Experimental techniques in materials and mechanics

Front Cover......Page 1
Title Page......Page 5
Copyright......Page 6
Contents
......Page 7
Preface
......Page 15
Acknowledgments
......Page 17
Author
......Page 19
1.1 MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING......Page 21
1.2.1 Crystal Structure......Page 22
1.2.2 Microstructure......Page 23
1.3 PROPERTIES......Page 24
REFERENCES......Page 25
2.2 CRYSTAL STRUCTURE......Page 27
2.2.1 Bravais Lattices......Page 29
2.2.2 Lattice Planes......Page 31
2.2.3 Lattice Directions......Page 35
2.2.4 Conversion from Three-Index to Four-Index System......Page 36
2.2.5 Structure Determination......Page 37
2.3 PRODUCTION OF X-RAYS......Page 38
2.3.2 Characteristic Radiation......Page 40
2.4 ABSORPTION OF X-RAYS......Page 43
2.5 BRAGG EQUATION......Page 46
2.6 DIFFRACTION ANGLES......Page 51
2.7 INTENSITIES OF DIFFRACTED BEAMS......Page 55
2.7.1 Atomic Scattering Factor......Page 57
2.7.2 Structure Factor......Page 58
2.8 XRD EQUIPMENT......Page 63
2.8.1 X-Ray Source......Page 64
2.8.2 The Specimen......Page 65
2.9 EXAMINATION OF A TYPICAL XRD PATTERN......Page 66
2.11 INDEXING THE XRD PATTERN......Page 68
2.11.2 Relationship between sin2 θ and hkℓ Values......Page 69
2.11.3 Analytical Approach......Page 76
2.11.4 Identification of the Bravais Lattice......Page 79
2.13 COMPARISON WITH ELECTRON AND NEUTRON DIFFRACTION......Page 81
2.13.1 Electron Diffraction......Page 83
2.13.2 Neutron Diffraction......Page 85
2.14 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 87
FURTHER READING......Page 90
3.1 INTRODUCTION......Page 91
3.2 PRINCIPLE OF THE OPTICAL MICROSCOPE......Page 93
3.3.1 Light Source......Page 96
3.3.2 Lens Aberrations......Page 98
3.3.3 Objective  Lens......Page 100
3.4 MICROSCOPIC OBSERVATION......Page 106
3.5.1 Number of Phases......Page 110
3.5.2 Grain Shape......Page 112
3.5.3 Grain Size......Page 114
3.5.4 Volume Fraction of Phases......Page 118
3.5.5 Chemical Compmposition......Page 119
3.6 SPECIMEN PREPARATION FOR MICROSCOPIC EXAMINATION......Page 120
3.6.1 Sectioning and Mounting......Page 121
3.6.2 Grinding......Page 122
3.6.3 Polishing......Page 123
3.6.4 Etching......Page 125
3.7.1 Nonferrous Alloy Sampmples......Page 129
3.7.2 Ferrous Alloy Samples......Page 133
3.8 PRECAUTIONS......Page 136
3.9 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 137
FURTHER READING......Page 141
4.1 INTRODUCTION......Page 143
4.2 BASIC DESIGN OF THE SEM......Page 144
4.3 ELECTRON SOURCE......Page 145
4.4 ELECTRON BEAM–SPECIMEN INTERACTIONS......Page 147
4.4.1 Secondary Electrons......Page 148
4.4.2 Backscattered Electrons......Page 149
4.4.3 X-Rays......Page 150
4.5 SPECIMEN PREPARATION......Page 153
4.6.1 Fractography......Page 154
4.6.2 Microstructural Features......Page 156
4.7 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 157
FURTHER READING......Page 158
5.1 INTRODUCTION......Page 159
5.3 REPRESENTATION OF PHASE DIAGRAMS......Page 160
5.4 THE PHASE RULE......Page 167
5.5 APPLICATION OF THE PHASE RULE......Page 169
5.5.1 Determination of Compositions of Phases......Page 172
5.5.2 Determination of Amounts of Phases......Page 174
5.6 DERIVATION OF LEVER RULE......Page 175
5.7 THE IRON–CARBON PHASE DIAGRAM......Page 177
5.7.1 Solid Solubility Limits......Page 179
5.7.2 Special Features of the Fe–C Phase Diagram......Page 181
5.7.3 Invariant Reactions......Page 182
5.8.1 Hypoeutectoid (0.2 wt% C) Steel......Page 184
5.8.2 Eutectoid (0.76 wt% C) Steel......Page 193
5.8.3 Hypereutectoid (1.1 wt% C) Steel......Page 195
5.9 DIFFERENTIATION BETWEEN PROEUTECTOID FERRITE AND PROEUTECTOID CEMENTITE......Page 199
5.10 MICROSTRUCTURAL OBSERVATION......Page 201
5.11 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 202
FURTHER READING......Page 204
6.1 INTRODUCTION......Page 205
6.2 REACTION RATES......Page 206
6.2.1 Rate of Nucleation......Page 209
6.2.2 Rate of Growth and Rate of Transformation......Page 213
6.3 ISOTHERMAL TRANSFORMATION DIAGRAMS......Page 214
6.4.1 Pearlite......Page 217
6.4.2 Bainite......Page 219
6.4.3 Martensite......Page 220
6.4.4 Morphology of Martensite......Page 222
6.4.5 Mechanism of Martensite Formation......Page 223
6.5 RETAINED AUSTENITE......Page 225
6.6 ISOTHERMAL TREATMENTS......Page 227
6.8 CONTINUOUS COOLING TRANSFORMATION DIAGRAMS......Page 230
6.9 TYPES OF HEAT TREATMENT......Page 232
6.9.1 Annealing......Page 234
6.9.2 Normalizing......Page 236
6.9.3 Quenching......Page 239
6.9.4 Tempmpering......Page 241
6.10 TEMPER EMBRITTLEMENT......Page 243
6.11 PROPERTIES OF HEAT-TREATED STEELS......Page 245
6.12 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 246
FURTHER READING......Page 250
7.2 DEFINITION OF HARDENABILITY......Page 251
7.3 DISTRIBUTION OF HARDNESS......Page 252
7.4 SEVERITY OF QUENCH......Page 254
7.5 GROSSMANN* TEST......Page 256
7.6 JOMINY END-QUENCH TEST......Page 260
7.7.1 Austenitic Grain Size......Page 265
7.7.2 Carbon Content......Page 268
7.7.3 Alloying Elements......Page 269
7.7.4 Use of Multiplying Factors......Page 272
7.9 HARDNESS TESTER TO BE USED......Page 273
7.11 SOME COMMENTS......Page 275
7.12 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 276
7.14 ADDITIONAL EXPERIMENT......Page 277
FURTHER READING......Page 279
8.1 INTRODUCTION......Page 281
8.3 SCRATCH HARDNESS MEASUREMENT......Page 282
8.4 REBOUND HARDNESS MEASUREMENT......Page 285
8.5 THE DUROMETER TEST......Page 286
8.7.1 Principle......Page 288
8.7.2 Indenters and Loads......Page 292
8.7.6 General Observations......Page 295
8.8.1 Principle......Page 296
8.8.2 Indenters and Loads......Page 299
8.8.3 Rockwell Scales......Page 300
8.8.5 Hardness Designation......Page 302
8.8.7 Precautions......Page 304
8.9 VICKERS HARDNESS TESTING......Page 305
8.9.1 Principle......Page 306
8.9.3 The Test......Page 308
8.9.5 Precautions......Page 311
8.9.6 Advantages and Disadvantages......Page 312
8.10 MICROHARDNESS TESTING......Page 313
8.10.1 Principle......Page 314
8.10.3 The Test......Page 315
8.11 NANOINDENTATION TESTING......Page 317
8.11.2 The Test......Page 318
8.11.3 Analysis of Data......Page 319
8.12.2 Surface Preparation......Page 321
8.13 CORRELATIONS......Page 323
8.13.1 Brinell versus Vickers Hardness Numbers......Page 324
8.13.2 Relationship between Strength and Hardness......Page 325
8.14 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 327
8.15 OBSERVATIONS......Page 329
8.16 ADDITIONAL EXPERIMENTS......Page 330
8.16.3 Influence of Alloying Additions......Page 331
EXERCISES......Page 332
FURTHER READING......Page 333
9.2 MEASUREMENT OF STRENGTH......Page 335
9.3.1 Stress......Page 337
9.3.2 Strain......Page 338
9.3.3 True Stress and True Strain......Page 339
9.4.1 Elastic Deformation......Page 341
9.4.3 Elastic Strain Recovery......Page 343
9.4.4 Strain Hardening......Page 344
9.5 THE TENSILE TEST......Page 345
9.6 PROPERTIES OBTAINED FROM THE TENSILE TEST......Page 348
9.6.2 Yield Strength......Page 349
9.6.3 Young’s Modulus......Page 351
9.6.4 Poisson’s Ratio......Page 355
9.6.6 Necking......Page 356
9.6.8 Ductility......Page 358
9.6.9 Toughness......Page 360
9.6.10 Resilience......Page 361
9.7 TRUE STRESS VERSUS TRUE STRAIN CURVE......Page 362
9.8 GENERAL OBSERVATIONS......Page 364
9.9.1 Chemical Compmposition......Page 365
9.9.2 Microstructure......Page 367
9.9.3 Tempmperature......Page 368
9.9.6 Strain Rate......Page 370
9.9.7 Anisotropy......Page 372
9.10 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 373
9.13 ADDITIONAL EXPERIMENT......Page 375
FURTHER READING......Page 377
10.1 INTRODUCTION......Page 379
10.2.1 Charpy Impact Test......Page 380
10.2.2 Izod Impact Test......Page 382
10.3 DUCTILE–BRITTLE TRANSITION......Page 383
10.4 DETERMINATION OF DUCTILE–BRITTLE TRANSITION TEMPERATURE......Page 384
10.5.1 Notch Sensitivity......Page 389
10.5.2 Configuration of the Notch......Page 390
10.5.5 Crystal Structure of Material......Page 391
10.5.8 Irradiation......Page 393
10.5.9 Heat Treatment......Page 394
10.7 CORRELATIONS WITH OTHER MECHANICAL PROPERTIES......Page 396
10.9 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 398
10.10 OBSERVATIONS......Page 399
FURTHER READING......Page 400
11.1 INTRODUCTION......Page 403
11.2 DEFINITIONS......Page 404
11.3 FATIGUE TESTING......Page 407
11.4 SOME TYPICAL EXAMPLES OF FATIGUE FAILURE......Page 411
11.6.1 Stress Concentrators......Page 416
11.6.3 Surface Condition......Page 417
11.6.4 Corrosion and Environmental Effects......Page 418
11.7 FRACTURE MECHANICS APPROACH......Page 420
11.8 CORRELATIONS BETWEEN FATIGUE STRENGTH AND OTHER MECHANICAL PROPERTIES......Page 427
11.10 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 430
11.11 ADDITIONAL EXPERIMENTS......Page 431
FURTHER READING......Page 432
12.1 INTRODUCTION......Page 433
12.3 THE CREEP CURVE......Page 434
12.3.2 Secondary or Stage II Creep......Page 436
12.3.3 Tertiary or Stage III Creep......Page 438
12.4 EFFECT OF STRESS AND TEMPERATURE......Page 439
12.5 CREEP-RUPTURE TEST......Page 441
12.7 LARSON–MILLER PARAMETER......Page 445
12.9 CREEP IN POLYMERIC MATERIALS......Page 448
12.10 EXPERIMENTAL PROCEDURE......Page 449
FURTHER READING......Page 450