background image

Chapter  1  -­ 1

Materials  Science

Chapter  1:  Introduction


background image

Chapter  1  -­ 2

Key  Objectives

1. List  six  different  property  classifications  of  materials  that  

determine  their  applicability.

2. (a) Cite  the  four  components  that  are  involved  in  the  design,  

production,  and  utilization  of  materials.

(b) Briefly  describe  the  interrelationships  between  these  

components.

3. Cite  three  criteria  that  are  important  in  the  materials  selection  

process.

4. List  the  three  primary  classifications  of  solid  materials,  and  then  

cite  the  distinctive  chemical  feature  of  each.


background image

Chapter  1  -­

MATERIALS

• Materials  may  be  defined  as  substance  of  

which  something  is  composed  or  made.

• We  obtain  materials  from  earth  crust  and  

atmosphere.

• Examples  :

Silicon  and  Iron  constitute  27.72  and  5.00  

percentage  of  weight  of  earths  crust  
respectively.
Nitrogen  and  Oxygen  constitute  78.08  and  
20.95  percentage  of    dry  air  by  volume  
respectively.

3


background image

Chapter  1  -­ 4

1.1 Historical  Perspective

• Materials  are  probably  more  deep-­seated  in  

our  culture  than  most  of  us  realize.

• Transportation,  housing,  clothing,  

communication,  recreation,  and  food  
production—virtually  every  segment  of  our  
everyday  lives  is  influenced  to  one  degree  or  
another  by  materials.


background image

Chapter  1  -­ 5

1.1 Historical  Perspective

• The  earliest  humans  had  access  to  only  a  

very  limited  number  of  materials,  those  that  
occur  naturally:  stone,  wood,  clay,  skins,  and  
so  on.


background image

Chapter  1  -­ 6

1.1 Historical  Perspective

• With  time  they  discovered  techniques  for  

producing  materials  that  had  properties  
superior  to  those  of  the  natural  ones;;  these  
new  materials  included  pottery  and  various  
metals.  

• Furthermore,it  was  discovered  that  the  

properties  of  a  material  could  be  altered  by  
heat  treatments  and  by  the  addition  of  other  
substances.


background image

Chapter  1  -­ 7

1.1 Historical  Perspective

• Materials  drive  our  society

– Stone  Age:  Natural  materials  (2.5M  BC)
– Bronze  Age:  Processed  materials  (3500  BC)
– Iron  Age  (1000  BC)
– Now?

• Silicon  Age?
• Polymer  Age?
• Bio-­technology,  Nano-­technology,  etc


background image

Chapter  1  -­ 8

1.1 Historical  Perspective


background image

Chapter  1  -­ 9

1.1 Historical  Perspective


background image

Chapter  1  -­ 10

1.2  Materials  Science  &  Materials  Engineering

• Materials  Science:

– involves  the  investigation  of  the  

relationship  between  the  

structures  and  properties  of  materials

• Materials  Engineering:

– on  the  basis  of  the  structure-­property  correlations,  

designing  

(or  engineering)  the  structure  to  produce  a  target  property

Materials  Science  and  Engineering

Design

Production

Application


background image

Chapter  1  -­ 11

ex:    hardness  vs  structure  of  steel

•    

Properties  

depend  on

structure

Data  obtained  from  Figs.  10.30(a)
and  10.32  with  4  wt%  C  composition,
and  from  Fig.  11.14  and  associated
discussion,  Callister  7e.
Micrographs  adapted  from  (a)  Fig.
10.19;;  (b)  Fig.  9.30;;(c)  Fig.  10.33;;
and  (d)  Fig.  10.21,  Callister  7e.

ex:    structure  vs  cooling  rate  of  steel

•    

Processing  

can  change

structure

H

ar

dn

ess  

(B

H

N

)

Cooling  Rate  (ºC/s)

100

200

300

400

500

600

0.01 0.1

1

10

100 1000

(d)

30

µm

(c)

4

µm

(b)

30

µm

(a)

30

µm

Structure-­Property  Relationship  – Example  #1


background image

Chapter  1  -­ 12

Structure-­Property  Relationship  – Example  #2

• A:  Single  crystal  – transparent
• B:  Polycrystal  – translucent
• C:  Porous  polycrystal  -­ opaque

A

B

C

Three  thin  disks  (A,  B,  and  C)  of  aluminum  oxide  (alumina,  Al

2

O

3

)  –

same  material

but  

different  microstructures

,  and  hence,  

different  optical  

properties

(light-­transmittance  characteristics).


background image

Chapter  1  -­ 13

1.

Pick    

Application

Determine  required  

Properties

2.

Properties

Identify  candidate  

Material(s)

3.

Material

Identify  required  

Processing

Processing:    changes  structure and  overall  shape
ex:    casting,  sintering,  vapor  deposition,  doping

forming,  joining,  annealing.

Properties:    mechanical,  electrical,  thermal,
magnetic,  optical,  deteriorative.

Material:    structure,  composition.

The  Materials  Selection  Process


background image

Chapter  1  -­ 14

1.3 Structure

• Structure  of  a  material  relates  to  the  arrangement  of  its  internal  

components.

– Subatomic  structure

:  electrons  within  the  individual  atoms  

and  interactions  with  their  nuclei  (Ch.  2)

– Atomic  level

:  structure  encompasses  the  organization  of  

atoms  or  molecules  relative  to  one  another  (Ch.  3)

– Microscopic  level

:  large  groups  of  atoms  that  are  normally  

agglomerated  together  (Ch.  4)

– Macroscopic  level

:  structural  elements  that  may  be  viewed  

with  the  naked  eye


background image

Chapter  1  -­ 15

1.4 Classification  of  Properties

• Property:  the  kind  and  magnitude  of  response  to  a  specific  

imposed  stimulus

• Properties  of  solid  materials:

– Mechanical

:  relate  deformation  to  an  applied  load  or  force;;  

elastic  modulus,  strength,  etc  (Ch.  6,  7,  8,  etc)

– Electrical

:  electrical  conductivity  (Ch.  18)

– Thermal

:  heat  capacity  and  thermal  conductivity  (Ch.  19)

– Magnetic

:  response  of  a  material  to  the  application  of  a  

magnetic  field  (Ch.  20)

– Optical

:  response  to  electromagnetic  or  light  radiation;;  index  

of  refraction,  reflectivity  (Ch.  21)

– Deteriorative

:  the  chemical  reactivity  of  materials  (Ch.  17)


background image

Chapter  1  -­ 16

ELECTRICAL

•    Electrical  Resistivity  of  Copper:

•    Adding  “

impurity

”  atoms  to  Cu  increases  

resistivity

.

•    

Deforming

Cu  increases  

resistivity

.

Adapted  from  Fig.  18.8,  Callister  7e.
(Fig.  18.8  adapted  from:  J.O.  Linde,
Ann  Physik 5,  219  (1932);;  and
C.A.  Wert  and  R.M.  Thomson,
Physics  of  Solids,  2nd  edition,
McGraw-­Hill  Company,  New  York,
1970.)

(°C)

-­200

-­100

0

1

2

3

4

5

6

R

esi

st

ivi

ty

,  r

(1

0

-­8

Oh

m

-­m)

0


background image

Chapter  1  -­ 17

THERMAL

•    Space  Shuttle  Tiles:

-­-­Silica  fiber  insulation

offers  low  

heat  conduction

.

•    

Thermal  Conductivity

of  Copper:

-­-­It  decreases  when

you  add  zinc!

Adapted  from
Fig.  19.4W,  Callister  
6e.    
(Courtesy  of  
Lockheed  Aerospace  
Ceramics  Systems,  
Sunnyvale,  CA)
(Note:    "W"  denotes  fig.  
is  on  CD-­ROM.)

Adapted  from  Fig.  19.4,  Callister  7e.
(Fig.  19.4  is  adapted  from  Metals  Handbook:  
Properties  and  Selection:  Nonferrous  alloys  and  
Pure  Metals
,  Vol.  2,  9th  ed.,  H.  Baker,  
(Managing  Editor),  American  Society  for  Metals,  
1979,  p.  315.)

Composition  (wt%  Zinc)

T

he

rm

al

  C

on

du

ct

ivi

ty  

(W/

m

-­K)

400

300

200

100

0

0

10

20

30

40

100

µm

Adapted  from  chapter-­
opening  photograph,  
Chapter  19,  Callister  7e.  
(Courtesy  of  Lockheed
Missiles  and  Space
Company,  Inc.)


background image

Chapter  1  -­ 18

MAGNETIC

•    

Magnetic  Permeability

vs.  Composition:

-­-­Adding  3  atomic  %  Si

makes  Fe  a  better
recording  medium!

Adapted  from  C.R.    Barrett,  W.D.    Nix,  and
A.S.  Tetelman,  The  Principles  of
Engineering  Materials
,    Fig.  1-­7(a),  p.  9,
1973. Electronically  reproduced
by  permission  of  Pearson  Education,  Inc.,
Upper  Saddle  River,  New  Jersey.

Fig.  20.23,  Callister  7e.
(Fig.  20.23  is  from  J.U.  Lemke,  MRS  Bulletin,
Vol.  XV,  No.  3,  p.  31,  1990.)

•    

Magnetic  Storage

:

-­-­Recording  medium

is  magnetized  by
recording  head.

Magnetic  Field

M

ag

ne

tiza

tio

n

Fe+3%Si

Fe


background image

Chapter  1  -­ 19

•    

Transmittance

:

-­-­Aluminum  oxide  may  be  transparent,  translucent,  or

opaque  depending  on  the  material  structure.  

Adapted  from  Fig.  1.2,
Callister  7e.
(Specimen  preparation,
P.A.  Lessing;;  photo  by  S.  
Tanner.)

single  crystal

polycrystal:

low  porosity

polycrystal:

high  porosity

OPTICAL


background image

Chapter  1  -­ 20

DETERIORATIVE

•    Stress  &  Saltwater...

-­-­causes  cracks!  

Adapted  from  chapter-­opening  photograph,  
Chapter  17,  Callister  7e.
(from  Marine  Corrosion,  Causes,  and  
Prevention
,  John  Wiley  and  Sons,  Inc.,  1975.)

4

µm

-­-­material:

7150-­T651  Al  "alloy"

(Zn,Cu,Mg,Zr)

Adapted  from  Fig.  11.26,
Callister  7e.  (Fig.  11.26  provided  courtesy  of  G.H.
Narayanan  and  A.G.  Miller,  Boeing  Commercial
Airplane  Company.)

•    Heat  treatment:

slows

crack  speed  in  salt  water!  

Adapted  from  Fig.  11.20(b),  R.W.  Hertzberg,  "Deformation  and  
Fracture  Mechanics  of  Engineering  Materials"  (4th  ed.),  p.  505,  John  
Wiley  and  Sons,  1996.    (Original  source:    Markus  O.  Speidel,  Brown  
Boveri  Co.)

“held  at  
160ºC  for  1  hr  
before  testing”

increasing  load

cr

a

ck  

sp

e

e

d

  (

m

/s)

“as-­is”

10

-­10

10

-­8

Alloy  7178  tested  in  
saturated  aqueous  NaCl  
solution  at  23ºC


background image

Chapter  1  -­ 21

1.5 Types  of  (Solid)  Materials

Three  basic  classifications  based  on  chemical  makeup  and  atomic  

structure:  

Metals

,  

Ceramics

,  and  

Polymers

.    

In  addition  to  these  basic  three:  composites,  advanced  materials,  etc.

Metals

:

– Metallic  elements:  Fe,  Al,  Cu,  Ti,  Au,  Ni,  etc.

– Metallic  bonding

– Strong,  ductile

– high  thermal  &  electrical  conductivity

– opaque,  reflective.


background image

Chapter  1  -­ 22

Ceramics

:

– compounds  of  metallic  &  non-­metallic  elements  (oxides,  carbides,  

nitrides,  sulfides)

– Al

2

O

3

,  SiO

2

,  SiC,  Si

3

N

4

,  traditional  ceramics  (porcelain),  cement,  

glass,  etc

– Ionic  bonding  (refractory)  

– Brittle,  glassy,  elastic

– non-­conducting  (insulators)


background image

Chapter  1  -­ 23

Polymers

:

– Polyethylene,  nylon,  poly(vinyl  chloride)  (PVC),  etc

– Covalent  bonding  à sharing  of  electrons

– Soft,  ductile,  low  strength,  low  density

– thermal  &  electrical  insulators

– Optically  translucent  or  transparent.


background image

Chapter  1  -­ 24

Composites:

– Composed  of  two  (or  more)  of  the  basic  materials

– Ceramic-­fiber  reinforced  metal-­matrix  composites  (MMC),  carbon-­

fiber-­reinforced  polymer  (CFRP),  etc

– Combination  of  properties


background image

Chapter  1  -­ 25

1.6 Advanced  Materials

• Advanced  materials:  materials  for  so-­called  

high-­tech

applications

– Electronic  equipment
– computers
– Spacecraft
– Aircraft
– Military  rocketry

– Semiconductors
– Biomaterials
– Smart  materials
– Nano-­engineered  materials


background image

Chapter  1  -­ 26

Example  – Smart  Materials

• These  materials  are  able  to  sense  changes  in  their  

environments  and  then  respond  to  these  changes  in  
predetermined  manners.

• Sensors,  actuators,  etc.

• Actuators  made  of  smart  materials  change  shape,  

position,  natural  frequency,  or  mechanical  
characteristics  in  response  to  changes  in  
temperature,  electric  fields,  and/or  magnetic  fields.


background image

Chapter  1  -­ 27

Example  – Smart  Materials

Shape  memory  alloys

(SMA):

– Metals  that,  after  having  been  deformed,  revert  back  to  their  

original  shapes  when  temperature  is  changes  (Ch.  10.9)

Piezoelectric  ceramics

(PZT):

– Expand  and  contract  in  response  to  an  applied  electric  field  (or  

voltage)

– Or,  they  generate  an  electric  field  when  their  dimensions  are  

altered  (Ch.  18.25)

Magnetostrictive  materials

:

– Similar  to  PZT  except  that  they  are  responsive  to  magnetic  fields

Electrorheological  and  magnetorheological  fluids

:

– Liquids  that  experience  dramatic  changes  in  viscosity  upon  the  

application  of  electric  and  magnetic  fields


background image

Chapter  1  -­ 28

Example  – Hip  Implant

• With  age  or  certain  illnesses  joints  deteriorate.    

Particularly  those  with  large  loads  (such  as  hip).

Adapted  from  Fig.  22.25,  Callister  7e.


background image

Chapter  1  -­ 29

Example  – Hip  Implant

• Requirements

– mechanical  

strength  (many  
cycles)

– good  lubricity
– biocompatibility

Adapted  from  Fig.  22.24,  Callister  7e.


background image

Chapter  1  -­ 30

Example  – Hip  Implant

Adapted  from  Fig.  22.26,  Callister  7e.


background image

Chapter  1  -­ 31

Hip  Implant

• Key  problems  to  overcome

– fixation  agent  to  hold  

acetabular  cup

– cup  lubrication  material
– femoral  stem  – fixing  agent  

(“glue”)

– must  avoid  any  debris  in  cup

Adapted  from  chapter-­opening  photograph,  
Chapter  22,  Callister  7e.

Femoral  
Stem

Ball

Acetabular

Cup  and  Liner


background image

Chapter  1  -­

Example  :  How  to  choose  the  right  

material?

32


background image

Chapter  1  -­

Example  :  How  to  choose  the  right  

material?

• One  common  item  that  presents  some  

interesting  material  property  requirements  is  
the  container  for  carbonated  beverages.  

• The  material  used  for  this  application  must  

satisfy  the  following    constraints:  

• (1)  provide  a  barrier  to  the  passage
• of  carbon  dioxide,  which  is  under  pressure  in
• the  container;;  
• (2)  be  nontoxic,  unreactive  with  thebeverage,  

and,  preferably  be  recyclable;;  

33


background image

Chapter  1  -­

• (3)  be  relatively  strong,  and  capable  of  

surviving  a  drop  from  a  height  of  several  feet  
when  containing  the  beverage;;  

• (4)  be  inexpensive  and  the  cost  to  fabricate  

the  final  shape  should  be  relatively  low;;

• (5)  if  optically  transparent,  retain  its  optical  

clarity;;  and  

• (6)  capable  of  being  produced  having  

different  colors  and/or  able  to  be  adorned  
with  decorative  labels.

34


background image

Chapter  1  -­

• All  three  of  the  basic  material  types—metal  

(aluminum),  ceramic  (glass),  and  polymer  
(polyester  plastic)

• All  of  these  materials  are  nontoxic,  and  

unreactive  with  beverages.

35


background image

Chapter  1  -­ 36

•    Use  the  right  material  for  the  job.

•    Understand  the  relation  between  

properties

,

structure

,  and  

processing

.

•    Recognize  new  design  opportunities  offered

by  materials  selection.

Course  Goals:

SUMMARY




رفعت المحاضرة من قبل: abdalla Alhamdany
المشاهدات: لقد قام عضوان و 111 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