupies a place outside the normal lattice position. It maybe the same type of atom as the others (self interstitial) or an impurity atom. In the case of vacancieand interstitials, there is a change in the coordination of atoms around the defect. This means thathe forces are not balanced in the same way as for other atoms in the solid, which results ilattice distortion around the defect A hightemperaturis needed to have a high thermal concentration of vacancies.

 

 

Frenkel-defect is a vacancy-interstitial pair of cations

 

 

 

Schottky-defect is a pair of nearby cation and anion vacancies


 

 

 

 

 

Theoretical yield point

 

 

Theoretical yield is the maximum quantity of a product that could be formed in a chemicareaction if all the limiting reactant reactetform product(distinguishefrom actual yield).

 

 

DislocationLinear Defects

 

 

Dislocations are abrupt changeithe regular ordering of atoms, along a line (dislocation line) ithe solid. They occur in high density and are very important imechanical properties of material. Theare characterized bthe Burgers vector, found by doing a loop around the dislocation line and noticing the extra inter atomic spacing needed to close the loop. The Burgers vector imetals pointin a close packed direction.

 

 

Line Defects

 

•   Line defects or Dislocations are abrupt change iatomic order along a line.

 

•    They occur if an incomplete plane inserted between perfect planes of atoms or when vacancieare alignein a line.

•    A dislocation is the defect responsible for the phenomenon of slip, by which most metals deform plastically.

•   Dislocations occur in high densities (108-1010 m- ), and are intimately connected talmost all mechanical propertiewhicare ifact structure-sensitive.


•    Dislocation form during plastic deformation, solidification or due to thermal stressearising from rapicooling.

 

 

Line Defects – Burger’s Vector

 

•   A dislocation icharacterizeby Burges vector, b.

 

•    I i unique  t  dislocation,  and  usuall ha the  direction  of  close  packe lattice direction. Iialso the slip direction of a dislocation.

•    It represents the magnitude and direction of distortion associated with that particular dislocation.

•    Two limiting cases of dislocations, edge and screw, are characterized by Burges vector perpendicular to the dislocation line (t) and Burger’s vector parallel to the dislocation line respectivelyOrdinary dislocation is of mixecharacter of edge and screw type.

 

Edge dislocations occur when an extra plane is inserted. The dislocation line is at the end of the plane. Ian edge dislocation, the Burgers vector is perpendicular tthe dislocation line.

 

 

Line Defects – Edge Dislocation

 

•   Iialso calleas Taylor-Orowan dislocation.

 

•    Iwill have regions of compressive and tensile stresses on either side of the plane containing dislocation.

 

 

Screw dislocationresult when displacing planes relative teach other through shear. Ithicasethe Burgers vector is paralletthe dislocation line.

 

 

Line Defects – Screw   Dislocation

 

•   Iialso calleas Burger’s dislocation.

 

•   Iwill have regions of shear stress around the dislocation line

 

•    For positive screw dislocation, dislocation line direction is parallel to Burges vectorand vice versa.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Interfacial Defects:

 

The environment of an atom at a surface differs from that of an atom in the bulk, in that the number of neighbors (coordination) decreases. This introduces unbalanced forces which result irelaxation (the lattice spacing is decreased) or reconstruction (the crystal structure changes). The densitof atoms in the region including the grain boundaris smaller than the bulk value, since void space occurs in the interface. Surfaces and interfaces are verreactive and it is usual that impurities segregate there. Since energis required to form a surface, grains tend to grow in sizatthe expense of smaller grains to minimize energy. This occurs by diffusion, which iaccelerateat higtemperatures.


 

 

Interfacial Defects

 

•    Ainterfacial defecis a 2-D imperfection icrystalline solids, and have different crystallographic orientations on either side of it.

•   Region of distortion iabout few atomic distances.

 

•   They usually arise from clustering of line defectinto a plane.

 

•   These imperfections are not thermodynamically stable, but meta-stable inature.

 

•    E.g.: External surface, Grain boundaries, Stackinfaults, Twin boundaries, Phase boundaries.

 

 

 

 

 

Bulk or Volume Defects :

 

Other defects exist in all solid materials that armuch larger than those heretofore discussed. typical volume defect is porosity, often introduced in the solid during processing. A common example is snowwhicis highly porous ice.

 

 

Bulk or Volume Defects


Volume defects arthree-dimensional in nature.These defects arintroduced, usually, during processinand fabrication operations like casting, forminetc.E.g.: Pores, Cracks, Foreign particles These defects act like stress raisers, thus deleterious to mechanical properties of parent solids.In sominstances, foreign particles are added to strengthen the solid – dispersion hardening. Particles added are hindrances to movement of dislocations which have to cut through or bypass the particlethus increasing the strength.