Ch04 Notes

9/3/2015

1

Ch. 4 Solidification and Imperfections

Growth of Crystals and Formation of Grain Structure

Nuclei growing into grainsForming grain boundaries

9/3/2015

2

Homogeneous Nucleation

Energy

9/3/2015

3

Total Energy

Gs surface energy

Gv Volume free energy

9/3/2015

4

Undercooling

Typical Undercooling for Homogeneous Nucleation

Element Undercooling Tm

Ga 76 30

Bi 90 271

Pb 80 327

Al 130 660

Ag 250 962

Cu 236 1085

Ni 480 1453

Fe 420 1538

Pt 332 1772

NaCl 169 801

H2O 40 0

9/3/2015

5

Heterogeneous Nucleation

fls

fsa

fla

9/3/2015

6

Typical Grains in Aluminum

Solidification

9/3/2015

7

Dendrites

9/3/2015

8

Dendritic Fraction

Chvorinov’s Rule

9/3/2015

9

Casting in Industries

Figure 4.8Direct‐Chill semicontinuousCasting unit for aluminum

Figure 4.9b

Continuous castingOf steel ingots

Grain Structure in Industrial castings

(a) (b)

Grain  structure ofAluminum cast with (a) and without (b)grain refiners.

9/3/2015

10

Substrate makes a difference

Grain structure of Al onTa substrate (tantalum)

Grain structure of Alon TiN substrate

Same magnification level

Types of grains

9/3/2015

11

Solidification of Single Crystal

Metallic Solid Solutions = Alloys

9/3/2015

12

CuZn CuPb CuNi

Interstitial Solid Solution 

Carbon atoms r=0.075nm

Iron atoms r00.129nm

9/3/2015

13

Imperfections

Point Defects – Vacancy 

9/3/2015

14

Point Defects ‐ Interstitially

Point Defects in Ionic Crystals

Figure 4.17

9/3/2015

15

Edge Dislocation 

Burgers vector

Burgers Vector

Trace around the defect, count number of lattice vectors traveled

Trace same path in an undistorted lattice. 

The missing section is Burgers Vector (given in Direction indicies)and can be used to track dislocation magnitude and direction.

9/3/2015

16

Screw Dislocation

9/3/2015

17

Mixed Dislocation 

Figure 4.21

TEM CMSX‐4 plain bar

Grain Boundaries

9/3/2015

18

Twin Boundaries

Twin

Twin Plane

Transmission Electron Microscope

9/3/2015

19

The Scanning Electron Microscope

Examples

640 nm polystyrenesphere coated with gold

9/3/2015

20

Scanning Tunneling Microscope

Constant height and current modes

Surface of platinum with defects

Atomic Force Microscope

9/3/2015

21

Observing Grain Boundaries ‐Metallography

Effect of Etching

Unetched Steel200 X

Etched Steel200 X

Unetched Brass200 X

Etched Brass200 X

Figure 4.28

9/3/2015

22

Measuring Grain Size 

• ASTM grain size number ‘n’ is a measure of grain size.

N = 2 n‐1          N = Number of grains per

square inch of a polished

and etched specimen at 100 x.

n = ASTM grain size number.

200 X 200 X

1018 cold rolled steel, n=10 1045 cold rolled steel, n=8

n < 3 – Coarse grained4 < n < 6 – Medium grained7 < n < 9 – Fine grainedn > 10 – ultrafine grained

9/3/2015

23

Average Grain Diameter

• Average grain diameter

d = C/(nL * M)  

C=1.5, and M =magnification

nL is the ratio of number of 

grains intersected to length

of the line.

3 inches 5 grains.