3/18/2020

Electronic structure of individual atoms that defines interaction among atoms (interatomic bonding).

Structure • Subatomic level

Arrangement of atoms in materials (for the same atoms can have different properties, e.g. two forms of carbon: graphite and diamond)

MSE 3071

• Atomic level

Arrangement of small grains of material that can be identified by microscopy.

2 D s i m u l a t i o n u s i n g M o n t e C a r l o P o t t s m o d e l .

• Microscopic structure

Monarch butterfly ~ 0.1 m

Structural elements that may be viewed with the naked eye.

3

THE SCALE OF THINGS

y t i l

Things Natural

Things Manmade

100 m

1 meter (m)

n o

10-1 m

a n o i t c n u f d n a s e

0.1 m 100 mm

i t a z i r u t a

i

Objects fashioned from metals, ceramics, glasses, polymers ...

i

Head of a pin 1-2 mm

Monarch butterfly ~ 0.1 m

10-2 m

n m n

Cat ~ 0.3 m

i

0.01 m 1 cm 10 mm

Microelectronics

10-3 m

1 millimeter (mm)

s s e r g o r P

Bee ~ 15 mm

i t r e p o r p d e r i s e d h t i

MEMS (MicroElectroMechanical Systems) Devices 10 -100 mm wide

Dust mite 300 mm

10-4 m

d

0.1 mm 100 mm

Human hair ~ 50 mm wide

e h T

Fly ash ~ 10-20 mm

i

10-5 m

l r o w o r c M

0.01 mm 10 mm

Red blood cells

Pollen grain

10-6 m

Magnetic domains garnet film 11 mm wide stripes

Red blood cells with white cell ~ 2-5 mm

g n

e l b i s i V

i

1 micrometer (mm) m u r t c e p s

Quantum dot array -- germanium dots on silicon

Indium arsenide quantum dot

 Quan hệ giữa  Cấu trúc  Tính chất  Gia công chế tạo  Hiệu năng

i

Schematic, central core

ATP synthase

10-7 m

d

0.1 mm 100 nm

d n a t s r e d n u

l

e h T

10-8 m

e v e

10 nm

l r o w o n a N

0.01 mm 10 nm

Biomotor using ATP

i

Self-assembled “mushroom”

Cell membrane

10-9 m

1 nanometer (nm)

l - c m o t a n

i

DNA ~2 nm wide

10-10 m

0.1 nm

s s e r g o r P

Atoms of silicon spacing ~tenths of nm

4

Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface positioned one at a time with an STM tip Corral diameter 14 nm

w e l a c s o n a n e h t t a s l a i r e t a m n o h s a F - - e g n e l l a h c y r u t n e c t s 1 2 e h T

• Macroscopic structure

1

3/18/2020

 Vật liệu dẻo– Giới hạn chảy– Re, Rp (Re  Vật liệu giòn– Giới hạn bền – Rm (Rm

c) c, Rp c), Rm/

Phân loại vật liệu (Re, Rp0,2)

 Độ bền thấp  Độ bền trung bình  Độ bền cao  Độ bền rất cao

< 250 N/mm2 250...750 N/mm2 750...1500 N/mm2 > 1500 N/mm2

5

Độ cứng vững D = Ex K (hệ số hình học)

Giản đồ thử kéo



N mm2

Mô đun đàn hồi

Fmax

Rm

Normaal- Kéo - nén

FeH

Rp0,2

FeL

E=tg E=

G=tg G=

K=tg K=

0





L, mm

A

Kogupikenemine

Độ giãn dài thực tế Jäävpikenemine Độ giãn dài

At

E

G=3/8E

K=E

Cắt Nihke- Thể tích Maht-

2

3/18/2020

Ảnh hưởng của kích thước hạt

Material

E, N/mm2 x 109

A , J U KU, J

Ảnh hưởng của nhiệt độ

15,4

14,0

low strength Madaltugev

12,6

ö ö t s u V t s K u r , u U P K

11,2

9,8

8,.4

7,0

Kõrgtugev high strength

5,6

4,2

2,8

2

3

4

8 Tera nr.

Temperatuur T

5 7 6 Grain no.

Diamond WC SiC Al2O3 TiC Mo & Mo-alloys Co & Co-alloys Ni & Ni-alloys Steels Cast irons Cu & Cu-alloys Ti & Ti-alloys Zn & Zn-alloys Al & Al-alloys Sn & Sn-alloys Graphite Pb & Pb-alloys Plastics Rubbers PVC

1000 450-650 500 390 380 320-360 200-250 130-230 190-210 170-190 120-150 80-130 45-90 70-80 40-50 30 15 1-5 0,01-0,1 0,003-0,01

Độ dai – Độ dai va đập Ak

- Độ dai phá hủy biến dạng phẳng KC, N/mm2  m1/2

KU

KU

%

100

b

F

50

e % r u a t n c n a i r p f e e s i l l i u t i c K u D

0

T

T

[MPam1/2]

K



a 

T

TKHL TKHL TDBT T’DBT

T50

max

max

TKHL TDBT

55

10

2

R 0.25

0 1

a

Độ tập trung ứng suất

45 55

10

R 1.0

0 1

5

F

T  KU, KV – biến giòn TDBT – Nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn

3

3/18/2020

Material

-1, N/mm2

2 / 1

m

Rp0,2, N/mm2

Superplastic steels

 a P M

,

c 1

Low-alloyed highly tempered steels

Maraging steels

275 475 1700 275 110 900 450

240 340 700 100 80 500 150

K g n ẳ h p g n ạ d n ế i b y ủ h á h p

Material KIC, MPa  m1/2

Plain carbon steel -strain hardened -annealed Alloyed steel Al-alloys -wrought alloys -cast alloys Ti-alloys Cu-alloys

i a d ộ Đ

Precipitation hardened stainless steels

Giới hạn chảy, MPa

(E) 6 (680) 4 (440) 3 (420) 3 (320) 0,7 (100) 54 110-175 WC TiC SiC Al2O3 SiO2 Steels -low carbon -maraging

Mỏi

a

b

Dão  = f(, T, t)  Nhiệt độ thấp T/Tm < 0.5  Nhiệt độ cao T/Tm > 0.5



Pingeepüür





R

N

107

N1

N2

N3

F

Yếu tố ảnh hưởng  Cấu trúc  Hợp kim  TMT

(R = min/max) R -1 – ứng suất chu kỳ

Thép N = 107 HK phi Fe N = 108 Yếu tố ảnh hưởng: - Độ nhám bề mặt - Trạng thái ứng suất - Độ tập trung ứng suất

4

3/18/2020

 Phân loại vật liệu - Theo bản chất hóa học

Dạng ăn mòn

Kim loại

Vô cơ (Ceramic)

Hữu cơ (Polyme)

Hóa học Ăn mòn khô Ăn mòn ướt/ẩm

-Dẫn điện, dẫn nhiệt kém - Bán dẫn: dẫn điện nhờ lai hóa - Tính giòn cao - Chịu nhiệt cao

-Cách điện - nhẹ - Độ dai thấp - Chịu nhiệt kém - Ổn định cấu trúc kém

Điện hóa Dung dịch Môi trường nóng chảy

-Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt - Có độ bền cơ học - Khả năng biến dạng dẻo tốt - Chịu nhiệt từ thấp đến cao

Hóa sinh

Compozit

- Theo tính năng sử dụng

Phân loại vật liệu

Theo bản chất hóa học

Vật liệu kết cấu

Vật liệu chức năng

4 nhóm vật liệu chính: VL kim loại, Ceramic, Polymer và Composite

1- VL bán dẫn

Kim loại

2- VL siêu dẫn

3- VL silicon

4- VL polymer dẫn điện

1 4 2 Composite Tính chất cơ học - Độ bền - Độ dai - Độ dẻo - Độ cứng Tính chất vật lý, hóa học - Tính chất điện - Tính chất nhiệt - Tính chất quang - Tính chất tù - Y sinh Ceramic Polymer 3

5