The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.

เอกสารประกอบการบรรยายเรื่องวัสดุวิศวกรรม

Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search
Published by runn0248, 2022-05-21 01:12:38

เอกสารประกอบการบรรยายเรื่องวัสดุวิศวกรรม

เอกสารประกอบการบรรยายเรื่องวัสดุวิศวกรรม

Keywords: เอกสารประกอบการบรรยายเรื่องวัสดุวิศวกรรม

เอกสารประกอบการบรรยาย

เร่อื ง

วัสดวุ ิศวกรรม

Principles of Materials
Science and Engineering

โดย
รองศาสตราจารย แมน อมรสทิ ธิ์

Engineering Materials

2

ความสาํ คญั ของการศกึ ษาวัสดุวศิ วกรรม ซงึ่ เปนศาสตรท ีเ่ กยี่ วของอยา งเปนดานหลักของการใชพน้ื
ฐานและการประยกุ ตค วามรูท างวัสดุ เพื่อปรบั ปรงุ สมบัติแลว นํามาผลติ เปนผลติ ภณั ฑท ีต่ อ งการและเปน
ประโยชนตอสงั คม

จุดมุง หมาย (goals) ของการเรยี นวชิ า Engineering Materials
1. เพอ่ื ตอ งการใหผ เู รยี นมคี วามรูค วามคุน เคยกบั สมบัตขิ องวัสดุ เมอ่ื ตอ งการเลือกใชหรอื นาํ ไป
ประยกุ ต
2. เพอ่ื ตอ งการใหผ ูเรยี นไดเขา ใจถึงองคป ระกอบ โครงสราง ซ่ึงมีความสมั พันธก ับสมบัตติ าง ๆ ของ
วัสดกุ ับการใชงาน
3. เพือ่ ตอ งการใหผ ูเรียนไดท ราบถึงขอ มูลตาง ๆ ของสมบัตขิ องวสั ดุ เพอ่ื นาํ มาใชง านเพอื่ หลกี เลย่ี ง
การตองทดสอบ
4. เพ่อื ใหผ ูเรยี นไดเ ขาใจถึงกระบวนการผลิต, กระบวนการทดสอบใหว สั ดุท่ผี ลิตออกมามีความ
สมบูรณและมคี ณุ ภาพ

ตําราหรือหนงั สอื ที่ใชประกอบการเรยี น
1. Foundations of Materials Science and Engineering by William F. Smith
2. Principles of Materials Science and Engineering by William F. Smith
3. Elements of Materials Science and Engineering by Lawrence H. Van Vlack
4. Materials for Engineering Concepts and Applications by Lawrence H. Van Vlack
5. The Science and Engineering of Materials by Donald R. Askeland
6. Engineering Materials Properties and Selection by Kenneth G. Budinski
7. Materials Science and Engineering 3rd ed. By William D. Callister Jr., John Willey & Sons
8. วัสดุวศิ วกรรม แปลและเรียบเรียง โดย รศ.แมน อมรสิทธ์ิ ผศ.ดร.สมชยั อคั รทิวา

3

1. วัสดุวิศวกรรม

1.1 วัสดุคืออะไร

วัสดุ คือส่งิ ตา ง ๆ หรอื สสารทีป่ ระกอบดวยสารเคมี สงิ่ ตา ง ๆ ท่อี ยูร อบตัวเราลวนเปน ผลติ ภณั ฑที่
เกิดจากวสั ดุท้ังสนิ้

1.2 วัสดุวศิ วกรรม (Engineering materials) คอื วัสดทุ นี่ ําไปใชใ นงานทางดานวศิ วกรรม

1.3 ประเภทของวัสดุ

วัสดุวิศวกรรม (Engineering materials) แบงออกไดอ อกเปน 5 ประเภท แตล ะประเภทจะมโี ครง
สราง, สมบตั แิ ละความแขง็ แรงแตกตา งกนั ดังน้ี

1. ประเภทโลหะ (Metallic materials)
2. ประเภทพลาสตกิ หรอื พอลเิ มอร (Polymeric materials)
3. ประเภทเซรามิก (Ceramic materials)
4. ประเภทวสั ดผุ สม (Composite materials)
5. ประเภทอิเล็กทรอนิกส (Electronic materials)

1.3.1.1 วสั ดุประเภทโลหะ
วสั ดุพวกนีถ้ อื วาเปนสารอนนิ ทรีย (Inorganic substances) ท่ปี ระกอบดว ยธาตุท่เี ปน โลหะชนดิ

เดยี วหรอื หลายชนดิ กไ็ ด บางครงั้ อาจมีอโลหะผสมอยูด ว ยก็ได โดยทั่วไปพวกโลหะจะมสี มบัตเิ ฉพาะท่ี
เปน ตัวนําไฟฟา และความรอนท่ดี ี มีความแขง็ แรงสงู เหนยี วออ นตัวได เปนตน ถาเอาโลหะบริสทุ ธ์ิตง้ั แต
2 ชนดิ ขึ้นไปผสมกันจะไดโลหะผสม (alloy)

โลหะและโลหะผสม ยงั แบง ออกไดเปน 2 พวก
ก. พวกโลหะทเ่ี ปน เหล็ก (Ferrous metals) และโลหะผสม ที่มีเหลก็ เปน องคประกอบหลัก
ข. พวกโลหะทีไ่ มม ีเหลก็ (Non-ferrous metals) และโลหะผสมของมนั ที่ไมม เี หลก็ หรอื ถามเี หล็กก็

จะมอี ยูนอ ย เชน อะลมู เิ นียม (Al) นิกเกิล (Ni) ทองแดง (Cu) สังกะสี (Zn) ดีบุก (Sn)
แมกนีเซียม (Mg) เปนตน
1.3.1.2 วสั ดุประเภทพลาสติกหรือพอลเิ มอร
วสั ดพุ วกน้เี ปนสารอนิ ทรยี  สวนใหญจะประกอบดวยธาตุ C, H, N, Cl, F, S, O เปนตน พอลิเมอร
เปน สารทม่ี ีโมเลกุลใหญ มีโครงสรางทีต่ อ กนั ยาวหรอื เปนโครงขา ย (net work) พอลิเมอรเ ปนสารทไ่ี มม ี
รูปรางผลกึ เปน สวนใหญ แตบางชนิดเปน ของผสมทมี่ ีรูปรา งผลึกและไมม ีรูปรา งผลึกปนกัน จึงมีสมบตั ทิ ่ี
กวา งมาก มีทัง้ แข็งแรง, ออ น เปน ฉนวนไฟฟา มีจุดหลอมเหลวทั้งสงู และตา่ํ โดยทว่ั ไปพอลิเมอรมคี วาม
หนาแนนตํ่า ตวั อยางเชน
พอลิเอทีลนี (polyethylene) -CH2-CH2-CH2-CH2-
พอลไิ วนิลคลอไรด (PVC) -CH2-CH-CH2-CH-

Cl Cl

4

เบเคไลท (Bakelite)

พลาสตกิ เปนพอลิเมอรชนดิ หน่งึ มอี ยู 2 ชนดิ คอื เทอรโ มพลาสตกิ (Thermoplastic) เปนพลาสติก
ชนิดท่สี ามารถหลอมเหลวไดด วยความรอ นอกี ชนิดหนง่ึ คอื เทอรโ มเซต (Thermosetting plastic) เปน
พลาสติกที่ไมสามารถหลอมเหลวได เมือ่ แขง็ ตัวแลว เปน พลาสตกิ ท่ีแข็งแรงแตเ ปราะ

1.3.1.3 วสั ดปุ ระเภทเซรามกิ

วสั ดุพวกนี้เปนสารอนนิ ทรยี  (Inorganic substance) ท่ปี ระกอบดวยธาตทุ ี่เปนโลหะ และอโลหะรวม
กนั อยูไ ดด ว ยพนั ธะทางเคมี (chemical bond) ซงึ่ มลี กั ษณะดังน้ี

ก. มีรปู รางผลึกหรอื ไมมรี ูปรา งผลกึ ก็ได หรอื เปน ของผสมของทัง้ สองอยา งก็ได
ข. มีความแข็งสงู (high hardness)
ค. มีความแข็งแรงดีทอ่ี ณุ หภูมสิ งู
ง. มีความเปราะสูง หรือแตกงา ยเมือ่ โดนแรงกระแทก
จ. เปนฉนวนไฟฟา และความรอ นที่ดี
ในปจ จุบนั เซรามกิ ไดพัฒนาและกาวหนา ไปมาก สามารถนําไปใชป ระโยชนไ ดอยางกวา งขวาง เชน
ทาํ กระสวยอวกาศ (Space shuttle) สวนประกอบของเคร่ืองยนตใ ชท ําหวั วดั อุณหภมู ิ เปนตน
1.3.1.4 วัสดปุ ระเภทผสม (composite material)

วัสดุประเภทผสมคอื อะไรน้นั มีความหมายกวางขวางมาก ตามดิกชนั นารไี ดใหความหมายไวว า
composite คอื สิ่งประกอบดวยองคประกอบ (constituents) ตาง ๆ กนั ทง้ั ทสี่ ามารถบอกความแตกตา งไว
ดวยตาเปลา หรือองคป ระกอบทม่ี ขี นาดเล็กลงไปในระดบั อะตอม (atomic level) หรอื ระดับไมโคร
(microstructural level) ซึง่ ตอ งใชอุปกรณพ เิ ศษในการดอู งคป ระกอบของมนั ลว นจดั วา เปน วัสดุประเภมผสม
ทงั้ สน้ิ

สําหรับความหมายที่ยอมรบั กันไดโดยทัว่ ไปคอื “วัสดุประเภทผสม หมายถงึ วัสดทุ ีจ่ ดั วา เปน ของ
ผสมประกอบดวยองคป ระกอบมากนอ ยแตกตางกนั ไปตัง้ แต 2 ชนดิ ขน้ึ ไป โดยที่องคประกอบเหลานนั้ อาจ
มรี ปู รา งและองคป ระกอบทางเคมีตา งกนั ทาํ ใหม ันไมล ะลายเขา ดวยกนั ” ในความสําคญั ทางวิศวกรรมแลว
วสั ดุประเภทผสมกค็ ือวสั ดุทีไ่ ดจ ากการนาํ เอาวสั ดทุ ่ีแตกตางกนั มาผสมกนั ตัง้ แต 2 ชนดิ ขน้ึ ไป ทําใหว สั ดุนน้ั
มีสมบัติพิเศษขนึ้ กวา วสั ดเุ ดิม เชน คอนกรตี ไมอัด ไฟเบอรกลาส หรือพวก Reinforcement fiber เปน ตน

1.3.1.5 วัสดปุ ระเภทอเิ ล็กทรอนกิ ส

วสั ดุประเภทนบั วามคี วามสําคัญมากในปจ จบุ ันซึง่ เปน ยกุ ตของเทคโนโลยชี ัน้ สูง วสั ดุประเภทนี้ท่ีจดั
วา สําคญั ทีส่ ุด คือ ซิลิกอนบรสิ ุทธ์ิ ซ่งึ สามารถนําไปใชห รือดัดแปลงใหม ีลกั ษณะสมบัตเิ ฉพาะไดดมี าก
เชน ใชท าํ silicon chip, micro-eletronic devices, semiconductors เปนตน

5

1.4 สมบัติและการเลอื กใชวัสดุ

การเลอื กใชวัสดุใหเ หมาะสมกบั งานนนั้ จาํ เปนจะตอ งศกึ ษา หรือพจิ ารณาจากสมบตั ขิ องวสั ดุนัน้ ให
มนั ตรงกบั งานทอ่ี อกแบบ หรอื ท่ตี อ งการทาํ จากวัสดตุ า ง ๆ ซงึ่ มอี ยมู ากมาย และวศิ วกรสามารถสงตวั
อยา งไปวิเคราะหส มบัติ องคป ระกอบไดจากศูนยเ ครื่องมอื หรอื ศูนยท ดสอบ ซ่ึงมอี ยูหลายแหง ดวยกนั
เพือ่ ประหยัดเวลาและการลงทนุ

สมบัตทิ ่สี ําคญั ทีใ่ ชใ นการพิจารณาเลือกวสั ดุท่ีจะใชดงั แสดงในรูป 1.1
1.4.1 สมบัติทางเคมี (Chemical properties)

เปนสมบตั ิท่สี ําคญั ของวัสดซุ ึ่งจะบอกลักษณะเฉพาะตัวทเี่ กี่ยวกับโครงสรา งและองคป ระกอบของ
ธาตุตาง ๆ ท่ีเปน วสั ดนุ ้นั ตามปกติสมบัตินีจ้ ะทราบไดจ ากการทดลองในหองปฏิบัติการเทา นัน้ โดยจะให
วิธกี ารวเิ คราะหแ บบทาํ ลายหรอื ไมท าํ ลายตวั อยา ง

1.4.2 สมบตั ทิ างกายภาพ (Physical properties)
เปน สมบัติเฉพาะของวสั ดุท่เี กี่ยวกับการเกิดอนั ตรกริ ยิ าของวัสดุนน้ั กับพลังงานในรูปตาง ๆ กนั

เชน ลักษณะของสี ความหนาแนน การหลอมเหลว ปรากฏการณที่เกิดกับสนามแมเหลก็ หรือสนามไฟฟา
เปนตน การทดสอบสมบัตินจี้ ะไมมีการทาํ ใหว สั ดนุ ้ันเกิดการเปล่ยี นแปลงทางเคมีหรอื ถูกทําลาย

Material prope

Chemical Physical

Metals Composite
Microstructure
Plastics Phases
Ceramics Grain size
Composites Corrosion resistance
Inclusions

Composition Melting point
Fillers Thermal
Crystallinity Magnetic
Molecular weight Electrical
Flammability Optical
Spatial configuration Acoustic
Chemical resistance Gravimetric

Composition
Porosity
Grain size
Binder
Corrosion resistance

Composition(matrix/reinforcement) รปู ที่ 1.1 แสดงสมบัติตาง ๆ ของวสั
Matrix/reinforcement bond
Volume fraction reinforcement
Reinforcement nature
Corrosion resistance

6

erties Dimensional

Mechanical Available shapes
Available size
Tensile properties Available surface texture
Toughness Manufacturing tolerances
Ductility
Fatigue Manufacturing tolerances
Hardness Stability
Creep resistance Available sizes

Tensile properties
Heat distortion
Compression strength
PV Limit
Toughness

Tensile properties Available shapes
Compression strength Available sizes
Fracture toughness Manufacturing tolerances
Hardness Available surface texture

Tensile properties Available shapes

Compression strength Available sizes

Fracture toughness Manufacturing tolerances

Creep resistance Stability

สดเุ พ่อื การตัดสินใจนําไปประยกุ ตข องวสั ดปุ ระเภทตาง ๆ

7

14.3 สมบัติเชิงกล (Mechanical properties)

เปนสมบัติเฉพาะของวัสดุทีถ่ กู กระทําดว ยแรง โดยทั่วไปจะเกย่ี วกบั การยึดและหดตวั ของวัสดุ (elastic and
inelastic properties) ความแข็ง, ความสามารถในการรับนํา้ หนกั ความสึกหรอและการดูดกลนื พลังงาน เปน ตน

14.4 สมบตั ิเชงิ มิติ (ขนาด) (Dimensional properties)

เปนสมบัตทิ ่สี าํ คัญอกี อยางหน่งึ ที่จะตอ งพิจารณาในการเลือกใชว ัสดุ เชน ขนาด รูปรา ง ความคงทน ตลอดจน
ลักษณะของผิววาหยาบ ละเอียด หรือเรยี บ เปน ตน ซ่งึ สมบัติเหลา น้จี ะไมมกี ําหนดไวใ นหนงั สอื คูมือหรือในมาตรฐาน
แตกเ็ ปนแฟกเตอรหนึ่งท่ีจะใชเปน ขอ มลู ในการตดั สินใจไดดวย

ตอ ไปนีเ้ ปนตัวอยา งของวสั ดุ สมบตั แิ ละการใชง าน ดงั แสดงในตารางท่ี 1.1 และรปู ท่ี 1.2 แสดงความแขง็ แรง
ของวัสดบุ างประเภท

ตารางที่ 1.1 แสดงตวั อยางของการใชง านและสมบัติของวัสดุชนิดตา ง ๆ

ชนดิ ของวัสดุ การใชง าน สมบัติ

โลหะ ทองแดง (Cu) ใชทําลวดไฟฟา นําไฟฟาดี สามารถทําใหม รี ปู รา งตางๆ ไดด ี

สามารถหลอ ได กลงึ ได รบั การสัน่ ได

เหลก็ หลอ (cast iron) ใชท าํ เส้ือสูบรถยนต มคี วามแขง็ แรงสงู และสามารถเพ่ิมความแขง็ แรงได

เหล็กแอลลอย (alloy steel) ใชท าํ คีม กญุ แจปากตาย ดวยความรอ น

ปากกาสาํ หรับจับ ขนั บิด

เซรามกิ

SiO2-Na2O-CaO ใชทาํ กระจกหนา ตา ง ใหประโยชนทางแสง และเปนฉนวนความรอน
เปน ฉนวนความรอ น, หลอมเหลวทอี่ ุณหภูมิสงู

Al2O3, MgO, SiO2 ใชทาํ วสั ดทุ นไฟ สมบัติเฉือ่ ยตอโลหะท่ีหลอมเหลว
Barium titanate
ใชทําอุปกรณส ําหรับเปล่ียนสัญญาณ เปลย่ี นเสียงใหเ ปนไฟฟา โดยอาศัยสมบตั ิ

เสียง, แสง, ความรอ น ใหเ ปน สญั ญาณ Piezoelectric

ไฟฟา เชน ใชในการทําอุปกรณเครอ่ื ง

เสียง

พอลิเมอร

พอลิเอทีลนี ใชทาํ บรรจภุ ัณฑส ําหรบั อาหาร ทําเปน แผนฟลมบาง ๆ ได ออนตวั ไดเปนฉนวนไฟ

ฟาและกนั ความชน้ื ได

อีพอกซี (epoxy) ใชเคลอื บหรอื หอหมุ แผน วงจรไฟฟา เปนฉนวนไฟฟาและกันความชนื้ ได

ฟนอลกิ ใชทํากาว ใชทาํ ไมอดั ในอุตสาหกรรม แข็งและกนั ความชนื้ ไดด ี

ไฟฟา -สารกึง่ ตวั นํา

ซลิ คิ อน (Si) ใชท าํ ทรานซิสเตอร และแผนวงจรไฟฟา มสี มบัตพิ ิเศษทางไฟฟา

ใชท าํ ระบบเสนใยนาํ แสง

Ga As เปล่ียนสัญญาณไฟฟา เปน แสงได

วัสดผุ สม (composite) ใชท ําสวนประกอบของรถยนต, เคร่อื ง

แกรไฟต- อีพอกซี บนิ มคี วามแข็งแรงมาก

ใชทาํ เคร่อื งเจาะ สวา นเคร่ืองกลึง

ทงั สเตนคารไ บดโคบอลท มีความแขง็ สงู

8

รูปท่ี 1.2 แสดงความแขง็ แรง (strength) ของวัสดุชนิดตาง ๆ

สรุป

วสั ดศุ าสตรแ ละวสั ดวุ ิศวกรรมศาสตร เปน การเชอื่ มโยงความรูเกยี่ วกบั วัสดทุ งั้ หลาย ระหวา งพนื้ ฐานความรูทาง
วิทยาศาสตรแ ละทางวิศวกรรมเขาดวยกนั

วัสดุศาสตรเปนศาสตรท ่เี ก่ียวกับการวิจัยหาความรใู หม ๆ ขน้ั พ้ืนฐานของวสั ดทุ ้งั หลาย แตว สั ดวุ ิศวกรรมศาสตร
เปนศาสตรทเ่ี กย่ี วกบั การประยุกตค วามรขู องวัสดใุ หเปนประโยชนต อสงั คมและมวลมนุษย

วัสดุแบง ออกไดเ ปน 3 ประเภทใหญ ๆ ไดแ ก พวกโลหะ, พอลเิ มอรแ ละเซรามกิ อกี 2 ประเภท ซึ่งมีความ
สําคัญมากสําหรบั วิศวกรรมและเทคโนโลยีสมยั ใหม ไดแ ก วัสดุผสมและอิเลก็ ทรอนกิ ส วสั ดแุ ตละประเภทมกี ารแขง ขนั
กนั อยูตลอดเวลาเพ่อื ความคงอยู และหาตลาดใหม ตลอดจนมกี ารใชทดแทนซึง่ กนั และกันอยูเสมอ วตั ถุดบิ ตน ทุนการ
ผลติ และการคน ควาพฒั นาหาวสั ดใุ หม กระบวนการใหม ๆ ลวนเปน แฟกเตอรทส่ี าํ คญั ทที่ ําใหมีการเปล่ียนแปลงการใช
วัสดเุ กดิ ขึ้น

9

2. การจดั ตวั ของอะตอมและโครงสรางของผลกึ

การจดั ตวั ของอะตอมใน space ออกมาเปน โครงสรางของสารนบั วามีความสาํ คญั มากตอ ลักษณะและสมบตั ขิ อง
สารเหลา นน้ั โดยเฉพาะอยางยิ่งสารทเ่ี ปนของแขง็ การจัดตวั ของอะตอมหรอื ไอออนหรอื โมเลกลุ ทเี่ ปนองคป ระกอบจะ
ทาํ ใหสารหรือวัสดนุ ั้นมสี มบตั แิ ตกตางกันไป เชน การจัดตวั ของอะลูมเิ นยี ม อะตอมจะทําใหอะลูมิเนียมมสี มบตั ิออ นตวั ดี
ขณะทีเ่ หลก็ จะมีการจัดตวั อีกแบบหนง่ึ ทาํ ใหเ หล็กมีความแขง็ แรงดกี วา พอลเิ อทีลนี จะมกี ารจดั ตวั ของอะตอมอีกแบบ
หน่งึ ทาํ ใหหลอมเหลวงายและเปน ฉนวนไฟฟา ทด่ี ี สําหรบั ยางจะมีสมบัติยืดหยนุ ดี เปน ตน

ถา อะตอมหรือไอออนจัดตวั เปน แบบซ้าํ ๆ กนั ใน 3 มิติ สารน้ันจะมีโครงสรางเปนผลกึ (crystal structure หรอื
crystalline solid หรือ crystalline material) เชน โลหะ โลหะผสม หรือเซรามิก เปนตน

2.1 ระบบผลกึ และบราเวสแลตทซิ

นกั ผลึกวทิ ยา (Crystallographers) ไดก ําหนดความยาวของแตละดา นและมมุ ทีด่ านประกอบกันเปนหนวยเซลล
ออกมาเปน แบบตางๆ กนั ได 7 แบบ ดังแสดงในตารางที่ 2.1 และใน 7 แบบนี้ A.J.Bravais ไดแสดงใหเห็นวามีหนว ย
เซลลม าตรฐาน (Standard unit cells) ถึง 14 ชนิดดวยกัน ดงั แสดงในรปู ท่ี 2.1

รูปท่ี 2.1 แสดงหนว ยเซลลท งั้ 14 ชนดิ ตาม Bravais กําหนดจดุ สีดําแสดง lattice points ซ่ึงจะอยูทีด่ านหรือท่มี มุ ของหนวยเซลล

10

Bravais lattices มหี นว ยเซลลพ น้ื ฐานอยู 4 ชนดิ คอื (1) simple (2) body-centered (3) face-centered และ
(4) base-centered สาํ หรบั cubic system มี 3 ชนดิ Orthorhombic system มี 4 ชนิด tetragonal system มี 2 ชนดิ
monoclinic system มี 2 ชนดิ สวน Rhombohedral, hexagonal, และ triclinic systems มอี ยา งละหนงึ่ ชนดิ

ตารางที่ 2.1 การจาํ แนก space lattices ดว ยระบบผลึก

ตารางท่ี 2.2 แสดงคาคงตัวแลตทิซและรัศมีอะตอมของโลหะบางชนิดทมี่ ีโครงสรา งแบบ BBC ทอ่ี ุณหภมู ิหอ ง

Metal Lattice constants a, nm Atomic radius R, nm

Chromium 0.289 0.125

Iron 0.287 0.124

Molybdenum 0.315 0.136

Potassium 0.533 0.231

Sodium 0.429 0.186

Tantalum 0.330 0.143

Tungsten 0.316 0.137

Vanadium 0.304 0.132

11

ตารางท่ี 2.3 แสดงคา ของ lattice constants กับรัศมีอะตอมของโลหะบางชนิด

ทมี่ ีโครงสรางผลึกแบบ FCC ท่อี ุณหภมู ิหอ ง

Metal Lattice constants a (nm) Atomic radius R (nm)

Aluminium 0.405 0.143

Copper 0.3615 0.128

Gold 0.408 0.144

Lead 0.495 0.175

Nickel 0.352 0.125

Platinum 0.393 0.139

Silver 0.409 0.144

ตารางท่ี 2.4 แสดงโลหะชนดิ ตา ง ๆ ท่มี ีโครงสรางเปน HCP มีอณุ หภูมหิ อ ง (20oC) และ Lattice constants,

รศั มีอะตอมและอตั ราสว น c/a

Metal Lattice constants (nm) Atomic radius R (nm) c/a ratio

aC

Cadmium 0.2973 0.5618 0.149 1.890

Zinc 0.2665 0.4947 0.133 1.856

Magnesium 0.3209 0.5209 0.160 1.633

Cobalt 0.2507 0.4069 0.125 1.623

Zirconium 0.3231 0.5148 0.160 1.593

Titanium 0.2950 0.4683 0.147 1.587

Beryllium 0.2286 0.3584 0.113 1.568

12

3. การแข็งตวั ของโลหะ ความไมสมบูรณของผลกึ และกระบวนการแพรภายในของแขง็

3.1 การโตขึน้ ของผลกึ ในโลหะหลอมเหลวและการเกิดโครงสรา งของเกรน

หลงั จากทีเ่ กดิ นวิ คลีไอทเ่ี สถยี รขึ้นในกระบวนการการแข็งตวั ของโลหะแลว นิวคลีไอจะโตขนึ้ เร่อื ย ๆ จนกระทง่ั
ไดเ ปน ผลกึ ภายในผลึกอะตอมจะจดั เรียงตวั เปน ระเบยี บท่ีสมาํ่ เสมอ แตทิศทางของแตละผลกึ จะแตกตางกันไปเมอ่ื การ
แข็งตวั ของโลหะเกดิ ข้นึ อยางสมบรู ณ แตล ะผลึกจะสมั ผสั กนั ในทศิ ทางทตี่ างกนั โลหะทีป่ ระกอบดวยผลึกจาํ นวนมากนี้
จะถูกเรยี กวา โลหะหลายผลกึ (polycrystalline) ซึ่งแตล ะผลกึ ที่ถกู เรยี กวา เกรน และผิวสมั ผัสระหวางผลกึ เรียกวา
ขอบเขตของเกรน

จํานวนของนิวคลีไอท่ีเกดิ ขึน้ ในกระบวนการแขง็ ตวั ของโลหะจะมีผลตอโครงสรา งของเกรน กลาวคอื ถาจํานวน
นิวคลีไอที่เกดิ ขึ้นมจี ํานวนนอย จะทาํ ใหไดโ ครงสรา งของเกรนทมี่ คี วามหยาบและขนาดใหญ (coarse grains) แตถามี
จํานวนนวิ คลีไอเกดิ ขึน้ มาก จะทาํ ใหไ ดโครงสรา งของเกรนท่ลี ะเอยี ด ซง่ึ เปนความตองการของวิศวกร เพราะโลหะท่ีมี
ความแข็งแรงทดี่ ีจะตอ งประกอบดวยโครงสรางของเกรนทีล่ ะเอียดและสม่ําเสมอ จํานวนนวิ คลไี อทเ่ี กิดขึน้ มคี วาม
สัมพันธกับอตั ราเรว็ ในการทาํ ใหโลหะที่หลอมเหลวเยน็ ลงมาก กลาวคอื ถา ทาํ ใหโลหะเย็นตวั ลงอยางรวดเร็วจะมผี ลทํา
ใหเกิดนิวคลีไอจาํ นวนมาก และไดเกรนทมี ีขนาดละเอียด ในทางตรงกนั ขาม ถาทําใหเ ยน็ ตัวลงอยา งชา ๆ จะทําใหเ กดิ
นวิ คลีไอจํานวนนอย และไดเกรนท่ีใหญก วา

นอกจากน้ียงั มปี จจัยอื่นๆ ที่มผี ลตอ จาํ นวนของการเกดิ นิวคลีไอ เชน การมสี ่งิ แปลกปลอม อาทิเชน อะลมู ิเนียม
และไทเทเนยี มในโลหะหลอมเหลวหรอื การคนโลหะท่ีหลอมเหลวในกระบวนการทาํ ใหโลหะแขง็ ตวั เปน ตน

เมอ่ื นาํ โลหะทบ่ี ริสุทธิ์พอสมควรไปหลอในแบบที่อยูกับท่ี โดยไมม กี ารเตมิ grain refiner จะพบวาเกิดโครงสราง
ของเกรน 2 แบบ คือ

1. Equiaxed grains เปนเกรนทเ่ี กิดจากผลกึ ทโี่ ตในทุกทิศทุกทาง และมกั เกดิ ขนึ้ ในบรเิ วณทีใ่ กลผนงั ของแบบ
ที่ใชหลอ ดงั แสดงในรปู ที่ 3.1 (a) เพราะบรเิ วณทใี่ กลผ นงั ของแบบท่ใี ชห ลอ จะมีปริมาณ undercooling สงู หรอื อตั ราเรว็
ในการเยน็ ตวั สงู ทาํ ใหเ กดิ นิวคลไี อขนาดเลก็ จาํ นวนมาก ซ่ึงเปนผลกอ ใหเกดิ equiaxed grains ทล่ี ะเอยี ด

2. Columnar grains เปนเกรนทม่ี ีลักษณะยาวและหยาบ เกรนชนดิ นีจ้ ะเกดิ ขนึ้ ในกรณที ่โี ลหะหลอมเหลวเยน็
ตวั ลงอยา งชา ๆ อาทเิ ชน บรเิ วณตรงกลางของแบบหลอ ซ่ึงเปน บรเิ วณท่โี ลหะหลอมเหลวเยน็ ตวั ลงชา กวา เมอ่ื เทียบกับ
บรเิ วณใกลผ นงั ของแบบหลอ หรือกลาวอกี นยั หนึ่งคือ เปน บรเิ วณที่มีปรมิ าณ undercooling ทต่ี า่ํ ทาํ ใหเ กดิ ปริมาณ
นวิ คลไี อจํานวนนอ ย ซงึ่ เปนผลกอ ใหเ กิด columnar grains ที่มลี กั ษณะหยาบ ดังแสดงในรปู ที่ 3.1 (b)

รปู ที่ 3.1 (a) แสดงโครงสรา งของเกรนของโลหะทีแ่ ข็งตัวในแมแ บบทีเ่ ย็น
(b) แสดงภาพตัดขวางการเกิด columnar grain ในแทง (ingot) ของโลหะผสมอะลมู เิ นียม 1100 (99.0% Al)

13
ในกระบวนการหลอโลหะในอตุ สาหกรรม เพอื่ ใหไ ดเกรนทีม่ ีขนาดเล็กและละเอียด สามารถกระทําไดโดยการเติม grain
refiner ลงในโลหะหลอมเหลวในกระบวนการหลอโลหะ เชน กระบวนการหลอ โลหะผสมของอะลูมิเนยี มมกั จะใช Ti, B, และ Zr
เปน grain refiner

3.2 การผลิตวัสดผุ ลกึ เดีย่ ว

โดยสวนใหญแ ลววัสดุทม่ี โี ครงสรางเปน ผลกึ และใชใ นงานวศิ วกรรมนั้นมักจะประกอบดวยโครงสรางหลายผลกึ
(polycrystalline) แตกม็ ีวสั ดุบางอยางท่ีมโี ครงสรางผลกึ เดย่ี ว (single crystals) ตวั อยา งเชน ชนิ้ สวนทางอเิ ล็กทรอนกิ ส
อาทิเชน transistors และ diodes บางชนิด ซง่ึ ถูกทาํ ขนึ้ จากธาตหุ รอื สารประกอบกึ่งตวั นาํ ที่มโี ครงสรางผลึกเดย่ี ว โครง
สรางผลกึ เด่ียวนเ้ี ปนสิง่ จาํ เปนอยา งยิง่ สาํ หรบั งานทางดา นอเิ ลก็ ทรอนกิ ส เพราะถา ช้ินสวนทางอเิ ลก็ ทรอนกิ สถ ูกทาํ ข้ึน
จากวสั ดุท่ีมีโครงสรางหลายผลึก ขอบเขตของเกรนทมี่ ีอยใู นโครงสรางจะขดั ขวางและทําลายคุณสมบัติทางไฟฟาของช้นิ
สวนน้ัน

รปู ท่ี 3.2 เปนภาพแสดงภาพตัดขวางของโลหะผสม 6063 (Al-0.7% Mg-0.4% Si) ท่ไี มม ีการเติม grain refiner (a) และ
ทม่ี กี ารเตมิ grain refiner (b)
โครงสรางผลกึ เดย่ี วจะเกดิ ขึน้ ไดถาในกระบวนการแข็งตวั เกิดนวิ เคลยี สเพียงนวิ เคลียสเดยี ว ซง่ึ กระทําไดโดยการทาํ ให

ผิวสัมผสั ระหวา งของแข็งและของเหลวมีอุณหภูมติ ํ่ากวาจดุ หลอมเหลวของของแข็งเพียงเลก็ นอ ยและอณุ หภูมภิ ายในของเหลวจะ
ตอ งสูงกวา ทีผ่ วิ สัมผสั ตัวอยางการผลติ วสั ดุที่มีโครงสรา งผลึกเดย่ี วน้ี อาทิเชน วธิ ี Czochralski ซงึ่ เปน วธิ ีการผลติ ซลิ คิ อนโครง
สรา งผลกึ เด่ยี วทีม่ ีคณุ ภาพสงู

14

3.3 สารละลายของแข็งโลหะ

โลหะทใี่ ชกันอยใู นปจจบุ นั น้ี สวนนอยจะเปน โลหะบริสุทธิ์หรือเกอื บบริสทุ ธ์ิ แตโ ดยสว นใหญแ ลว มกั จะเปนโลหะ
ทีม่ ีโลหะอน่ื หรอื อโลหะผสมอยู เพอ่ื ทาํ ใหโลหะผสมนั้นมคี ณุ ภาพพิเศษมากขน้ึ เชน ทําใหแขง็ แรง ไมเกดิ สนิม ขยายตวั
นอย และทนตอ การกัดกรอน เปนตน

โลหะผสมหรอื alloy เปนของผสมของโลหะตง้ั แต 2 ชนิดขน้ึ ไป หรอื อาจเปนโลหะผสมกบั อโลหะ โลหะผสมจัด
วาเปนสารละลายของแข็ง คือ ของแข็งที่ประกอบดวยอะตอมของธาตุต้งั แต 2 ชนิดขึ้นไปกระจายตัวอยูในโครงสรา ง
เดียวกัน มี 2 แบบ คอื

(1) สารละลายของแข็งแบบแทนท่ี (substitutional solid solution)
(2) สารละลายของแขง็ แบบเซลลแ ทรก (interstitial solid solution)

สารละลายของแขง็ แบบแทนท่ี
เกดิ จากอะตอมของธาตุ 2 ชนดิ คือ อะตอมของตัวถูกละลาย (solute atoms) สามารถเขาไปแทนที่อะตอมของ

ตวั ทําละลาย (solvent atoms) ในโครงสรางผลกึ ได ดงั แสดงในรูปท่ี 3.4 โครงสรา งผลึกของโลหะผสมชนดิ นจี้ ะไมมกี าร
เปลย่ี นแปลง แตอ าจจะเกิดการเสยี รปู ไปบาง โดยเฉพาะอยา งยงิ่ เมื่อขนาดของอะตอมตางกนั

รูปท่ี 3.4 แสดง substitutional solid solution วงกลมสีเขม กบั สีขาว แสดงอะตอมของธาตุตางชนดิ กนั

สภาวะที่อะตอมหนึง่ จะเขาไปแทนที่อีกอะตอมหนงึ่ ไดดี จะตองมีลักษณะดงั นีค้ อื
1. ขนาดเสน ผานศนู ยกลางของอะตอมท้งั สองจะตอ งไมตา งกนั เกนิ 15%
2. โครงสรางผลกึ ของธาตุท้ังสองจะตอ งเหมือนกนั
3. คาอเิ ล็กโทรเนกาวติ ้ี หรือสภาพไฟฟา ลบ (electronegativity) จะตอ งตางกันไมมากนัก มฉิ ะนน้ั แลว จะเกิดสาร

ประกอบได
4. จะตอ งมคี า เวเลนซเทากัน

15

สารละลายของแขง็ แบบเซลลแ ทรก
เปน สารละลายของแขง็ ท่ีเกิดข้นึ เนอื่ งจากอะตอมของตัวถูกละลายเขาไปแทรกตวั อยูใ นชอ งวา งระหวา งอะตอม

ของตวั ทําละลายหรือ parent atoms ชองวางระหวา งอะตอมของตวั ทาํ ละลายนี้ถกู เรยี กวา ซอก (interstices) สารละลาย
ของแขง็ แบบเซลลแ ทรก จะเกดิ ขึน้ ไดก็ตอ เมื่อขนาดของอะตอมของตัวทําละลายมขี นาดใหญกวาขนาดของอะตอมของ
ตวั ถูกละลาย ตัวอยางของอะตอมที่มขี นาดเล็กและสามารถเขาไปแทรกอยใู นซอก เพอื่ ทําใหเ กดิ interstitial solid
solutions ได อาทเิ ชน H, C, N และ O

ตัวอยา งของสารละลายของแข็งแบบเซลลแทรกทีส่ ําคญั คอื อะตอมของคารบ อนในเหล็ก γ ทมี่ โี ครงสรา งแบบ
FCC ซงึ่ จะอยตู วั ที่อณุ หภมู ิระหวาง 912-1,394oC อะตอมของคารบอนจะเขา ไปแทรกในซอกระหวางอะตอมของเหลก็ ได
สูงสุด 2.08% ที่อุณหภูมิ 1148 oC รปู ท่ี 3.5 แสดงโครงสรางของเหลก็ ขณะที่อะตอมของคารบอนเขาไปแทรกในซอก
ระหวา งอะตอมของเหลก็ ซง่ึ จะสังเกตเห็นไดวาอะตอมของเหลก็ ที่อยรู อบอะตอมของคารบอนจะเกิดการเสียรูปไปเล็ก
นอย

เนอื่ งจากขนาดของซอกระหวา งอะตอมในเหล็ก γ ท่ีมโี ครงสรางแบบ FCC เทา กบั 0.053 nm (ตัวอยาง) ซงึ่ มี
ขนาดใหญก วาขนาดของซอกระหวา งอะตอมในเหล็ก α ท่ีมโี ครงสรางแบบ BCC คือประมาณ 0.036 nm จงึ เปนผลทํา
ใหอ ะตอมของคารบอนท่มี ขี นาด 0.075 nm สามารถละลายในเหลก็ γ ที่มโี ครงสรางแบบ FCC (2.08%) ไดด ีกวาเหลก็
α ที่มโี ครงสรา งแบบ BCC (0.025%)

รปู ที่ 3.5 แสดงสารละลายของแขง็ แบบเซลลแทรกของคารบ อนในเหลก็ γ ทมี่ โี ครงสรา งแบบ FCC ท่อี ุณหภูมสิ ูงกวา
912 oC และเกิดการบดิ เบี้ยวขึ้น (distortion)

3.4 ความไมส มบรู ณของผลกึ

ในความเปน จรงิ ไมมผี ลึกใดทม่ี คี วามสมบรู ณอ ยางแทจริง แตม กั จะมคี วามบกพรองเกดิ ขน้ึ ในโครงสรา งผลึก
เสมอ ซ่งึ ความบกพรองทีเ่ กิดข้นึ เหลา นม้ี กั จะมผี ลทาํ ใหคณุ สมบตั ทิ างกายภาพและสมบตั เิ ชิงกลแตกตา งกันออกไป

ความไมส มบูรณของผลกึ สามารถแบงออกตามเรขาคณติ และรูปราง ไดเ ปน 3 แบบ ดังนคี้ ือ
(1) ความไมส มบูรณแบบศูนยม ติ ิ หรอื แบบจุด (zero-dimension or point defects)
(2) ความไมสมบรู ณแบบหนง่ึ มิติ หรอื แบบเสน (one-dimension or line defects)
(3) ความไมส มบรู ณแ บบสองมิติ (two-dimension defects) ซ่ึงรวมถึงผวิ ภายนอกและขอบเขตภายในของเกรน
นอกจากน้ยี งั อาจจะมีความไมสมบรู ณแ บบสามมิติ (three-dimension macroscopic on bulk defects) ซงึ่ ความ
ไมส มบรู ณเหลา น้ีไดแ ก รูพรนุ รอยราว และสง่ิ แปลกปลอม เปน ตน

16

ความไมส มบรู ณแ บบศูนยม ิตหิ รือแบบจดุ
ซ่ึงเกิดขึ้นไดห ลายลกั ษณะ ดังนีค้ อื
(1) การเกิดชองวางขน้ึ เปน ความไมสมบูรณแ บบจุดอยางธรรมดาท่ีสดุ กลาวคือ อะตอมบางอะตอมทอ่ี ยใู นโครง

สรางไดห ายไป ดังแสดงในรปู ที่ 3.6 (a) ซึ่งมกั จะเกดิ ข้นึ ในขณะที่โลหะหลอมเหลวแข็งตัว โดยทม่ี กี ารรบกวนระบบใน
ชวงท่ผี ลกึ เจรญิ เตบิ โต หรอื มกี ารจัดเรยี งตวั ใหมข องอะตอมในโครงผลกึ ทม่ี ีอยเู ดิม เนอื่ งจากการเคล่ือนตัวของอะตอม
เปนตน ภายในโครงสรา งของโลหะโดยสว นใหญแ ลว ทสี่ ภาวะสมดุลมักจะมชี องวางไมเกนิ กวา 1 ชอ งตอ 10,000
อะตอม และพลงั งานกระตนุ ทีต่ อ งใชใ นการเกิดชองวางจะมคี า ประมาณ 1 eV ชอ งวา งเหลานีส้ ามารถเปลยี่ นตาํ แหนง ได
เนือ่ งจากระบวนการแพรหรอื การเคลือ่ นยา ยของอะตอมขา งเคียง โดยเฉพาะที่อุณหภมู สิ ูง ๆ

(a) (b)
รปู ที่ 3.6 (a) แสดงความไมสมบูรณแบบจดุ ที่เกดิ เปนชองวา ง (vacancy point defect)

(b) แสดงการเกดิ self-interstitial หรือ interstitialcy point defect ในโครงสรา งแบบ close-packed ของโลหะ
(2) Self-interstitial หรอื interstitialcy เปนความไมส มบรู ณข องผลึกแบบจดุ ท่เี กิดขึ้นเนื่องจากอะตอมหนึง่ เขา
ไปแทรกตวั อยใู นซอกระหวางอะตอม ดังแสดงในรูปท่ี 3.6 (b) ซึ่งโดยทว่ั ไปแลว ปรากฏการณเชน นม้ี กั จะไมเ กิดข้ึน
เพราะเมอื่ เกิดข้ึนแลวมกั จะทาํ ใหโ ครงสรา งผลึกไมเสถยี รและเกิดการบิดเบีย้ ว (distortion)

รูปท่ี 3.7 แสดงการเกิด Schottky defect กับ Frenkel defect

17

นอกจากท่กี ลาวขา งตน แลว ความไมส มบูรณแ บบจดุ ยงั อาจเกิดข้นึ ในโครงสรางผลึกไอออนิก ซง่ึ พบวาเกดิ ได 2
ลักษณะ ดงั นีค้ อื

(1) Schottky imperfection เปน ความไมส มบรู ณแบบจดุ ทเี่ กดิ ขึ้นเนือ่ งจากทงั้ ไอออนบวกและไอออนลบหลดุ
ออกจากโครงสรางไป เพอื่ รักษาประจขุ องโครงสรา งใหเปน กลางอยูเสมอ ทําใหเกิดชอ งวา ง 2 ชอ งของประจบุ วก-ประจุ
ลบ (cation - anion divacancy) ดังแสดงในรปู ท่ี 3.7 (สว นบน)

(2) Frenkel imperfection เปนความไมส มบรู ณแบบจุดทเี่ กดิ ชอ งวา งขน้ึ เน่อื งจากไอออนบวกบวกทม่ี ีขนาด
เล็กกวา ไมไ ดห ลุดหายออกจากโครงสราง แตเขา ไปแแทรกตวั อยใู นซอกระหวางไอออนลบ รวมกบั ไอออนบวกอกี ตวั
หน่งึ ทําใหเ กดิ ชอ งวางของประจุบวก (cation vacancy) ขึน้ ดังแสดงในรปู ที่ 3.7 (สวนลาง)

นอกจากนี้อะตอมแปลกปลอมหรือไอออนแปลกปลอมที่อยใู นโครงสรา งผลกึ ของโลหะหรือของไอออนิก ใน
ลักษณะของการแทนที่ (substitutional) หรือการเขาไปแทรกในซอก ก็ถอื ไดว า เปน ความไมส มบูรณแบบจุดเชน กัน อาทิ
เชน อะตอมท่ีแปลกปลอมเขา ไปแทนทอี่ ะตอมของซิลิคอนในซิลคิ อนบริสทุ ธิ์ ซงึ่ เปน ผลตอคณุ สมบัตใิ นการนําไฟฟาของ
ซลิ คิ อนบริสุทธิ์ ทาํ ใหเ กดิ ประโยชนต ออตุ สาหกรรมทางอิเล็กทรอนกิ สเ ปน อยางมาก

ความไมสมบูรณแบบหนึ่งมิตหิ รือแบบเสน
ความไมสมบูรณแบบนี้ อาจเรยี กไดอีกอยา งหนง่ึ คือ dislocations เปน ความไมส มบรู ณทก่ี อ ใหเ กดิ การบิดเบีย้ ว

ของผลึก มักจะเกิดข้ึนในขณะทโ่ี ลหะหลอมเหลวแข็งตวั หรือการทีว่ ัสดุถกู ทาํ ใหเสยี สภาพแบบพลาสติก (plastic
deformation) เปน ตน ซง่ึ มี 2 ลักษณะ ดังนคี้ ือ

(1) Edge dislocation เกิดขึ้นเนอื่ งจากมี extra half plane ของอะตอมในโครงสรา งผลกึ ดงั แสดงในรูปท่ี 3.8
(a) ระยะทีเ่ พิ่มข้นึ รอบ ๆ dislocation น้ี เรียกวา slip หรอื Burgers vector b ซ่งึ จะตัง้ ฉากกบั edge-dislocation line ดงั
แสดงในรปู ที่ 3.8 (b)

รปู ที่ 3.8 (a) แสดงการเกิด edge dislocation ในผลกึ ซ่ึงเกดิ ความไมสมบูรณแบบเสน ท่เี กิดอยูในแนวบนของตวั ท่หี วั
กลบั (inverted tee ⊥ ) โดยมี extra half plane ของอะตอมเกดิ แทรกอยู

(b) แสดง edge dislocation ซ่ึงบงถงึ ทศิ ทางของ Burgers หรอื slip vector

18

(2) Screw dislocation เปนความไมส มบรู ณท่เี กิดขึ้นจากการใสแรงเฉือนเขา ไปในโครงสรางผลึกทสี่ มบูรณ ทาํ
ใหโ ครงสรางผลกึ ทส่ี มบรู ณเกิดการบดิ เบยี้ วหรอื เสียรูปไป ดังแสดงในรปู ที่ 3.9 ในบรเิ วณทโี่ ครงสรา งผลึกเกดิ การบดิ
เบย้ี วขนึ้ น้ี จะมพี ลงั งานสะสมอยมู าก slip หรอื Burgers vector ท่เี กดิ ขึ้น screw dislocation นจ้ี ะขนานกับ dislocation
line ดงั แสดงอยใู นรปู ท่ี 3.9 (b)

(a) (b)
รปู ท่ี 3.9 แสดงการเกิด screw dislocation

(a) แสดงรปู ผลึกทสี่ มบรู ณ ถกู ตดั ดว ย plane และไมม กี ารใสแรงเคน เฉอื นทศิ ทางตรงกนั ขา ม แตขนานกบั
plane ทต่ี ัด เกดิ screw dislocation ที่แสดงในรปู (b)

(b) แสดง screw dislocation กบั slip หรือ Burgers vector b ทีข่ นานกับ dislocation line

รูปท่ี 3.10 แสดง dislocation แบบผสมทเี่ กดิ ขนึ้ ในผลกึ ซงึ่ dislocation line AB เปนแบบ screw type ในแนวทพี่ งุ เขา สู
ผลึกทางดา นซา ย และเปนแบบ edge dislocation ในแนวท่อี อกจากผลกึ ทางดานขวา

โดยสว นใหญแ ลว ความไมสมบรู ณแ บบเสนที่เกิดขนึ้ ในโครงผลึกน้นั มกั จะเปน แบบผสมระหวา ง edge
dislocation และ screw dislocation ดังแสดงในรปู ท่ี 3.10

19

ความไมสมบูรณแ บบ 2 มติ ิ หรอื แบบระนาบ

ความไมส มบรู ณแบบ 2 มิตนิ ้ี อาทเิ ชน ขอบเขตของเกรนซงึ่ เปนความบกพรอ งของพน้ื ผวิ ท่เี กดิ ข้ึนในวสั ดุที่มี
โครงสรางหลายผลึก ขอบเขตของเกรนเกดิ ข้ึนได เนือ่ งจากการเรียงตัวของอะตอมในแตละผลกึ ทีม่ ีทิศทางท่ีแตกตางกนั
ในขณะท่ีผลึกเติบโตขนึ้ เปนเกรน เมอ่ื เกรนแตล ะเกรนมาสัมผัสกนั จงึ ทําใหเ กิดขอบเขตของเกรนขนึ้ ซึง่ เปนบริเวณแคบ
ๆ ระหวา งเกรน บริเวณแคบ ๆ นี้จะมีความกวางประมาณ 2 - 5 เทา ของรัศมขี องอะตอม และมี atomic packing ต่ํากวา
ภายในเกรน นอกจากน้ยี งั เปน บริเวณท่มี กี ารสะสมของสง่ิ เจือปนเปน จาํ นวนมากเชน กัน

3.5 ขนาดของเกรน

ขนาดของเกรนในโลหะท่ีมีโครงสรา งหลายผลึกมีผลอยา งมากตอ คุณสมบตั ิของวัสดุ โดยเฉพาะอยา งยงิ่ ความ
แข็งแรงของวัสดุ

ในสภาวะทอี่ ณุ หภมู ิตาํ่ (นอ ยกวาประมาณครึง่ หนึง่ ของจุดหลอมเหลว) ขอบเขตของเกรนจะมีผลทําใหโ ลหะมี
ความแขง็ แรงมากขึน้ เนอ่ื งจากขอบเขตของเกรนจะขัดขวางตอ การเคลอ่ื นตวั และเปนปจ จัย ทาํ ใหโ ลหะมีความแขง็ แรง
ลดนอ ยลง

วธิ ี ASTM เปนวิธหี นง่ึ ที่ใชในการวัดขนาดของเกรน ซง่ึ แสดงไดด งั สมการ
N = 2n-1

N = จาํ นวนเกรน/ตารางน้ิวของพน้ื ผวิ ทถี่ ูกขดั และถกู etched ดว ยสารเคมี ทกี่ ําลงั ขยาย 100 เทา
n = เปนตวั เลขจํานวนเตม็ ซึ่งหมายถึง ASTM grain-size number
คา grain-size numbers พรอ มดว ยคา จาํ นวนเกรน ตอตารางน้ิวที่กาํ ลงั ขยาย 100 เทา และคา จํานวนเกรนตอตาราง
มลิ ลิเมตรทีก่ าํ ลังขยาย 1 เทา ไดแสดงไวในตารางท่ี 3.1

ตารางท่ี 3.1 แสดง ASTM Grain Sizes

Grain size no. จาํ นวนของเกรน
ตอ ตารางมิลลเิ มตรที่กําลงั ขยาย 1 เทา ตอ ตารางน้ิวท่กี ําลงั ขยาย 100 เทา

1 15.5 1.0

2 31.0 2.0

3 62.0 4.0

4 124 8.0

5 248 16.0

6 496 32.0

7 992 64.0

8 1980 128

9 3970 256

10 7940 512

ตวั อยางท่ี 3.1 ASTM grain-size มักจะถกู กาํ หนดจาก photomicrograph ของโลหะทส่ี อ งดูดว ยกําลงั ขยาย 100 เทา

จงคาํ นวณหา ASTM grain-size number ของโลหะชนดิ หนง่ึ ท่มี จี าํ นวนเกรนเทากับ 64 เกรนตอ ตาราง

น้วิ ทีก่ ําลงั ขยาย 100 เทา

20

จาก N= 2n-1
2n-1
ดังน้นั 64 =

log 64 = (n - 1)(log2)

1.806 = (n – 1)(0.301)

n= 7

ตวั อยางท่ี 3.2 ถา บน photomicrograph ของโลหะชนดิ หนึง่ มีจํานวนเกรนเทากบั 60 เกรน ตอ ตารางน้ิวที่กาํ ลังขยาย

200 เทา จงคาํ นวณหา ASTM grain-size number ของโลหะชนดิ น้ี

เนอ่ื งจากโจทยก ําหนด 60 เกรนตอ ตารางนว้ิ ทีก่ ําลังขยาย 200 เทา จงึ ยงั แทนลงในสตู รไมได จําเปน

ตองหาจํานวนเกรนทก่ี าํ ลังขยาย 100 เทาเสียกอน ดังนค้ี อื

⎝⎛⎜ 200 ⎠⎞⎟ 2
100
N= x (60 เกรน / ตารางนิว้ ) = 240

จาก N= 2n-1
2n-1
240 =

log 240 = (n – 1)log2

2.380 = (n – 1)(0.301)

n = 8.91

การศึกษาลกั ษณะพ้นื ผวิ ของโลหะนัน้ อาจศกึ ษาไดโดยใชเ ครอื่ งมอื ทเี่ รียกวา scanning electron microscope (SEM)

21

4. คุณสมบัติทางไฟฟา ของวสั ดุ

การนาํ ไฟฟา ในโลหะ

อะตอมของโลหะจะมีการจัดเรยี งตวั อยา งมรี ะเบยี บ เกิดเปน โครงผลึก (อาทิเชน FCC, BCC และ HCP) โดยที่
อะตอมเหลานน้ั จะเกิดพนั ธะระหวางกนั โดยการเคล่ือนทอี่ ยา งอสิ ระของอเิ ล็กตรอนวงนอกสุดของแตล ะอะตอม ซึง่ เรยี ก
พันธะนว้ี า “พนั ธะโลหะ” อเิ ลก็ ตรอนจะเคลอ่ื นทีอ่ ยางอิสระระหวา ง positive ion cores (อะตอมทป่ี ราศจากเวเลนซ
อิเลก็ ตรอนหรอื อเิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ ) ในโครงผลึกคลา ยกลุมหมอก ดังแสดงในรปู ท่ี 4.1

รูปท่ี 4.1 แสดงการจดั เรียงตวั ของอะตอมของโลหะทีม่ เี วเลนซอิเลก็ ตรอนหนงึ่ ตวั อาทเิ ชน Cu, Ag หรอื Na
ถาไมมคี วามตางศกั ยทางไฟฟา อเิ ลก็ ตรอนวงนอกสุดนก้ี จ็ ะเคล่ือนทีอ่ ยางไมมรี ะเบียบ ทาํ ใหไ มมกี ารไหลของ

กระแสไฟฟา แตถามกี ารใหค วามตา งศักยทางไฟฟา เขาไป ก็จะทาํ ใหอ เิ ลก็ ตรอนเกดิ การเคล่อื นที่ดว ยความเร็วลอยเลื่อน
(drift velocity) ในทิศทางเดียวกนั ซง่ึ เปน ปฏิภาคโดยตรงกับความตางศักย แตไปในทศิ ทางตรงกนั ขา ม
กฎของโอหม (Ohm’s law)

ลองพจิ ารณาเสนลวดทองแดงเสนหนึง่ ที่ปลายทัง้ สองขา งถูกตอ เขากับแบตเตอร่ี ดังแสดงในรูปที่ 4.2 ทม่ี คี วาม
ตางศกั ยทางไฟฟา V จะทาํ ใหเ กดิ กระแสไฟฟา I

รปู ท่ี 4.2 แสดงความตา งศกั ย ∆ V ท่ีตอ เขา กับลวดโลหะ ซ่งึ มพี ้ืนทหี่ นาตดั A กระแสไหลผา นเสน ลวด โดยเปนปฏภิ าค

สว นกลับกับความตา นทาน R ของเสนลวด

22

i = V
R
เมอื่ i = กระแสไฟฟา, A แอมแปร

V = ความตางศักยทางไฟฟา, V (โวลต)

R = ความตา นทานของเสนลวด, Ω (โอหม )

ความตานทานทางไฟฟา R ของลวดตวั นํา จะเปนสดั สวนโดยตรงกับความยาวของลวดตัวนํา l และ เปน

ปฏภิ าคสวนกลับกบั พื้นท่ีหนา ตัดของลวดตัวนํา A ดงั สมการ

R= ρl หรอื ρ = RA
A l
เม่อื ρ = สภาพตานทานไฟฟา (electrical resistivity) หนวยคาสภาพตานทานไฟฟา ซงึ่ เปน คาคงท่ีของวสั ดุที่

อณุ หภมู ใิ ด ๆ คอื

ρ= RA = Ω.m2 = โอหม – เมตร = Ω .m
l m
สวนคา สภาพการนาํ ไฟฟา (electrical conductivity) จะเปนปฏภิ าคสว นกลับกบั คาสภาพตานทานไฟฟา ดงั นี้

σ= l

ρ
หนวยของคาสภาพการนาํ ไฟฟา คือ (โอหม – เมตร)-1 = ( Ω .m)-1 สําหรบั หนว ยในระบบ SI คา Ω -1 จะเรียก

วา siemens (S) แตหนวยนีไ้ มค อ ยไดถูกนาํ มาใชเ ทาใดนัก

ตารางที่ 4.1 ไดแ สดงคาสภาพการนําไฟฟา ของโลหะและอโลหะบางชนดิ จากตารางจะสังเกตเห็นไดว า โลหะ
บรสิ ทุ ธิ์ อาทิเชน เงนิ , ทองแดง และทอง จะมคี า สภาพการนาํ ไฟฟาสูงประมาณ 107 ( Ω .m)-1

สวนพอลเิ อทีลนี และพอลสิ ไตลีน ซ่ึงเปน ฉนวนทางไฟฟา จะมคี า สภาพการนําไฟฟา ตํา่ ประมาณ 10-14 ( Ω .m)-1
ซึง่ นอ ยกวา โลหะตัวนําถึงประมาณ 1023 เทา สว นซิลิคอนและเจอรเมเนยี ม จะมีคา สภาพการนาํ ไฟฟา อยูระหวางโลหะ

และฉนวน จึงถูกเรียกวา สารกง่ึ ตัวนํา (semiconductors)

ตารางท่ี 4.1 แสดงภาพการนาํ ไฟฟา ของโลหะและอโลหะที่อุณหภูมหิ อ ง

โลหะและโลหะผสม σ ( Ω .m)-1 อโลหะ σ ( Ω .m)-1
6.3 x 107 105 (คา เฉล่ีย)
เงนิ 5.8 x 107 แกรไฟต
ทองแดง 4.2 x 107 เจอรมาเนียม 2.2
3.4 x 107 4.3 x 10-4
ทอง ซลิ คิ อน
อะลูมเิ นยี ม พอลเิ อทีลีน 10-14
พอลสิ ไตลีน 10-14
10-14
เพชร

ตัวอยา งท่ี 4.1 ลวดตัวนาํ เสน หนงึ่ ซึ่งมเี สน ผา นศนู ยก ลาง 0.20 ซม. มีกระแสไฟฟาไหลผาน 20 A และกาํ ลงั ไฟฟาสูง
สดุ ในลวดตัวนําเสนน้เี ทา กับ 4 W/m จงคาํ นวณหาคา สภาพการนาํ ไฟฟาตํ่าสุดของลวดตัวนําเสนนี้

23

วธิ ีทาํ กําลังไฟฟา P = iV = i2R

เม่ือ i = กระแสไฟฟา , A

V = ความตา งศักย, V

R = ความตานทานไฟฟา, Ω

P = กําลังไฟฟา , W

R= ρl
A
เมื่อ ρ = สภาพตานทานไฟฟา , Ω .m

I = ความยาวของลวดตัวนํา, m
A = พ้ืนทห่ี นา ตดั ของลวดตวั นาํ , m2

∴ P= i 2 ρl = i2l
A σA
i2l
σ= PA

แทนคา P = 4 W/m, i = 20 A, l = 1m

A = π r2 = 22 ⎝⎛⎜ 0.002 ⎞⎠⎟ 2 = 3.14 x 10-6 m2
7 2
x

σ = i2l = (20A)2 (lm) = 3.18 x 107 ( Ω .m)-1
PA (4W)(3.14 x 10−6 m2 )
ดงั นน้ั จะตอ งใชล วดตวั นําที่มสี ภาพการนําไฟฟาอยา งนอ ย 3.18 x 107 ( Ω .m)-1 หรอื มากกวา

ตวั อยา งท่ี 4.2 ถากระแสไฟฟา 10A ไหลผานลวดทองแดง ทาํ ใหเ กดิ ความตา งศกั ย 0.4 V/m จงหาขนาดของเสน ผา น
[ ]ศูนยก ลางนอยที่สุดของเสน ลวดทองแดงน้ี σ ของลวดทองแดงเทา กบั 5.85 x 107 (Ω.m)−1
ρl
วธิ ีทาํ จากกฎของโอหม V = iR และ R = A

∴V = iρl
A
iρl
A = V

แทน A = ( π /4)d2 และ ρ = l จะได
σ
π il
4 d2 = σV

∴d = 4il
πσV
แทนคา i = 10 A, V = 0.4 V สาํ หรับความยาวของลวด 1 m, l = 1.0 m, และ σ = 5.85 x 107
( Ω .m)-1 ดงั น้นั

24

4il = 4(10A)(1.0m) 7.37 x 10-4 m
πσV
π 5.85x107 (Ω.m)−1 (0.4V)
[ ]d = =

ดังนัน้ เสนลวดทองแดงนีจ้ ะตองมเี สน ผา นศูนยก ลางมากกวาหรอื เทากบั 7.37 x 10-4 m

ความเรว็ ลอยเลอ่ื นของอเิ ลก็ ตรอนในโลหะตวั นาํ

ทอ่ี ุณหภมู หิ อ ง positive – ion cores ทีอ่ ยใู นโครงสรา งผลกึ ของโลหะตวั นาํ จะเกิดการสน่ั จึงมคี าพลงั งานจลน
ในตวั จํานวนหน่งึ สวนอิเลก็ ตรอนจะเคลอื่ นที่อยางอสิ ระชน positive – ion cores ทาํ ใหเ กดิ การแลกเปลี่ยนพลงั งานกนั
เนือ่ งจากไมม ีสนามไฟฟา ภายนอกใสเขาไป จงึ ทําใหอ เิ ล็กตรอนเคล่อื นทอี่ ยางไมเ ปนระเบียบ ดังนน้ั จึงไมมกี ระแสไหล

ถาความเขม ของสนามไฟฟาสมํา่ เสมอ E ถกู ใสเขา ไปในตัวนํา อิเล็กตรอนจะถูกเรง ใหเคล่ือนที่ดว ยความเรว็ คา
หนง่ึ ในทิศทางตรงขามกบั สนามไฟฟา ที่ใสเ ขา ไป อิเลก็ ตรอนจะวง่ิ ชน ion core ในโครงสราง ทําใหส ญู เสียพลังงานจลน
ของตัวมันเอง หลังจากเกิดการชนอิเล็กตรอนจะเปน อสิ ระท่ีจะถูกเรง อีกคร้งั จึงเปน ผลทาํ ใหความเร็วของอิเลก็ ตรอน
เปล่ยี นแปลงตามเวลาในลกั ษณะคลายฟนเล่ือย (sawtooth manner) ดังแสดงในรูป 4.3 คา เฉลี่ยของเวลาที่เกดิ การชน
เทา กบั 2T เมื่อ T คอื relaxation time

รปู ท่ี 4.3 แสดงความสัมพันธระหวางความเรว็ ลอยเลอื่ นของอเิ ลก็ ตรอนกับเวลา
อเิ ล็กตรอนจะมคี าเฉลยี่ ของความเร็วลอยเล่ือนเทากับ vd ซง่ึ จะเปนปฏิภาคโดยตรงกบั สนามไฟฟา E ดงั สมการ

vd = µ E
เมื่อ µ คอื สภาพเคลื่อนท่ีไดข องอเิ ลก็ ตรอน m2/(V.S) ซ่งึ เปน คา สัดสวนคงท่ี

รปู ท่ี 4.4 แสดงการไหลของอเิ ลก็ ตรอนในลวดทองแดง

25

ลองพจิ ารณารปู ที่ 4.4 เปนเสน ลวดตวั นําทีม่ คี วามหนาแนน ของกระแส (current density) J ไหลในทิศทางดงั ที่
แสดง คาความหนาแนนของกระแสถกู นิยามไววา คอื อัตราเรว็ ในการเคลอ่ื นทขี่ องประจทุ ผี่ า นพนื้ ทห่ี นา ตดั ทีต่ ั้งฉากกับ
แนวของ J ซึ่งมหี นวยเปน A/m2 หรอื C/(s.m2)

อตั ราเรว็ ในการเคล่อื นทข่ี องประจุตอหนงึ่ หนวยพ้ืนทจี่ ะขนึ้ อยกู ับจาํ นวนอิเล็กตรอนในหน่ึงหนวยปรมิ าตร, คา
ประจขุ องอิเล็กตรอน, e(-1.60 x 10-19 C) และความเรว็ ลอยเลอื่ นของอเิ ล็กตรอน, vd ซง่ึ เทากบั –nevd แตอยา งไรก็ตาม
การไหลของกระแสไฟฟาคือการไหลของประจบุ วก ดังนน้ั ความหนาแนน ของกระแส J จึงมเี ครือ่ งหมายเปน บวก ดังสม
การ

J = nevd
ความตา นทานไฟฟาของโลหะ (electrical resistivity of metals)

คาสภาพตานทานไฟฟาของโลหะนน้ั สามารถประมาณคาไดจาก
ρ total = ρ T + ρ r

ρT เกิดจากการสน่ั ของ positive ion cores ในโครงสรา งผลกึ ของโลหะ เนอื่ งจากอณุ หภูมิ เมอื่ อุณหภูมสิ ูงข้ึน
จะทําให positive ion cores สนั่ มากข้นึ ซึ่งเปน ผลทาํ ใหขดั ขวางการเคลื่อนทข่ี องอเิ ลก็ ตรอนทําใหโลหะมีสภาพตา นทาน
มากข้นึ ดงั แสดงในรูปที่ 4.5

รูปที่ 4.5 แสดงผลของอุณหภมู ิทมี่ ตี อสภาพตา นทานทางไฟฟา ของโลหะบางชนิด

26

รปู ที่ 4.6 แสดงการเปลย่ี นแปลงของสภาพตานทานทางไฟฟาของโลหะชนดิ หน่งึ เมอ่ื อุณหภมู เิ ปลยี่ นไป

สว น ρr เกิดจากความบกพรองภายในโครงผลึกของโลหะ อาทิเชน dislocations, ขอบเขตของเกรน, และสาร
เจอื ปนตา ง ๆ ซึง่ จะไปขดั ขวางการเคลื่อนทขี่ องอิเลก็ ตรอน คา ρr จะไมข ึ้นกบั อณุ หภูมิและเดนท่อี ณุ หภูมิตาํ่ เทา นนั้
(รูปท่ี 4.6)

ในโลหะสว นใหญ ทอี่ ณุ หภมู ิสงู กวา –200oC คา สภาพตา นทานทางไฟฟา จะมีความสมั พันธก บั อุณหภมู ิเปน เสน
ตรง ดงั แสดงในรปู ที่ 4.5 ซึง่ อาจหาไดจ ากสมการ

ρ r = ρ 0oC (1 + α T T)
เม่ือ ρ0oC = คา สภาพตานทานทางไฟฟาที่อณุ หภมู ิ 0oC

α T = temperature resistivity coefficients, oC-1
T = อณุ หภมู ขิ องโลหะ, oC

ตารางท่ี 4.2 แสดงคา temperature resistivity coefficients ของโลหะบางชนดิ

โลหะ ความตา นทานไฟฟา ท่ี 0oC, Temperature resistivity coefficient
µΩ .cm α T, oC-1
อะลูมิเนียม 0.0039
ทองแดง 2.7 0.0039
1.6 0.0034
ทอง 2.3 0.0045
เหลก็ 9 0.0038
เงนิ 1.47

ตัวอยางที่ 4.3 จงคํานวณหาคาสภาพตานทานทางไฟฟาของทองแดงบริสทุ ธ์ิ ทีอ่ ุณหภมู ิ 132oC, โดยใชคา

temperature resistivity coefficient ของทองแดงจากตารางท่ี 4.2
วธิ ีทาํ ρ T = ρ 0oC(1 + α T T)

= 1.6 x 10-6 Ω .cm (1 + 0.0039 x 132o C )
oC
= 2.42 x 10-6 Ω .cm
= 2.42 x 10-8 Ω .cm

27

นอกจากอุณหภมู จิ ะมีผลตอ สภาพตา นทานของโลหะแลว การเติมธาตอุ ่ืนลงในโลหะบรสิ ุทธก์ิ ็จะมีผลตอสภาพ
ตานทานไฟฟา ของโลหะเชนกนั กลาวคอื เมอ่ื เตมิ ธาตุอืน่ ลงในโลหะบรสิ ทุ ธ์ิ จะทาํ ใหก ารเคลือ่ นทข่ี องอเิ ลก็ ตรอนซึ่งเปน
ตวั พาประจไุ ดลําบากยิ่งข้นึ ซึ่งจะมผี ลทําใหคา สภาพตานทานไฟฟาของโลหะนน้ั เพมิ่ ขึน้ ดงั แสดงในรปู ท่ี 4.7

รปู ที่ 4.7 แสดงผลกระทบของการเติมธาตุบางชนิดตอสภาพตานทานไฟฟา ของทองแดงทอ่ี ุณหภมู ิหอ ง
จากรูปจะสงั เกตเหน็ ไดว า ผลของธาตุแตละชนิดทีม่ ีตอ คา สภาพตา นทานไฟฟาของทองแดงจะคอ นขา งแตกตา ง
กัน กลา วคือ โลหะเงนิ จะใหผลกระทบนอยทส่ี ุด แตฟอสฟอรัสจะมผี ลกระทบทําใหคา สภาพตา นทานทางไฟฟาของ
ทองแดงเพิ่มขนึ้ อยา งมาก

รปู ที่ 4.8 แสดงผลของการเตมิ สังกะสีลงในทองแดงบรสิ ุทธท์ิ ที่ าํ ใหสภาพการนาํ ไฟฟา ของทองแดงลดลง
รปู ท่ี 4.8 แสดงผลของการเตมิ โลหะสังกะสีลงในทองแดงตอคาสภาพการนาํ ไฟฟา ของทองแดง ซงึ่ จะสังเกตเห็น
ไดวา ทองแดงจะมีสภาพการนาํ ไฟฟาลดลงอยางมาก เมอื่ มีการเตมิ สงั กะสีปริมาณ 5-35% ลงในทองแดง

28

5. สมบตั ิเชงิ กลของโลหะ

5.1 กระบวนการการผลิตโลหะและโลหะผสม

การหลอโลหะและโลหะผสม
ในกระบวนการหลอ โลหะ หรอื โลหะผสม โดยมากจะใชว ธิ ีหลอมโลหะในเตาหลอมเสียกอ น ๆ ทีจ่ ะนําไปเทลงใน

แบบ และถาจะทําโลหะผสมกจ็ ะใชว ิธีเตมิ โลหะอกี ชนดิ หนง่ึ หรอื หลาย ๆ ชนิดลงในโลหะที่กาํ ลงั หลอมเหลวอยูแลว คนให
ผสมกนั ดีจนไดส วนผสมท่ีตอ งการ จากน้นั กจ็ ะนาํ ไปหลอใหเปนแทง หรือเปน แผน ใหเ ปน รปู ตามทตี่ องการหรือทาํ ใหเ ปน
วสั ดสุ าํ เรจ็ รูปตอไป

การรดี รอ นและการรีดเย็น
ในกรณที ตี่ องการทําเปนแผน โลหะทม่ี ว นไดห รือทาํ ใหเ ปนแผน หนาตามที่ตองการจากโลหะทีเ่ ปน แทง โดยใชว ธิ ี

รดี รอนและรดี เย็น
การรดี รอน (Hot rolling) : ถา ตอ งการลดความหนาลงมา มักจะใชว ธิ ีรดี ขณะท่ียงั รอน ๆ แตกอนรดี จะทําให

โลหะนน้ั รอ นทอี่ ุณหภูมิสูงกอ นในเตาเผา (รปู ท่ี 5.1) ซง่ึ เรยี กวา soaking pit แลว จงึ สงเขา ไปรดี ดวยลกู กลิง้ (รูปท่ี 5.2)
จนกวาจะเยน็ แลวจึงทําใหรอนใหมต ิดตอกันไป (รูปท่ี 5.3)

การรีดเยน็ (Cold rolling) : ตามปกติจะทําการรีดทอี่ ณุ หภูมิหองโดยใชล กู รีด 4 ลูก และอาจรีดเปนลาํ ดบั ตดิ ตอ
กนั กไ็ ด วิธนี ้ีเหมาะแกก ารรดี เยน็ พวกโลหะทไ่ี มใชเหลก็ เชน ดีบกุ (tin) หรืออะลมู เิ นียม ความหนาท่ีถูกรีดใหบางลง
สามารถคาํ นวณหาไดโ ดย

%ความหนาทล่ี ดลง = ความหนาเรม่ิ ตนของโลหะ – ความหนาสดุ ทา ยของโลหะ x 100%
ความหนาเริม่ ตน ของโลหะ

29

รปู ท่ี 5.1 แสดงถึงเหล็กจะถูกเผาใหร อนประมาณ 1200oC (2200oF) ในเตาแกส เรียกวา soaking pit ประมาณ 4-8 ชม.
กอ นนําไปรีด (Bethlehem Steel Co.)

รปู ท่ี 5.2 แสดงไดอะแกรมของการรดี รอ น

30

รูปท่ี 5.3 แสดงกระบวนการรดี โลหะที่รอ นเปน อนกุ รม เพอ่ื ใหโ ลหะบางลง ๆ ซง่ึ มตี ัวรดี หยาบ 4 ตวั
และตัวรดี สดุ ทายอีก 6 ตัว

31

ตวั อยา งที่ 5.1 จงคาํ นวณหาเปอรเ ซน็ ตค วามหนาท่ีลดลงของการรีดเยน็ แผน โลหะผสมอะลูมเิ นียม จากความหนา

0.120 น้วิ เปน 0.040 น้วิ

วิธที าํ เปอรเ ซน็ ตความหนาทีล่ ดลง = ความหนาเรมิ ตน − ความหนาสดุ ทา ย x100%
ความหนาเรมิ ตน
0.120 − 0.040
= 0.120 x 100

= 0.080 x 100
0.120
= 66.7%

ตัวอยา งท่ี 5.2 แผนโลหะผสมซงึ่ มีทองแดง 10% สังกะสี 30% ถูกนาํ ไปรีดเย็นลง 20% เหลอื ความหนาเปน 3.00 มม.

เมื่อนาํ ไปรดี ตอ จนเหลอื ความหนาเปน 2.00 มม. จงหา % cold work ทั้งหมดวา เปน เทา ใด

วธิ ที าํ กอ นอนื่ หาความหนาเริม่ แรกเสียกอน โดยให x เปน ความหนาเริ่มตน

เพราะฉะนนั้ x − 3.00 = 0.20
x
x = 3.75 มม.

% cold work ทั้งหมด = 3.75 − 2.00 x 100
3.75
= 46.6%

ตวั อยา งท่ี 5.3 จงหาเปอรเซน็ ตความหนาทีล่ ดลง เมอ่ื นาํ ลวดทองแดงทีท่ ําใหอ อ นตวั แลว นํามาดึงใหเ สน ผา นศนู ย

กลางลดลงจาก 1.27 มม. เหลอื 0.813 มม.

วธิ ที ํา เปอรเซน็ ตความหนาที่ลดลง = พ้ืนทห่ี นา ตัดท่ีเปลี่ยน x 100%
พ้ืนท่เี ดมิ

⎜⎝⎛ π ⎟⎞⎠(1.27)2 − ⎜⎝⎛ π ⎞⎠⎟( 0.813 ) 2
4 4
= π x 100%
⎝⎜⎛ 4 ⎞⎟⎠(1.27) 2

= 59%

32

กระบวนการอดั ฉดี (Extrusion) : โดยมากใชกับกระบวนการผลติ ของพวกพลาสตกิ โดยวสั ดุนั้นจะถูกอดั ดว ย
ความดันสูง เพอื่ บงั คับใหออกไปทาง open die ดังรปู ที่ 5.4 แตถ า เปน โลหะหรือโลหะผสม จะใชว ธิ ีน้ไี ดก บั โลหะที่กําลัง
รอ น เพราะมันจะมคี วามตานทานตํา่ จึงมกั จะทําใหเปน แทงกลมหรอื ทําเปน ทอกลวง โดยนาํ โลหะที่หลอมเหลวมาใสไวใ น
ทพี่ ัก (billet) ของภาชนะบรรจุ (container) แลว จงึ จะถกู อัดดว ยตัวดัน (ram) ใหอ อกทางดาย (die)

รูปที่ 5.4 แสดงกระบวนการผลติ โลหะโดยใช Direct และ Indirect extrusion
กระบวนการอดั ฉดี 2 แบบ คอื

1. Direct extrusion (ดังรปู ที่ 5.4 (a))
2. Indirect extrusion (ดงั รูปที่ 5.4 (b))

รูปที่ 5.5 แสดงลักษณะรูปรางของ Open-die forging
สําหรบั Indirect extrusion จะใช power นอ ยกวา Direct extrusion เพราะมคี วามฝด นอยกวา แตกม็ ขี ดี จาํ กดั
กวา Direct extrusion
กระบวนการอดั ฉีดใชไ ดดีกบั พวก non-ferrous metals เชน Al, Cu หรอื พวกโลหะผสมของมันทีม่ ีจุดหลอม
เหลวตํา่ และยังใชกับพวกแกว ถา นและ Stainless steel
กระบวนการอดั หรอื ตี (Forging) : เปน อกี กระบวนการหนึง่ ที่ใชเ ปลย่ี นแปลงรูปรา งวสั ดุ ดวยการตดี ว ยฆอ นหรอื
ดวยการอัด (press) ขณะรอนใหอ อกมาเปน รปู รางทต่ี องการ
กระบวนการอดั หรอื ตมี ี 2 แบบคอื
1. Open-die forging (ดังรูปท่ี 5.5)
2. Closed-die forging

33

ซง่ึ สามารถเปลีย่ นรูปรา งของวัสดุท่ีมีลกั ษณะเปน พเิ ศษ โดยใหม ี refine structure และลดความพรุน (porosity)
ของวสั ดุดวย นอกจากนยี้ ังมกี ระบวนการอนื่ ๆ อีก เชน

ก. กระบวนการดงึ ใหเ ปน เสน (wire drawing) โดยดงึ ผา น die ท่มี ีสารหลอ ล่นื และบางครง้ั ตอ งทําใหรอนกอน
ทั้งน้ีแลวแตชนดิ ของโลหะ

ข. Deep drawing เปน กระบวนการท่ีโดยมากใชเ ปลยี่ นแปลงจากรปู ลักษณะทเ่ี ปน แผนใหอ อกมาเปนถวย
โดยการอดั เขาไปตามรปู แบบทตี่ องการ

5.2 ความเคนและความเครยี ดของโลหะ

จะไดก ลาวถึงสมบตั ิเชงิ กล (Mechanical properties) ของโลหะเพอื่ การนําไปใชงานทางดานวศิ วกรรมวามี
ความแขง็ แรง และมีความออนความแข็งของวัสดเุ ปนอยา งไร เหมาะที่จะใชง านหรอื ไม

Elastic และ plastic deformation ถา เอาโลหะมาดึงในทศิ ทางเดียว (uniaxial tensile force) จะทาํ ใหโลหะ
เปล่ียนรปู ไดและถาเลิกดงึ แลวโลหะนน้ั กลับมาอยูใ นสภาพเดิมเรียกวา เกดิ Elastic deformation แตถากลับสูส ภาพเดิม
ไมไ ด 100% เรยี กวาเกดิ Plastic deformation ในระหวา งทเี่ กิดการเปลี่ยนรูปนี้ อะตอมจะเคล่ือนทไ่ี ปยงั ตาํ แหนง ใหม
การเปลี่ยนแปลงแบบนบี้ างครัง้ ก็เปนสิง่ ท่ีวศิ วกรตอ งการมาก เพราะสามารถนําไปผลติ ส่ิงของตา ง ๆ ไดถาไมมแี ตกหัก
และเปนไปตามที่ตองการ เชน การผลิตชน้ิ สวนรถยนตจ ากเหล็กกลา เปนตน

ความเคนทางวศิ วกรรม (Engineering Stress)

ถา นาํ แทงโลหะมายาว lo และมีพ้นื ทีห่ นาตัด Ao ดึงดว ยแรง F
F (Ave. uniaxial tensile force)
Engineering Stress ( σ) = Ao (original cross − sec tion area)

หนว ยทใ่ี ชว ัดคา ของความเคน
ปอนดตอ ตารางนิ้ว = lb/in2 หรือ psi
ปาสคาล (Pascals), นิวตัน/เมตร2 1 N/m2 = 1 Pa
1 psi = 6.89 x 103 Pa
106 Pa = 1 เมกะปาสคาล = Mpa

ตัวอยา งที่ 5.4 แทง อะลูมิเนียมมเี สน ผานศนู ยกลาง 0.500 นวิ้ ถูกดงึ ดวยแรง 2500 lb จงหาความเคนทางวศิ วกรรม

ในหนว ย psi

วิธที ํา σ= Force
original Ao
2500
= πr 2

= 2500

π⎛⎝⎜ l ⎟⎞⎠( 0.500) 2
4
= 12700 lb/in2

34

ตวั อยางที่ 5.5 โลหะแทง หนึ่งมเี สนผา นศนู ยก ลาง 1.25 เซนติเมตร รับน้าํ หนกั 2500 กโิ ลกรมั จงคาํ นวณหาความเคน

ทางวิศวกรรมท่เี กิดกบั แทงโลหะในหนวยเมกะปาสคาล (MPa)

วธิ ที ํา มวลท่ีใสลงไปบนแทง โลหะ = 2500 kg

∴ แรง F = ma

มวล m = 2500 kg
อัตราเรง a = 9.81 m/s2
∴ F = (2500 kg) (9.81 m/s2)

= 24,500 N

แทงโลหะมเี สน ผา นศูนยก ลาง = 1.25 cm

= 0.0125 m

∴ ความเคน ทางวิศวกรรม σ = F= F
= Ao π d2
= d
24500 N

⎛⎝⎜ π ⎟⎞⎠( 0.0125 m ) 2
4
(2.00 x 108 Pa)

= 2.00 x 108 PA x 1MPa
106 Pa
= 200 MPa

ความเครยี ดทางวิศวกรรม (Engineering Strain)

เมื่อแทงโลหะถกู ดงึ ในทิศทางเดียวกนั ทําใหแ ทง โลหะยาวขนึ้ ในทศิ ทางท่แี รงกระทํา ความยาวทเี่ พมิ่ ข้ึนนเี้ รยี ก

วา ความเครียด (strain) จากคาํ นยิ ามของคาํ วา Engineering strain หมายถึง ความเครียดทางวิศวกรรมทีเ่ กิดจากแรง

ดงึ โลหะ ซ่ึงหาไดจากอตั ราสวนของความยาวท่ีเปล่ียนไปตอความยาวเดมิ

Engineering strain ( ε ) = l −lo
lo

= ∆l = ความยาวทเ่ี ปล่ยี นไป
lo ความยาวเดมิ

โดยทว่ั ไปทางดานวิศวกรรมจะใชค วามยาว 2 นิว้ ซึ่งเรยี กวา gage length ดังรปู ท่ี 5.5

รูปท่ี 5.5 แสดงผลของแผน โลหะทีถ่ ูกทดสอบ

35

ตวั อยา งท่ี 5.6 แทงอะลูมิเนียมกวา ง 0.500 น้ิว หนา 0.04 นวิ้ และยาว 8 นวิ้ โดยใช gage length 2 น้ิว เม่ือทาํ ใหเกิด

ความเครียดวดั gage length ได 2.65 นิ้ว จงหาความเครียดทางวศิ วกรรม ดังรปู ท่ี 5.5

วธิ ีทํา ความเครียดทางวศิ วกรรม ( ε ) = l −lo
lo
2.65 − 2.00
= 2.00 = 0.325

% elongation = 0.325 x 100 = 32.5%

Poisson Ratio การเปลี่ยนรปู ท่ีเปน elastic ในทศิ ทางเดียว บางครง้ั จะมกี ารเปล่ียนแปลงทางดา นขางดว ย

(lateral contraction) tensile stress ( σ2 ) จะทาํ ใหเกดิ axial strain (+ ε Z) และ lateral contraction เปน - ε x และ - ε y
ε(lateral)
∴ Poisson ratio (V) = ε(longitudinal)

= - εx = - εy
สําหรับวัสดวุ ิศวกรรมสมมติ v = 0.5 εz εz

แตสําหรับวัสดวุ ศิ วกรรมจรงิ ๆ จะมคี า v อยูร ะหวาง 0.25 – 0.4 เฉลย่ี จะได 0.30

ความเคนเฉอื นและความเครยี ดเฉอื น

โลหะสามารถเปล่ียนรปู ไดดวยความเคน เฉอื น ซ่งึ โดยมากจะเปน shear stress ธรรมดากระทําเปนคู (act in

pairs)

นั่นคอื τ (shear stress) = S
A
S = แรงเฉือนที่กระทํากบั surface A
τ = shear stress, N/m2 หรอื Pascal (Pa)

A = พื้นที่ท้ังหมดท่ี shear force กระทํา

Shear strain γ = a = tan θ
h
a = shear displacement

h = distance ทแ่ี รงเฉอื นกระทาํ

ถา เปน pure elastic shear

τ = Gγ

G = elastic shear modulus

36

5.3 การทดสอบแรงดงึ และแผนภาพของความเคน-ความเครยี ดทางวิศวกรรม

การทดสอบแรงดงึ (Tensile test) ใชสําหรบั การประเมินความแขง็ แรงของโลหะหรอื โลหะผสมดว ยการใชวิธดี งึ
จนขาดในชว งเวลาส้ัน ๆ ดว ยอตั ราคงที่ สารตวั อยางที่ใชท ดสอบจะแตกตางกนั ไปสําหรบั โลหะอาจทําเปน แผน หรืออาจ
ทําเปน แทง มีเสน ผานศูนยกลาง 0.50 น้ิว และใช gage length 2 นวิ้ ดังรปู ที่ 5.7 ขอมูลของแรงสามารถหาไดจ ากกราฟ
ของการทดสอบแรงดงึ ซงึ่ เปน กราฟระหวา งความเคนทางวศิ วกรรมกบั ความเครยี ดทางวิศวกรรม ดังรปู ที่ 5.8 จะ
สามารถหา Tensile strength ได

รูปที่ 5.6 แสดงภาพงาย ๆ ของเครอื่ งมอื ท่ใี ชทดสอบแรงดงึ ซงึ่ เปน การดงึ ลง

รปู ท่ี 5.7 แสดงตวั อยางของขนาดที่จะใชท ดสอบแรงดงึ
(a) ขนาดมาตรฐานทมี่ ลี กั ษณะกลม gage length ยาว 2 นว้ิ
(b) ขนาดมาตรฐานที่มีลกั ษณะเปนแผน gage length ยาว 2 น้ิว

37

รูปท่ี 5.8 แสดงลกั ษณะของกราฟ stress-strain diagram จากการทดสอบ strength ของโลหะผสมอะลูมเิ นียม
(7075-T6) ขนาดเพลต 5/8 น้วิ เสน ผา นศูนยกลาง 0.50 นิ้ว และใช gage length 2 นิ้ว

ขอมูลสมบัติเชงิ กลท่ไี ดจ ากการทดสอบแรงดึงและแผนภาพความเคน -ความเคนทางวิศวกรรม
สมบตั เิ ชิงกลของโลหะและโลหะผสมเปนเรอ่ื งทสี่ าํ คญั สาํ หรับวิศวกรในการออกแบบโครงสราง ซง่ึ ขอ มลู ทีไ่ ด
จากการทดสอบแรงดึง มดี ังนี้
1. Modulus of elasticity
2. Yield strength ที่วดั ไดจาก 0.2% offset
3. Ultimate tensile strength
4. Percent elongation at fracture
5. Percent reduction in area at fracture
Modulus of Elasticity
เปนการทดสอบของการเปลย่ี นรูปวาจะสามารถเปล่ยี นกลับมารูปเดิมไดหรือไมสาํ หรบั โลหะ maximum, elastic
deformation มักจะมนี อ ยกวา 0.5% โดยทั่วไปโลหะและโลหะผสมจะแสดงความสัมพนั ธท ่ีเปน แบบเสนตรงของความ
เคนและความเครยี ดในชวงของ elastic ของ engineering stress-strain diagram ซึ่งสามารถอธิบายไดด ว ย Hook’s law
ดงั รปู ท่ี 5.8

38

Hook’s law ไดอธบิ ายไวดังน้ี

σ (stress) = E ε (strain)

E = modulus of elasticity

= Young’ s modulus

E= σ (stress) (หนวยเปน psi หรอื Pa)
ε (strain)

Modulus elasticity น้จี ะเก่ียวของกับความแขง็ แรงของพนั ธะ (bond strength) ระหวางอะตอมของโลหะหรอื

โลหะผสม (ดตู ารางท่ี 5.1) โลหะที่มี modulus elasticity สูงจะแขง็ ไมง องา ย เชน เหลก็ กลา มีคา elastic modulus
30 x 106 psi (207 GPa) ขณะที่โลหะผสมอะลมู เิ นยี มมคี า ต่าํ กวา ประมาณ 10 –11 x 106 psi. (69-76 GPa) โปรด

สงั เกตวา ในชวง elastic ของ stress strain diagram คา modulus จะไมเปล่ยี นแปลงเมื่อ stress เพ่มิ ขนึ้

ตารางที่ 5.1 แสดงคาของ Elastic Constants ของ Isotropic Materials ทอี่ ุณหภูมหิ อ ง

Materials Modulus of elasticity Shear Modulus Poisson’s

10-6 psi (GPa) 10-6 psi (GPa) ratio

Aluminium alloys 10.5 (72.4) 4.0 (27.5) 0.31

Copper 16.0 (110) 6.0 (41.4) 0.33

Steel 29.0 (200) 11.0 (75.8) 0.33

Stainless steel 28.0 (193) 9.5 (65.6) 0.28

Titanium 17.0 (117) 6.5 (44.8) 0.31

Tungsten 58.0 (400) 22.8 (157) 0.27

Yield Strength

เปนคา ท่มี คี วามสําคญั ท่ใี ชใ นการออกแบบโครงสรา งของวศิ วกร เพราะมนั เปน คาความแข็งแรงของโลหะหรอื
โลหะผสมท่ีสาํ คัญตอการเปลยี่ นรูปทจี่ ะเกิดขึน้ อยางถาวร จาก stress-strain curve ไมมจี ุดที่แนน อนทแ่ี สดงใหเ ห็นถึงจดุ
ท่ี elastic strain สิ้นสุด และ plastic strain เริม่ ตน จงึ ไดเลอื กเอา yield strength เปนความแขง็ แรงของโลหะ หรือโลหะ
เมอื่ มปี ริมาณ plastic strain เกิดข้นึ จํานวนหนง่ึ แนน อน สาํ หรบั การออกแบบโครงสรา งของวศิ วกรอเมริกัน ไดก ําหนด
ให 0.2% ของ plastic strain ที่เกิดข้นึ ใน stress-strain diagram ตามรปู ที่ 5.9

0.2% yield strength นีอ้ าจเรียกไดอีกอยางหนง่ึ วา 0.2% offset yield strength แตในอังกฤษใช 0.1% offset
การหา yield strength ใหลากเสน ตรงขนานกบั เสน stress-strain diagram ดังรปู ที่ 5.9 ตรงจดุ 0.002 นว้ิ /นว้ิ (เมตร/
เมตร) ไปตัด curve ขางบนจะได yield strength 78000 psi

Ultimate Tensile Strength

เปนคา ความแข็งแรงสูงสุดของวัสดุ โดยพจิ ารณาจาก engineering stress-strain curve ดังรปู ท่ี 5.8 ถาตวั อยาง
วสั ดุซง่ึ อาจเปนโลหะหรอื โลหะผสมไปดงึ จะเห็นวา ตรงกลางจะเล็กลง เกิดเปน คอคอด (necking) และถาดงึ ตอ ไปความ
เคนทางวศิ วกรรมจะลดลง เม่อื ความเครียดเพ่ิมขน้ึ ในทสี่ ดุ กจ็ ะขาด ความเคน ทางวิศวกรรมหาไดจ ากพืน้ ทหี่ นาตดั เดิม
(A0) ของตวั อยาง

39

รปู ที่ 5.9 แสดง Engineering stress-strain diagram ซง่ึ จะไดกราฟเสนตรงซ่ึงขยายจากรปู 5.8
ทาํ ใหมคี วามแมน ยําย่งิ ข้ึนในการหา 0.2% offset

จากรูปที่ 5.9 Ultimate tensile strength หาไดโ ดยการลากเสนขนานกบั แกน strain ของ stress-strain curve
จากจสุ ูงสุดไปตดั แกน stress จะไดคา ultimate tensile strength บางครง้ั เรียกวา tensile strength จากรูปท่ี 5.8 แสดง
ultimate tensile strength ของโลหะผสมอะลูมิเนียมซ่งึ มคี า 87000 psi

คา นไ้ี มคอ ยไดใ ชมากนักสําหรบั ยานออกแบบกอ สรางโดยเฉพาะโลหะออ น (ductile alloy) เนือ่ งจากมกี ารเกดิ
การเปลย่ี นแปลงรปู อยา งถาวรขน้ึ อยา งมาก กอ นที่จะถงึ ultimate tensile strength อยางไรก็ตาม ultimate tensile
strength สามารถบงช้ไี ดว า โลหะนั้นมคี วามสมบูรณหรอื ไม ถาโลหะนนั้ มีโครงสรา งท่ไี มส มบูรณ เชน มรี พู รนุ จะทาํ ใหคา
strength ลดลง
Percent Elongation (% ความยืด)

ปรมิ าณความยดื ทีเ่ กิดจากการนําตัวอยางไปดงึ เปนคาทใ่ี ชบ อกถงึ ความออน (ductile) ของโลหะ ความออนตัว
ของโลหะโดยท่วั ไปแสดงดวยคา เปอรเ ซ็นตค วามยืด (percent elongation) โดยเรมิ่ จาก gage length ทใ่ี ชกันคือ 2.0 นิว้
(5.1 cm) ดังรปู ที่ 5.7 โดยทว่ั ไปโลหะใดย่งิ ออ น ย่งิ มีคาเปอรเ ซน็ ตความยดื มาก แสดงวา โลหะนัน้ เปล่ยี นรปู มาก
สาํ หรบั โลหะอะลูมิเนียมบริสทุ ธท์ิ ี่เปน แผน หนา 0.062 นว้ิ (1.6 mm) จะมี % elongation สูงถงึ 35% แตถาเปน
aluminum alloy (high strength) 7075 – T6 ที่หนาเทา กัน จะมี % elongation เพยี ง 11% ความยาวของโลหะทย่ี ืด
ออกสามารถวัดไดดวย extensometer หรอื อาจจะวดั ดว ย calipers เปอรเซน็ ตค วามยืดสามารถคํานวณไดจากสมการ
ดงั ตอ ไปน้ี

40

% elongation = Final length − Initial length x 100%
Initial length
= l − lo x 100%
lo

% elongation ณ จดุ ที่ขาดมคี วามสาํ คญั ทางดา นวศิ วกรรมมาก เพราะนอกจากจะทาํ ใหทราบวาโลหะนั้นออ น

เพียงใด ยังเปน ดชั นีท่ชี ้ใี หทราบวา โลหะนน้ั มีคุณภาพอยางไรดว ย โดยท่ี % elongation ต่าํ กวาปกติ

Percent reduction in area

พวกโลหะหรือโลหะผสมท่อี อ นอาจแสดงไดด ว ยคา % reduction in area ตามปกตคิ า นไ้ี ดจ ากการทาํ การ

ทดสอบแรงดึง โดยเริ่มตน ดวยตัวอยา งขนาดเสนผา นศนู ยก ลาง 0.50 นิ้ว (12.7 มม.) เมอื่ ดึงจนขาด วดั เสนผา นศนู ย

กลางอกี ครง้ั หนง่ึ กจ็ ะหาคา นไ้ี ดดงั สมการ

% reduction in area = initial area − final area x 100%
initial area
Ao −Af
= Ao x 100%

% area reduction นจ้ี ะลดลงเม่อื โลหะมี defect เชน โลหะมคี วามพรุน เปนตน ซึง่ เหมือนกบั % elongation

ตวั อยา งท่ี 5.7 เสนลวดเหลก็ มเี สน ผานศูนยก ลาง 0.500 นวิ้ ถูกดงึ จนขาด ปรากฏวาเสนผา นศนู ยก ลางทต่ี รงลวดขาด

เปน 0.343 นิ้ว จงหา % reduction in area ของตัวอยา งน้ี

∴ % reduction in area = Ao −Af x 100%
= Ao
Af
= l- Ao x 100%
=
⎛⎝⎜ π ⎞⎠⎟(0.343) 2
⎝⎜⎛ 4
l - π x 100%
4 ⎞⎠⎟(0.500) 2

53%

41

รปู ที่ 5.10 (a) แสดง Rock well hardness tester
(b) แสดงวธิ กี ารวดั hardness ดว ย diamond-cone indenter ความลกึ (t) ใชหา
ความแข็งของวัสดุ ถา t นอย แสดงวาวัสดนุ ั้นแขง็ กวา

5.4 ความแขง็ และการทดสอบความแขง็

ความแขง็ แรงของโลหะเปนการวดั ความตอตา น (resistance) ของโลหะทจี่ ะตอ งเปล่ยี นรูปรา งไปอยางถาวร
(plastic deformation) การทดสอบความแข็งของวัสดุนนั้ ใชว ิธกี ดวัสดทุ ่มี ีลักษณะแขง็ กวา เชน เหลก็ แขง็ ทงั สเตนคาร
ไบด เพชร เปน ตน โดยทําเปน รูปรา งตา ง ๆ กนั เชน ทําเปนรูปกลม พรี ะมิด หรอื โคน เมือ่ กดตัวกด (indenter) ลงไป
ในวัสดุทที่ ดสอบเปนมุม 90oC ลงไปอยางชา ๆ แลว วดั รอยเวาทเี่ กดิ ขึ้น ก็จะสามารถหาความแข็งได รปู ท่ี 5.10 ความ
แข็งของโลหะจะมีคาเทาไร ขนึ้ อยกู บั ความยากงายของการเปลีย่ นรูปรางอยา งถาวรของวสั ดุนัน้ การทดสอบความแข็ง
ของวสั ดุนั้นทําไดง ายกวา การหาความแขง็ แรงของวสั ดุ

5.5 การเกิดรอยแตกของโลหะ

การเกดิ รอยแตกของโลหะเปน การแยกหรือการแตกของของแขง็ ออกเปน หลาย ๆ สวนเมื่อมีความเคน โดยท่วั
ไปการเกิดรอยแตกของโลหะ แบงออกไดเปน 2 พวก คือ
1. การเกดิ รอยแตกของโลหะออน (Ductile fracture) เกดิ ขน้ึ หลงั จากทเ่ี กดิ การเปล่ียนรูปอยางถาวรดว ยการดึง ถา

ความเคน เกิดข้นึ กับตัวอยาง (specimen) เกนิ ultimate tensile strength เปนเวลานานพอควร จะทาํ ใหโ ลหะเกดิ
รอยแตกขนึ้ ซง่ึ มีลักษณะท่เี ห็นไดชัด 3 ลกั ษณะดว ยกันคอื
1.1 มีลักษณะเวา เขาไปและมชี อ งวา งเกดิ ข้นึ ที่บรเิ วณนน้ั (ดังรปู 5.11 a และ b)

42

1.2 ชอ งวา งทีเ่ กดิ น้ีรวมตัวกันมากข้ึนเปน รอยแตกทตี่ รงกลาง แลว มาสผู วิ ของตวั อยาง เปนแนวตั้งฉากกับทศิ ทาง
ของแรงดงึ (ดังรูป 5.11 c)

1.3 เม่อื รอยแตกดาํ เนนิ มาใกลกับผวิ ทิศทางจะเปล่ยี นไปเปนมุม 45 องศา ทําใหเ กิดแตกออกเปนฟน ปลาขึ้น (cup
and cone results) (ดงั แสดงในรูปท่ี 5.11 d และ e)

2. การเกิดรอยแตกของโลหะแขง็ (Brittle fracture) มโี ลหะและโลหะผสมหลายชนดิ ท่ีมกี ารเกดิ รอยแตกแบบนี้ คอื มี
ลกั ษณะเฉพาะของการเกดิ รอยแตกตามระนาบของผลกึ ท่ีเรยี กวา cleavage planes แมจ ะเกดิ การเปลี่ยนรูปเพยี ง
เลก็ นอย เชน โลหะที่มโี ครงสรา งของผลกึ เปน HCP เมื่อเกดิ รอยแตกจะเปน การแตกชนดิ นี้ และโลหะอีกหลายชนดิ
ท่มี โี ครงสรา งเปน BCC เชน เหลก็ α , โมลิบดินัม และทังสเตนกม็ กี ารแตกแบบเดียวกัน การเกิดรอยแตกของโลหะ
แขง็ มีขนั้ ตอนของการเกิดรอยแตก 3 ข้นั ตอนดวยกัน คือ
2.1 การเปลยี่ นรูปอยา งถาวรจะเกดิ ขนึ้ ตาม slip plane ที่ถกู ขวางกัน้
2.2 ความเคนเฉือนจะถูกสะสมมากข้ึนท่ี slip plane ถกู ขวางกนั้ กอใหเ กิดรอยแตกเลก็ ๆ ขน้ึ มากอน
2.3 เม่อื ความเคนดําเนนิ ตอ ไป การเกิดรอยแตกเล็ก ๆ จะเกดิ มากขึน้ จนเปน รอยแตกเกดิ ขน้ึ
การเกดิ รอยแตกนอี้ ุณหภูมเิ ปน ปจจัยหนงึ่ ทม่ี ีผลกระทบ คอื ถา อุณหภูมติ ่าํ และมคี วามเครยี ดสูง ชอบทจี่ ะเกิด

รอยแตกเปนแบบ brittle fracture รวมทัง้ ทีบ่ ริเวณมีรอยบาก (notch) ดวย

รูปท่ี 5.11 แสดงลักษณะหรือข้นั ตอนของการเกดิ รอยแตกเปน ฟนปลาของโลหะออ น

43

5.6 ความแขง็ แกรง หรือความเหนียวของวสั ดุ และการทดสอบตอ แรงกระแทก

ความแข็งแกรง หรอื ความเหนยี วของวัสดุ (Toughness) เปนสมบัตขิ องวัสดอุ ยางหนง่ึ ที่เกย่ี วกบั การดดู กลืน
ปริมาณพลังงานของวสั ดนุ นั้ จะเปน ไฟไดม ากนอยเพียงใดกอนจะเกดิ การแตกหกั ซงึ่ นบั วา มคี วามสําคัญมากตอ งานทาง
ดา นวิศวกรรม โดยพจิ ารณาจากความทนทานตอ แรงกระแทก (impact) โดยไมเกดิ การแตกหัก วธิ วี ดั ความแข็งแกรงของ
วสั ดทุ ง่ี า ยทส่ี ดุ วธิ ีหนึ่ง คอื ใชเ ครื่องทดสอบแรงกระแทก (impact testing machine) ดังรูปท่ี 5.12

รปู ท่ี 5.12 แสดงการทดสอบแรงกระแทก (a) แสดงตัวอยา งทีใ่ ช Charpy and Izod test
(b) แสดงภาพวาดของเครอื่ งทใี่ ชทดสอบแรงกระแทก

รูปท่ี 5.13 แสดงผลของอุณหภมู ิตอ การดูดกลนื พลังงานจากการทดสอบแรงกระแทกของวัสดุบางชนิด

44

รปู ท่ี 5.13 แสดงถงึ ผลของอณุ หภมู ิที่มีตอการดดู กลืนพลงั งานของวสั ดบุ างชนดิ Impact test นี้สามารถนํามาใช
ทดสอบหาชวงของอณุ หภมู ขิ องการเปลย่ี นสมบตั ิและพฤติกรรมของโลหะและโลหะผสมจากออน (ductile) ไปเปนแขง็
เปราะ นนั่ คอื เหลก็ ออ นทม่ี ีปรมิ าณคารบอนเพ่มิ ข้นึ จะทาํ ใหเ หลก็ แขง็ มากขน้ึ และดูดกลืนพลงั งานนอยลง ในชว ง
อณุ หภมู ิที่กวา ง แตถ า มีปรมิ าณคารบอนต่ําจะดูดกลืนพลังงานไดดี คอื เปน เหลก็ ที่ออ นหรอื เหนยี วขึ้น แตเกดิ ในชวง
อณุ หภมู ิท่ีแคบ และเมอ่ื ใชอุณหภมู ติ ่ํา ๆ การทดสอบ Fracture toughness ของโลหะและโลหะผสมไดมีการพฒั นาวิธี
ทดสอบท่ีซับซอ นอน่ื ๆ อีก

รูปท่ี 5.14 กราฟแสดงผลของปริมาณของคารบอนที่มตี อ impact energy และอุณหภูมสิ ําหรบั เหลก็ ทที่ ําใหรอ นขน้ึ

45

6. วสั ดพุ อลิเมอร

6.1 ความหมายและประเภทของพอลเิ มอร

คําวา ”พอลิเมอร” (Polymer) ตามคําศัพทแ ลวแปลวา หลายสวน (Many parts) คําวา Poly แปลวามากหรือ
หลายอยา ง ดงั น้นั วัสดพุ อลิเมอรอาจจะพจิ ารณาไดวาเปนสารที่ประกอบดวยสว นตาง ๆ หรอื หนวยตา ง ๆ เขาดวยกัน
ดวยพันธะเคมกี ลายเปนของแขง็ ในทนี่ จี้ ะกลา วถงึ ชนดิ ตาง ๆ ของพอลเิ มอร (รปู ท่ี 6.1) การทําพอลิเมอรในทางเคมี
ลักษณะโครงสรางของพอลเิ มอร สมบัตติ าง ๆ กระบวนการเตรยี ม เทคนคิ ตา ง ๆ ในการขน้ึ รูป การประยกุ ตของ
พอลิเมอรใ นทางอุตสาหกรรมและวิศวกรรมตลอดจนผลกระทบตา ง ๆ ตอความแขง็ แรงและการเสรมิ ความแข็งแรงของ
พอลิเมอร แตพ อลเิ มอรที่มคี วามสาํ คัญตอ การประยุกตท างอตุ สาหกรรมและผูใช อาจแบง ออกไดเปน 2 ประเภทใหญ ๆ
คอื

1. พลาสตกิ (Plastics)
2. อีลาสโตเมอร (Elastomers) หรอื พวกยาง (Rubber)
พลาสติกเปน วัสดสุ งั เคราะหก ลมุ ใหญแ ละอาจมหี มูธ าตุทเ่ี ปนองคป ระกอบแตกตางกัน ซงึ่ อาจทําใหรวมตัวกัน
หรอื เขาแบบใหมีรูปรางตามทีต่ องการ พลาสติกมีหลายแบบ เชน พอลเิ อทีลนี และไนลอน เปน ตน
พลาสตกิ ทีแ่ บงออกเปน 2 ประเภทนัน้ ขึน้ อยูกบั พนั ธะเคมที ีก่ ระทาํ กันไดอ อกมาเปนโครงสราง และมลี ักษณะ
เฉพาะเม่อื ทําใหอุณหภมู เิ พิม่ ข้ึน คือ เทอรโ มพลาสตกิ (Thermoplastic) และเทอรโมเซททิงพลาสติก (Thermosetting
plastic) สวนอลี าสโตเมอรหรอื ยางเปนพอลเิ มอรท ่มี ีลกั ษณะยดื หยนุ (elastical) ไดมากเมือ่ ออกแรงดึงและจะกลบั มาอยู
ในสภาพเดิมเมือ่ ปลอยแรงดงึ

Thermoplastics เปน พลาสตกิ ทส่ี ามารถทาํ ใหห ลอมเหลวหรือเปลี่ยนรปู รางไดด วยความรอน และจะแขง็ ตวั
เมือ่ ทาํ ใหเย็น พลาสตกิ พวกนจ้ี งึ สามารถ recycle ไดต ลอดโดยสมบตั ิไมเ ปลี่ยนแปลง เทอรโ มพลาสติกโดยมากประกอบ
ดวยพวก long chain carbon atoms ท่เี กิดพนั ธะโคเวเลนตเขาดว ยกนั บางคร้งั อาจมีธาตุไนโตรเจน ออกซเิ จน หรอื
กาํ มะถัน เขา ไปเกิดพันธะโคเวเลนตในโมเลกลุ และระหวางโมเลกลุ ตอ โมเลกุลจะเกดิ พนั ธะทุตยิ ภูมิ (secondary bonds)
กนั อีกดวย

Thermosetting plastic (Thermosets) เปน พลาสติกทไ่ี มสามารถทําใหห ลอมเหลวไดด ว ยความรอน
พลาสตกิ ชนดิ นจ้ี ะคงรูปอยางถาวรดวยการบม “set” หรอื “cured” ดว ยปฏกิ ิริยาเคมหี รือดวยความรอน เมอื่ ใหความรอน
ท่อี ุณหภมู สิ งู จะเกดิ การสลายตัวหรอื ไหมได ดงั นั้นจึงไมส ามารถทํา recycle กับพลาสติกชนิดนไี้ ด โดยมาก
Thermosetting plastics ประกอบดวยคารบ อนอะตอมทเ่ี กดิ พนั ธะโคเวเลนตเขา ดว ยกนั เปน โครงขาย (network) ไดเปน
ของแขง็ บางครั้งในโครงขา ยนนั้ จะมอี ะตอมของธาตไุ นโตรเจน ออกซิเจน กาํ มะถัน หรอื อะตอมอนื่ ๆ เขา ไปเกิดพันธะ
โคเวเลนตรวมดวย

พลาสตกิ เปน วัสดุวิศวกรรมท่ีสาํ คญั หลายประการดวยกัน เพราะมนั มีสมบัตกิ วางขวางมาก บางชนิดอาจจะไมมี
วัสดอุ ื่นเสมอเหมอื น และโดยท่วั ไปพลาสติกจะมรี าคาคอ นขา งตา่ํ พลาสติกยงั มีขอไดเ ปรยี บอกี หลายอยางทว่ี ศิ วกร
เคร่ืองกลนําไปใชอ อกแบบ เพื่อลดการใชช นิ้ สวนบางอยา ง ลดขน้ั ตอนการทาํ งานโดยทําใหง ายตอ การประกอบ ลดน้ํา
หนกั ลดเสียงดังและบางกรณีชว ยลดเรอ่ื งของการหลอ ลน่ื บางชนิ้ สว นพลาสติกยงั มปี ระโยชนอ ีกมากมายตอการออก

46

แบบใชงานทางไฟฟา เพราะพลาสติกเปน ฉนวนทด่ี ีเยยี่ ม ทางอเิ ล็กทรอนกิ สใชทําตวั เชื่อมตอ (connectors) สวิตช รเี รย
ทําชิ้นสว นของทีวี รปู แบบขดลวด ทําแผนวงจรไฟฟา และทาํ ช้ินสว นของเคร่อื งคอมพิวเตอร

ปริมาณการใชพ ลาสติกในทางอตุ สาหกรรมไดเพมิ่ ข้นึ อยา งมากในชวงหลายปท ่ีผา นมา ตัวอยา งท่ีเหน็ ไดชัดเจน
วาอุตสาหกรรมใชพ ลาสตกิ มากขึ้น คืออตุ สาหกรรมผลิตรถยนต ของเลน ของใชในบาน เปนตน ตอไปนจ้ี ะไดกลา วถงึ
โครงสราง สมบตั ิ และการประยุกตของพลาสตกิ และอีลาสโตเมอร

Polyme

Plastics Elastomers Adhesives Co

Thermoplastic

Ethenic Vinyls
Polyamides Polyolefins
Polyesters Fluorocarbons
Styrenes
Acrylics

Cellulosics

Acetals

Polycarbonates

Polyimides

Polyethers
รูปท่ี 6.1 แสดงชนิดตา ง ๆ ของวสั ดุพอลเิ ม

47

eric materials

oatings Fibers Natural polymers Biosystems

Thermosetting
Phenolics

Unsaturated polyesters
Urethanes
Silicones
Ureas
Melamines
Epoxides

มอร และชนิดตา ง ๆ ทส่ี าํ คัญของพลาสติก


Click to View FlipBook Version