Properties of MaterialsText : Materials Sciences and engineering :

An introductionby William D. Callister Jr. 6th or 7th Edition

Reference :

The Science and Engineer of Materials

by AskelandLecturer :

Aj.Taswal Kumpeerapun

Properties of MaterialsContent:1. Introduction2. Atomic Structure and Interatomic

Bonding3. The Structure of Crystalline Solids4. Imperfections in Solids5. Diffusion6. Mechanical Properties of Metals7. Dislocations and Strengthening

Mechanisms8. Failure9. Phase Diagrams , Phase

Transformations in Metals

Chaper 1 and 2

Materials Science : ศึกษาความสัมพันธระหวาง

โครงสรางและสมบัติของวัสดุ

Materials Engineering : เปนการออกแบบและ คํานวณทางวิศวกรรมเกี่ยวกับโครงสรางของวัสดุและ โดยมี ความสัมพันธ กับโครงสรางของวัสดุและสมบัติของวัสดุ

Structure of Materialsโครงสรางของวัสดุ : เกี่ยวของกับการจัดเรียงตัวขององคประกอบภายใน

โครงสรางในระดับเล็กกวาอะตอม ( subatom) : จะเกี่ยวของกับ อิเลค็ตรอนใน

แตละอะตอม และอันตรกิริยา (interaction)กบันิวเคลียส

โครงสรางในระดับอะตอม : จะเกี่ยวของกับ การจัดเรียงหรือจัดกลุมของ

อะตอม หรือโมเลกุล โดยมีความสัมพันธกับอะตอมหรือโมเลกุลอื่น

โครงสรางในระดับจุลภาค (microscopic) : จะเกี่ยวของกับการจัดกลุมของ

อะตอมเขาดวยกันเปนกลุมกอน ซึ่งสามารถสังเกตไดดวยกลองจุลทรรศน

โครงสรางในระดับมหภาค ( macroscopic) : จะเปนโครงสรางที่มองเห็นดวย

ตาเปลา

Properties of Materials

เปนลกัษณะเฉพาะของวัสดุ ที่พิจารณาจากความเกี่ยวของ ของรปูแบบ และปริมาณ ในการตอบสนองตอสิ่งภายนอก ที่มากระตุน เชน การเปลีย่นรปูของวัสดุ เมื่อถูกแรงภายนอกกระทํา หรือ การทนทานตอความรอนทีไ่ดรับเปนตน

สมบัติของวัตถุ

คุณสมบัติของวัสดุ : ไมขึน้กับรูปรางและขนาด

คุณสมบัตทิี่สําคัญของวัสดุอาจ จําแนก เปน 6 กลุม ดังนี้

1. คุณสมบัติทางกลศาสตร (Mechanical Property )

2. คุณสมบัติทางไฟฟา (Electrical Property )

3. คุณสมบัติทางความรอน (Thermal Property )

4. คุณสมบัติทางแมเหล็ก (Magnetic Property )

5. คุณสมบัติทางแสง (Optical Property)

6. คุณสมบัติทางการเสื่อม (Deteriorative Property )

Properties of Materials

องคประกอบอื่นทีส่ําคัญของวัสดุนอกเหนอืจากคุณสมบัติ และ โครงสราง ไดแก

Process : ขบวนการผลิตวัสดุ

Performance : สมรรถนะของวัสดุ

ความสัมพันธ ขององคประกอบทั้ง 4 ใน การออกแบบการผลิต และ

การใชประโยชนวัสดุ คือ

Processing Structure Properties Performance

ถานําวัตถุมาใชงานทางแสง จะตองพิจารณาคุณสมบัติทางแสงของวัตถุ (optical properties) ดังตัวอยางเชน แผนกลมบางของ อลูมิเนียมไดออกไซด(AlO2) ทีมี process ในการผลิตตางกัน 3 อัน นําวางบนแผนพิมพ จะเห็นวาแสงจากสิ่งพิมพดานลาง ผานออกมามากนอยตางกัน

มีคุณสมบัติโปรงใส ( transparent ) เนื่องมี

ขบวนการผลิตที่ทําใหเปน single crystal จึง

สมรรถนะในการใหแสงผานไปไดมากที่สุด

มีคุณสมบัติโปรงแสง ( translucent )

เนื่องจากมีขบวนการผลิต ที่ทํ าให

ภายในเปน ผลึกรวม (polycrystalline )

จึงมีสมรรถนะในการใหแสงผานไปได

บาง

มีคุณสมบัติทึบแสง ( opaque) เนื่องจากมี

ขบวนการผลิตที่ทําใหไดโครงสรางออกมาเปน

รูพรุน แสงจึงไมสามารถหักเหผานออกมาได

สมรรถนะในการใหแสงผานไปไดมีนอยที่สุด

จะเห็นวาคุณสมบัติการใหแสงผาน ของวัตถุทั้ง 3 ขึ้นกับโครงสรางที่แตกตางกันของวัตถุทั้งสาม อันเนื่องมาจากกระบวนการผลิต เมื่อนําไปใชงาน จะทําใหสมรรถนะในการนําไปใชงานทางแสงของวัตถุทั้งสามแตกตางกันดวย

Processing Structure Properties Performance

ตัวอยางขางตนเปนการแสดงใหเห็นถึงความเกีย่วพัน ขององคประกอบ

ทั้ง 4 ประการ คือ

Classification of Materials

1. Metal and Alloy

2. Ceramics glass and glass- ceramics เปนวัสดุที่

ประกอบดวย โลหะ และ อโลหะ

3. Polymer ( plastics) เปนวตัถุที่ประกอบดวย

พลาสติก และ ยาง

4. Semiconductors

5. Composite Materials วสัดุที่เปนองคประกอบ ของ

วัสดุตั้งแต 2 ชนิด ขึน้ไป

1. Metal and Alloyโลหะจะเปนวัสดุที่มี คาความแข็งสูง มีความเหนียวสูง สามารถที่

จะยืดหรือเปลี่ยนรูปได มีคา shock resistance ถานํา โลหะตัง้แต 2

ชนิดมารวมกันไดเปนสารใหมเรียกวา Alloy เพื่อใหได สารใหมที่

มีคุณสมบัติที่ดีขึ้นหรือเปนไปตามความตองการ

โลหะ

เปนวสัดุที่ใชกันมากที่สุดในทางอุตสาหกรรม เนื่องจากขึ้นรปูไดงายหลายแบบ มีความยืดหยุน ทนทาน หางายสามารถนาํมา recycle ได

มีการถลุงโลหะไดแก โรงถลุงสังกะสี ดีบุก ทองแดงและตะกั่ว

อุตสาหกรรมโลหะในประเทศไทย

มีการขึ้นรปูผลติภัณฑ และชิ้นสวน คือ การหลอ (casting) การรดี ( Rolling ) การอดัขึน้รูป (Extrusion) การทาํโลหะแผน ( Sheet Metal forming) การดึงลวด ( wire drawing) ผลิตภัณฑจากกรรมวิธีโลหะผง ( powder Metallurgy )

มีการวิเคราะห บํารุง ดูแล ตรวจสอบ ไดแก อบชุบความรอน การปองกันการการกัดกรอน ( Corrosion Prevention ) และการวิเคราะหความเสียหาย (Fracture Analysis )

Metals and Alloy Examples of Applications

Properties

Copper Electric conductor wire

High electrical conductivity ,Good formability

Gray cast iron Automobile Engine blocks

Cast able, machinable, Vibration-damping

Alloy steel Wrenches automobile

Chassis

Significantly strengthened by heat treatment

1. Metal and Alloy

ตัวอยางวัสดุ ที่นําไปทําเปนผลิตภัณฑ เพื่อนําไปใชงานเละคุณสมบัติ ของ

วัสดุนั้นๆ แสดงในตารางขางลาง

Ceramics glass and glass- ceramics

• เปนองคประกอบระหวางโลหะ กับอโลหะ โดยมากอยูในรูปของออกไซด ไนไตรต และ คารไบด นอกจากนี้ยังรวมถึง เซรามิคที่ประกอบดวย ดินเหนียว ซีเมนต และแกว

• โดยมากจะเปนฉนวน ตอการสงผานความรอน และไฟฟา • ทนอุณหภูมิไดดกีวา และทนตอสภาพแวดลอมที่รุนแรงไดดีกวาโลหะ

และ โพลิเมอร • ขอเสียคือ คุณสมบัติทางกล ที่แข็งแตเปราะ

Polymer ( plastics)

• โดยมากเปนสารประกอบอินทรีย ซึ่งมีองคประกอบพื้นฐานทางเคมีมาจากคารบอน-ไฮโดรเจน และธาตุอโลหะอื่นๆ

• มีโครงสรางโมเลกุลที่ใหญมาก • มีความหนาแนนต่ําและ ออนตัวไดมาก

Composite Materials

• วัสดุผสม ทํามาจากวัสดุมากกวา 1 ชนิด • ไมมีการหลอมละลาย มีผิวสัมผัสระหวางวัสดุเห็นไดชัด • มีทั้งชนิดเสนใยเสริมเหล็ก และเม็ดอนุภาคแทรก• เชน เสนใยแกวเสริมแรงใน อิพอกซี

Semiconductors

• เปนวัสดุกลุมพิเศษ แยกจากวัสดุหลัก ใชในงานอิเลคทรอนิกส • มีสมบัติทางไฟฟาที่อยูระหวางตัวนําไฟฟาและฉนวน สมบัตินี้ขึ้นอยูกับ

สิ่งเจือปนในสารนั้น • ที่สําคัญคือ ซิลิคอนแบบผลึกเดีย่ว หลายผลึก หรือแบบอสัณฐาน

รูปจาก mineral.galleries.com

ผลึกซิลิคอน ธรรมชาติIntel researchers have developed the world’s first silicon chip capable of producing a high-quality continuous laser beam. Eight lasers are built into a single silicon chip.

Advanced Material

คือ วัสดุหรืออุปกรณที่ใชในเทคโนโยลีขั้นสูง โดยมีหลักการทํางานที่

ซับซอน หรือลึกซึ้ง เชน อุปกรณอิเลคทรอนิค เสนใยนําแสง liquid

crytals เปนตน

Apple can’t stop changing the game. This iRing can control the playback and volume of your iPod and iPhone.

รูปจาก www.kanyeuniversecity.com

Smart Material

เปนวัสดุกลุมใหมที่มีระดับเทคโนโลยีสูง และกําลังถูกพัฒนา ใหสามารถ

รับรูการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดลอม และสามารถตอบสนองตอการ

เปลี่ยนแปลงนั้นได ตามรูปแบบที่มีการกําหนดไวกอนลวงหนา เชน

Holochromic เปนวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงสีถา ความเปนกรดเพิ่มมากขึ้น

Piezoelectronic เปนวัสดุที่การเปลี่ยนแปลง voltage ถามีการเปลี่ยนแปลง

strength ที่เกิดขึ้นบนวัสดุนั้น

Shape Memory Alloys เปนวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปรางกลับมาแบบเดมิ

ได ถา สภาพแวดลอมกลับมาสูภาวะเดิม

Shape memory alloys and polymers are examples of types of smart materials that GM is developing for use in its products. Smart materials can change their shape, strength, and/or stiffness when heat, stress, a magnetic field or electrical voltage are introduced. Shape memory alloys, and polymers in particular, "remember" their original shape and can return to it, opening new possibilities for many movable vehicle features

On-demand control of the airflow into the engine compartment uses a shape memory alloy-

activated louver system. Reducing the cooling airflow into the engine compartment reducesaerodynamic drag. The result is improved aerodynamics and drag reduction and rapidwarm-up during cold starts.

ที่มาhttp://www.gm.com/experience/technology/news/2007/smart_materials_030807.jsp

Nanomaterials

เปนวสัดุทีม่ขีนาด < 100 nm มีความแข็งและทนทานกวาวัสดุขนาดใหญ

Examples: ceramics powder and grain size < 100 nmNanomaterials are harder and stronger than bulk materials.Have biocompatible characteristics ( as in Zirconia)Transistors and diodes are developed on a nanowire.

ZnO was referred to as Calamine in ancient Egypt, which is a natural mineral Smithsonite with ZnCO3 as its main compound. Because of long history, there was no knowledge of how diseases were cured through the use of ZnO.

Zinc oxide is a stable material in terms of anti-bacterial agent, which in nature is not poisonous. Instead of just killing the bacteria, the entire purpose is to prevent bacteria from happening in the first place, which lets bacteria have no opportunity to transform. As a result, ZnO has become one of the major forces for inorganic anti-bacterial agent.

ZnO

ที่มา www.nanomaterials.co.th/index2_en.asp?CType=27

Case Study – การเลือกใชวัสดุ

Steel and alloys Wood

Carbon fiber Reinforced

plastic

Aluminumalloys

Ti and Mgalloys

ราคาถูก แตหนัก และไมทนทานตอ การกัดกรอน

เบาและแข็งแรงแต

ยากตอการดัด

และการขึ้นรปู.

เบาและแข็งแรง

ทนทานตอการ

กัดกรอนแตแพง

เบาและแข็งแรง

ทนทานตอการ

กัดกรอนแตคอน

ขางแพง

ดีกวา alluminiumalloy แตแพงกวามาก

ราคาสําคัญหรือไม ? เลือก เหล็กคุณสมบัติสําคัญหรือไม ? เลือก CFRP

Problem: ตองการเลือกวัสดุที่เหมาะสม เพื่อมาใชผลิตโครงรถจักรยาน และที่ปน.

การบาน

1. You would like to be able to physically separatedifferent materials in a scrap recycling plant. Describesome possible methods that might be used toseparate materials such as polymers, aluminumalloys, and steels from one another.