background image

Lecture 1

Introduction to materials science and engineering

1

 .Materials Science

o

The discipline of investigating the relationships that exist between the

structures and properties of materials.

 Materials Engineering

o

The discipline of designing or engineering the structure of a material to

produce a predetermined set of properties based on established

structure-property correlation.

 Four Major Components of Material Science and Engineering:

o

Structure of Materials

o

Properties of Materials

o

Processing of Materials

o

Performance of Materials

Why Study Materials Science and Engineering?

All engineers need to know about materials. Innovation in engineering often means

the clever use of a new material for a specific application. For example: plastic

containers in place of age-old metallic containers. It is well learnt lesion that

engineering disasters are frequently caused by the misuse of materials. So it is vital

that the professional engineer should know how to select materials which best fit the

demands of the design - economic and aesthetic demands, as well as demands of

strength and durability. Beforehand the designer must understand the properties of

materials, and their limitations. Thus it is very important that every engineer must

study and understand the concepts of Materials Science and Engineering. This enables

the engineer


background image

Lecture 1

Introduction to materials science and engineering

2

• To select a material for a given use based on considerations of cost and

performance.

• To understand the limits of materials and the change of their properties with use.

• To be able to create a new material that will have some desirable properties.

• To be able to use the material for different application.

Classification of Materials

Like many other things, materials are classified in groups, One can classify them

based on many criteria, for example crystal structure (arrangement of atoms and

bonds between them), or properties, or use. Metals, Ceramics, Polymers, Composites,

Semiconductors, and Biomaterials constitute the main classes of present engineering

materials.

Metals

These materials are characterized by high thermal and electrical conductivity; strong

yet deformable under applied mechanical loads; opaque to light (shiny if polished).

These characteristics are due to valence electrons that are detached from atoms, and

spread in an electron sea that glues the ions together, i.e. atoms are bound together by

metallic bonds and weaker van der Waalls forces. Pure metals are not good enough

for many applications, especially structural applications. Thus metals are used in alloy

form i.e. a metal mixed with another metal to improve the desired qualities. E.g.:

aluminum, steel, brass, gold.

Ceramics

These are inorganic compounds, and usually made either of oxides, carbides, nitrides,

or silicates of metals. Ceramics are typically partly crystalline and partly amorphous.

Atoms (ions often) in ceramic materials behave mostly like either positive or negative

ions, and are bound by very strong Coulomb forces between them. These materials

are characterized by very high strength under compression, low ductility; usually

insulators to heat and electricity. Examples: glass, porcelain, many minerals.


background image

Lecture 1

Introduction to materials science and engineering

3

Polymers

Polymers in the form of thermo-plastics (nylon, polyethylene, polyvinyl chloride,

rubber, etc.) consist of molecules that have covalent bonding within each molecule

and van der Waals forces between them. Polymers in the form of thermo-sets (e.g.,

epoxy, phenolics, etc.) consist of a network of covalent bonds. They are based on H,

C and other non-metallic elements. Polymers are amorphous, except for a minority of

thermoplastics. Due to the kind of bonding, polymers are typically electrical and

thermal insulators. However, conducting polymers can be obtained by doping, and

conducting polymer-matrix composites can be obtained by the use of conducting

fillers. They decompose at moderate temperatures (100 – 400 C). These materials

typically have low densities and may be extremely flexible.

Composite materials

Composite materials are multiphase materials obtained by artificial combination of

different materials to attain properties that the individual components cannot attain.

An example is a lightweight brake disc obtained by embedding SiC particles in Al-

alloy matrix. Another example is reinforced cement concrete, a structural composite

obtained by combining cement (the matrix, i.e., the binder, obtained by a reaction

known as hydration, between cement and water), sand (fine aggregate), gravel (coarse

aggregate), and, thick steel

fibers. However, there are some natural composites

available in nature, for example – wood. In general, composites are classified

according to their matrix materials. The main classes of composites are metal-matrix,

polymer-matrix, and ceramic-matrix.

Semiconductors

Semiconductors have electrical properties that are intermediate between the electrical

conductors and insulators. Furthermore, the electrical characteristics of these

materials are extremely sensitive to the presence of minute concentrations of impurity

atoms, which concentrations may be controlled over very small spatial regions.

They are opaque to visible light but transparent to the infrared. Examples: silicon

(Si), germanium (Ge), and gallium arsenide (GaAs, a compound semiconductor).


background image

Lecture 1

Introduction to materials science and engineering

4

Biomaterials

These are any type material that can be used for replacement of damaged or diseased

human body parts. Primary requirement of these materials is that they must be

biocompatible with body tissues, and must not produce toxic substances. Other

important material factors are: ability to support forces; low friction, wear, density,

and cost; reproducibility. Typical applications involve heart valves, hip joints, dental

implants, intraocular lenses. Examples: Stainless steel, Co-28Cr-6Mo, Ti-6Al-4V,

ultra high molecular weight poly-ethelene, high purity dense Al-oxide, etc.

Advanced Materials

These are materials used in High-Tech devices those operate based on relatively

intricate and sophisticated principles (e.g. computers, air/space-crafts, electronic

gadgets, etc.). These materials are either traditional materials with enhanced

properties or newly developed materials with high-performance capabilities. Hence

these are relatively expensive. Typical applications: integrated circuits, lasers, LCDs,

fiber optics, thermal protection for space shuttle, etc. Examples: Metallic foams, inter-

metallic compounds, multi-component alloys, magnetic alloys, special ceramics and

high temperature materials, etc.

Modern Materials needs

Though there has been tremendous progress over the decades in the field of materials

science and engineering, innovation of new technologies, and need for better

performances of existing technologies demands much more from the materials field.

More over it is evident that new materials/technologies are needed to be

environmental friendly. Some typical needs, thus, of modern materials needs are listed

in the following:

• Engine efficiency increases at high temperatures: requires high temperature
structural materials

• Use of nuclear energy requires solving problem with residues, or advances in

nuclear waste processing.

• Hypersonic flight requires materials that are light, strong and resist high
temperatures.

• Optical communications require optical fibers that absorb light negligibly.


background image

Lecture 1

Introduction to materials science and engineering

5

• Civil construction – materials for unbreakable windows.

• Structures: materials that are strong like metals and resist corrosion like plastics.




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام عضوان و 125 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل