+ All Categories
Home > Documents > Lecture 26

Lecture 26

Date post: 16-Jan-2016
Category:
Upload: aero-rock
View: 214 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
Description:
good
Popular Tags:
21
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering | | 1 Module 26 Common Binary Alloys Lecture 26 Common Binary Alloys
Transcript
Page 1: Lecture 26

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

Module 26

Common Binary Alloys

Lecture 26

Common Binary Alloys

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Lecture 26

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

Introduction  We are now familiar with binary and ternary phase diagrams. This tells us about the structure 

of  alloys.  This  in  turn determines  its properties. We  are  also  familiar with  the  limitations of 

phase  diagram.  However  the  entire  concept  was  introduced  with  the  help  of  hypothetical 

systems except for the case of iron – iron carbide system. Steel which is an iron carbon alloy is 

no doubt by  far the most commonly used metallic material. However  there are several other 

commercial alloys as well. In this lecture let us look at a few of these. We shall begin this lecture 

with the rules that govern the solubility limits in binary alloys. This to a great extent determines 

what kind of phase diagram a binary  system  is  likely  to have. There are  several binary alloys 

belonging  to  either  simple  isomorphous  or  simple  eutectics. We  shall  look  at  few  of  these. 

Apart from there are systems that have several intermediate phases. In some of the two metals 

are present in definite proportions as in a chemical compound. We shall learn the cases where 

we expect such intermediate compounds to form.  

Limits of solid solubility:  There are several examples where the two metals may have unlimited solubility whereas there 

are cases where the solubility  is very much restricted. There are certain rules that govern the 

limits of solubility. These are popularly known as the Hume Rothery rules. Two metals can have 

unlimited solubility if they satisfy the following four criteria.  

1. The atomic diameters of the two metals should be within ±15%. This known as the size 

factor. 

2. The two metals must have identical crystal structure. 

3. The metals must have the same valance. 

4. The difference between the electro‐negativity of the two atoms should not be greater 

than 0.4e.u. 

There are several examples of metals that satisfy the above set of rules. They have unlimited 

solubility  in solid state. Such alloys are classified as  isomorphous system. Cu‐Ni and Si‐Ge are 

common alloys within this system.  

In  terms  of  thermodynamic  criteria  ideal  solutions  tend  to  have  unlimited  solubility.  It was 

illustrated earlier that if two metals A & B form ideal solutions in both liquid and solid state its 

phase diagram corresponds to that of an isomorphous system. In pure metals we only have like 

bonds (either AA or BB). When they dissolve or get mixed some of the like bonds are replaced 

by unlike bonds. Let the number of these bonds be represented as nAA, nBB and nAB. Consider a 

case where . There  is no preferential arrangement of atoms. This satisfies the 

condition for a random solid solution. In such a case the activity of A (or B) is likely to be equal 

Page 3: Lecture 26

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

to  its  atom  (mole)  fraction  and  its phase  diagram will  be  similar  to  that  of  an  isomorphous 

system. If . The deviation from ideality is positive. The system would exhibit a 

tendency  to  form  clusters.  If . The  system would exhibit a  tendency  to  form 

compounds. Depending on  the extent of deviation  the  type of phase diagram would change. 

Figure 1  illustrates how with  increasing deviation  from  ideality an  isomorphous system could 

transform into a eutectic system.

 

 

 

 

 

 

The sketch on the extreme left of fig 1 shows a typical phase diagram for a system where both 

the  liquid and the solid exhibit  ideal behavior. The central sketch shows the effect of positive 

deviation  leading to the formation of clusters. This results  in a miscibility gap. With  increasing 

deviation the minimum in the  isomorphous portion of the diagram comes down and the peak 

temperature of the miscibility gap increases. Finally the two could meet resulting in a eutectic 

phase diagram. 

Examples of binary isomorphous system:   Slide  1  presents  the  phase  diagram  of  Cu‐Ni  system.  Both  copper &  nickel  have  the  same 

crystal  structure.  Their  lattice  parameters  are  nearly  the  same.  The  atomic  diameter  of  an 

elemental solid  is directly proportional  to  its  lattice parameter. Therefore size  factor appears 

favorable  for  unlimited  solubility.  They  have  identical  valence  (2).  The  electro‐negativity  is 

nearly the same. Therefore the two have unlimited solubility in the liquid state.  

A  B 

L +  

% B 

A  B 

L + 

% B 

A  B 

L + 

% B 

L + 2 

Fig 1 

Page 4: Lecture 26

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

Cu – Ni : Cupronickel

Cu Ni

1083

1455

UTS

Ductility

Good strength, ductility, low temp coefficient for resistance & corrosion resistance (marine). Application: heat exchanger,

condenser tubes, thermocouple (Cu 46Ni : constantan)

Cu: fcc: 3.61

Ni: fcc: 3.52

Cu:29 en: 1.90

Ni:28 en:1.91

 

The strength of metals  increases with  increasing alloy content. This  is known as solid solution 

strengthening. The sketch in slide 1 also displays the effect of composition on the UTS (Ultimate 

Tensile Strength).  It attains the highest value at an  intermediate composition. The  increase  in 

strength  is  accompanied  by  loss  of  ductility.  The  alloy  has  good  corrosion  resistance,  high 

strength,  and  good  ductility.  Its  electrical  resistance  is  less  sensitive  to  temperature.  It  is 

commonly used in heat exchangers, condenser tubes. The constantan wire in thermocouples is 

made of Cu‐46Ni. 

Ge-Si

Ge Si

940

1402

Ge: Diamond cubic: 5.66 Si: Diamond cubic: 5.43

Valence = 4 ( IV of periodic table) At No. 32 & 14

 

Ge & Si both belong to group IV in the periodic table. Their valence is four. Both have diamond 

cubic crystal  structure. Their  lattice parameters are 5.66 & 5.43 Angstrom  respectively. Their 

Slide 1

Slide 2

Page 5: Lecture 26

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

electro‐negativity is nearly the same. Therefore they too have unlimited solubility. Slide 2 gives 

phase diagram of Ge‐Si system. 

Cu-Au

Au Cu

1063 1083L

Au3Cu

AuCu

AuCu3

Au: fcc (4.08) At. No. 79 Group IB

Cu: fcc (3.61) at. No. 29 Group IB  

Au & Cu have the same crystal structure. They belong to group  IB of the periodic table. They 

have  identical valence. The difference  in their atomic diameters  is within 15%. Therefore they 

have unlimited solid solubility. However at lower temperatures it undergoes an order disorder 

transformation. It is an indicator of deviation from the condition for ideal solid solution. Crystal 

structure of Au‐Cu alloy  is FCC.  In the disordered state at higher temperatures the two atoms 

occupy lattice sites at random. For example in an alloy corresponding to Au3Cu one may assume 

that each  lattice point  is made of 75%Au and 25%Cu.  In ordered Au3Cu,  the gold atoms are 

located at face centers whereas the copper atoms are at the corner sites. The two sites are  in 

the ratio 3:1. This satisfies the composition as well.  There is an order disorder transformation 

at composition corresponding to AuCu3. In this case after the order disorder transformation Cu 

atoms occupy the face centers and Au atoms occupy the corner sites. In the case of AuCu there 

is a  little difference  in the way the two sites are occupied. We may assume that one the two 

occupies  the  corner  sites  and  centers  of  the  base.  The  other  occupies  the  remaining  face 

centers. 

 

 

 

 

 

Slide 3

Page 6: Lecture 26

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

 

 

 

 

 

 

 

Fig 2: Shows how atoms are arranged  in disordered and ordered  solid  solutions.  (a) Denotes 

disordered structure where each atom may be assumed to be made of partly Au and partly Cu. 

(b) Shows how the Au (red) and Cu (blue) atoms are arranged are arranged  in ordered Au3Cu.  

(c) Shows how the Au (red) and Cu (blue) atoms are arranged are arranged in ordered AuCu. 

Binary eutectic:  

Pb-Sn: Eutectic: nAB < 0.5(nAA+nBB)

Sn Pb

183

327

232

L

L+L+

Sn: tetragonal (a=5.35 c=3.18) & Pb : fcc 4.95

Atomic no. Sn: 50 Pb: 82 (IV of periodic table)

 

One of the most common example of a binary eutectic is that of Pb & Sn. Both belong to group 

IV of the periodic table. However the crystal structure of lead is FCC (a= 4.95Angstrom) and that 

Sn is body centered tetragonal (a= 5.35 & c = 3.18 Angstrom). This is system where the number 

of unlike bonds is less than which is expected if atoms are randomly arranged. Therefore it has 

a  tendency  to  form cluster. The  sketch  slide 4 gives a  schematic  representation of  the Pb‐Sn 

phase diagram. Note that the composition of the binary eutectic is always nearer to the metal 

having lower melting point. Pb‐Sn eutectic is a very popular material for solder.  

Slide 4

(a)  (b)  (c) 

Page 7: Lecture 26

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

Al-Si Eutectic

Al: fcc (4.05A) At. No. 13 group IIA : soft & ductile

Si: diamond cubic (5.43) At. No. 14 Group IVA Hard & brittle

L

Al Si

577

1412

660

11.6

 

Aluminum is a soft and ductile metal. It has FCC structure. It belongs to group II of the periodic 

table. Si on the other hand is hard and brittle. It belongs to group IVA of the periodic table. Its 

crystal  structure  is diamond cubic. Therefore The  two have very  limited solubility  is  the solid 

state. The two form a simple binary eutectic system. Slide 5 shows a sketch of the Al‐Si phase 

diagram.  The  eutectic  composition  is  around  11.8%  Si.  Si  is  amongst  the  few  elements  that 

expand of solidification.   Therefore hyper eutectic Al‐Si alloys having around 12% Si does not 

shrink on  solidification.  Therefore  these  are  easy  to  cast.  It  is one of  the most popular  cast 

aluminum alloys.  

Al-Si Eutectic

Eutectic consisting of coarse Si plates in Al matrix isbrittle. This can be modified by adding Na or NaCl.or rapid solidification. This improves its ductility.Useful cast alloy: pump casing, engine manifolds,piston ( with addition of a few other alloy elements)

L

Al Si

577

1412

660

 

Al–Si eutectic consists of coarse Si plates  in Al matrix. Such a  structure  is brittle. This can be 

modified by adding Na or NaCl or by  rapid  solidification. As a  result of modification eutectic 

temperature  is  lowered and  the composition of  the eutectic shifts  towards higher Si content. 

This  is  illustrated with  the help of a sketch given  in slide 6. This  improves  its ductility. Useful 

Slide 5 

Slide 6 

Page 8: Lecture 26

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

cast  alloy:  pump  casing,  engine manifolds,  and  pistons  (with  addition  of  a  few  other  alloy 

elements). 

Pb-Sb: Eutectic

Pb: fcc 4.95 & Sb: rhomb 4.51A 57.1

Pb: At no. 82 Group IVASb: 51 Group VA

Pb Sb

327252

11.1

LL+

630

 

Pb‐Sb forms a binary eutectic. It is given in slide 7. Note the difference in their crystal structure 

& valence. 

Ni-Cr

Cr Ni

L

1880

1455

CrNi3

Magnetic transformation

Cr: bcc (2.88A) At. No. 24 Group VIB

Ni: fcc (3.52A) At. No. 28 Group VIII

1345

 

Ni has FCC structure whereas Cr  is BCC. They belong to different groups  in the periodic table. 

Slide 8 gives a  sketch of  the Ni‐Cr binary phase diagram. Ni‐Cr alloy has very good oxidation 

resistance. Nichrome is a 80Ni20Cr alloy. It is used as heating element. Addition of a few other 

alloy elements makes it a very attractive alloy for high temperature applications.  

 

 

Slide 7 

Slide 8 

Page 9: Lecture 26

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

Phase diagrams having intermediate phases:  

As-Ga system nAB > 0.5(nAA+nBB)

Inter-metallic compound formation

Ga (31): IIIA & As (33): VA of periodic table

Ga: Orthorhombic As: HCP

Ga AsGaAs

1238

29.5

810 817

29.8

 

As‐Ga system is an excellent example of a binary alloy having an inter‐metallic compound GaAs. 

Note that the melting point of Ga  is very  low. But the  inter‐metallic compound has a melting 

point which much higher than those of As & Ga.   Slide 9 gives a sketch of the phase diagram. 

There is hardly any solid solubility. Here is an alloy where the number of bonds between unlike 

atoms  is  much  more  than  those  between  like  atoms.  The  slide  also  indicates  the  crystal 

structures of Ga & As and the groups of the periodic table they belong to.  

Mg-Sn: intermetallic

Mg SnMg2Sn

L

650

232

Mg: hcp (3.21, 5.21A) At. No. 12 group IIA

Sn: tetrag. (5.83, 3.18A) At. No. 50 Group IVA 

Mg‐Sn is also an excellent example of a binary alloy having an inter‐metallic compound Mg2Sn. 

It has two eutectics one between Mg & Mg2Sn and other between Mg2Sn and Sn. Slide 10 gives 

Slide 9 

Slide 10 

Page 10: Lecture 26

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

10 

a sketch of the phase diagram. Note that both GaAs & Mg2Sn melt at fixed temperatures very 

much like pure metals. 

Cu-Zn: Brass

1083

419

Cu Zn

902

423

560

834700600

30 50 60 80

62.5 Cu 37.5 Zn

Cu: fcc (3.61A) At. No. 29 Group IB

Zn: hcp (2.66, 4.95A) At. No. 30 group IIB

 

Cu‐Zn alloys are known as brass. Slide 11 gives the phase diagram of binary Cu‐Zn system. Note 

that  the melting point of Cu  is much higher  than  that of Zn. The  terminal  solid  solutions are 

called & . There are four intermediate phases. The phase  and  are the products of peritectic  reaction.  Unlike  inter‐metallic  compounds  like  GaAs  or Mg2Sn,  the  and   phases  do  not  have  fixed  composition  or melting  point.  These  are  known  as  intermediate 

phases. All of them have single phase structure.  

% ElongationUTS

0 60% Zn

UT

S

MP

a

40060%

Mechanical properties of brass

 

Slide 11 

Slide 12

Page 11: Lecture 26

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

11 

The  copper end alloys have  reddish  color. The  single phase alloys are known as alpha brass. 

They have good corrosion resistance. They are ductile. They can be cold worked. 70‐30 (70%Cu 

30% Zn) and 60‐40 (60%Cu 40% Zn) are the two most common grades of brass. The former is a 

single phase alloy.  It belongs  to  the  class of alpha brass.   As against  this 60Cu40Zn  is a  two 

phase alloy. It consists of two phases  & . It is yellow in color. It has good machinability but it 

cannot be cold worked. It is also known as  brass. The sketch in slide 12 gives the effect of % Zn on % elongation and UTS of brass. Note that 70/30 brass has the highest ductility. Beta brass 

has the highest strength. Gamma brass is very brittle. It is of little use. 

Cu‐Sn alloys are known as bronze.  Like  zinc,  tin  too has a  very  low melting point.  Its  crystal 

structure is different from that of Cu. They also have different valence. This is why solubility of 

Sn in Cu is limited.  

Cu-Sn: Bronze

Cu3Sn

L L

Cu ~45% SnCu: fcc (3.61A) At. No. 29 Group IB

Sn: Tetrag (5.83, 3.18A) At. No. 50 group IVA 

The sketch in slide 13 gives a part of the Cu‐Sn phase diagram. Within this region itself there are 

several  isothermal  reactions  involving  3  phase  equilibrium  involving  several  intermediate 

phases  ( etc.). Only one of  these  () has a  fixed composition. Cu‐10% Sn  is a popular 

grade of bronze. It has a two phase structure. The matrix is ductile but the second phase is hard 

and brittle. It has good wear resistance. It makes this a good bearing alloy.  

Slide 13

Page 12: Lecture 26

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

12 

Ti-Al

Ti Al

1720

660665

1340

1460

1240

Ti: hcp (2.95, 4.68A) / bcc (3.31) , At. No. 22 Group IVB

Al: fcc (4.05A), At. No. 13 group IIIA

 

Ti-V

Ti V

1720

1900

1620, 0.3

882

L

600

Ti: hcp (2.95, 4.68A) / bcc (3.31) , At. No. 22 Group IVB

V: bcc (3.03A), At. No. 23 Group VB

 

Titanium has two crystalline  forms. The room  temperature  form of Ti  is HCP. However above 

882  till  its melting point  it  is BCC. The BCC  form of Ti  is more amenable  to deformation. The 

room  form has  limited slip system. Therefore  it has relatively poor ductility. Two of the most 

common alloy additions to Ti are Al & V. The sketch in slide 14 gives the phase diagram of Ti‐Al 

and the sketch  in slide 15 gives the phase diagram of Ti‐V. Al  is an alpha stabilizer.  It extends 

the  region  in which   is  stable. As against  this V  is a beta  stabilizer.  It extends  the  region  in which  is stable.  

 

 

Slide 14

Slide 15

Page 13: Lecture 26

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

13 

Intermediate phases:  We are now familiar with the existence of several intermediate phases in various binary phase 

diagrams. They may be classified into 4 groups. These are as follows: 

1.  Electrochemical compound: Mg2(Pb, Sn, Ge, Si), Mg3(Bi,Sb,As)2 

2. Size factor compound: Fe3C 

3. Laves phase:  MgCu2, MgNi2  

4. Electron compound: CuZn, Cu9Al4 , CuZn3 

Electrochemical compound:  It  forms when one  is electropositive & the other electronegative. 

Mg  is a group  II element. Metals  like Pb(82) Sn(50) Ge(32) & Si(14) belong  to group  IV. The 

figures within  brackets  are  the  atomic  numbers  of  the  elements.  The  difference  in  valence 

makes Mg  electropositive  metals  like  Pb,  Sn,  Ge  &  Si  electronegative.  Therefore  it  favors 

formation of compounds such as Mg2Pb, Mg2Sn, Mg2Ge, & Mg2Si. Metals  like Bi(83) Sb(51) & 

As(33) belong to group V. In view of the large difference in their valence with respect to that of 

Mg they form compounds such as Mg3Bi2, Mg3Sb2, and Mg3As2.  

Size  factor compound:    It  forms when  the solute atom  is small enough  to be accommodated 

within the interstices of metal. The most common examples are those of carbides and nitrides. 

If the ratio of the radius of the interstitial atom to that of the metal is between 0.41 & 0.59  it 

forms  compounds  like MX  or M2X, where M  stands  for metal  and  X  stands  for  carbon  or 

nitrogen. Carbides and nitrides of metals like Ti, Zr, Hf, V, Nb, and Ta come under this category. 

If the ratio is greater than 0.59 there is more lattice distortion. The structure that forms is more 

complex that those of MX or M2X types of compounds. The most common example of such a 

compound is Fe3C known as cementite. 

Laves phase: This forms when atomic size difference is about 20‐30%. Each A atom has 12 B & 4 

A  atoms  as  its  neighbor &  each  B  atom  has  6  A &  6  B  atoms  as  its  neighbor.  Average  co‐

ordination number  is 13.33. This  is greater  than  that of a close packed  structure. MgCu2 and 

MgNi2 are two examples of such a phase. The former is cubic and the latter is hexagonal.  

Electron  compounds:  This  forms  at  specific  electron  to  atom  (e/a)  ratio. Metals  have  free 

electrons. In mono‐valent metals the ratio is one. If a metal having higher valence is added the 

ratio  keeps  increasing.  For  example  valence  of  copper  is  one.  Its  e/a  ratio  is  one. When  Zn 

whose valence is two is added to Cu the e/a ratio would increase. When the e/a ratio becomes 

1.5  (3/2)  a  new  intermediate  phase  called    brass  forms.  This  occurs  when  the  alloy  has 

50atomic % Zn. It corresponds to CuZn.  The  brass is FCC whereas  brass is BCC. The electron 

Page 14: Lecture 26

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

14 

compounds that form at this e/a ratio is known to have b brass structure. Table 1 give a list of 

several other alloy system where such a compound can form. 

 

 

Table 1 

 

 

 

 

 

 

 

Table 1 also  includes examples of  two other  set of electron  compounds. They are known as 

gamma and epsilon brass. The former occurs at e/a = 21/13 and the latter occurs at e/a = 7/4. 

The  table also gives a  list of several other examples of electron compounds having  the same 

crystal structures as those of gamma and epsilon brasses. 

Summary:  In  this  lecture  we  looked  at  several  common  binary  alloys.  Some  of  these  are  simple 

isomorphous  or  eutectic while  others  have  several  intermediate  phases.  Some  of  the  solid 

solutions have  tendency  to  form  cluster whereas  some exhibit ordering. Au‐Cu  system  is  an 

excellent  example  where  there  is  transition  from  ordered  to  disordered  structure  as  it  is 

heated. In ordered structures Au & Cu atoms occupy specific sites whereas in disordered state 

these  are  randomly  located. We have also  talked  about  four different  types of  intermediate 

phases and their characteristics. The structure of an alloy can be guessed if we know its phase 

diagram.  There  is  strong  correlation  between  structure  and properties.  Therefore  looking  at 

such diagrams we can have an  idea about the properties of the alloys. We can say whether  it 

can be cold worked or to what temperature the alloy  is to be heated so that  it can withstand 

plastic deformation. We shall learn more about these in subsequent lectures. 

 

 

 brass 

(e/a = 3/2)

brass 

(e/a = 21/13)

 brass 

(e/a = 7/4)

CuZn  Cu5Zn8 CuZn3

Cu3Al  Cu9Al4 Cu3Sn

Cu5Sn  Cu31Sn8 Cu3Si

NiAl  Fe5Zn21 Ag5Al3

Page 15: Lecture 26

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

15 

Exercise:  

1. Which lead – tin alloy will be ideal for joining electronic assemblies? Give reason. 

2. Why is Al‐12% Si alloy a very popular casting material for automotive applications? 

3. Cartridge brass  is easily cold worked but Muntz metal can not be cold worked. Explain 

why it is so. 

4. What is the diffrence between disordered & ordered AuCu3 alloy? How is the presence 

of ordered structure detected? 

Answers:  

1. Eutectic composition is ideal. It has 62Sn 38Pb. It melts at a fixed temperature. It flows 

easily into tiny gaps which is the essential criteria for joining electronic assemblies. 

2. Apart  from  light weight  it has excellent castability. By modification  it can be made  to 

solidify  as  complete  eutectic  structure.  Most  metals  (inculdes  Al)  contract  on 

solidification.  Si  exapnds  on  solidification.  Al‐12Si  is  an  optimum  combination where 

there  is  little  shrinkage  on  solidification.  It  is  therefore  easy  to  produce  defect  free 

casting with no shrinkage cavity. 

3. Cartridge brass has 70%Cu & 30% Zn. A  look at Cu‐Zn phase diagram shows that  it  is a 

single phase alloy. Therefore  it can be deformed  /  shaped easily by cold work. Muntz 

metal on the other hand had 60%Cu40%Zn. It falls within  region of phase diagram. 

  is relatively brittle at room tem[perature. A two phase structure  is always difficult to 

cold  work.  However  if  heated  it  goes  to  a  single  phase  region.  This  is  where  it  is 

amenable to working. (It can be hot worked) 

4. In disordered state both Au & Cu atoms are distributed  in both cube corners and face 

centres  in proportion to  their respective atomic percent. Virtually each atom could be 

assumed to be made of  I part of Au & 3 parts of Cu.  In ordered state all Au atoms are 

located in corner sites & Cu atoms occupy face centres. These sites are in ratio 1:3 in fcc 

lattice.  This  is  best  detected  by  powder  X‐Ray  diffraction  technique.  Disordered 

structure gives reflections corresponding to fcc lattice where as reflection form ordered 

structure  corresponds  to  simple  cubic  lattice.  Additional  reflections  are  called  super 

lattice reflection. 

 

 

 

 

Page 16: Lecture 26

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

16 

Appendix 

This includes a binary phase diagrams of AlNi and AlFe system having a number of intermediate phases. 

AlNi system has an  intermediate phase AlNi having a  fixed melting point which  is higher  than  that of 

pure  Ni.  However  the  others  do  not  have  a  fixed  melting  point.  Aluminides  have  attractive  high 

temperature properties. Many of  them have ordered structure. This  is  responsible  for  the anomalous 

temperature  dependence  of  its  yield  strength.  It  increases with  increasing  temperature  unlike most 

metals and alloys. A dislocation in an ordered structure splits into two pairs of partials separated by an 

anti‐phase domain. It is mobile as long as it remains in a plane. However at high temperature as a result 

of  thermal  activation  a  part  of  this may  climb  on  to  another  plane making  this  immobile.  Such  a 

configuration  is known as Kear – Wilsdrof  lock. This  is why  the strength of an  inter‐metallic  like Ni3Al 

increases with  temperature.  It  forms  a major  constituent  in  several Ni base  super‐alloys used  in  gas 

turbines.  Figure  A1  gives  a  schematic  binary  phase  diagram  of  Al‐Ni  system.  Table  A1  gives  the 

composition range and crystal structures of various phases that could be present in binary Al‐Ni system.  

 

 

1638°C 

at. % Ni 0  100 

AlNi 

640°C 

854°C 

1133°C 

1455°C 

700°C 

Al  Ni 

T° C 

660°C 

1395 

1385 

Al3Ni  Al3Ni2  Al3Ni5  AlNi3 

Fig A1: Gives a schematic (not to scale) binary Al‐Ni phase diagram. It has 6 intermediate phases. 

These  are  often  called  as Nickel Aluminide. One  of  these  is  a  congruently melting  alloy whose 

melting point (1638°C) is higher than that of both Al and Ni. Ni3Al has an ordered structure. It is a 

major constituent of several high temperature Ni base super‐alloys. 

Page 17: Lecture 26

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

17 

 

 

Table A1: Crystal structure & stability range of various phases in Al‐Ni binary alloy  

Phases  Crystal structure (Prototype)  Composition range (at. % Ni) 

Al rich solid solution  A1(Cu) FCC  Negligible solubility 

Al3Ni  D011 (Fe3C) (Orthorhombic)   25 

Al3Ni2   D513  37 ‐ 40 

AlNi  B2 (CsCl)  42 ‐ 69 

Al3Ni5  Cmmm (Gs3Pt5)  64 ‐ 68 

AlNi3  L12 (AuCu3)  73 ‐ 76 

Ni rich solid solution  A1 (Cu) FCC  80 ‐ 100  

Figure  A2  gives  a  schematic  binary  phase  diagram  of  Fe‐Al  system.  Table  A2  gives  the 

composition range and crystal structures of various phases that could be present in binary Fe‐Al 

system. 

Page 18: Lecture 26

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

18 

 

Table A2: Crystal structure & stability range of various phases in Fe‐Al binary alloy 

Phases  Crystal structure  Composition range (at. %) 

 Fe solid solution  BCC  0 ‐ 45 

 Fe  FCC  0 ‐ 1.3

Fe3Al  D03  23 ‐ 34 

FeAl (2)  BCC (Ordered) 23 ‐ 55

Fe2Al3  Complex cubic  58 ‐ 65 

FeAl2  Triclinic  66 ‐ 67 

Fe2Al5  Orthorhombic  70 ‐ 73 

FeAl3  Monoclinic  74.5 – 76.5 

Al solid solution  FCC  99.998 ‐ 100  

 

 

1538 

1394 

910 

770 

13101215

1092

1171

652 

660

11571164

Fe  Al at. % Al 

Fe 

Fe 

Curie 

temperature 

Coherent 

equilibrium 

Fe3Al 

FeAl2 

Fe2Al5 

FeAl3 

Fig A2: Gives a schematic (not to scale) binary Fe‐Al phase diagram. It has 7 intermediate 

phases. These are often called as Iron Aluminide. One of these () is not stable at room 

Page 19: Lecture 26

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

19 

Representation of crystal structure:   We are familiar with unit cell and Bravais  lattice. These are frame work used to represent the 

way atoms are arranged in a crystal. In pure metals a  lattice point may denote the  location of 

an  atom. However  in  intermediate phases or  in  compounds  a  lattice  point may  represent  a 

group  of  atoms. Most minerals  and  inorganic  chemicals  have well  developed  crystal  faces. 

Often  these are  large enough  to  find  their  symmetry elements  (mirror plane, 2‐6  fold axis of 

symmetry, centre of symmetry etc). There are 32 different combinations of symmetry elements 

around a point. These are known as point groups. All of them are easily  identifiable  from the 

shape of the crystal. They can be classified into 7 crystal system. However with the introduction 

of X‐ray diffraction technique it is now possible to indentify precise locations of atoms in a unit 

cell  of  a  crystal.  Therefore  in  order  to  describe  a  crystal  structure  it  became  necessary  to 

introduce  the  concept of  space  group  representing  an  array of  symmetry  elements  in  three 

dimensions. A  large number of the possible space groups, consists of an array of point groups 

around the 14 Bravais lattices. However apart from these, it is necessary to consider additional 

microscopic  symmetry elements  that  are not possible  in point  groups. The  inclusion of both 

macroscopic and microscopic symmetry elements at all  lattice points, gives  rise  to 230 space 

groups  to which  all  crystals must  belong.  In  order  to  describe  the  crystal  structure  several 

notations have evolved over the years. These are Strukturbericht symbol, Pearson symbol, and 

Space group. Table A3 gives the Stukturbericht designation for a few selected types of crystal 

structures. It consists of a letter describing the type of structure followed by a number denoting 

specific type within this category. (For details see books on crystal structure: J D Tilley Crystals 

and Crystal Structures, John Wiley & Sons Ltd 2006) 

Table A3: Strukturbericht designation and names for a few selected crystal structures 

Type  Chemical symbol  Example 

A  Elements  A1:  FCC  (Al,  Cu);  A2:  BCC  (Fe,  Mo);  A3:  HCP  (Mg,  Zn);  A4: Diamond (C) 

B  AB : compound  B1:  Halite  (NaCl);  B2:  CsCl;  B3:  Zinc  Blende  (ZnS);  B4: Wurzite (ZnO) 

C  AB2 : compound  C1: Fluorite (CaF2); C2: Rutile (TiO2) 

D  AmBn : compound  D03 : Fe3Al 

L  Alloys  L12 : AuCu3  

Pearson symbol gives successively the crystal structure, the Bravais  lattice and the number of 

atoms in a unit cell. For example crystal structure of FCC Cu is denoted as cF4 and that of rock 

salt (NaCl) is given by cF8. Note that ‘c’ stands for ‘cubic crystal’ and ‘F’ denotes ‘Face centered 

lattice’.  The  numbers  4  &  8  denote  the  number  of  atoms  in  unit  cells  of  Cu  and  NaCl 

respectively.  In  this  nomenclature  ‘a’  means  triclinic,  ‘m’  means  monoclinic,  ‘o’  means 

Page 20: Lecture 26

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

20 

orthorhombic, ‘t’ means tetragonal, ‘h’ means hexagonal and ‘c’ means cubic. A capital letter is 

used  to  represent  Bravais  lattice.  ‘F’  denotes  face  centered,  ‘I’  denotes  body  centered,  ‘C’ 

denotes base centered, ‘R’ denotes rhombohedral and ‘P’ denotes primitive.  

Space group notations give an  idea of  the  lattice and  the symmetry elements. For example P 

denotes simple lattice whereas F denotes a lattice having a point at the centre of all the 6 faces. 

The notation begins with a capital letter representing the type of the lattice followed by a set of 

symmetry elements. The representation  is a  little more complex.  It  is beyond the scope of an 

elementary  course  of  physical  metallurgy.  Interested  readers  may  refer  to  a  book  on 

crystallography. Table A4 gives a comparison of  the  three different ways of  representing  the 

structures of various crystalline materials. There are instances where only one of these may not 

be sufficient to describe the structure of a crystal.  

Table A4: Representation of crystal structure using the above notations 

Strukturbericht  Prototype  Pearson  Space group 

A1  Cu  cF4  Fm3m 

A2  W  cI2  Im3m 

A3  Mg  hP2  P63/mmc 

B1  NaCl  cF8  Fm3m 

B2  CsCl  cP2  Pm3m 

D03  BiF3  cF16  Fm3m 

L12  AuCu3  cP4  Pm3m 

 

 Many of the intermediate phases or inter‐metallic compounds have attractive properties.  For 

example aluminides of Ni, Ti & Fe have very good oxidation / corrosion resistance, low density 

and high strength & stiffness at elevated temperature. Some of these like Al3Ni have the exact 

stoichiometric composition whereas other may be stable over a range of composition. Most of 

these have ordered  structure.  This  is  responsible  for  its high  strength. A major  limitation of 

these  is poor ductility. Considerable efforts have gone  in,  to  improve  its ductility. One of  the 

possible ways is alloying.  The two of the most widely studied inter‐metallics are Ni3Al and NiAl. 

The crystal structure of Ni3Al  is L12. The corresponding Pearson symbol  is cP4. It suggests that 

the crystal structure  is cubic. P stands  for primitive Bravais  lattice.  ‘4’ denotes the number of 

atoms in a unit cell. It is a derivative of face centered cubic (fcc) structure. Figure A3 (a) gives a 

sketch of a unit cell of Ni3Al.  In an ordered structure Al occupies  the corner sites whereas Ni 

occupies  face  centers.  The number of  corner  and  face  centre  sites  are  in  the  ratio 1:3. This 

corresponds to its exact stoichiometry. It is a major constituent of several commercial Ni base 

super‐alloys. Some of  these may have as high as 70% Ni3Al.  It  is often  referred  to as gamma 

prime phase (’). 

Page 21: Lecture 26

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

21 

The crystal structure of NiAl is B2. The corresponding Pearson symbol is cP2. It suggests that the 

crystal structure is cubic. P stands for primitive Bravais lattice. ‘2’ denotes the number of atoms 

in  a  unit  cell.  It  is  a  derivative  of body  centered  cubic  (bcc)  structure.  Figure A3  (b)  gives  a 

sketch of a unit cell of NiAl.  In an ordered  structure Al occupies  the corner  sites whereas Ni 

occupies body centers (or vice versa).  

 

 

 

 

Ni3Al  NiAl 

Al 

Ni 

Fig A3: The atomic arrangement within a unit cube of (a) Ni3Al where Al atoms are at the 8 

corners and Ni atoms are at the 6 face centers of a unit cube and (b) NiAl where Al atoms 

are at the 8 corners whereas Ni atom is at the centre of a unit cube. 


Recommended