AML 883 Properties and selection of engineering materials

LECTURE 1. INTRODUCTION

M P GururajanEmail: guru.courses@gmail.com

Room No. MS 207/A­3 Phone: 1340

   

A request!

Please send me a mail at (with subject AML 883)guru.courses@gmail.com

All your assignments, problem sheets, presentations (after the lecture, if you request) as well as the accouncements regarding the class 

will be mailed to you at your mail address.

   

       

Introduction to the course!

   

Textbook

● Mateials: engineering, science, processing and design, M F Ashby, H Shercliff and D Cebon, Butterworth­Butterworth­Heinemann, 2007Heinemann, 2007

● A low priced Indian edition is available.

   

Grading policies

● Assignments and/or quizes: 20%● Two mid­term examinations: 40% (20+20)● Final examination: 40%● Problem sheets – not necessary to turn in; 

however, a fraction of questions for the exams will come from the problem sheets, directly!

   

          

What are we going to study?And, How?

   

A stadard cell in a chip● Rendering of a small standard 

cell with three metal layers (dielectric has been removed). The sand­colored structures are metal interconnect, with the vertical pillars being contacts, typically plugs of tungsten. The reddish structures are polysilicon gates, and the solid at the bottom is the crystalline silicon bulk.

● Image courtesy: wiki (David Carron)

   

Types of materials● Crystalline silicon bulk at the 

bottom – gives structural support

● Interconnects, contacts, dielectrics and polysilicon gates – have specific functions in terms of electrical conduction or non­conduction

   

A broad classification

Based on the specific role in an engineering application

• Structural materials (mechanical)• Functional materials (electrical, optical, 

magnetic, ...)

   

Structural materials

● Stiffness – Resistance to elastic deformation (A wooden ruler is stiff, while a plastic one isn't)

● Strength – Resistance to plastic deformation (A metallic ruler is strong, while a plastic one isn't)

● Toughness – Resistance to fracture (A plastic ruler isn't tough, while wooden and metallic are)

● Properties ­­ Mechanical ● Density, elastic modulus, yield strength, fracture 

toughness, fatigue resistance, ...

   

Functional materials

● Conductors, insulators and dielectrics (electrical materials?) ­­ Conductivity, dielectric constant

● Magnetic materials – remanence, saturation magnetization

● Optical materials – transmission, reflection, refraction, ...

   

Structural versus functional

● Mylar: good, structurally; bad, functionally (undergoes resistive degradation with increasing temperature and humidity)

● 32 sheets in 0.45 mm● Image courtesy: wiki

   

Structural versus functional

● High Tc oxide ceramic superconductors – BSCCO (bisko) – Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide: good, functionally; bad, structurally (brittle)

● Image courtesy: wiki

   

Variety in materials/geometry

Image courtesy: wiki

   

Variety in materials/geometry

Image courtesy: Caltech Engineering Design lab handout

   

Processing

● Different materials – should be processed differently;

● Same material ­­ should be processed differently for different geometries (spokes or rim or frame);

● Apart from material properties and geometry, the number of components and the specifics of use (where? under what conditions? under what constraints? how costly?) determine the processing routes chosen 

   

Processing: the other story

● Processing can change (at times dramatically) the properties

● How to come up with new processes with desired property combinations?

● Arises the need for fundamental understanding 

Valiev et al, Journal of Materials Research, 2002.

   

Materials selection: considerations

● Engineering considerations (discussed above)● Cost● “Green” ­­ Can this be considered as part of 

cost?● Easy commerical availability in large quantities 

(Case study of fan blades)● Political (Sanctions on nuclear materials)● Technology (Cryogenic engines, for example)

   

A break! Superalloy?!

A humorous take on “Super” alloy!Image: Courtesy of HKDH Bhadeshia, University of Cambridge homepage

   

Materials in service: wear

Photos from a pump repair company homepage (Emnor Mechanical Inc., Canada) 

   

Corrosion and oxidation

Corroded Titanic bow, rusted baking plate and bolts (Image courtesy: wiki)

   

Degradation at high temperatures

TBC on Ni­base superalloy turbine blades and their effectiveness during serviceImages: courtesy University of Cambridge homepage

   

The unseen damages!

Original microstructure and rafted microstructure in Ni­base superalloysImages: courtesy University of Cambridge homepage

   

Material degradation

● Physical – Wear● Chemical – Oxidation and corrosion● Thermal and micorstructural – creep, faster 

oxidation, rafting, ...

   

Materials property charts

● Density and Young's modulus of classes of materials

● Image courtesy: University of Cambridge hompeage

   

Materials property charts

● Young's modulus and  cost of classes of materials

● Image courtesy: University of Cambridge hompeage

   

Materials property charts

Image courtesy: University of Cambridge homepage

   

Topics of study

● Structural materials and their properties● Functional materials and their properties● Processes and properties● Material degradation● Property charts

   

Case studies

(1) Materials for blades of fans in windtunnels (structural)

(2) Mylar insulation in aircraft wirings (functional)

(3) ECAP and cryo­rolling (processing)

(4) Thermal barrier coatings for jet engine turbine blades (degradation)

(5) Material property charts for metallic glasses (Charts as tools)

(6)Materials for Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)