3/18/2020 Structure • Subatomic level
Electronic structure of individual atoms
that defines interaction among atoms (interatomic bonding). • Atomic 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 • Microscopic structure
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 . • Macroscopic structure
Structural elements that may be viewed with the naked eye. Monarch butterfly ~ 0.1 m 3 THE SCALE OF THINGS Things Natural Things Manmade 100 m 1 meter (m) n 0.1 m 10-1 m 100 mm rizatio iatu Objects fashioned from in
metals, ceramics, glasses, polymers ... Monarch butterfly 0.01 m Head of a pin Cat ~ 0.1 m 10-2 m m 1-2 mm ~ 0.3 m 1 cm 10 mm ress in  Quan hệ giữa g Bee 10-3 m 1 millimeter (mm) ro Microelectronics ~ 15 mm P
MEMS (MicroElectroMechanical Systems) Devices
ith desired properties and functionality Dust mite 10 -100 mm wide w 300 mm  Cấu trúc 0.1 mm 10-4 m Human hair 100 mm ~ 50 mm wide rld o  Tính chất e Fly ash h w ~ 10-20 mm T icro 0.01 mm 10-5 m M 10 mm  Gia công chế tạo Red blood cel s Pol en grain Magnetic domains garnet film 11 mm wide stripes Red blood cel s 10-6 m 1 micrometer (mm) aterials at the nanoscale  Hiệu năng with white cel ~ 2-5 mm g in Visible Indium arsenide Quantum dot array -- d spectrum quantum dot germanium dots on silicon Schematic, central core ATP synthase 0.1 mm 10-7 m erstan 100 nm d rld n e o h w o el u T 0.01 mm 1an0-8 m 10 nm N 10 nm ic-lev Biomotor using ATP Self-assembled “mushroom” Cel membrane m ato 10-9 m 1 nanometer (nm) DNA ress in g ~2 nm wide ro 10-10 m 0.1 nm Atoms of silicon P
Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface spacing ~tenths of nm posit 4
ioned one at a time with an STM tip Corral diameter 14 nm
The 21st century challenge --Fashion m 1 3/18/2020
 Vật liệu dẻo– Giới hạn chảy– R c c) e, Rp (Re , Rp
 Vật liệu giòn– Giới hạn bền – R c m (Rm ), Rm/
Phân loại vật liệu (Re, Rp0,2)  Độ bền thấp < 250 N/mm2  Độ bền trung bình 250...750 N/mm2  Độ bền cao 750...1500 N/mm2  Độ bền rất cao > 1500 N/mm2 5
Độ cứng vững D = Ex K (hệ số hình học) Giản đồ thử kéo N  Mô đun đàn hồi mm2 Fmax Rm N K o é r o m - aa n l- én N C iắhtke- T M hể ah tí t- ch FeH F R eL p0,2    E=tg G=tg K=tg E= G= K=       0 ĐJộää g vip ã ik n en d e ài mtin h e ực tế L, mm    A ĐộKo gigu ã p n ik deàniemine At E G=3/8E K=E 2 3/18/2020
Ảnh hưởng của kích thước hạt Material E, N/mm2 x 109 Diamond 1000 A KU, J , U J WC 450-650
Ảnh hưởng của nhiệt độ SiC 500 15,4 Al2O3 390 14,0 TiC 380 M load w asltturg e e n vgth Mo & Mo-al oys 320-360 12,6 urustustöö Co & Co-al oys 200-250 PKU, KV 11,2 Ni & Ni-al oys 130-230 Steels 190-210 9,8 Cast irons 170-190 8,.4 Cu & Cu-al oys 120-150 Ti & Ti-al oys 80-130 K hi õ g rg h tu stgre e v 7,0 ngth Zn & Zn-al oys 45-90 5,6 Al & Al-al oys 70-80 Sn & Sn-al oys 40-50 4,2 Graphite 30 2,8 Pb & Pb-al oys 15 2 3 4 5 6 7 8 Tera nr. Plastics 1-5 Tem T peratuur Grain no. Rubbers 0,01-0,1 PVC 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 iulise pinna % Độ tập trung ứng suất Kuctile fracture %D 0 T T T T’DBT T TDBT T T T K   a  [MPam1/2] K D H B L T KHL KHL 50 max max 55 10
T  KU, KV – biến giòn 2 R 0.25 10 a
TDBT – Nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn 45 55 10 R 1.0 10 5 F 3 3/18/2020 Material R  p0,2, , N/mm2 -1 1/2 Superplastic N/mm2 a m P steels Material K , MPa  IC , M Plain carbon steel 275 240 m1/2 1cKg -strain hardened 475 340 WC (E) ẳn -annealed 1700 700 TiC 6 (680) h p Low-alloyed g Alloyed steel 275 100 SiC 4 (440) ạn highly d Al-al oys 110 80 Al O 3 (420) tempered Maraging 2 3 iến SiO 3 (320) b steels steels -wrought alloys 900 500 2 y Steels 0,7 (100) ủ h -cast al oys 450 150 á -low carbon 54 Precipitation h Ti-al oys hardened -maraging 110-175 aip d stainless Cu-alloys ộ Đ steels Giới hạn chảy, MPa R (R = min/max) Mỏi
-1 – ứng suất chu kỳ a b Dão  = f(, T, t)
 Nhiệt độ thấp T/Tm < 0.5
 Nhiệt độ cao T/Tm > 0.5  Pingeepüür   Yếu tố ảnh hưởng    Cấu trúc R  Hợp kim N N N 2 3 107 N F 1 Yếu tố ảnh hưởng:  TMT Thép N = 107 - Độ nhám bề mặt HK phi Fe N = 108 - 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 Ăn mòn khô Kim lo Hữu cơ ại Vô cơ Hóa học Ăn mòn ư (Ceramic) (Polyme) ớt/ẩm -Dẫn điện, dẫn -Dẫn điện, dẫn Dung d -Cách điện ịch nhiệt tốt nhiệt kém - nhẹ Điện hóa Môi trường nóng chảy - Có độ bền cơ - Bán dẫn: dẫn h - Độ dai thấp ọc điện nhờ lai hóa - Kh - Chịu nhiệt kém ả năng biến - Tính giòn cao d - Ổn định cấu ạng dẻo tốt - Chịu nhiệt cao trúc kém Hóa sinh - Chịu nhiệt từ thấp đến cao Compozit Phân loại vật liệu - Theo tính năng sử dụng Theo bản chất hóa học Kim
4 nhóm vật liệu chính: VL kim loại, Ceramic, Vật liệu kết cấu Vật liệu chức năng loại Polymer và Composite 1- VL bán dẫn 1 Tính chất cơ học
Tính chất vật lý, hóa học 2- VL siêu dẫn - Độ bền - Tính chất điện 4 3- VL silicon - Độ dai - Tính chất nhiệt 2 - Độ dẻo - Tính chất quang Composite 4- VL polymer dẫn điện - Độ cứng - Tính chất tù - Y sinh Polymer Ceramic 3 5