Material Science

Certain metallic materials possess a permanent magnetic moment in the absence of an external field, and manifest very large and permanent magnetizations. These are the characteristics of ferromagnetism, and they are displayed by the transition metals iron, cobalt, nickel, and some of the rare  earth  metals.  Permanent  magnetic moments  in  ferromagnetic  materials  result  from atomic magnetic moments due to electron spinuncancelled electron spins as a consequence of the electron  structure.  There is  also  an  orbital  magnetic  moments  contribution  that  is  small  in comparison to the spin moment. Furthermore, in a ferromagnetic material, coupling interactions cause net spin magnetic moments of adjacent atoms to align with one another, even in the absence of an external field. The maximum possible magnetization or saturation magnetization Ms of a ferromagnetic material represents the magnetization that results when all the magnetic diploes in a solid piece are mutually aligned with the external field; there is also a corresponding saturation flux density Bs. Iron, nickel, and cobalt are examples of ferromagnetic materials.

Diamagnetism is a very weak form of magnetism that is nonpermanent and persists only while an external field is being applied. It is induced by a change in the orbital motion of electrons due to an applied magnetic field. The magnitude of the induced magnetic moment is extremely small and in a direction opposite to that of the applied field. Most elements in the periodic table, including copper, silver, and gold, are diamagnetic. Paramagnetic material is one whose atoms do have permanent dipole moments, but the magic of ferromagnetism is not active. If a magnetic field is applied to such a material, the dipole moments try to line up with the magnetic field, but are prevented from becoming perfectly aligned by their random thermal motion. Because the dipoles try to line up with the applied field, the susceptibilities of such materials are positive, but in the absence of the strong ferromagnetic effect, the susceptibilities are rather small, say in the range to . When a paramagnetic material is placed in a strong magnetic field, it becomes a magnet, and as long as the strong magnetic field is present, it will attract and repel other magnets in the usual way. But when the strong magnetic field is removed, the net magnetic alignment is lost as the dipoles relax back to their normal random  motion.   Paramagnetic  materials  include  magnesium,  molybdenum,  lithium,  and tantalum.

Another test term sometimes used is ‘intrinsic dielectric strength’, which is the maximum voltage gradient a homogeneous substance will withstand in a uniform electric field. This shows the ability of an insulating material to resist breakdown, but practical tests produce lower values for a number of reasons: •     Defects, voids, and foreign particles introduced during manufacture which lower the dielectric strength locally, having the effect of reducing the test values as the area tested is increased •     The presence of a stress concentration at the electrode edges or points where the electric field is higher than average. •   Due to the damaging effect of an electric discharge during testing •     Because of dielectric heating, which raises the temperature and lowers the breakdown strength.

All insulating materials fail at some level of applied voltage, and ‘dielectric strength’ is the voltage  a  material  can  withstand  before breakdown  occurs.  Dielectric  strength  is  measured through the thickness of the material (taking care to avoid surface effects) and is normally expressed  as  a  voltage  gradient  (volts  per  unit  length).  Note  that  the  voltage  gradient  at breakdown is much higher for very thin test pieces (<100µm thick) than for thicker sections. The value of dielectric strength for a specimen is also influenced by its temperature and ambient humidity, by any voids or foreign materials in the specimen, and by the conditions of test, so that it is often difficult to compare data from different sources. Test variables include electrode configuration and specimen geometry, and the frequency and rate of application of the test voltage. Standard strategies include: •     The ‘short-time’ test, increasing the voltage from zero at a predetermined rate (usually between 100 and 3,000V/sec) until breakdown occurs •     The ‘step-by-step’ test, initially applying half the short-time breakdown voltage, and then increasing this in equal increments, holding each level for a set period of time.

A dielectric material (dielectric for short) is an electrical insulator that can be polarized by an applied electric field. When a dielectric is placed in an electric field, electric charges do not flow through  the  material  as  they do  in  a  conductor,  but  only slightly shift  from  their  average equilibrium positions causing dielectric polarization. Because of dielectric polarization, positive charges are displaced toward the field and negative charges shift in the opposite direction. This creates an internal electric field that reduces the overall field within the dielectric itself. If a dielectric is composed of weakly bonded molecules, those molecules not only become polarized, but also reorient so that their symmetry axes align to the field. The study of dielectric properties concerns storage and dissipation of electric and magnetic energy in materials. Dielectrics are important for explaining various phenomena in electronics, optics, and solid-state physics.

Brass is an alloy made of copper and zinc; the proportions of zinc and copper can be varied to create a range of brasses with varying properties. Bronze is an alloy consisting primarily of copper, usually with tin as the main additive. It is hard and tough, and it was so significant in antiquity that the Bronze Age was named after the metal. Admiralty brass contains 30% zinc, with 1% tin to inhibit dezincification in many environments. Alpha brasses with less than 35% zinc, are malleable, can be worked cold, and are used in pressing, forging, or similar applications. They contain only one phase, with face-centered cubic crystal structure. Alpha-beta brass (Muntz metal), also called duplex brass, is 35–45% zinc and is suited for hot working. It contains both α and β’ phase; the β’-phase is body-centered cubic and is harder and stronger than α. Alpha-beta brasses are usually worked hot. Aluminium brass contains aluminium, which improves its corrosion resistance. Red brass is both an American term for the copper-zinc-tin alloy known as gunmetal, and an alloy which is considered both a brass and a bronze. It typically contains 85% copper, 5% tin, 5% lead, and 5% zinc. Aluminium Bronze A type of BRONZE in which aluminium is the main alloying metal added to copper. Small amounts of other elements such as iron, manganese, nickel and silicon are added to impart various  properties  such  as  corrosion  resistance  or  malubility.  It  fairs  well  in  the  marine enviroment. Typical compostion: Copper 80% Aluminium 10% Nickel 5% Iron 5% Silicon Bronze Has small amounts of silicon to allow it to be wrought or cold worked into a stronger alloy such as by rolling. It is also resistant to corrosion and therefore good for use in the marine enviroment. Typical compostion: Copper 96% Silicon 3% Manganase 1% Phosphor bronze Well this one is different! Rather than Phosphor being the main alloy metal, it is used during manufacture to purify the melt and create a purer stronger type of bronze. Usually not more than 0.2% of the Phosphur is left in the metal. It is very corrosion resistant and therefore good in the marine environment. Typical compostion: Copper 94.8% Tin 5% Phosphorus 0.2% Leaded Bronze Leaded Gunmetal (LG2) Is a type of copper alloy that has a small amount of lead, tin and zinc added in similar quantities. It is not considered to be brass due to the amount of zinc being small. It has widespread use as a valve and through hull fitting material due to it’s good seawater resistance. It does not de-zincify in seawater despite having a zinc content. It is good for use in the marine environment. Typical composition: Copper 85% Lead 5% Tin…

Chromium is a chemical element which has the symbol Cr and atomic number 24. It is the first element in Group 6. It is a steely-gray, lustrous, hard and brittle metal which takes a high polish, resists tarnishing, and has a high melting point. Chromium oxide was used by the Chinese in the Qin dynasty over 2,000 years ago to coat metal weapons found with the Terracotta Army. Chromium was discovered as an element after it came to the attention of the western world in the red crystalline mineral crocoite (lead(II) chromate), discovered in 1761 and initially used as a pigment. Louis Nicolas Vauquelin first isolated chromium metal from this mineral in 1797. Since Vauquelin’s first production of metallic chromium, small amounts of native (free) chromium metal have been discovered in rare minerals, but these are not used commercially. Instead, nearly all chromium is commercially extracted from the single commercially viable orechromite, which is iron chromium oxide Chromite is also now the chief source of chromium for chromium pigments. Applications The strengthening effect of forming stable metal carbides at the grain boundaries and the strong increase in corrosion resistance made chromium an important alloying material for steel. The high-speed tool steels contain between 3 and 5% chromium. Stainless steel, the main corrosion- proof metal alloy, is formed when chromium is added to iron in sufficient concentrations, usually above 11%. For its formation, ferrochromium is added to the molten iron. Also nickel-based alloys increase in strength due to the formation of discrete, stable metal carbide particles at the grain boundaries. For example, Inconel 718 contains 18.6% chromium. Because of the excellent high-temperature properties of these nickel superalloys, they are used in jet engines and gas turbines in lieu of common structural materials. The relative high hardness and corrosion resistance of unalloyed chromium makes it a good surface coating, being still the most “popular” metal coating with unparalleled combined durability.  A  thin  layer  of  chromium  is  deposited  on  pretreated  metallic  surfaces  by electroplating techniques. There are two deposition methods: Thin, below 1 µm thickness, layers are deposited by chrome plating, and are used for decorative surfaces. If wear-resistant surfaces are needed  then  thicker  chromium  layers  are deposited.  Both  methods  normally use acidic chromate or dichromate solutions. To prevent the energy-consuming change in oxidation state, the use of chromium(III) sulfate is under development, but for most applications, the established process is used. In the chromate conversion coating process, the strong oxidative properties of chromates are used to deposit a protective oxide layer on metals like aluminium, zinc and cadmium. This passivation and the self-healing properties by the chromate stored in the chromate conversion coating, which is able to migrate to local defects, are the benefits of this coating methodBecause of environmental and health regulations on chromates, alternative coating method are under development. Anodizing  of  aluminium  is  another  electrochemical  process,  which  does  not  lead  to  the deposition of chromium, but uses chromic acid as electrolyte in the solution. During anodization, an oxide layer is formed on the aluminium. The use of chromic acid, instead of the normally used sulfuric acid, leads to a slight difference of these oxide layers. The high toxicity of Cr(VI) compounds, used in the established chromium electroplating process, and the strengthening of safety and environmental regulations demand a search for substitutes for chromium or at least a change to less toxic chromium(III) compounds. Dye and pigment The mineral crocoite (lead chromate PbCrO4) was used as a yellow pigment shortly after its discovery. After a synthesis method became available starting from the more abundant chromite, chrome yellow was, together with cadmium yellow, one…

Zinc (symbol Zn), in commerce also spelter, is a metallic chemical element. It has atomic number 30. It is the first element of group 12 of the periodic table. In some respects zinc is chemically similar to magnesium: its ion is of similar size and its only common oxidation state is +2. Zinc is the 24th most abundant element in the Earth’s crust and has five stable isotopes. The most common zinc ore is sphalerite (zinc blende), a zinc sulfide mineral. The largest mineable amounts are found in Australia, Asia, and the United States. Zinc production includes froth flotation of the ore, roasting, and final extraction using electricity (electrowinning). Brass, which is an alloy of copper and zinc, has been used since at least the 10th century BC in Judea and by the 7th century BC in Ancient Greece. Zinc metal was not produced on a large scale until the 12th century in India and was unknown to Europe until the end of the 16th century. The mines of Rajasthan have given definite evidence of zinc production going back to 6th century BC. To date, the oldest evidence of pure zinc comes from Zawar, in Rajasthan, as early as the 9th century AD when a distillation process was employed to make pure zinc. Alchemists burned zinc in air to form what they called “philosopher’s wool” or “white snow”. Applications Major applications of zinc include •   Galvanizing (55%) •   Alloys (21%) •   Brass and bronze (16%) •   Miscellaneous (8%) The metal is most commonly used as an anti-corrosion agent. Galvanization, which is the coating of iron or steel to protect the metals against corrosion, is the most familiar form of using zinc in this way. In 2009 in the United States, 55% or 893 thousand tonnes of the zinc metal was used for galvanization. Zinc is more reactive than iron or steel and thus will attract almost all local oxidation until it completely corrodes away. A protective surface layer of oxide and carbonate forms as the zinc corrodes. This protection lasts even after the zinc layer is scratched but degrades through time as the zinc corrodes away. The zinc is applied electrochemically or as molten zinc by hot-dip galvanizing or spraying. Galvanization is used on chain-link fencing, guard rails, suspension bridges, light posts, metal roofs, heat exchangers, and car bodies. The relative reactivity of zinc and its ability to attract oxidation to itself makes it an efficient sacrificial  anode  in  catholic  protection  (CP).  For  example,  cathodic  protection  of  a  buried pipeline can be achieved by connecting anodes made from zinc to the pipe. Zinc acts as the anode (negative terminus) by slowly corroding away as it passes electric current to the steel pipeline. Zinc is also used to catholically protect metals that are exposed to sea water from corrosion. A zinc disc attached to a ship’s iron rudder will slowly corrode while the rudder stays unattacked.  Other similar uses  include  a plug  of zinc attached  to  a  propeller or the metal protective guard for the keel of the ship. With a standard electrode potential (SEP) of −0.76 volts, zinc is used as an anode material for batteries.  (More  reactive  lithium  (SEP  −3.04  V)  is  used  for  anodes  in  lithium  batteries  ). Powdered zinc is used in this way in alkaline batteries and sheets of zinc metal form the cases for and act as anodes in zinc–carbon batteries.[98][99] Zinc is used as the anode…

•     Aluminum is a light metal & easily machinable; has wide variety of surface finishes; good electrical and thermal conductivities; highly reflective to heat and light. •     Versatile metal – can be cast, rolled, stamped, drawn, spun, roll-formed, hammered, extruded and forged into many shapes. •   Aluminum can be riveted, welded, brazed, or resin bonded. •     Corrosion resistant – no protective coating needed, however it is often anodized to improve surface finish, appearance. •   Al and its alloys – high strength-to-weight ratio (high specific strength) owing to low density. •     Such materials are widely used in aerospace and automotive applications where weight savings are needed for better fuel efficiency and performance. •     Al-Li alloys are lightest among all Al alloys and find wide applications in the aerospace industry. Application of some Al Alloys – Food/chemical handling – equipment, heat exchangers – light reflectors – Utensils, pressure vessels and – piping – Strain-hardn. – Bellows, clutch disk, – diaphragm, fuse clips, springs – Heat treated – Aircraft structure, rivets, truck – wheels, screw – Trucks, canoes, railroad cars, – furniture, pipelines – Peak-aged – Aircraft structures and other – highly loaded applications – Aircraft pump parts, – automotive transmission – cases, cylinder blocks

•   Brasses and Bronzes are most commonly used alloys of Cu. Brass is an alloy with Zn. Bronzes contain tin, aluminum, silicon or beryllium. •    Other copper alloy families include copper-nickels and nickel silvers. More than 400 copper- base alloys are recognized. Applications – Electrical wires, – roofing, nails, rivets – Automotive radiator – core, lamp fixture, – clutch disk, – diaphragm, fuse clips, – springs – Furniture, radiator – fittings, battery clamps, – light fixtures – Bearings, bushings, – valve seats and guards – Electrical, valves, – pumps – Condenser, heat exchanger – piping, – valves – Tin bronze Sn, – Bearings, bushing, – piston rings, gears