crystal structure & atomic packing - nptelnptel.ac.in/courses/113105023/lecture3.pdf · crystal...

14
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || 1 Module 3 Crystal structure & atomic packing Lecture 3 Crystal structure & atomic packing

Upload: nguyenkiet

Post on 09-May-2018

231 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

1

Module 3

Crystal structure & atomic packing

Lecture 3

Crystal structure & atomic packing              

 

Page 2: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

2

Keywords: Point Lattice, unit cell, lattice parameter, crystal planes & direction, Miller indices, common crystal structure of metals, atomic packing, close packed planes, packing 

sequence, interstitial sites,   

Introduction 

Metals  are  crystalline  although  they  do  not  exhibit  well  developed  crystal  faces  like inorganic  compounds. Most metals we  use  are made  of  several  crystals  having  different orientations. These are separated by  irregular boundaries. Properties of metals are strong function  of  its  crystal  structure  and  orientation.  This  depends  on  the  transformation processes the metal undergoes right from solidification and subsequent shaping & treating steps it passes through before being put to use. Therefore in order to understand & predict performance of metallic material it is necessary to have some idea about its crystal structure & orientation. This module gives a broad overview of relevant portions of crystal structure & orientation that would help you understand the basic concepts of physical metallurgy.   Point lattice & unit cell 

Atoms  in crystals are arranged  in a periodic  fashion. Their  locations are  represented with the help of a regular array of points in space called point lattice. This consists of a number of points arranged in such a fashion in 3D that every point has identical surrounding. Figure 1 represents such an array. The smallest building block of this array consisting of eight points is called unit cell. The cell  is completely defined by the  length of  its three edges and their subtended angles. This  is  illustrated  in  figure 2. These are: a, b, c  (denoting  the edges) & �������  (denoting angles between the edges called crystal axes) are commonly known as lattice parameters.  

  Figure  1:  the  top  left  hand  corner  shows  the  smallest  building  block which  if  arranged  in  three directions as shown in top right hand corner would generate an a regular array of points as shown in bottom left hand corner. This is known as point lattice.  

Page 3: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

3

  Figure 2: Top left hand corner shows the smallest building block of a point lattice. The three arrows indicate three axes named a, b, c.  Cells having points only at its corner is called primitive lattice. A corner of the cell is equally shared by 8 neighboring cells. Since there are eight corners in a unit cell number of  lattice point per unit cell Np = 1. The sketches at  the bottom shows possible additional locations of lattice points in the case of simple cubic lattice where a = b = c and ��������� = 90°.          

 In addition  to  the points at  the corner of  the cells  it  is possible  to place additional points without violating the definition of point lattice. These are body center, base centre and face centre. The bottom row of figure 2 shows two more unit cells with additional points marked by black solid spheres. Consider the body centered cubic cell. It has an additional point right at  its centre.  In an array  this would belong exclusively  to  this cell. This  is why number of points / unit cell in a body centered lattice Np= (1/8) x 8+1 = 2   Problem: Show that the number of points / unit cell in a face centered cubic lattice is 4. Answer: Point at the center of a face  is shared equally by two adjacent cells. There are six faces in a unit cell. Therefore Np= (1/8) x 8+(1/2) x 6  = 4  

Figure  3:  Six  parameters  namely  lengths  of  the edges  (a,  b,  c)  and  the  angles  between  axes (�������)  as  shown  in  the  figure  are  needed  to describe a unit cell of the lattice.  

 

Page 4: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

4

Depending on the relations between the edges or the angles unit cells can have 7 different shapes  each  representing  a  specific  crystalline  shape.  This  is  illustrated  in  the  following table.    

Table 1: Unit cells representing different types of crystals             The unit cells listed in table 1 represents primitive cells where there are lattice points only at the corners of each cell.  In addition there can be a few more  lattice type where there are additional points at body centre, face center or base center without violating the definition of point  lattice. For example  cubic unit  cell can have  two additional unit  cells one with a point at the center and the other at face centers. It is possible to represent all known crystal structure using such lattices. The total number of point lattice (also known as Bravais lattice) is 14. Fortunately the crystal structure of metal  is much simpler  in comparison to those of the other crystalline solids.   Crystal structure of common of metals 

Three  most  common  crystal  structures  of  metals  are  body  centered  cubic  (bcc),  face centered cubic  (fcc) and hexagonal close packed  (hcp).  In  terms of point  lattice  these are represented  by  body  centered  cubic  lattice,  face  centered  cubic  lattice  and  primitive hexagonal  lattice.  In  the  case  of  the  first  two  each  point  represents  one  metal  atom, whereas  in  the case of hcp  structure each point  represents a pair of points. The way  the atoms are arranged  in these three are  illustrated  in  figure 4.  It only shows the  location of atoms but does not reveal the way these are packed.   

Cubic  a = b = c  � = β = γ = 90º  

Tetragonal  a = b ≠ c  α=β=γ=90º 

Hexagonal  a=b≠c  α=β=120º,γ=90º 

Orthorhombic  a≠b≠c  α=β=γ=90º 

Rhombohedral  a=b=c  α=β=γ≠90º  

Monoclinic  a≠b≠c   α=γ=90º≠β 

Triclinic  a≠b≠c  α≠β≠γ  

Page 5: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

5

 Figure 4: Shows the way metal atoms are arranged in bcc, fcc & hcp crystal. It also indicates names of common metals having such crystal structure. 

The atoms are placed  in the  lattice as closely spaced as possible. Assume these to be hard spheres. In bcc structures the atoms touch each other along its diagonal. Whereas in fcc the atoms touch each other along its face diagonal. This is shown in figure 5.  

Figure 5:  Shows  the way  atoms  touch  each other  in  fcc, bcc & hcp  structure.  In  the  case of hcp structure only one atom has been shown in the top layer for reasons explained later. 

 Problem:  Assuming  atoms  to  be  hard  spheres  estimate  packing  density  (PD)  of  atoms  in  bcc structure. Answer: Let the radius of atom be R. There are two atoms in a unit cell having lattice parameter = a. In a bcc structure atoms occupy the 8 corners and the center of a cube. The number of atoms / unit cell = 1+  (1/8) x 8 = 2. Atoms  touch each other along  the  cube diagonal. Here as well  the  lattice parameter  represents  the  distance  between  two  consecutive  atoms  along  the  edge  of  a  cube. Therefore the diameter of an atom = a√3/2. The packing density = Net volume of all atoms in a unit cell / volume of unit cell = {(2π/6) (a√3/2)^3 /a^3} = 2πx3√3/6 = 0.68. The figure below would help you understand the basis of this calculation.  

Page 6: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

6

  Figure 6: Packing density of  fcc  structure: There are 8 corners and 6  faces  in a cube. The number of atoms / unit cell in fcc crystal is 8 x (1/8)+6 x (1/2) = 4. The distance between two consecutive  atoms  along  the  edge  of  the  cube  is  called  its  lattice  parameter. Often  it  is denoted  as  ‘a’.  Since  atoms  touch  each  other  along  the  face  diagonal  of  the  cube,  the diameter of  an  atom  (assuming  it  to be  a hard  sphere)  is  therefore  equal  to  (a/√2).  The packing density = Net volume of all atoms in a unit cell / volume of unit cell = {(4π/6) (a/√2) ^3 /a^3} = 4πx2√2/6 = 0.74. Hexagonal close packed structure  is also as closely packed as fcc.   This clearly shows that the packing density of bcc metal is less than that of hcp & fcc. It also gets  reflected on  its coordination number. The atom at  the center of bcc  structure has 8 nearest atoms located at the corner of the cube. By simple construction involving joining of atoms it is possible to show that all atoms in this crystal have identical surrounding having 8 nearest neighbors. It is also evident from figure 4.   Arrangement of atoms in a close packed plane: If you try to place identical solid spheres in a plane as closely packed as possible you would notice that each sphere is surrounded by six neighbors. Let this layer be denoted as ‘A’. Try to place a second layer of similarly arranged atoms on top of the layer ‘A’. If you want them to be as closely spaced as possible all atoms must occupy the valleys. You would notice that an atom in the next layer would block one of the valleys completely and a part the three nearest valleys. Let us call this  layer as  ‘B’ and the  sites which  are  partially  blocked  by  the  atoms  as  ‘B’.  This would  now  provide  two distinct types of valleys for the next layer of atoms; they are ‘C’ and ‘A’. If the third layer of atoms  happens  to  occupy  site  ‘A’  you  would  get  a  hexagonal  close  packed  structure. Whereas  if  it occupies  site  ‘C’  you would  get  a  face  centered  cubic  structure.  Since each layer  is packed as closely as possible both the arrangements should have  identical packing density  (volume  fraction  occupied  by  hard  spherical  atoms).  Look  at  the  arrangement  of 

Fig 6

Page 7: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

7

atoms in one hexagonal unit of an hcp crystal. The distance between two nearest atoms in the close packed plane (say layer A) is ‘a’ and the distance between two identical ‘A’ layers of atoms is ‘c’. For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio is 1.633. The number of nearest neighbors  is a crystal  is known as  its co‐ordination number.  In an hcp structure each atom in the close packed plane is surrounded by 6 atoms. Over and above this it has 3 atoms above it and 3 atoms below it. Therefore its co‐ordination number is 12. The packing sequence of close packed planes in an hcp crystal is ‘ABABAB‐‐‐‐‐’.    

Figure 7: Shows how atoms could be arranged in a plane. Look at the top layer. The central atom is surrounded  by  six  identical  atoms.  Each  layer  of  atom  is  represented  by  different  colors.  Look through  the  gaps between  the atoms. Beneath  the  yellow  layer only pink  layer  is  visible  through three of the six gaps (valleys) and through the remaining three you would see partly pink and partly white color. This is because the pink layer blocks three valleys completely and three partially.  

 In face centered cubic crystal close packed  layers are arranged  in sequence ‘ABCABC‐‐‐‐‘. If you  look  at  the  atomic  arrangement  at  an  angle  other  than  perpendicular  to  the  close packed plane you would soon realize that the atoms occupy the corner and the face centers of a cube. Atoms touch each other along the face diagonal. The close packed planes are the diagonal planes of the cube. This is illustrated with help of figure 7.  Ideal hexagonal close packed structure: In hcp structure atoms are arranged  in a sequence ‘ABABAB‐‐‐‘. The packing  is as dense as  in  fcc. Along  the  close packed plane  the distance between  atom  is  ’a’.  Therefore  ‘c’ which  represents  the  distance  between  two  identical layers ‘a’ is no longer independent. In other words hcp structure has a fixed c/a ratio. Figure 8 illustrates how this can be estimated.  

Page 8: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

8

 Figure 8: The close packed layers are represented by white & pink balls arranged one over the other. The bottom  layer  is  ‘A’ the second  layer  is  ‘B’ and the third  layer  is again  ‘A’. To estimate c/a ratio look at the construction joining centers of three adjacent atoms p, q, r (in layer A) with s in layer B. The distance between p and r = a; whereas the distance s and the plane containing prq  is su = c/2. Note that pqr is an equilateral triangle and t is the midpoint of side qr. Using the relations between the sides c/a can be shown to be equal to 1.633. Steps to do this are given above. 

 If atoms  in metals are packed as described above  it should be possible to derive a relation between its density and lattice parameters. This is based on certain assumptions. These are as  follows:  i)  atoms  are  considered  to be hard  sphere  ii)  all  lattice  sites  are occupied by atoms. If  lattice parameter of a cubic crystal  is ‘a’ and A  is the atomic weight and No  is the Avogadro  number,  and  n  in  the  number  of  atom  /  unit  cell,  the  density  (�)  is  given  by 

 . The following figure gives illustrative calculation for a few fcc metals.   

 

Page 9: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

9

Al  2.70 2.70  27

Ni 8.98 8.90  59

Cu 9.03 8.96  64

Pt 21.50 21.45  195

Pb 11.33 11.68  207 

Figure 9: Shows estimation of density of a few common metals having fcc structure from their lattice parameter. In spite of the assumptions estimates are very close to their reported density. 

 Miller indices: system of representing crystal directions & plane 

 Since metals are crystalline and its properties are dependent not only on its crystal structure but  also  the way  these  are  arranged  in  solid.  Therefore  it  is  necessary  to  know  how  to specify or represent crystal directions, planes and their orientation. Miller  indices are used to  denote  these.  This  uses  crystal  axes  as  the  frame  of  reference.  First  step  to  find  the indices  of  a  direction  is  to  draw  a  parallel  line  passing  through  the  origin.  It  uses  three numbers each representing the number of steps one need to move along the three axes to reach the end point from the origin. The numbers are enclosed within a pair of box brackets. Figure  10  illustrates  how  crystal  directions  are  represented  by  a  set  of  such  lines.  An arbitrary direction is often denoted as [uvw].  

 

Figure 10: The lines; a, b, c are the three crystal axes.  The  distance  between  the  grid  lines  on the  plane  containing  axes  a  &  b  are  unit distances along these axes. A crystal direction is denoted  within  box  bracket  as  shown.  For example  [110]  denotes  a  line  passing  from origin.  The  notation  gives  the  displacement along  the  three  crystal  axes.    Note  that  the third digit which denotes displacement along c axis  is  zero.  The  direction  lies  on  the  plane containing  the axes a & b. The  first digit  is  the displacement  along  the  axis  a  and  the  second digit is the displacement along the axis b. This is illustrated  by  red  arrows.  Likewise  [210] denotes  two  steps along a and one  step along b. 

 Problem: What are the Miller indices of the directions represented by the line A & B shown in the figure 10? 

A

B

Page 10: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

10

Answer: Note that to represent direction A you need to move two steps against axis a and one step along axis b. Movement  in negative direction  is represent by a bar drawn on the top of  the respective digit. Thus A is denoted by  210 & B is  110      

Figure 11: Problem:  Find  the Miller  indices of the  directions  A,  B,  C, &  D.  The  dotted  lines represent lines joining lattice points.  Answer:  Note  three  directions  A,  B,  &  C  are lines passing  through origin.  In  case of D  you need to imagine a line parallel to D but passing 

through  O.  A:  120 ;  B:  211 ;  C:  211 ; D: 110  

 Note that the indices as described above only give an idea about how a direction is aligned with respect to the three crystal axes. We shall be dealing mostly with cubic  lattice where the  axes  are  orthogonal.  In  such  a  case  these  indices  denote  a  vector  in  Cartesian coordinate.  Consider  a  general  crystal  vector  denoted  as: ̅ .  Its magnitude  is 

given by| | . There are  similar expressions  for every crystal other  than the  cubic  crystals.  Interested  reader  can  refer  to  books  on  crystallography  for  such expressions.   

Figure  12:  Illustrates  how  to  find  the  Miller indices of crystal planes. Three crystal axes are denoted by a, b & c. The plane enclosed by a set of red lines intersects the respective axes at ma, nb & pc. It suggests that m, n & p are fractions. However it need not always be so. The steps to convert these into Miller indices are as follows: 

convert the  intercepts as reciprocals:   

next try reduce these to integers by multiplying with  a  suitable  number  say  M  so  that 

:  The  plane  is  represented  as   

 The following table gives a few examples of how Miller  indices are determined for a set of common planes in crystals.       

O

A

B

C

D

c

ba

Page 11: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

11

Table 2: A few examples of how to find Miller indices of planes  

  

Intercepts: m ∞ ∞; reciprocal 1/m 0 0; indices (100) 

Intercepts:  1  1  1;  reciprocal 111; indices (111) 

Intercepts: 1 1 ∞;  reciprocals 1 1 0; indices (110) 

 Problem: Find out the Miller indices of the planes whose sides are represented by red & green line as shown in figure 10. It also illustrates that all parallel planes have identical indices.   

 

Figure 13:   Indices of the plane with red border: note that the intercepts on the axes a, b, c are 1, 

1 & ‐1. Therefore its indices are  111 .  Indices of the plane with green border: note that the  plane  as  marked  is  too  small  to  find  its intercepts. This either needs  to be extended or another  plane  which  is  parallel  can  be constructed.  Triangle with  green  dotted  line  as shown  is  one  of  the  parallel  planes  intercept with the axes is readily visible. Its indices is (111) 

 Three most common crystal structures found in metallic materials are fcc, bcc and hcp. Let us  try  to  find  the  indices  of  their  close  packed  planes  and  directions.  It would  also  be interesting to find out the number of such planes and directions.   

Figure 14: This shows the  location of atoms  in a fcc structure. (111) is the indices of one close packed  plane.  Two  of  these  having  identical indices are shown as triangles. There are other similar planes as well. These are 111 , 111 , 

&  111 .  Note  that  the  plane  with  indices 

111 is parallel to the plane 111 . There are four  close  packed  planes.  One  of  the  close packed  directions  is  shown  as  a  line with  an arrow head. Its indices are [110]. You could try to arrange the indices as shown for the planes &  show  that  there  are  six  possible  close packed directions.  

 

Page 12: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

12

 

Figure 15: This shows the  locations of atoms in a bcc structure.  (110)  is  the  indices of one  the close  packed  planes.  There  are  several  other similar  planes.  These  are  (011), 

(101), 110 , 101 , &  011 . Note  that  plane 

with  indices  110 is  parallel  to  the 

plane 110 .  Thus  there  are  six  close  packed planes.  One  of  the  close  packed  directions  is shown as a  line with an arrow head. Its  indices are  [111].  You  could  try  to  arrange  these  as shown  for  the  planes  &  show  that  there  are four possible indices. 

 The examples in figures 14‐15 show that in a crystal there are several planes and directions where atoms are arranged  in an  identical fashion. Crystals having maximum symmetry the number of  such planes and directions  is  significantly  large. For example  in a cubic  crystal there are 4  identical planes of  type  (111). A  set of such planes  is  represented as  {111}.  It includes all possible combinations having both positive and negative indices. Similarly a set of directions having identical atomic arrangements is represented as <111>.  

 

Figure 16: Illustrates common planes & directions in a hexagonal crystal. If the normal Miller indices are  used  similar  planes  do  not  have  similar indices.  To  overcome  this  problem  an  additional axis  is  used.  Thus  instead  of  using  (hkl)  it  is preferable  to  use  (hkil)  for  planes.    Likewise direction  [uvw]  is  replaced by  [uvtw]. The  fourth index  is only a dummy.  It can be calculated using the  expression  as  shown  in  the  adjacent  figure.  Note that  in a hcp structure basal plane (0001)  is the close packed plane and there are  three close packed  directions  lying  on  it.  Close  packed direction: [100] or [110] using conventional Miller indices  whereas  using  four  indices  these  are 

2110 1120 The reason for using four indices is evident from the illustration given in figure 16. In terms of  conventional Miller  indices  (100)  and  110   denote  prism  planes.  However  from  the indices  it  does  not  appear  that  these  are  similar  planes.  If  you  use  four  indices  these become 1010 & 1100 .  They  display  their  identical  character.  Likewise  the  pyramidal planes  in terms of conventional Miller  indices are  (101)& 111 . Although  identical  it does not appear to be so; whereas in terms of four indices these become  1011  & 1011  ; both look to be similar.    

 

Page 13: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

13

Summary 

In this chapter we  learnt about common crystal structures of metallic materials; fcc, bcc & hcp. How  are  the  atoms  arranged  in  the  lattice? What  are  the  relations  between  lattice parameter  and  atomic  radius?  Estimation  of  packing  density  &  coordination  number revealed  that both  fcc & hcp are equally packed whereas bcc has relatively  lower packing density. The concept of Miller  indices  for the representation of crystal planes & directions has  been  introduced.  Indices  of  close  packed  directions  in  the  three  common  crystal structures found in metals were also determined. The need for using four digit Miller indices for a hexagonal crystal has been explained.  Exercise: 

1. Sketch an unit  cell and  show  the  following planes  (a)  (112)  (b)  (101)  (c)  111   (d) (123)  

2. Find out  the  indices of  the direction  joining  following points  in a cubic  lattice:    (a) 1,1,1 with 1,1,2 (b) ‐1,1,1 with ‐3, 2, 1 (c) 1,1,2 with 3,2,‐1 

 3. Show  the  atomic  arrangements  in  (111)  plane  of  face  centre  cubic  structure  and 

show the following directions  110 ,  101 ,  011 ,  211 ,  121 , 112   

4. Estimate  the  density  of  platinum  and  lead  from  their  lattice  parameters  at  room temperature.  Both  are  FCC.  Compare  the  theoretical  density  with  experimental values.  Which is closer? Why? 

 Answer:                                 

1.       

    

 

   2.                               

If the coordinate of first point is u1, v1, w1 & the second point is u2, v2, w2 the indices of the line joining the two points can easily be shown with the help of the diagram on the left is [u2-u1, v2-v1, w2-w1]. Line joining point 111 with 112 is shown try others.

111

112

[001]

b

c

a

(112)

(101)

(123)

c

b a

111

Page 14: Crystal structure & atomic packing - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture3.pdf · Crystal structure & atomic packing. ... For an ideal hexagonal close packed structure c/a ratio

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  

14

   

3.   

                                                                                                                                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

4. The  relation  between  density  (�)  &  lattice  parameter  (a)  is  given  by   where  n= 

number  of  atom  /unit  cell,  A  =  atomic  weight  &  N=Avogrado  number.  For  platinum 

A=192.09,  n=4  fcc, N=6.02x1023 &  a=3.9239  Angstrom. On  substitution��  =  21.45  gm/cc. 

Experimental  density  of  Pt  =  21.47.  For  lead  A=207.2,  n=4  fcc,  a=4.9502Angstrom.  On 

substitution  in  the  expression  for  density  �=  11.35  Experimental  density  =11.34.  The 

estimation of x‐ray density in based on assumptions that all sites are occupied and atoms are 

hard.  If  there are vacancies  in  the  lattice  real density  should be  less  than x‐ray density.  If 

atoms are soft the density should be higher. 

 

 

In a cubic crystal a direction [uvw] lies on a plane (hkl) then hu+kv+lw=0. Using this three close packed direction lying on (111) are [-110], [-101] & {0-11]. These are shown by firm line. Three [112] directions are [11-2], [-211] & [1-21]. These are shown as dotted lines.

110

101

011

211

121

211