Material Science

Materials are so important in the development of civilization that we associate ages with them. In the origin of human life on earth, the Stone Age, people used only natural materials like stone, clay, skins, and wood. When people found copper and how to make it harder by alloying, the Bronze Age started about 3000 BC. The use of iron and steel, stronger materials that gave advantage in wars started at about 1200 BC. The next big step was the discovery of a cheap process to make steel around 1850, which enabled the railroads and the building of the modern infrastructure of the industrial world.

A material is defined as a substance (most often a solid, but other condensed phases can be included) that is intended to be used for certain applications. There are a myriad of materials around us—they can be found in anything from buildings to spacecraft’s. Materials can generally be divided into two classes: crystalline and non-crystalline. The traditional examples of materials are metals, ceramics and polymers.  New and advanced materials that are being developed include semiconductors, nanomaterials, biomaterials etc. The material of choice of a given era is often a defining point. Phrases such as Stone Age, Bronze Age, Iron Age, and Steel Age are great examples. Originally deriving from the manufacture of ceramics and its putative derivative metallurgy, materials science is one of the oldest forms of engineering and applied science. Modern materials science evolved directly from metallurgy, which itself evolved from mining and (likely) ceramics and the use of fire. A major breakthrough in the understanding of materials occurred in the late 19th century, when the American scientist Josiah Willard Gibbs demonstrated that the thermodynamic properties related to  atomic  structure  in  various  phases  are  related  to  the  physical  properties  of  a  material. Important  elements  of  modern  materials  science  are  a  product  of  the  space  race:  the understanding and engineering of the metallic alloys, and silica and carbon materials, used in the construction of space vehicles enabling the exploration of space. Materials science has driven, and been driven by, the development of revolutionary technologies such as plastics, semiconductors, and biomaterials.Before the 1960s (and in some cases decades after), many materials science departments were named metallurgy departments, reflecting the 19th and early 20th century emphasis on metals. The field has since broadened to include every class of materials, including ceramics, polymers, semiconductors, magnetic materials, medical implant materials, biological materials and nanomaterials (materiomics).

Materials science, also commonly known as materials science and engineering, is an interdisciplinary  field  which  deals  with  the  discovery  and  design  of  new  materials.  This relatively new scientific field involves studying materials through the materials paradigm (synthesis, structure, properties and performance). It incorporates elements of physics and chemistry, and is at the forefront of Nano science and nanotechnology research. In recent years, materials science has become more widely known as a specific field of science and engineering.

High frequency ultrasonic (sound) waves are applied to the test piece by a Piezoelectric crystal. If  the  test  piece is  free  from  cracks,  or  flawless,  then  it  reflects  ultrasonic waves  without distortion. If there are any flaws in the specimen, the time taken by the ultrasonic waves will be less as the reflection of these waves will be from flaw points and not from the bottom of the specimen. Cathode ray oscilloscope (CRO) is used to receive the sound signals, whose time base circuit is connected to it. Knowing the time interval between the transmission of the sound pulse and the reception of the echo signal, we can calculate the depth of the crack. This test is a very fast method of inspection and often used to test aerospace components and automobiles. This test is generally used to detect internal cracks like shrinkage cavities, hot tears, zones of corrosion and non-metallic inclusions.

Corrosion of Metals The corrosion resistance of metals and alloys is a basic property related to the easiness with which these materials react with a given environment. Corrosion is a natural process that seeks to reduce the binding energy in metals. The end result of corrosion involves a metal atom being oxidized, whereby it loses one or more electrons and leaves the bulk metal. The lost electrons are conducted through the bulk metal to another site where they are reduced. In corrosion parlance, the site where metal atoms lose electrons is called the anode, and the site where electrons are transferred to the reducing species is called the cathode. Pure metals are used in many applications. Copper, for example, is used to make the wire which goes inside electrical cables. Copper was chosen because it can be drawn into long thin wires very easily (it is ductile) and because it is a good conductor of electricity. Pure aluminum can also be used in wiring. It is also used as a cladding material for aluminum alloy substrates. Currently there are 86 known metals. Before the 19th century only 24 of these metals had been discovered and, of these 24 metals, 12 were discovered in the 18th century. Therefore, from the discovery of the first metals, gold and copper, until the end of the 17th century, some 7700 years, only 12 metals were known. Four of these metals, arsenic, antimony , zinc and bismuth , were discovered in the thirteenth and fourteenth centuries, while platinum was discovered in the 16th century. The other seven metals, known as the Metals of Antiquity, were the metals upon which civilization was based. These seven metals are Gold, Copper, Silver, Lead, Tin, Iron,Mercury.

Flame hardening is another procedure that is used to harden the surface of metal parts. When you use an oxyacetylene flame, a thin layer at the surface of the part is rapidly heated to its critical temperature and then immediately quenched by a combination of a water spray and the cold base metal. This process produces a thin, hardened surface, and at the same time, the internal parts retain their original properties. Whether the process is manual or mechanical, a close watch must be maintained, since the torches heat the metal rapidly and the temperatures are usually determined visually. Flame hardening may be either manual or automatic. Automatic equipment produces uniform results and is more desirable. Most automatic machines have variable travel speeds and can be adapted to parts of various sizes and shapes.   The size and shape of the torch depends on the part. The torch consists of a mixing head, straight extension tube, 90-degree extension head, an adjustable yoke, and a water-cooled tip. Practically any shape or size flame- hardening tip is available. Tips are produced that can be used for hardening flats, rounds, gears, cams,  cylinders,  and  other  regular  or  irregular  shapes.  In  hardening localized  areas,  you should heat the metal with a standard hand-held welding torch. Adjust the torch flame to neutral for normal heating; however, in corners and grooves, use a slightly oxidizing flame to keep the torch from sputtering. You also should particularly guard against overheating in comers and grooves. If dark streaks appear on the metal surface, this is a sign of overheating, and you need to increase the distance between the flame and the metal. For the best heating results, hold the torch with the tip of the inner cone about an eighth of an inch from the surface and direct the flame at right angles to the metal. Sometimes it is necessary to change this angle to obtain better results; however, you rarely find a deviation of more than 30 degrees. Regulate the speed of torch travel according to the type of metal, the mass and shape of the part, and the depth of hardness    desired.     In    addition,    you    must    select    the    steel    according    to    the properties desired.  Select carbon steel when surface hardness is the primary factor and alloy steel   when   the   physical   properties   of   the   core   are   also   factors.   Plain   carbon steels should   contain   more   than   0.35%   carbon  for  good  results  inflame  hardening.  For  water quench- ing, the effective carbon range is from 0.40% to 0.70%. Parts with a carbon content of more  than  0.70%  are  likely  to  surface  crack  unless  the  heating  and  quenching  rate are  carefully  controlled. The surface hardness of a flame-hardened section is equal to a section that was hardened by furnace heating and quenching. The decrease in hardness between the case and  the core  is gradual.  Since the core  is  not affected by flame hardening, there is little danger of spalling or flaking while the part is in use. Thus flame hardening produces  a  hard case that is highly     resistant     to     wear     and     a     core     that     retains     its     original     properties. Flame   hardening   can   be   divided   into   five   general  methods:  stationary,  circular  band progressive, straight- line  progressive,  spiral  band  progressive,  and  circular band  spinning.

Heat  Treatment  is  the  controlled  heating  and  cooling of metals  to  alter their  physical  and mechanical properties without changing the product shape. Heat treatment is sometimes done inadvertently due to manufacturing processes that either heat or cool the metal such as welding orforming. Heat Treatment is often associated with increasing the strength of material, but it can also be used to alter certain manufacturability objectives such as improve machining, improve formability, restore ductility after a cold working operation. Thus it is a very enabling manufacturingprocess that can not only help other manufacturing process, but can also improve product performance by increasing strength or other desirable characteristics. Steels are particularly suitable for heat treatment, since they respond well to heat treatment and the commercial use of steels exceeds that of any other material. Steels are heat treated for one of the following reasons: 1.   Softening 2.   Hardening 3.   Material modification Softening:  Softening is done to reduce strength or hardness, remove residual stresses, improve toughness, restore ductility, refine grain size or change the electromagnetic properties of the steel. Restoring ductility or removing residual stresses is a necessary operation when a large amount of cold working is to be performed, such as in a cold-rolling operation or wiredrawing. Annealing — full Process, spheroidizing, normalizing and tempering    austempering, martempering are the principal ways by which steel is softened. Hardening: Hardening of steels is done to increase the strength and wear properties. One of the pre-requisites for hardening is sufficient carbon and alloy content. If there is sufficient Carbon content then the steel can be directly hardened. Otherwise the surface of the part has to be Carbon enriched using some diffusion treatment hardening techniques. Material Modification: Heat treatment is used to modify properties of materials in addition to hardening and softening. These processes modify the behavior of the steels in a beneficial manner to maximize service life, e.g., stress relieving, or strength properties, e.g., cryogenic treatment, or some other desirable properties

NDT is the method of detection and measurement of properties or condition of materials, structures, machines without damaging or destroying their operational capabilities. Examples ofNDT   are:   magnetic   dust   method,   penetrating   liquid   method,   ultrasonic   test   and radiography. All NDTs are used to detect various types of flaws on the surface of material or internal inclusions of impurities and these techniques are also very useful during preventive maintenance and repair. There are few techniques which do not require any special apparatus and are quite simple to handle and only a moderate skill being required. Some of the applications of NDTs are detecting: (i) surface cracks (ii) material composition (iii) internal inclusions (iv) internal voids and discontinuities and (v) condition of internal stresses.