อ สุวันชัย พงษ สุกิจวัฒน ภาควิชาวิศวกรรมโลหการ จุฬาฯ · 2 บทที่๑ บทนํา

1

MEN111 วัสดุวิศวกรรม

อ. สุวันชัย พงษสุกิจวัฒน(ภาควิชาวิศวกรรมโลหการ จุฬาฯ)

2

บทท่ี ๑ บทนําIntroduction to Materials Science

and Engineering• วัสดุคืออะไร?• วัสดุคือ สสารตาง ๆ ที่มนุษยนํามาประกอบขึ้นหรือผลิตขึ้นใหเปน

ผลิตภัณฑ, เครื่องมือเคร่ืองใช, ส่ิงประดิษฐ, ส่ิงกอสรางตาง ๆ• วัสดุวิศวกรรมคืออะไร?• วิศวกรรม และวิศวกร คืออะไร?

วิศวกรคือ?

• ผูที่นําความรูวิทยาศาสตรทั้งวิทยาศาสตรพ้ืนฐานและประยุกต มาใชใหเกิดประโยชนในการออกแบบ, ผลิต/จัดสราง, และใชงานผลิตภัณฑ/ชิ้นสวนตาง ๆ ข้ึนจากวัสดุ (วัสดุวิศวกรรม) โดยคํานึงถึงความคุมคาในเชิงเศรษฐศาสตรดวย

• วัสดุวิศวกรรม = วัสดุที่ใชงานในทางวิศวกรรม

3

วิศวกรคือ อะไร

• ผูประยุกตใชวัสดุและ/หรือพลังงานตามความตองการของสังคม

• ผูสราง, ผูดูแล, ผูทําลาย• โดยตองคํานึงถึง ความคุมคาทางเศรษฐศาสตร และ มีความ

รับผิดชอบตอสิ่งแวดลอม

วิศวกรคือ อะไร (ตอ)

• ออกแบบชิ้นสวนและระบบ ทําการสรางขึ้นมาและคอยตรวจตราการทํางานของสิ่งนั้น

• ชิ้นสวนตาง ๆ ทําจาก “วัสดุ”

4

ความสําคัญของวัสดุวิศวกรรม

• ตอวิศวกรเครื่องกลชิ้นสวนตาง ๆ ที่วิศวกรเครื่องกลเกี่ยวของดวย

ผลตอบสนองตอภารกรรมทางกลของชิ้นสวนเหลานั้นผลตอบสนองตอภารกรรมดานอื่น ๆ เชน ความรอน

• ตอวิศวกรโยธา• ตอวิศวกรคอมพิวเตอรและไฟฟา

วัสดุ วัสดุ ((ชนิดของวัสดุชนิดของวัสดุ))

คุณสมบัติคุณสมบัติ กระบวนการผลิตกระบวนการผลิต

สมรรถนะ สมรรถนะ ((การใชงานการใชงาน))

5

วัสดุในงานวิศวกรรม

• โลหะ• เซรามิค• พอลีเมอร• วัสดุผสม

วัสดุที่จะเรียนในวิชาน้ี

• โลหะ• เซรามิค• พอลีเมอร• วัสดุผสม• วัสดุอิเลกทรอนิกส (สมบัติทางไฟฟา, แมเหล็ก, ออปติกส และ

สมบัติตัวนํายิ่งยวด)

โลหะ, ถึงสอบกลางภาค (เนื้อหา 50%)

ที่เหลือ สอบปลายภาค (เนื้อหา 50%)

6

โลหะ

• วัสดุที่ใชงานกันมากที่สุดในอุตสาหกรรม• หางาย, การใชงานแพรหลาย, ทนทาน• สามารถทํารีไซเคิลได• กระบวนการผลิตมีความยืดหยุน, ขึ้นรูปไดหลายแบบ• มีคุณสมบัติหลากหลาย

อุตสาหกรรมโลหะในประเทศไทย

1. สายการถลุงโลหะ– โรงถลุงสังกะสี– โรงถลุงดีบุก– โรงถลุงทองแดง, ตะกั่ว– (บานเรายังไมมีโรงถลุงเหล็ก)

2. สายการขึ้นรูปผลิตภัณฑ/ช้ินสวน

7

อุตสาหกรรมโลหะในประเทศไทย

2. สายการขึ้นรูปผลิตภัณฑ/ช้ินสวน– ผลิตภัณฑหลอ (Casting)– ผลิตภัณฑรีด (Rolling)– ผลิตภัณฑอัดขึ้นรูป (Extrusion)– ผลิตภัณฑโลหะแผน (Sheet Metal Forming)– อื่น ๆ เชน การดึงลวด (Wire Drawing), ผลิตภัณฑจากกรรม

วิธีโลหะผง (Powder Metallurgy, PM)3. สายบริการ/บํารุงรักษา/ดูแล/ตรวจสอบ

อุตสาหกรรมโลหะในประเทศไทย

3. สายบริการ/บํารุงรักษา/ดูแล/ตรวจสอบการอบชุบความรอน เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติงานดานการปองกันการกัดกรอน (Corrosion Prevention)งานวิเคราะหความเสียหายของชิ้นสวน (Fracture Analysis)

8

โลหะ

• เปนธาตุสวนใหญ ในตารางธาตุ• แบงเปน

1. โลหะ Representative2. โลหะ Transition

9

โลหะ

• ภายในเนื้อโลหะ ประกอบดวยอะตอมซึ่งจับตัวกันดวยพันธะโลหะ (Metallic Bond) ทําใหมีอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron)

• การนําไฟฟาดี, การนําความรอนดี, การแปรรูปถาวร (Plastic Deformation) ดี

• การจัดเรียงตัวของอะตอม เปนระเบียบ มีกฎเกณฑตายตัวทั้งในดานตําแหนงและทิศทาง โครงสรางผลึก (Crystal Structure)

โลหะ

• การแบงประเภท• โลหะบริสุทธิ์ กับ โลหะผสม• โลหะเหล็ก กับ โลหะนอกกลุมเหล็ก

10

เซรามิค (Ceramics)

• เปนสารบริสุทธิ์ (ธาตุ หรือ สารประกอบ)• มีทั้งอะตอมของโลหะและอโลหะมาประกอบกัน• โครงสรางผลึก ที่ซับซอนวาในโลหะ• จับตัวดวยพันธะโควาเลนต/อิออนิก• จุดหลอมเหลวสูง, ทนความรอน, ทนตอการกัดกรอน, แข็ง, เปราะ,

มักไมนําไฟฟา• น้ําหนักเบา (ถ.พ. ต่ํา)

ตาราง สัดสวนของพันธะโควาเลนตและพันธะอิออนิกในเซรามิคบางชนิด

เซรามิค(สารประกอบ)

อะตอมคูที่เกิดพันธะ

ผลตางของElectronegativity

ความเปนอิออนิก (%)

ความเปนโควาเลนต

(%)Magnesium Oxide, MgO

Mg–O 2.3 73 27

Aluminum Oxide, Al2O3

Al–O 2.0 63 37

Silicon Dioxide, SiO2

Si–O 1.7 51 49

Silicon Nitride, Si3N4

Si–N 1.2 30 70

Silicon Carbide, SiC

Si–C 0.7 11 89

11

12

13

พอลีเมอร หรือ พลาสติก

• สารอินทรีย (มี คารบอนเปนองคประกอบ) โมเลกุลใหญและเรียงตัวเปนสายทาง (โซยาว) หรือเปนโครงขาย ไมจัดเรียงอะตอมเปนโครงสรางผลึก

• มีความแข็งแรงและความเหนียวแตกตางกันไป• โดยทั่วไป จุดออนตัว/จุดสลายตัวต่ํา• ไมทนตอการกัดกรอนมากนัก• น้ําหนักเบา (ถ.พ. ต่ํา)

14

วัสดุผสม (composite Materials)

• เกิดจากวัสดุมากกวา ๒ ชนิดมาผสมกัน• ไมมีการหลอมละลาย มีผิวสัมผัสระหวางวัสดุใหเห็น• มีทั้งชนิดเสนใยเสริมแรง และเม็ดอนุภาคแทรก• เชน เสนใยแกวเสริมแรงในอีพ็อกซี

15

วัสดุอิเล็กทรอนิกส

• กลุมวัสดุพิเศษที่แบงแยกจากวัสดุหลัก• วัสดุในงานอิเล็กทรอนิกส• ที่สําคัญคือ ซิลิคอนบริสุทธิ์

– สามารถทําใหอยูในรูปตาง ๆ ซึ่งสงผลใหสมบัติทางไฟฟาของซิลิคอนนั้นแตกตางกันไป

– เชน ซิลิคอนผลึกเดี่ยว, ซิลิคอนแบบหลายผลึก, ซิลิคอนแบบอสัณฐาน (Amorphous Silicon)

16

17

18

(From www.ltvsteel.com)

กระบวนการผลิตเหล็ก และ เหล็กกลา

19

Nanotechnologyเทคโนโลยี ระดับ 10-9

ความสามารถในการ ควบคุมโครงสรางระดับ อะตอมและโมเลกุล

2 µm

Nanocompositeวัสดุผสม ในระดับอะตอมระหวาง ช้ันซิลิเกต กับ พอลีเมอร

ไดโอดเปลงแสง ชนิดบางบนแผนพลาสติค สําหรับทีวีจอแบน

(จาก เว็บไซต www.cornell.edu)

20

วงจรอิเลกทรอนิกสชนิด ออนบนแผนพลาสติค สําหรับ จอคอมพิวเตอร ชนิดพับได เสื้อทนความรอน กัน

ความรอนถึง ๔๐๐ องศาทําจาก อะรามิดไฟเบอร

ใบพัดกังหันเครื่องเทอรโบเจ็ททําจาก ซิลิคอนไนไตรดเซรามิก

เครื่องตรวจ สายพันธุกรรมดีเอ็นเอ ทําจากผลึกแกว

แผงวงจรอิเล็กทรอนิกสขนาดจิ๋ว ขนาดสายไฟในวงจรขนาด 18 ไมครอน

ไมวาจะเปน เทคโนโลยีใหมหรือเกา พ้ืนฐานยังคงเปน ความสัมพันธ ระหวาง

- โครงสราง- คุณสมบัติ- การผลิต- สมรรถนะ