module 14 crystal defects in metals v - nptelnptel.ac.in/courses/113105023/lecture14.pdf · module...

13
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | || 1 Module 14 Crystal defects in metals V Lecture 14 Crystal defects in metals V

Upload: lynguyet

Post on 01-Jul-2018

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

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

Module 14

Crystal defects in metals V

Lecture 14

Crystal defects in metals V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

Keywords : Experimental evidence of the presence of dislocations, Structure of grain boundary & sub‐

grain boundary, Estimation of stacking fault energy, Grain boundary energy, Peierls stress 

Introduction 

We have seen so far how with the introduction of the concept of crystal defects it is possible to explain 

why the strength of real crystal is much lower than its theoretical strength. The question that comes up 

is there any direct evidence of the presence of dislocation in real crystals. We shall learn about it in this 

module. We would also  look at how to estimate the concentration of vacancies and the magnitude of 

stacking fault energy. We shall also look at the structure of grain boundaries and derive a simple relation 

between dislocation density and the strength of metals.  

Etch pit technique 

Microstructures  of  pure metal  often  show  etch  pits within  the  grains.  They  have  specific  geometric 

shapes. What do these represent? We know that dislocations are line defects. They exist within crystals 

as continuous loops, or end at grain boundaries at free surfaces. When we look at a microstructure we 

see a section of the grains. This may intersect several  line defects present within the grain. On etching 

polished surface pits develop at such points of intersection. This is an electrochemical process. The rate 

of dissolution of metal depends on the  local state of the material. Slide 1 shows with help of sketches 

the  origin  of  etch  pits  within  the  grain.  The  shape  of  the  etch  pits  depends  on  the  nature  of  the 

dislocation and  the orientation of  the plane  intersecting  it. There are special electrolytes  for different 

metals and alloys. These are first used to polish the sample. At an appropriate applied voltage, current 

density and  temperature of  the bath  the  surface of  the metal  shines  like a mirror.  Subsequently  the 

voltage  is  changed  to  etch  the  specimen.  The  sketch  on  the  right  in  slide  1  shows  a  typical 

microstructure  of  a  metal  exhibiting  etch  pits.  The  number  of  pits  per  unit  area  is  a  measure  of 

dislocation density. (There are excellent micrographs in the book; Introduction to Dislocations by Derek 

Hull, Pergamon Press, Oxford, p25‐46).  

Rate of dissolution = f(local strain field, local solute concentration, plane geometry)

Etch pit technique

 

Transmission electron microscope 

Slide 1: The sketch on the  left shows  intersection 

of  an  edge  dislocation  with  the  top  and  the 

bottom surfaces. The way the atoms are arranged 

around  it  is  different  from  that  in  regions  away 

from  it.  This  acts  as  anode  and  undergoes 

preferential dissolution during etching. The sketch 

in  the  centre  shows  the  intersection  of  a  screw 

dislocation with  the  top  / bottom  surface. Atoms 

around  it are arranged  in the form of a helix. This 

shows up as pits having different shapes. 

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

Etch pit techniques although provided  indirect evidence of the presence of dislocations  in crystals the 

direct evidence came with the availability of transmission electron microscope (TEM). Thin foils of metal 

suitable for examination under transmission mode  in TEM can be made by electro‐polishing / thinning 

techniques. Slide 2  illustrates the basic principle that makes dislocations visible under TEM. The wave 

length of electron beam is of the order of atomic spacing of the crystal. They get diffracted if the Bragg 

conditions are met. 

Transmission electron microscope

 

TEM can also be used to find the orientation of the foil plane by recording its diffraction pattern. This is 

done by blocking  the  transmitted beam and  removing  the projection  lens. The pattern consists of an 

array of points. This can be indexed to find the indices of the foil plane. TEM also has a facility to tilt the 

specimen. This helps  look  at  the microstructures on different planes. Using  this  you may notice  that 

under  certain  conditions  of  the  tilt  the  dislocation  disappears.  From  such  extinction  conditions  it  is 

possible to find the slip plane and Burgers vector. TEM has been extensively used to reveal dislocation 

structure  and  several  other  crystal  defects  like  stacking  faults,  dislocation  network  and  dislocation 

boundaries.  Interested  reader may  refer  to  books  on  transmission  electron microscope  &  electron 

diffraction.  (There  are excellent micrographs  in  the book;  Introduction  to Dislocations by Derek Hull, 

Pergamon Press, Oxford, p25‐46). 

Measurement of electrical resistivity: 

Several  physical  properties  are  dependent  on  the  concentration  of  defects  in  crystalline  solids.  For 

example if there are vacancies in a crystal lattice there is a corresponding reduction in its effective cross 

sectional area. The electrical  resistance of metals which depends on  its cross sectional area  therefore 

can  give  an  estimate  of  the  concentration  of  vacancies.  The  number  of  vacancies  present  in metals 

follows Boltzmann  statistics.  If  qv  is  the  activation  energy needed  for  the  creation  of  a  vacancy,  the 

number of vacancies (nv) at a given temperature (T) is given by  where n is the total 

number of  sites  in  the  lattice  and  k  is  the Boltzmann  constant.  This  can be used  to derive  a  simple 

correlation  between  the  change  in  resistivity  and  the  concentration  of  vacancies.  Let  v  denote  an 

increase in resistivity due to creation of one vacancy. The relation between  (change in resistivity) due to creation of nv number of vacancies is given by: 

Slide 2: The top sketch shows how the crystal planes 

are arranged within a thin foil around a dislocation. 

The red lines with arrow marks denote the paths of 

the electron beam. The beam passing  through  the 

region away from the dislocation reaches the image 

plane directly. However  those passing  through  the 

region  where  there  is  a  disturbance  in  the 

arrangements  of  the  atomic  layers  get  scattered  / 

diffracted  away.  Thus  the  area  beneath  the 

dislocation appears as a dark line.  

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

                                                                      (1) 

This  equation  can  be  used  to  design  a  simple  experiment  to  estimate  the  activation  energy  for  the 

creation of vacancies. Take a piece of metal (Au) heat it to a high temperature say (600°C). The number 

of  vacancies  at  this  temperature  is much  higher.  Quench  it  to  subzero  temperature  to  retain  the 

concentration of vacancies and measure its resistivity as early as possible. At subzero temperatures the 

mobility of vacancies is low. Therefore it may be assumed that it retains the same number of vacancies 

as that at 600°C. Repeat this by heating the piece of Au sample to various other temperatures. Plot  against 1/T (see slide 3). The slope of the plot gives an estimate of qv. 

Experimental evidence of point defects

exp vv v v

qn n

kT

Heat a sample (Au) to T & quench &

measure at 0 deg C

Lo

g

1/T

Slope gives qv

TEM of quenched gold foil exhibits Frank dislocation

loops

 

There are excess vacancies in quenched samples. These are mobile too. Therefore left to it the vacancies 

may diffuse out or accumulate at certain  locations. A common phenomenon  is the formation of a disc 

shaped region (see Fig 1). This can be seen under TEM. A schematic representation of the same is shown 

in slide 3. Figure 1 show the change in stacking sequence across the region where vacancies accumulate.  

 

 

 

 

If the thin foil has such a region the electron beams passing through this get diffracted. Therefore it has 

a different contrast in the image recorded under TEM. Figure 1 illustrates how the region gets encircled 

by an edge dislocation. Its Burgers vector is 111 . It is a partial dislocation. Its slip plane is a cylindrical 

surface. The size of the loop depends on the concentration of excess vacancies and stacking fault (SFE). 

SFE (stacking fault energy) can be estimated from the size of the loop. 

What is a grain boundary? 

Slide  3:  Illustrates  an  experimental  scheme  for 

the  estimation  of  activation  energy  for  the 

creation of a vacancy by annealing Au at different 

temperatures  followed  by  quenching.  Resistivity 

is  a  strong  function  of  temperature.  It  should 

therefore  be  measured  at  a  fixed  temperature 

(say 0°C). Vacancies  in  lattice are mobile.  Lower 

the temperature lower is the mobility of vacancy. 

Therefore  Au  samples  after  quenching must  be 

stored at as low a temperature as possible. 

A

B

C

A

B

C

Fig 1: A  sketch  showing  the change  in stacking due  to accumulation of 

vacancies  in one of the close packed planes.  In FCC metals (111) planes 

are arranged in the sequence ‘ABCABC’. If vacancies accumulate in a part 

of  the plane  ‘C’  the sequence across  this becomes  ‘ABABC’. The  region 

over which there is a fault in stacking is encircled by an edge dislocation.  

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

We have  so  far  looked  at  three  types of  crystal defects;  vacancy  – point defect, dislocation  –  a  line 

defect and stacking fault – a surface defect. However the most common defect that is visible even under 

optical microscope is the grain boundary. This is the surface of contact between two neighboring grains. 

Figure 2 shows a typical microstructure of a pure metal.   

 

 

 

Pure metals are made of several  randomly oriented grains or crystals. The surface which  is shared by 

two neighboring grains  is  the boundary between  the  two. Microstructure  represents a 2 dimensional 

section  of  such  an  arrangement.  The  grains  that  are  visible  represent  crystals  and  the  lines  are  the 

boundaries. The atoms  in respective grains on the two sides of a boundary are arranged  in a periodic 

fashion. However there may not be a definite relation between the two. This means that just across the 

boundary  there  is a  sudden change  in  the atomic array. Therefore a grain boundary may  represent a 

surface where  the atoms may not be arranged  in a periodic  fashion. This may also be visualized as a 

network of dislocations although it may be difficult to guess its structure. Nevertheless the nature of the 

boundary will certainly be affected by the shapes of the neighboring grains and their orientations. Slide 

4 gives a schematic arrangement of atoms in two neighboring grains.  

Grain boundary

2 cos2GB s

Surface defects: boundary between two crystals having different orientations.

s s

GB

2

2

1.58

0.53

s

sGB

GbJm

Jm

 

Every  free  surface  has  energy.  This  can  be  estimated  from  heat  of  sublimation  (evaporation)  or  the 

strength of the metallic bond. In view of the total disarray in atomic arrangement in the boundary it may 

be assumed that atoms from this zone would evaporate more easily than those from the top face. If a 

metal  is heated  in vacuum more number of atoms would evaporate from the boundary than from the 

top surface. This will result  in the  formation of a groove at the boundary  (see slide 4 & note that the 

angle  is  ).  Therefore  equating  the  forces  acting  along  the  boundary  an  expression  relating  grain boundary energy to the energy of the free surface can be obtained (see slide 4).  

2                                                        (2) 

Fig 2: Shows a typical microstructure of a pure metal. The enclosed 

areas are the 2 dimensional sections of grains. The lines represent 

grain boundaries.  

GrainGB

Slide  4:  The  sketch on  the  left  shows how  atoms 

are arranged  in two adjacent grains. Note the  lack 

of  order  in  atomic  arrangement  at  the boundary. 

The  sketch on  the  right  shows a  sectional view of 

the way  the crystal planes are arranged on either 

sides of  the boundary. The arrows  indicate  forces 

acting  along  the  boundary.  s  denotes  energy  of free  surface  &  GB  denotes  energy  of  the  grain boundary.  is the angle of the groove formed due 

to heat etching. 

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

If = 120°; GB = S. However grain boundary energy is expected to be less than that of the free surface. This is of the order of GB/3. This corresponds to 160°. Grains on the two sides of such boundaries are  randomly oriented. There  is no orientation  relationship between  the  two. We already have come 

across  two  boundaries  (stacking  fault  &  twin  boundaries) where  there  are  perfect  lattice matching 

between  the adjacent grains. They are known as coherent boundaries. There  is a definite orientation 

relationship between the two parts of the crystal on either sides of the boundary.  

Tilt boundary: 

Every dislocation has its own stress field.  When several of these are present in a crystal they would try 

to arrange  themselves  in  such a way  that  the  total energy of  the  configuration  is  the  lowest. One of 

these arrangements leads to formation of a tilt boundary where the orientations of the two sides differ 

by a small angle. Slide 5 explains the formation of an array of edge dislocations arranged one over the 

other on a plane perpendicular to the plane of sketch.  

Low angle / tilt boundary

X1

X2

b

h

Grain 1 Grain 2

 

The sketch on the left in slide 5 shows the most stable configuration of edge dislocations. If any of these 

is displaced a little either along x1 or against x1 there will be restoring force acting on it. This would bring 

them back  to  the most  stable  state.  Such  an  array of dislocations  represents  a  low  angle  boundary. 

There is a small angle of miss‐orientation between the two parts of the crystal separated by an array of 

dislocations. If the distance between two dislocations is h, the angle of miss‐orientation  is given by  = b/h. (Note that the angle denotes shear strain which is given by displacement over the distance.) 

How do we estimate the energy of this boundary? Note that the boundary lies along the plane x2x3. It is 

perpendicular to x1. If the length of the boundary along x3 is l, there is one dislocation of length l in an 

area of lh. Therefore the elastic stored energy per unit area of the boundary is given by (El/lh), where E 

is the energy per unit length of an edge dislocation. Since h = b/ the energy of the low angle boundary (ELAB) is given by equation 3, where r0 is the size of dislocation core, G is shear modulus,  is the Poisson ratio and A is constant that depends on b & r0. 

1                  (3) 

Slide 5: The sketch on the right shows the direction of 

the  forces  acting  on  dislocations  lying  in  various 

locations  on  the  plane  normal  to  axis  x3  due  to  the 

stress field of a dislocation lying along axis x3. There is a 

force  acting  along  axis  x2  on  each  of  the  dislocations 

lying above the  line x1. Therefore  they could climb up. 

The direction of  forces on dislocations  lying below  the 

line x1 is just the opposite. This would help these climb 

down. Once  they  cross  the  dotted  lines  the  forces  of 

attraction would  bring  them  to  occupy  positions  one 

over the other. 

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

The energy of such a boundary is a strong function of the angle of miss‐orientation or the tilt. Figure 3 

gives a schematic plot showing how the energy varies with .   Equating dE/d to zero  it  is possible to estimate  for which the energy of low angle boundary is the maximum. It comes out to be around 30°.  

 

 

 

 

   

We have  just  looked at a boundary made of an array of edge dislocations. We  could also  think of a 

boundary made of screw dislocation. This  is known as  the twist boundary.   A more general  low angle 

boundary may be made of dislocations of mixed character.  

Fig 4: Shows TEM images from 9CrMo steel (b) before creep test (b) after creep test. Note that the initial structure has high dislocation density within  lath boundaries. As a result of creep exposure dislocation density decreases and carbide precipitates have grown. The inset in (b) gives a diffraction pattern from the precipitate. This helps identify this to be (CrFe)23C6. (J Baral et al to be published).  

Coincidence site lattice: 

We have  looked at  the possible  structure of grain boundaries. One of ways  is  to visualize  it  to be an 

array of dislocations. Tilt boundary is the simplest possible representation of grain boundary. The angle 

of miss‐orientation is a measure of the energy of the boundary. There is another way we may look at the 

boundary. The ways  the atoms are arranged on  the  two sides of  the boundary are different. Figure 5 

shows a sketch of atomic arrangements in two adjacent grains of a pure metal. 

ELAB 

Fig  3: A  schematic  sketch  showing  how  the  energy  of 

low angle grain boundary would change with the angle 

of miss‐orientation. Although the derivation has several 

simplifying assumptions there  is experimental evidence 

to support such a trend. 

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

 

 

 

   

 

If the  lattice structures of the two adjacent grains as shown  in fig 5 are extended to superimpose one 

over  the  other  there  will  be  a  few  points  that  would  coincide.  A  set  of  such  points  constitutes  a 

coincident site lattice. The distance between two points in this is much greater than that in the original 

lattice. The ratio of the volume of the coincident  lattice to that of the parent  lattice is known as sigma 

().  This  may  be  a  convenient  way  of  characterizing  grain  boundaries.  Slide  6  illustrates  how  by 

superimposition of lattice arrays one could evaluate the magnitude of .   

Coincidence site lattice=(volume of CSL unit cell) / (volume of normal unit cell)

22 2

3

45

a a a

a

=1 for low angle boundary

=3 for twin boundary

=36.87

Boundaries with low has lower energy

 

The magnitude of  for the case shown in slide 6 is 5. This represents the boundary between two grains where the  lattice of one  is rotated by 36.87 degree about  its cube axis with respect to the other. The 

slide 6 gives the magnitudes of  for a twin boundary. Boundaries having lower values of  have lower energy.  

Stacking fault energy: 

Stack fault is a surface defect. It denotes a type of boundary. Amongst all forms of boundaries this is the 

one whose  energy  can be  estimated  easily. We  have  seen  that  stacking  fault  lies between  a pair of 

Shockley  partials.  Figure  6  is  a  schematic  representation  of  a  stacking  fault  between  a  pair  of 

dislocations. 

 

 

Grain 1  Grain 2

Fig  5:  The  line  denotes  the  boundary  between  two  adjacent 

grains of a pure metal. The grids are the planar lattices denoting 

the  way  the  atoms  are  arranged  on  the  plane  of  the 

microstructure.  Note  that  there  is  a  definite  angular  relation 

between  the  two.  Imagine  that  one  of  these  is  super  imposed 

over the other. There will be a few points which would coincide.  

Slide 6: The sketch shows two sets of arrays one is 

denoted by white dots and the other by red dots. 

The distance between the two nearest points is a. 

Note that there are a few sites where both the red 

and white dots are coincident. This constitutes the 

coincident  lattice  site.  The  arrows  represent  the 

distance between the two nearest point. Its length 

is a. Note  the distance between  the  two nearest 

points  in  coincident  site  lattice.  This  consists  of 

one arrow along x axis & two arrows along y axis. 

This is equal to √5 .

2110  

6121  

6211  

Fig  6: A  schematic  diagram  showing  how  a  prefect  dislocation 

splits  into  two Shockley partials separated by a  region having a 

stacking  fault.  The  slip plane  is  (111) &  the  crystal  structure  is 

FCC. 

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

 

 

The  distance  (d)  between  the  two  partials  is  inversely  proportional  to  the  stacking  fault  energy  (). Stacking faults are visible under TEM. It exhibits stacking fault fringes. The relation between the two  is 

given by the following equation, where  is the angle between the Burgers vectors of the two partials. 

                     (4) 

This method works well for metals having low stacking fault energy (example: Cu), where the separation 

between the partials is large. In metals like Al whose SFE is high the separation between partials is less. 

In such cases more a precise estimation can be obtained from the measurement of radius of curvatures 

of complex dislocation networks. Cross slip is more prevalent in metals having high stacking fault energy. 

The  partials must  join  together  to move  over  to  the  cross  slip  plane  and  then  split  again  forming  a 

constriction.  This  is  how  a  complex  dislocation  structure may  develop with  several  nodes.  A  typical 

example is shown in slide 7. 

A

A AB

C D

Estimation of stacking fault energy in FCC crystal

R C DC

B

C DC

B

2T Gb

R R

 

 

Relation between dislocation density & plastic deformation (strain): 

Plastic deformation occurs due to glide motion of dislocations. There are large numbers of dislocations 

present  in metals even  in  its annealed  state. They  can be  seen under TEM or as etch pits within  the 

grains in an optical microscope. Density of dislocations is represented as the total length of dislocations 

in a unit volume or as the number of intersections it makes on unit area of an intersecting plane. How do 

we relate the movement of these to measurable macroscopic strain?  

 

 

 

Slide 7: The sketch on the left gives the notations used 

in  Thompson  Tetrahedron  to  denote  Burgers  vector. 

The dislocation  structure  that develops as a  result of 

intersection of a dislocation with Burgers vector DC  in 

plane  with one on plane with Burgers vector CB. Initially  these  are  split  into  partials  in  the  respective 

planes. When they intersect they must join together to 

form  a  constriction.  Subsequently  CB  cross  slips  and 

dissociate in plane  resulting in the formation of a set 

of  partials  separated  by  stacking  fault.  SFE  can  be 

obtained from the radius of curvature as shown.

X1 

X2 

Fig 7: A  sketch  showing  several dislocations  in  a  crystal.  If  a dislocation 

glides  through a distance X1  it develops a displacement of magnitude b. 

Let it move through a distance i. The total displacement is ib/X1. If this is divided by height of the crystal it gives the magnitude of shear strain due 

the movement of the ith dislocation. 

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

10 

 

Figure 7 presents a  schematic diagram of a  crystal having  several dislocations.  Let X1 be  the average 

length of the slip plane and X2 is the height of the crystal where the displacement is measured. On the 

basis of the reason given in the caption of fig 7 shear strain i is given by: 

                        (5) 

Total strain  ∑ ∑                                      (6) 

Note that the summation extends over all the mobile dislocations; n is the total number of dislocations; 

δis the average glide distance of dislocations and   (=n/(X1X2))  is the dislocation density  (number of 

dislocation  in  unit  area).    Since  the  shear  strain  and  tensile  strains  are  directly  related  the  relation 

between plastic strain () and dislocation density can be given by: 

                  (7) 

Note that average contribution to tensile displacement is . Differentiating equation 7 with time we get 

the frequently used relation between strain rate, dislocation density and dislocation velocity (v). 

                 (8) 

Relation between shear strength and dislocation density: 

Dislocation  density  increases  with  plastic  deformation.  Often  these  are  arranged  in  the  form  of  a 

network. Higher  the dislocation density higher  is  the number of dislocation nodes and  shorter  is  the 

average dislocation link length. Figure 8 shows the sketch of a dislocation network. 

 

 

Average  link  length can be easily related to dislocation density.  If   is the dislocation density  is the 

average  distance  between  dislocations.  This  in  turn  is  equal  to  the  link  length.  Therefore  the  shear 

strength of metal is given by 

                                      (9) 

This shows that strength of metal is proportional to the square root of dislocation density. 

An estimate of the stress required for dislocation glide: 

Slip or glide is the most common mechanism of plastic deformation of metals. We know that metals are 

made  of  crystals where  atoms  are  arranged  in  a  periodic  fashion.  The  shear  stress  ()  required  to displace atoms in a crystal by a small distance (x) on the slip plane along the glide direction is given by: 

lFig 8: A part of a typical dislocation network. Average link length of 

dislocation is l. Such links may act as Frank Read source.

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

11 

                                      (10) 

G is the shear modulus and b is the slip vector (distance between the two nearest atoms along the slip 

direction).  If x < b/ 4  there  is a  restoring  force  that would bring  the atoms back  to  its  initial position 

when the stress is withdrawn. However if x exceeds b/4 all the atoms above the slip plane would move 

to the next position of equilibrium. This would result in a permanent deformation. The stress needed for 

this to happen is GNo metal can withstand such a high stress. This is why the concept of dislocation 

was introduced. What is the magnitude that dislocation would need to glide on a slip plane? 

A crude approximation comes  from  the way  the atoms are arranged around an edge dislocation. The 

part of  the crystal above  the glide plane has an extra plane of atoms. Whereas  the part below has a 

plane where there is no atom. Therefore the atoms above the glide plane are under compressive stress 

and those beneath the plane are under tensile stress. When the dislocation moves the work done by the 

top  half  is  positive  and  that  by  the  bottom  half  is  negative.  Thus  the  net work  done  to move  the 

dislocation  is zero. So  is  the stress. This certainly does not explain why we need a certain amount of 

stress for the deformation to take place.  

One of the earliest and the simplest estimate came from Peierls & Nabarro.  Slide 8 introduces a concept 

of dislocation width which features in the expression derived by them. 

Peierls stress: stress to move a dislocation in a periodic lattice

2sin

2

G x

b

-b/4<x<b/4

0 2expp

wG

b

x

w

 

Assuming  a  simple  sinusoidal  force  displacement  relation  and  the  concept  of  dislocation width  the 

following expression for the shear strength (p) was derived by Peierls.  

≅                                (11) 

If hard ball approximation works  in describing material behavior, w  is  large. If atoms are soft w  is  less. 

For most FCC metals w  is of the order of 5b. This predicts extremely  low shear stress needed to move 

dislocations. As against this there are solids where w  is much  less. They have extremely high strength. 

They are difficult to deform (Example Alumina).  

Summary 

Slide 8: The dotted lines denote perfect lattice. The points 

of  intersection  are  the  locations  of  atoms.  The  firm 

vertical lines denote planes of atoms in a lattice having an 

edge dislocation. There is an extra half plane of atoms. In 

the presence of  this,  the planes near  the dislocation are 

distorted. This persists over a distance w. This is called the 

width of the dislocation. Let x be the distance between the dotted and the firm  line as shown  in the sketch. The 

width  is  the  length  of  the  region  over  which  x  lies between ±b/4. 

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

12 

In this module we looked at the experimental evidences for the presence of crystal defects. Etch pits in 

metals often seen under optical microscope are due to the presence of dislocations. Examination of thin 

metal foils under TEM shows direct evidence of the presence of various types of defects like, dislocation 

& stacking faults. The resolution of TEM has improved significantly over the years. With the availability 

of atomic  level  resolution  it  is now possible  to  reveal atomic arrangements around a dislocation. You 

may refer to a recent publication by Chien‐Chun Chen et al in Nature VOL 496 (2013) 74‐77. Introduction 

to  Dislocations  by  Derek  Hull  also  has  images  of  atomic  arrangements  around  an  edge  dislocation 

observed by Field Ion (Atom Probe) Microscope.  

We have also seen how the presence of vacancies can be  indirectly derived from the measurement of 

electrical  resistivity.  We  also  looked  at  the  structure  of  grain  boundary  and  tilt  boundary.  Rough 

estimates of the energies of such boundaries could be estimated. Methods of estimating stacking fault 

energy have been introduced. Apart from this a simple relation between the strain, the strain rate and 

the strength of metals with dislocation density has been derived. Five modules have been devoted  to 

introduce the concept of dislocation and other crystal defects that determine the properties of metals. 

You would appreciate the usefulness of this concept in subsequent modules particularly those related to 

the strengthening of metals and alloys.  

Exercise: 

1. Estimate  the  distance  between  dislocations  in  a  tilt  boundary  of  alumunium  if  the 

misorientation angle is 5⁰. Given lattice parameter of Al = 0.405nm. Crystal structure is fcc. 

 

2. A  more  precise  expression  for  low  energy  grain  biundary  is  given  by 

where A is an constant. This is valid over the range 0 < < 10⁰. Find a reasonable estimate of 

A. Given  lattice parameter of Ni  (fcc) = 0.35nm, G = 76MPa Poisson  ratio = 0.3  (Hint: assume 

dislocation core radius as 5b & the minimum distance between dislocation to be twice this. The 

doslocation core energy ) 

 

3. Estimate the dislocation spacing and energy of a  low angle boundary  in copper crystal (fcc b = 

0.25nm) if tilt angle = 1⁰. Given G = 48MPa &  = 0.3  

4. Use the expression given  in problem 2 to find our the tilt angle (max) at which the enegry of a 

low angle boundary is the maximum. Hence show that  1  

 

5. Estimate the energy of the  free surface of polycrystalline copper  from  its heat of sublimation. 

Does this vary from grain to grain? Given Ls = 338 kJ/mole; a = 0.36 nm 

Answer: 

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

13 

1. Burgers vector of a dislocation in a tilt boundary = 110√

.

√0.29  The spacing 

between the two dislocations is given by.

180 3.32  

 

2. Burgers  vector  =√

.

√0.25 When  the  dislocations  are  10b  apart  energy  of  the  low 

angle boundary =  (since boundary consists of one dislocation of unit length at every distance 

of h). h = 2r0 =10b. Thus   where  = b/10b = 0.1rad & A

 =‐1.42 

 

3. Since  poisson  ratio  is  same  as  in  the  previous  problem  1.42

.

. 1.42 0.13 J/m2  

 

4. Differentiating the expression for E:  0 Thus  1 On 

substituting the magtitude of A from the previous problem  5.1⁰ &   

(note A = 1+ln max)  1 1  

 

5. Energy of the  free surface depends on the way atoms are   arranged. This varies  from grain to 

grain depending on their orientations.  If Z  is the cordination number, the number of bonds of 

type AA in one mole of pure metal =  where N0 is Avogrado number.  If  is the energy of 

one bond,  where  Ls  is heat of  sublimation.  The  free  surface has  a  set of broken 

bonds. Energy of a broken bond is approximately /2. The number depends on the indices of the 

top surface. If it were (111) there will be 3 broken bonds / atom (There are 6 bonds on the plane 

3 beneath & 3 above  it). Energy of  free surface  is  therefore = 3/2  J/atom.  If na  is number of 

atom  / unit  area  surcae  free  energy  The  arrangements of  atom  in  (111) plane  is 

shown below. On substituion in expression for   √

√ 2.5 /  

 

 

 

 

 

√2 

60⁰ 

0.5

0.5√2

60

4

√3