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 เปนศาสตรท ีเ่ กยี่ วของอยา งเปนดานหลักของการใชพน้ื
ฐานและการประยกุ ตค วามรูท างวัสดุ เพื่อปรบั ปรงุ สมบัติแลว นํามาผลติ เปนผลติ ภณั ฑท ีต่ อ งการและเปน
ประโยชนตอสงั คม
จุดมุง หมาย (goals) ของการเรยี นวชิ า Engineering Materials
1. เพอ่ื ตอ งการใหผ เู รยี นมคี วามรูค วามคุน เคยกบั สมบัตขิ องวัสดุ เมอ่ื ตอ งการเลือกใชหรอื นาํ ไป
ประยกุ ต
2. เพอ่ื ตอ งการใหผ ูเรยี นไดเขา ใจถึงองคป ระกอบ โครงสราง ซ่ึงมีความสมั พันธก ับสมบัตติ าง ๆ ของ
วัสดกุ ับการใชงาน
3. เพือ่ ตอ งการใหผ ูเรียนไดท ราบถึงขอ มูลตาง ๆ ของสมบัตขิ องวสั ดุ เพอ่ื นาํ มาใชง านเพอื่ หลกี เลย่ี ง
การตองทดสอบ
4. เพ่อื ใหผ ูเรยี นไดเ ขาใจถึงกระบวนการผลิต, กระบวนการทดสอบใหว สั ดุท่ผี ลิตออกมามีความ
สมบูรณและมคี ณุ ภาพ
ตําราหรือหนงั สอื ที่ใชประกอบการเรยี 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 ระกอบดวยสารเคมี สงิ่ ตา ง ๆ ท่อี ยูร อบตัวเราลวนเปน ผลติ ภณั ฑที่
เกิดจากวสั ดุท้ังสนิ้
1.2 วัสดุวศิ วกรรม (Engineering materials) คอื วัสดทุ นี่ ําไปใชใ นงานทางดานวศิ วกรรม
1.3 ประเภทของวัสดุ
วัสดุวิศวกรรม (Engineering materials) แบงออกไดอ อกเปน 5 ประเภท แตล ะประเภทจะมโี ครง
สราง, 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 วาเปนสารอนนิ ทรีย (Inorganic substances) ท่ปี ระกอบดว ยธาตุท่เี ปน โลหะชนดิ
เดยี วหรอื หลายชนดิ กไ็ ด บางครงั้ อาจมีอโลหะผสมอยูด ว ยก็ได โดยทั่วไปพวกโลหะจะมสี มบัตเิ ฉพาะท่ี
เปน ตัวนําไฟฟา และความรอนท่ดี ี มีความแขง็ แรงสงู เหนยี วออ นตัวได เปนตน ถาเอาโลหะบริสทุ ธ์ิตง้ั แต
2 ชนดิ ขึ้นไปผสมกันจะไดโลหะผสม (alloy)
โลหะและโลหะผสม ยงั แบง ออกไดเปน 2 พวก
ก. พวกโลหะทเ่ี ปน เหล็ก (Ferrous metals) และโลหะผสม ที่มีเหลก็ เปน องคประกอบหลัก
ข. พวกโลหะทีไ่ มม ีเหลก็ (Non-ferrous metals) และโลหะผสมของมนั ที่ไมม เี หลก็ หรอื ถามเี หล็กก็
จะมอี ยูนอ ย เชน อะลมู เิ นียม (Al) นิกเกิล (Ni) ทองแดง (Cu) สังกะสี (Zn) ดีบุก (Sn)
แมกนีเซียม (Mg) เปนตน
1.3.1.2 วสั ดุประเภทพลาสติกหรือพอลเิ มอร
วสั ดพุ วกน้เี ปนสารอนิ ทรยี สวนใหญจะประกอบดวยธาตุ C, H, N, Cl, F, S, O เปนตน พอลิเมอร
เปน สารทม่ี ีโมเลกุลใหญ มีโครงสรางทีต่ อ กนั ยาวหรอื เปนโครงขา ย (net work) พอลิเมอรเ ปนสารทไ่ี มม ี
รูปรางผลกึ เปน สวนใหญ แตบางชนิดเปน ของผสมทมี่ ีรูปรา งผลึกและไมม ีรูปรา งผลึกปนกัน จึงมีสมบตั ทิ ่ี
กวา งมาก มีทัง้ แข็งแรง, ออ น เปน ฉนวนไฟฟา มีจุดหลอมเหลวทั้งสงู และตา่ํ โดยทว่ั ไปพอลิเมอรมคี วาม
หนาแนนตํ่า ตวั อยางเชน
พอลิเอทีลนี (polyethylene) -CH2-CH2-CH2-CH2-
พอลไิ วนิลคลอไรด (PVC) -CH2-CH-CH2-CH-
Cl Cl
4
เบเคไลท (Bakelite)
พลาสตกิ เปนพอลิเมอรชนดิ หน่งึ มอี ยู 2 ชนดิ คอื เทอรโ มพลาสตกิ (Thermoplastic) เปนพลาสติก
ชนิดท่สี ามารถหลอมเหลวไดด วยความรอ นอกี ชนิดหนง่ึ คอื เทอรโ มเซต (Thermosetting plastic) เปน
พลาสติกที่ไมสามารถหลอมเหลวได เมือ่ แขง็ ตัวแลว เปน พลาสตกิ ท่ีแข็งแรงแตเ ปราะ
1.3.1.3 วสั ดปุ ระเภทเซรามกิ
วสั ดุพวกนี้เปนสารอนนิ ทรยี (Inorganic substance) ท่ปี ระกอบดวยธาตทุ ี่เปนโลหะ และอโลหะรวม
กนั อยูไ ดด ว ยพนั ธะทางเคมี (chemical bond) ซงึ่ มลี กั ษณะดังน้ี
ก. มีรปู รางผลึกหรอื ไมมรี ูปรา งผลกึ ก็ได หรอื เปน ของผสมของทัง้ สองอยา งก็ได
ข. มีความแข็งสงู (high hardness)
ค. มีความแข็งแรงดีทอ่ี ณุ หภูมสิ งู
ง. มีความเปราะสูง หรือแตกงา ยเมือ่ โดนแรงกระแทก
จ. เปนฉนวนไฟฟา และความรอ นที่ดี
ในปจ จุบนั เซรามกิ ไดพัฒนาและกาวหนา ไปมาก สามารถนําไปใชป ระโยชนไ ดอยางกวา งขวาง เชน
ทาํ กระสวยอวกาศ (Space shuttle) สวนประกอบของเคร่ืองยนตใ ชท ําหวั วดั อุณหภมู ิ เปนตน
1.3.1.4 วัสดปุ ระเภทผสม (composite material)
วัสดุประเภทผสมคอื อะไรน้นั มีความหมายกวางขวางมาก ตามดิกชนั นารไี ดใหความหมายไวว า
composite คอื สิ่งประกอบดวยองคประกอบ (constituents) ตาง ๆ กนั ทง้ั ทสี่ ามารถบอกความแตกตา งไว
ดวยตาเปลา หรือองคป ระกอบทม่ี ขี นาดเล็กลงไปในระดบั อะตอม (atomic level) หรอื ระดับไมโคร
(microstructural level) ซึง่ ตอ งใชอุปกรณพ เิ ศษในการดอู งคป ระกอบของมนั ลว นจดั วา เปน วัสดุประเภมผสม
ทงั้ สน้ิ
สําหรับความหมายที่ยอมรบั กันไดโดยทัว่ ไปคอื “วัสดุประเภทผสม หมายถงึ วัสดทุ ีจ่ ดั วา เปน ของ
ผสมประกอบดวยองคป ระกอบมากนอ ยแตกตางกนั ไปตัง้ แต 2 ชนดิ ขน้ึ ไป โดยที่องคประกอบเหลานนั้ อาจ
มรี ปู รา งและองคป ระกอบทางเคมีตา งกนั ทาํ ใหม ันไมล ะลายเขา ดวยกนั ” ในความสําคญั ทางวิศวกรรมแลว
วสั ดุประเภทผสมกค็ ือวสั ดุทีไ่ ดจ ากการนาํ เอาวสั ดทุ ่ีแตกตางกนั มาผสมกนั ตัง้ แต 2 ชนดิ ขน้ึ ไป ทําใหว สั ดุนน้ั
มีสมบัติพิเศษขนึ้ กวา วสั ดเุ ดิม เชน คอนกรตี ไมอัด ไฟเบอรกลาส หรือพวก Reinforcement fiber เปน ตน
1.3.1.5 วัสดปุ ระเภทอเิ ล็กทรอนกิ ส
วสั ดุประเภทนบั วามคี วามสําคัญมากในปจ จบุ ันซึง่ เปน ยกุ ตของเทคโนโลยชี ัน้ สูง วสั ดุประเภทนี้ท่ีจดั
วา สําคญั ทีส่ ุด คือ ซิลิกอนบรสิ ุทธ์ิ ซ่งึ สามารถนําไปใชห รือดัดแปลงใหม ีลกั ษณะสมบัตเิ ฉพาะไดดมี าก
เชน ใชท าํ silicon chip, micro-eletronic devices, semiconductors เปนตน
5
1.4 สมบัติและการเลอื กใชวัสดุ
การเลอื กใชวัสดุใหเ หมาะสมกบั งานนนั้ จาํ เปนจะตอ งศกึ ษา หรือพจิ ารณาจากสมบตั ขิ องวสั ดุนัน้ ให
มนั ตรงกบั งานทอ่ี อกแบบ หรอื ท่ตี อ งการทาํ จากวัสดตุ า ง ๆ ซงึ่ มอี ยมู ากมาย และวศิ วกรสามารถสงตวั
อยา งไปวิเคราะหส มบัติ องคป ระกอบไดจากศูนยเ ครื่องมอื หรอื ศูนยท ดสอบ ซ่ึงมอี ยูหลายแหง ดวยกนั
เพือ่ ประหยัดเวลาและการลงทนุ
สมบัตทิ ่สี ําคญั ทีใ่ ชใ นการพิจารณาเลือกวสั ดุท่ีจะใชดงั แสดงในรูป 1.1
1.4.1 สมบัติทางเคมี (Chemical properties)
เปนสมบตั ิท่สี ําคญั ของวัสดซุ ึ่งจะบอกลักษณะเฉพาะตัวทเี่ กี่ยวกับโครงสรา งและองคป ระกอบของ
ธาตุตาง ๆ ท่ีเปน วสั ดนุ ้นั ตามปกติสมบัตินีจ้ ะทราบไดจ ากการทดลองในหองปฏิบัติการเทา 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 กับพลังงานในรูปตาง ๆ กนั
เชน ลักษณะของสี ความหนาแนน การหลอมเหลว ปรากฏการณที่เกิดกับสนามแมเหลก็ หรือสนามไฟฟา
เปนตน การทดสอบสมบัตินจี้ ะไมมีการทาํ 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 แสดงสมบัติตาง 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 ระเภทตาง ๆ
7
14.3 สมบัติเชิงกล (Mechanical properties)
เปนสมบัติเฉพาะของวัสดุทีถ่ 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)
เปนสมบัตทิ ่สี าํ คัญอกี อยางหน่งึ ที่จะตอ งพิจารณาในการเลือกใชว ัสดุ เชน ขนาด รูปรา ง ความคงทน ตลอดจน
ลักษณะของผิววาหยาบ ละเอียด หรือเรยี บ เปน ตน ซ่งึ สมบัติเหลา น้จี ะไมมกี ําหนดไวใ นหนงั สอื คูมือหรือในมาตรฐาน
แตกเ็ ปนแฟกเตอรหนึ่งท่ีจะใชเปน ขอ มลู ในการตดั สินใจไดดวย
ตอ ไปนีเ้ ปนตัวอยา งของวสั ดุ สมบตั แิ ละการใชง าน ดงั แสดงในตารางท่ี 1.1 และรปู ท่ี 1.2 แสดงความแขง็ แรง
ของวัสดบุ างประเภท
ตารางที่ 1.1 แสดงตวั อยางของการใชง านและสมบัติของวัสดุชนิดตา ง ๆ
ชนดิ ของวัสดุ การใชง าน สมบัติ
โลหะ ทองแดง (Cu) ใชทําลวดไฟฟา นําไฟฟาดี สามารถทําใหม รี ปู รา งตางๆ 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 ดวยความรอ น
ปากกาสาํ หรับจับ ขนั บิด
เซรามกิ
SiO2-Na2O-CaO ใชทาํ กระจกหนา ตา ง ใหประโยชนทางแสง และเปนฉนวนความรอน
เปน ฉนวนความรอ น, หลอมเหลวทอี่ ุณหภูมิสงู
Al2O3, MgO, SiO2 ใชทาํ วสั ดทุ นไฟ สมบัติเฉือ่ ยตอโลหะท่ีหลอมเหลว
Barium titanate
ใชทําอุปกรณส ําหรับเปล่ียนสัญญาณ เปลย่ี นเสียงใหเ ปนไฟฟา โดยอาศัยสมบตั ิ
เสียง, แสง, ความรอ น ใหเ ปน สญั ญาณ Piezoelectric
ไฟฟา เชน ใชในการทําอุปกรณเครอ่ื ง
เสียง
พอลิเมอร
พอลิเอทีลนี ใชทาํ บรรจภุ ัณฑส ําหรบั อาหาร ทําเปน แผนฟลมบาง ๆ ได ออนตวั ไดเปนฉนวนไฟ
ฟาและกนั ความชน้ื ได
อีพอกซี (epoxy) ใชเคลอื บหรอื หอหมุ แผน วงจรไฟฟา เปนฉนวนไฟฟาและกันความชนื้ ได
ฟนอลกิ ใชทํากาว ใชทาํ ไมอดั ในอุตสาหกรรม แข็งและกนั ความชนื้ ไดด ี
ไฟฟา -สารกึง่ ตวั นํา
ซลิ คิ อน (Si) ใชท าํ ทรานซิสเตอร และแผนวงจรไฟฟา มสี มบัตพิ ิเศษทางไฟฟา
ใชท าํ ระบบเสนใยนาํ แสง
Ga As เปล่ียนสัญญาณไฟฟา เปน แสงได
วัสดผุ สม (composite) ใชท ําสวนประกอบของรถยนต, เคร่อื ง
แกรไฟต- อีพอกซี บนิ มคี วามแข็งแรงมาก
ใชทาํ เคร่อื งเจาะ สวา นเคร่ืองกลึง
ทงั สเตนคารไ บดโคบอลท มีความแขง็ สงู
8
รูปท่ี 1.2 แสดงความแขง็ แรง (strength) ของวัสดุชนิดตาง ๆ
สรุป
วสั ดศุ าสตรแ ละวสั ดวุ ิศวกรรมศาสตร เปน การเชอื่ มโยงความรูเกยี่ วกบั วัสดทุ งั้ หลาย ระหวา งพนื้ ฐานความรูทาง
วิทยาศาสตรแ ละทางวิศวกรรมเขาดวยกนั
วัสดุศาสตรเปนศาสตรท ่เี ก่ียวกับการวิจัยหาความรใู หม ๆ ขน้ั พ้ืนฐานของวสั ดทุ ้งั หลาย แตว สั ดวุ ิศวกรรมศาสตร
เปนศาสตรทเ่ี กย่ี วกบั การประยุกตค วามรขู องวัสดใุ หเปนประโยชนต อสงั คมและมวลมนุษย
วัสดุแบง ออกไดเ ปน 3 ประเภทใหญ ๆ ไดแ ก พวกโลหะ, พอลเิ มอรแ ละเซรามกิ อกี 2 ประเภท ซึ่งมีความ
สําคัญมากสําหรบั วิศวกรรมและเทคโนโลยีสมยั ใหม ไดแ ก วัสดุผสมและอิเลก็ ทรอนกิ ส วสั ดแุ ตละประเภทมกี ารแขง ขนั
กนั อยูตลอดเวลาเพ่อื ความคงอยู และหาตลาดใหม ตลอดจนมกี ารใชทดแทนซึง่ กนั และกันอยูเสมอ วตั ถุดบิ ตน ทุนการ
ผลติ และการคน ควาพฒั นาหาวสั ดใุ หม กระบวนการใหม ๆ ลวนเปน แฟกเตอรทส่ี าํ คญั ทที่ ําใหมีการเปล่ียนแปลงการใช
วัสดเุ กดิ ขึ้น
9
2. การจดั ตวั ของอะตอมและโครงสรางของผลกึ
การจดั ตวั ของอะตอมใน space ออกมาเปน โครงสรางของสารนบั วามีความสาํ คญั มากตอ ลักษณะและสมบตั ขิ อง
สารเหลา นน้ั โดยเฉพาะอยางยิ่งสารทเ่ี ปนของแขง็ การจัดตวั ของอะตอมหรอื ไอออนหรอื โมเลกลุ ทเี่ ปนองคป ระกอบจะ
ทาํ ใหสารหรือวัสดนุ ั้นมสี มบตั แิ ตกตางกันไป เชน การจัดตวั ของอะลูมเิ นยี ม อะตอมจะทําใหอะลูมิเนียมมสี มบตั ิออ นตวั ดี
ขณะทีเ่ หลก็ จะมีการจัดตวั อีกแบบหนง่ึ ทาํ ใหเ หล็กมีความแขง็ แรงดกี วา พอลเิ อทีลนี จะมกี ารจดั ตวั ของอะตอมอีกแบบ
หน่งึ ทาํ ใหหลอมเหลวงายและเปน ฉนวนไฟฟา ทด่ี ี สําหรบั ยางจะมีสมบัติยืดหยนุ ดี เปน ตน
ถา อะตอมหรือไอออนจัดตวั เปน แบบซ้าํ ๆ กนั ใน 3 มิติ สารน้ันจะมีโครงสรางเปนผลกึ (crystal structure หรอื
crystalline solid หรือ crystalline material) เชน โลหะ โลหะผสม หรือเซรามิก เปนตน
2.1 ระบบผลกึ และบราเวสแลตทซิ
นกั ผลึกวทิ ยา (Crystallographers) ไดก ําหนดความยาวของแตละดา นและมมุ ทีด่ านประกอบกันเปนหนวยเซลล
ออกมาเปน แบบตางๆ กนั ได 7 แบบ ดังแสดงในตารางที่ 2.1 และใน 7 แบบนี้ A.J.Bravais ไดแสดงใหเห็นวามีหนว ย
เซลลม าตรฐาน (Standard unit cells) ถึง 14 ชนิดดวยกัน ดงั แสดงในรปู ท่ี 2.1
รูปท่ี 2.1 แสดงหนว ยเซลลท งั้ 14 ชนดิ ตาม Bravais กําหนดจดุ สีดําแสดง lattice points ซ่ึงจะอยูทีด่ านหรือท่มี มุ ของหนวยเซลล
10
Bravais lattices มหี นว ยเซลลพ น้ื ฐานอยู 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 สวน Rhombohedral, hexagonal, และ triclinic systems มอี ยา งละหนงึ่ ชนดิ
ตารางที่ 2.1 การจาํ แนก space lattices ดว ยระบบผลึก
ตารางท่ี 2.2 แสดงคาคงตัวแลตทิซและรัศมีอะตอมของโลหะบางชนิดทมี่ ี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 ีโครงสรางผลึกแบบ 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 ีโครงสรางเปน 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 ความไมสมบูรณของผลกึ และกระบวนการแพรภายในของแขง็
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 แตทิศทางของแตละผลกึ จะแตกตางกันไปเมอ่ื การ
แข็งตวั ของโลหะเกดิ ข้นึ อยางสมบรู ณ แตล ะผลึกจะสมั ผสั กนั ในทศิ ทางทตี่ างกนั โลหะทีป่ ระกอบดวยผลึกจาํ นวนมากนี้
จะถูกเรยี กวา โลหะหลายผลกึ (polycrystalline) ซึ่งแตล ะผลกึ ที่ถกู เรยี กวา เกรน และผิวสมั ผัสระหวางผลกึ เรียกวา
ขอบเขตของเกรน
จํานวนของนิวคลีไอท่ีเกดิ ขึน้ ในกระบวนการแขง็ ตวั ของโลหะจะมีผลตอโครงสรา งของเกรน กลาวคอื ถาจํานวน
นิวคลีไอที่เกดิ ขึ้นมจี ํานวนนอย จะทาํ ใหไดโ ครงสรา งของเกรนทมี่ คี วามหยาบและขนาดใหญ (coarse grains) แตถามี
จํานวนนวิ คลีไอเกดิ ขึน้ มาก จะทาํ ใหไ ดโครงสรา งของเกรนท่ลี ะเอยี ด ซง่ึ เปนความตองการของวิศวกร เพราะโลหะท่ีมี
ความแข็งแรงทดี่ ีจะตอ งประกอบดวยโครงสรางของเกรนทีล่ ะเอียดและสม่ําเสมอ จํานวนนวิ คลไี อทเ่ี กิดขึน้ มคี วาม
สัมพันธกับอตั ราเรว็ ในการทาํ ใหโลหะที่หลอมเหลวเยน็ ลงมาก กลาวคอื ถา ทาํ ใหโลหะเย็นตวั ลงอยางรวดเร็วจะมผี ลทํา
ใหเกิดนิวคลีไอจาํ นวนมาก และไดเกรนทมี ีขนาดละเอียด ในทางตรงกนั ขาม ถาทําใหเ ยน็ ตัวลงอยา งชา ๆ จะทําใหเ กดิ
นวิ คลีไอจํานวนนอย และไดเกรนท่ีใหญก วา
นอกจากน้ียงั มปี จจัยอื่นๆ ที่มผี ลตอ จาํ นวนของการเกดิ นิวคลีไอ เชน การมสี ่งิ แปลกปลอม อาทิเชน อะลมู ิเนียม
และไทเทเนยี มในโลหะหลอมเหลวหรอื การคนโลหะท่ีหลอมเหลวในกระบวนการทาํ ใหโลหะแขง็ ตวั เปน ตน
เมอ่ื นาํ โลหะทบ่ี ริสุทธิ์พอสมควรไปหลอในแบบที่อยูกับท่ี โดยไมม กี ารเตมิ grain refiner จะพบวาเกิดโครงสราง
ของเกรน 2 แบบ คือ
1. Equiaxed grains เปนเกรนทเ่ี กิดจากผลกึ ทโี่ ตในทุกทิศทุกทาง และมกั เกดิ ขนึ้ ในบรเิ วณทีใ่ กลผนงั ของแบบ
ที่ใชหลอ 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 ซ่ึงเปนผลกอ ใหเกดิ equiaxed grains ทล่ี ะเอยี ด
2. Columnar grains เปนเกรนทม่ี ีลักษณะยาวและหยาบ เกรนชนดิ นีจ้ ะเกดิ ขนึ้ ในกรณที ่โี ลหะหลอมเหลวเยน็
ตวั ลงอยา งชา ๆ อาทเิ ชน บรเิ วณตรงกลางของแบบหลอ ซ่ึงเปน บรเิ วณท่โี ลหะหลอมเหลวเยน็ ตวั ลงชา กวา เมอ่ื เทียบกับ
บรเิ วณใกลผ นงั ของแบบหลอ หรือกลาวอกี นยั หนึ่งคือ เปน บรเิ วณที่มีปรมิ าณ undercooling ทต่ี า่ํ ทาํ ใหเ กดิ ปริมาณ
นวิ คลไี อจํานวนนอ ย ซงึ่ เปนผลกอ 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
ในกระบวนการหลอโลหะในอตุ สาหกรรม เพอื่ ใหไ ดเกรนทีม่ ีขนาดเล็กและละเอียด สามารถกระทําไดโดยการเติม grain
refiner ลงในโลหะหลอมเหลวในกระบวนการหลอโลหะ เชน กระบวนการหลอ โลหะผสมของอะลูมิเนยี มมกั จะใช Ti, B, และ Zr
เปน grain refiner
3.2 การผลิตวัสดผุ ลกึ เดีย่ ว
โดยสวนใหญแ ลววัสดุทม่ี โี ครงสรางเปน ผลกึ และใชใ นงานวศิ วกรรมนั้นมักจะประกอบดวยโครงสรางหลายผลกึ
(polycrystalline) แตกม็ ีวสั ดุบางอยางท่ีมโี ครงสรางผลกึ เดย่ี ว (single crystals) ตวั อยา งเชน ชนิ้ สวนทางอเิ ล็กทรอนกิ ส
อาทิเชน transistors และ diodes บางชนิด ซง่ึ ถูกทาํ ขนึ้ จากธาตหุ รอื สารประกอบกึ่งตวั นาํ ที่มโี ครงสรางผลึกเดย่ี ว โครง
สรางผลกึ เด่ียวนเ้ี ปนสิง่ จาํ เปนอยา งยิง่ สาํ หรบั งานทางดา นอเิ ลก็ ทรอนกิ ส เพราะถา ช้ินสวนทางอเิ ลก็ ทรอนกิ สถ ูกทาํ ข้ึน
จากวสั ดุท่ีมีโครงสรางหลายผลึก ขอบเขตของเกรนทมี่ ีอยใู นโครงสรางจะขดั ขวางและทําลายคุณสมบัติทางไฟฟาของช้นิ
สวนน้ัน
รปู ท่ี 3.2 เปนภาพแสดงภาพตัดขวางของโลหะผสม 6063 (Al-0.7% Mg-0.4% Si) ท่ไี มม ีการเติม grain refiner (a) และ
ทม่ี กี ารเตมิ grain refiner (b)
โครงสรางผลกึ เดย่ี วจะเกดิ ขึน้ ไดถาในกระบวนการแข็งตวั เกิดนวิ เคลยี สเพียงนวิ เคลียสเดยี ว ซง่ึ กระทําไดโดยการทาํ ให
ผิวสัมผสั ระหวา งของแข็งและของเหลวมีอุณหภูมติ ํ่ากวาจดุ หลอมเหลวของของแข็งเพียงเลก็ นอ ยและอณุ หภูมภิ ายในของเหลวจะ
ตอ งสูงกวา ทีผ่ วิ สัมผสั ตัวอยางการผลติ วสั ดุที่มีโครงสรา งผลึกเดย่ี วน้ี อาทิเชน วธิ ี Czochralski ซงึ่ เปน วธิ ีการผลติ ซลิ คิ อนโครง
สรา งผลกึ เด่ยี วทีม่ ีคณุ ภาพสงู
14
3.3 สารละลายของแข็งโลหะ
โลหะทใี่ ชกันอยใู นปจจบุ นั น้ี สวนนอยจะเปน โลหะบริสุทธิ์หรือเกอื บบริสทุ ธ์ิ แตโ ดยสว นใหญแ ลว มกั จะเปนโลหะ
ทีม่ ีโลหะอน่ื หรอื อโลหะผสมอยู เพอ่ื ทาํ ใหโลหะผสมนั้นมคี ณุ ภาพพิเศษมากขน้ึ เชน ทําใหแขง็ แรง ไมเกดิ สนิม ขยายตวั
นอย และทนตอ การกัดกรอน เปนตน
โลหะผสมหรอื alloy เปนของผสมของโลหะตง้ั แต 2 ชนิดขน้ึ ไป หรอื อาจเปนโลหะผสมกบั อโลหะ โลหะผสมจัด
วาเปนสารละลายของแข็ง คือ ของแข็งที่ประกอบดวยอะตอมของธาตุต้งั แต 2 ชนิดขึ้นไปกระจายตัวอยูในโครงสรา 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) สามารถเขาไปแทนที่อะตอมของ
ตวั ทําละลาย (solvent atoms) ในโครงสรางผลกึ ได ดงั แสดงในรูปท่ี 3.4 โครงสรา งผลึกของโลหะผสมชนดิ นจี้ ะไมมกี าร
เปลย่ี นแปลง แตอ าจจะเกิดการเสยี รปู ไปบาง โดยเฉพาะอยา งยงิ่ เมื่อขนาดของอะตอมตางกนั
รูปท่ี 3.4 แสดง substitutional solid solution วงกลมสีเขม กบั สีขาว แสดงอะตอมของธาตุตางชนดิ กนั
สภาวะที่อะตอมหนึง่ จะเขาไปแทนที่อีกอะตอมหนงึ่ ไดดี จะตองมีลักษณะดงั นีค้ อื
1. ขนาดเสน ผานศนู ยกลางของอะตอมท้งั สองจะตอ งไมตา งกนั เกนิ 15%
2. โครงสรางผลกึ ของธาตุท้ังสองจะตอ งเหมือนกนั
3. คาอเิ ล็กโทรเนกาวติ ้ี หรือสภาพไฟฟา ลบ (electronegativity) จะตอ งตางกันไมมากนัก มฉิ ะนน้ั แลว จะเกิดสาร
ประกอบได
4. จะตอ งมคี า เวเลนซเทากัน
15
สารละลายของแขง็ แบบเซลลแ ทรก
เปน สารละลายของแขง็ ท่ีเกิดข้นึ เนอื่ งจากอะตอมของตัวถูกละลายเขาไปแทรกตวั อยูใ นชอ งวา งระหวา งอะตอม
ของตวั ทําละลายหรือ parent atoms ชองวางระหวา งอะตอมของตวั ทาํ ละลายนี้ถกู เรยี กวา ซอก (interstices) สารละลาย
ของแขง็ แบบเซลลแ ทรก จะเกดิ ขึน้ ไดก็ตอ เมื่อขนาดของอะตอมของตัวทําละลายมขี นาดใหญกวาขนาดของอะตอมของ
ตวั ถูกละลาย ตัวอยางของอะตอมที่มขี นาดเล็กและสามารถเขาไปแทรกอยใู นซอก เพอื่ ทําใหเ กดิ interstitial solid
solutions ได อาทเิ ชน H, C, N และ O
ตัวอยา งของสารละลายของแข็งแบบเซลลแทรกทีส่ ําคญั คอื อะตอมของคารบ อนในเหล็ก γ ทมี่ โี ครงสรา งแบบ
FCC ซงึ่ จะอยตู วั ที่อณุ หภมู ิระหวาง 912-1,394oC อะตอมของคารบอนจะเขา ไปแทรกในซอกระหวางอะตอมของเหลก็ ได
สูงสุด 2.08% ที่อุณหภูมิ 1148 oC รปู ท่ี 3.5 แสดงโครงสรางของเหลก็ ขณะที่อะตอมของคารบอนเขาไปแทรกในซอก
ระหวา งอะตอมของเหลก็ ซง่ึ จะสังเกตเห็นไดวาอะตอมของเหลก็ ที่อยรู อบอะตอมของคารบอนจะเกิดการเสียรูปไปเล็ก
นอย
เนอื่ งจากขนาดของซอกระหวา งอะตอมในเหล็ก γ ท่ีมโี ครงสรางแบบ FCC เทา กบั 0.053 nm (ตัวอยาง) ซงึ่ มี
ขนาดใหญก วาขนาดของซอกระหวา งอะตอมในเหล็ก α ท่ีมโี ครงสรางแบบ BCC คือประมาณ 0.036 nm จงึ เปนผลทํา
ใหอ ะตอมของคารบอนท่มี ขี นาด 0.075 nm สามารถละลายในเหลก็ γ ที่มโี ครงสรางแบบ FCC (2.08%) ไดด ีกวาเหลก็
α ที่มโี ครงสรา งแบบ BCC (0.025%)
รปู ที่ 3.5 แสดงสารละลายของแขง็ แบบเซลลแทรกของคารบ อนในเหลก็ γ ทมี่ โี ครงสรา งแบบ FCC ท่อี ุณหภูมสิ ูงกวา
912 oC และเกิดการบดิ เบี้ยวขึ้น (distortion)
3.4 ความไมส มบรู ณของผลกึ
ในความเปน จรงิ ไมมผี ลึกใดทม่ี คี วามสมบรู ณอ ยางแทจริง แตม กั จะมคี วามบกพรองเกดิ ขน้ึ ในโครงสรา งผลึก
เสมอ ซ่งึ ความบกพรองทีเ่ กิดข้นึ เหลา นม้ี กั จะมผี ลทาํ ใหคณุ สมบตั ทิ างกายภาพและสมบตั เิ ชิงกลแตกตา งกันออกไป
ความไมส มบูรณของผลกึ สามารถแบงออกตามเรขาคณติ และรูปราง ไดเ ปน 3 แบบ ดังนคี้ ือ
(1) ความไมส มบูรณแบบศูนยม ติ ิ หรอื แบบจุด (zero-dimension or point defects)
(2) ความไมสมบรู ณแบบหนง่ึ มิติ หรอื แบบเสน (one-dimension or line defects)
(3) ความไมส มบรู ณแ บบสองมิติ (two-dimension defects) ซ่ึงรวมถึงผวิ ภายนอกและขอบเขตภายในของเกรน
นอกจากน้ยี งั อาจจะมีความไมสมบรู ณแ บบสามมิติ (three-dimension macroscopic on bulk defects) ซงึ่ ความ
ไมส มบรู ณเหลา น้ีไดแ ก รูพรนุ รอยราว และสง่ิ แปลกปลอม เปน ตน
16
ความไมส มบรู ณแ บบศูนยม ิตหิ รือแบบจดุ
ซ่ึงเกิดขึ้นไดห ลายลกั ษณะ ดังนีค้ อื
(1) การเกิดชองวางขน้ึ เปน ความไมสมบูรณแ บบจุดอยางธรรมดาท่ีสดุ กลาวคือ อะตอมบางอะตอมทอ่ี ยใู นโครง
สรางไดห ายไป ดังแสดงในรปู ที่ 3.6 (a) ซึ่งมกั จะเกดิ ข้นึ ในขณะที่โลหะหลอมเหลวแข็งตัว โดยทม่ี กี ารรบกวนระบบใน
ชวงท่ผี ลกึ เจรญิ เตบิ โต หรอื มกี ารจัดเรยี งตวั ใหมข องอะตอมในโครงผลกึ ทม่ี ีอยเู ดิม เนอื่ งจากการเคล่ือนตัวของอะตอม
เปนตน ภายในโครงสรา งของโลหะโดยสว นใหญแ ลว ทสี่ ภาวะสมดุลมักจะมชี องวางไมเกนิ กวา 1 ชอ งตอ 10,000
อะตอม และพลงั งานกระตนุ ทีต่ อ งใชใ นการเกิดชองวางจะมคี า ประมาณ 1 eV ชอ งวา งเหลานีส้ ามารถเปลยี่ นตาํ แหนง ได
เนือ่ งจากระบวนการแพรหรอื การเคลือ่ นยา ยของอะตอมขา งเคียง โดยเฉพาะที่อุณหภมู สิ ูง ๆ
(a) (b)
รปู ที่ 3.6 (a) แสดงความไมสมบูรณแบบจดุ ที่เกดิ เปนชองวา ง (vacancy point defect)
(b) แสดงการเกดิ self-interstitial หรือ interstitialcy point defect ในโครงสรา งแบบ close-packed ของโลหะ
(2) Self-interstitial หรอื interstitialcy เปนความไมส มบรู ณข องผลึกแบบจดุ ท่เี กิดขึ้นเนื่องจากอะตอมหนึง่ เขา
ไปแทรกตวั อยใู นซอกระหวางอะตอม ดังแสดงในรูปท่ี 3.6 (b) ซึ่งโดยทว่ั ไปแลว ปรากฏการณเชน นม้ี กั จะไมเ กิดข้ึน
เพราะเมอื่ เกิดข้ึนแลวมกั จะทาํ ใหโ ครงสรา งผลึกไมเสถยี รและเกิดการบิดเบีย้ ว (distortion)
รูปท่ี 3.7 แสดงการเกิด Schottky defect กับ Frenkel defect
17
นอกจากท่กี ลาวขา งตน แลว ความไมส มบูรณแ บบจดุ ยงั อาจเกิดข้นึ ในโครงสรางผลึกไอออนิก ซง่ึ พบวาเกดิ ได 2
ลักษณะ ดงั นีค้ อื
(1) Schottky imperfection เปน ความไมส มบรู ณแบบจดุ ทเี่ กดิ ขึ้นเนือ่ งจากทงั้ ไอออนบวกและไอออนลบหลดุ
ออกจากโครงสรางไป เพอื่ รักษาประจขุ องโครงสรา งใหเปน กลางอยูเสมอ ทําใหเกิดชอ งวา ง 2 ชอ งของประจบุ วก-ประจุ
ลบ (cation - anion divacancy) ดังแสดงในรปู ท่ี 3.7 (สว นบน)
(2) Frenkel imperfection เปนความไมส มบรู ณแบบจุดทเี่ กดิ ชอ งวา งขน้ึ เน่อื งจากไอออนบวกบวกทม่ี ีขนาด
เล็กกวา ไมไ ดห ลุดหายออกจากโครงสราง แตเขา ไปแแทรกตวั อยใู นซอกระหวางไอออนลบ รวมกบั ไอออนบวกอกี ตวั
หน่งึ ทําใหเ กดิ ชอ งวางของประจุบวก (cation vacancy) ขึน้ ดังแสดงในรปู ที่ 3.7 (สวนลาง)
นอกจากนี้อะตอมแปลกปลอมหรือไอออนแปลกปลอมที่อยใู นโครงสรา งผลกึ ของโลหะหรือของไอออนิก ใน
ลักษณะของการแทนที่ (substitutional) หรือการเขาไปแทรกในซอก ก็ถอื ไดว า เปน ความไมส มบูรณแบบจุดเชน กัน อาทิ
เชน อะตอมท่ีแปลกปลอมเขา ไปแทนทอี่ ะตอมของซิลิคอนในซิลคิ อนบริสทุ ธิ์ ซงึ่ เปน ผลตอคณุ สมบัตใิ นการนําไฟฟาของ
ซลิ คิ อนบริสุทธิ์ ทาํ ใหเ กดิ ประโยชนต ออตุ สาหกรรมทางอิเล็กทรอนกิ สเ ปน อยางมาก
ความไมสมบูรณแบบหนึ่งมิตหิ รือแบบเสน
ความไมสมบูรณแบบนี้ อาจเรยี กไดอีกอยา งหนง่ึ คือ dislocations เปน ความไมส มบรู ณทก่ี อ ใหเ กดิ การบิดเบีย้ ว
ของผลึก มักจะเกิดข้ึนในขณะทโ่ี ลหะหลอมเหลวแข็งตวั หรือการทีว่ ัสดุถกู ทาํ ใหเสยี สภาพแบบพลาสติก (plastic
deformation) เปน ตน 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 เรียกวา 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 ความไมสมบูรณแบบเสน ท่เี กิดอยูในแนวบนของตวั ท่หี วั
กลบั (inverted tee ⊥ ) โดยมี extra half plane ของอะตอมเกดิ แทรกอยู
(b) แสดง edge dislocation ซ่ึงบงถงึ ทศิ ทางของ Burgers หรอื slip vector
18
(2) Screw dislocation เปนความไมส มบรู ณท่เี กิดขึ้นจากการใสแรงเฉือนเขา ไปในโครงสรางผลึกทสี่ มบูรณ ทาํ
ใหโ ครงสรางผลกึ ทส่ี มบรู ณเกิดการบดิ เบยี้ วหรอื เสียรูปไป ดังแสดงในรปู ที่ 3.9 ในบรเิ วณทโี่ ครงสรา งผลึกเกดิ การบดิ
เบย้ี วขนึ้ น้ี จะมพี ลงั งานสะสมอยมู 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 ารใสแรงเคน เฉอื นทศิ ทางตรงกนั ขา ม แตขนานกบั
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 เปนแบบ screw type ในแนวทพี่ งุ เขา สู
ผลึกทางดา นซา ย และเปนแบบ edge dislocation ในแนวท่อี อกจากผลกึ ทางดานขวา
โดยสว นใหญแ ลว ความไมสมบรู ณแ บบเสนที่เกิดขนึ้ ในโครงผลึกน้นั มกั จะเปน แบบผสมระหวา ง edge
dislocation และ screw dislocation ดังแสดงในรปู ท่ี 3.10
19
ความไมสมบูรณแ บบ 2 มติ ิ หรอื แบบระนาบ
ความไมส มบรู ณแบบ 2 มิตนิ ้ี อาทเิ ชน ขอบเขตของเกรนซงึ่ เปนความบกพรอ งของพน้ื ผวิ ท่เี กดิ ข้ึนในวสั ดุที่มี
โครงสรางหลายผลึก ขอบเขตของเกรนเกดิ ข้ึนได เนือ่ งจากการเรียงตัวของอะตอมในแตละผลกึ ทีม่ ีทิศทางท่ีแตกตางกนั
ในขณะท่ีผลึกเติบโตขนึ้ เปนเกรน เมอ่ื เกรนแตล ะเกรนมาสัมผัสกนั จงึ ทําใหเ กิดขอบเขตของเกรนขนึ้ ซึง่ เปนบริเวณแคบ
ๆ ระหวา งเกรน บริเวณแคบ ๆ นี้จะมีความกวางประมาณ 2 - 5 เทา ของรัศมขี องอะตอม และมี atomic packing ต่ํากวา
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 ยกวาประมาณครึง่ หนึง่ ของจุดหลอมเหลว) ขอบเขตของเกรนจะมีผลทําใหโ ลหะมี
ความแขง็ แรงมากขึน้ เนอ่ื งจากขอบเขตของเกรนจะขัดขวางตอ การเคลอ่ื นตวั และเปนปจ จัย ทาํ ใหโ ลหะมีความแขง็ แรง
ลดนอ ยลง
วธิ ี ASTM เปนวิธหี นง่ึ ที่ใชในการวัดขนาดของเกรน ซง่ึ แสดงไดด งั สมการ
N = 2n-1
N = จาํ นวนเกรน/ตารางน้ิวของพน้ื ผวิ ทถี่ ูกขดั และถกู etched ดว ยสารเคมี ทกี่ ําลงั ขยาย 100 เทา
n = เปนตวั เลขจํานวนเตม็ ซึ่งหมายถึง ASTM grain-size number
คา grain-size numbers พรอ มดว ยคา จาํ นวนเกรน ตอตารางน้ิวที่กาํ ลงั ขยาย 100 เทา และคา จํานวนเกรนตอตาราง
มลิ ลิเมตรทีก่ าํ ลังขยาย 1 เทา ไดแสดงไวในตารางท่ี 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 อยางท่ี 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 นวนเกรนเทากับ 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 อยางท่ี 3.2 ถา บน photomicrograph ของโลหะชนดิ หนึง่ มีจํานวนเกรนเทากบั 60 เกรน ตอ ตารางน้ิวที่กาํ ลังขยาย
200 เทา จงคาํ นวณหา ASTM grain-size number ของโลหะชนดิ น้ี
เนอ่ื งจากโจทยก ําหนด 60 เกรนตอ ตารางนว้ิ ทีก่ ําลังขยาย 200 เทา จงึ ยงั แทนลงในสตู รไมได จําเปน
ตองหาจํานวนเกรนทก่ี าํ ลังขยาย 100 เทาเสียกอน 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 ษาไดโดยใชเ 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
อะตอมเหลานน้ั จะเกิดพนั ธะระหวางกนั โดยการเคล่ือนทอี่ ยา งอสิ ระของอเิ ล็กตรอนวงนอกสุดของแตล ะอะตอม ซึง่ เรยี ก
พันธะนว้ี า “พนั ธะโลหะ” อเิ ลก็ ตรอนจะเคลอ่ื นทีอ่ ยางอิสระระหวา ง positive ion cores (อะตอมทป่ี ราศจากเวเลนซ
อิเลก็ ตรอนหรอื อเิ ลก็ ตรอนวงนอกสดุ ) ในโครงผลึกคลา ยกลุมหมอก ดังแสดงในรปู ท่ี 4.1
รูปท่ี 4.1 แสดงการจดั เรียงตวั ของอะตอมของโลหะทีม่ เี วเลนซอิเลก็ ตรอนหนงึ่ ตวั อาทเิ ชน Cu, Ag หรอื Na
ถาไมมคี วามตางศกั ยทางไฟฟา อเิ ลก็ ตรอนวงนอกสุดนก้ี จ็ ะเคล่ือนทีอ่ ยางไมมรี ะเบียบ ทาํ ใหไ มมกี ารไหลของ
กระแสไฟฟา แตถามกี ารใหค วามตา งศักยทางไฟฟา เขาไป ก็จะทาํ ใหอ เิ ลก็ ตรอนเกดิ การเคล่อื นที่ดว ยความเร็วลอยเลื่อน
(drift velocity) ในทิศทางเดียวกนั ซง่ึ เปน ปฏิภาคโดยตรงกับความตางศักย แตไปในทศิ ทางตรงกนั ขา ม
กฎของโอหม (Ohm’s law)
ลองพจิ ารณาเสนลวดทองแดงเสนหนึง่ ที่ปลายทัง้ สองขา งถูกตอ เขากับแบตเตอร่ี ดังแสดงในรูปที่ 4.2 ทม่ี คี วาม
ตางศกั ยทางไฟฟา V จะทาํ ใหเ กดิ กระแสไฟฟา I
รปู ท่ี 4.2 แสดงความตา งศกั ย ∆ V ท่ีตอ เขา กับลวดโลหะ ซ่งึ มพี ้ืนทหี่ นาตดั A กระแสไหลผา นเสน ลวด โดยเปนปฏภิ าค
สว นกลับกับความตา นทาน R ของเสนลวด
22
i = V
R
เมอื่ i = กระแสไฟฟา, A แอมแปร
V = ความตางศักยทางไฟฟา, V (โวลต)
R = ความตา นทานของเสนลวด, Ω (โอหม )
ความตานทานทางไฟฟา R ของลวดตวั นํา จะเปนสดั สวนโดยตรงกับความยาวของลวดตัวนํา l และ เปน
ปฏภิ าคสวนกลับกบั พื้นท่ีหนา ตัดของลวดตัวนํา A ดงั สมการ
R= ρl หรอื ρ = RA
A l
เม่อื ρ = สภาพตานทานไฟฟา (electrical resistivity) หนวยคาสภาพตานทานไฟฟา ซงึ่ เปน คาคงท่ีของวสั ดุที่
อณุ หภมู ใิ ด ๆ คอื
ρ= RA = Ω.m2 = โอหม – เมตร = Ω .m
l m
สวนคา สภาพการนาํ ไฟฟา (electrical conductivity) จะเปนปฏภิ าคสว นกลับกบั คาสภาพตานทานไฟฟา ดงั นี้
σ= l
ρ
หนวยของคาสภาพการนาํ ไฟฟา คือ (โอหม – เมตร)-1 = ( Ω .m)-1 สําหรบั หนว ยในระบบ SI คา Ω -1 จะเรียก
วา siemens (S) แตหนวยนีไ้ มค อ ยไดถูกนาํ มาใชเ ทาใดนัก
ตารางที่ 4.1 ไดแ สดงคาสภาพการนําไฟฟา ของโลหะและอโลหะบางชนดิ จากตารางจะสังเกตเห็นไดว า โลหะ
บรสิ ทุ ธิ์ อาทิเชน เงนิ , ทองแดง และทอง จะมคี า สภาพการนาํ ไฟฟาสูงประมาณ 107 ( Ω .m)-1
สวนพอลเิ อทีลนี และพอลสิ ไตลีน ซ่ึงเปน ฉนวนทางไฟฟา จะมคี า สภาพการนําไฟฟา ตํา่ ประมาณ 10-14 ( Ω .m)-1
ซึง่ นอ ยกวา โลหะตัวนําถึงประมาณ 1023 เทา สว นซิลิคอนและเจอรเมเนยี ม จะมีคา สภาพการนาํ ไฟฟา อยูระหวางโลหะ
และฉนวน จึงถูกเรียกวา 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 เจอรมาเนียม 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. มีกระแสไฟฟาไหลผาน 20 A และกาํ ลงั ไฟฟาสูง
สดุ ในลวดตัวนําเสนน้เี ทา กับ 4 W/m จงคาํ นวณหาคา สภาพการนาํ ไฟฟาตํ่าสุดของลวดตัวนําเสนนี้
23
วธิ ีทาํ กําลังไฟฟา P = iV = i2R
เม่ือ i = กระแสไฟฟา , A
V = ความตา งศักย, V
R = ความตานทานไฟฟา, Ω
P = กําลังไฟฟา , W
R= ρl
A
เมื่อ ρ = สภาพตานทานไฟฟา , Ω .m
I = ความยาวของลวดตัวนํา, m
A = พ้ืนทห่ี นา ตดั ของลวดตวั นาํ , m2
∴ P= i 2 ρl = i2l
A σA
i2l
σ= PA
แทนคา 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 ภาพการนําไฟฟาอยา งนอ ย 3.18 x 107 ( Ω .m)-1 หรอื มากกวา
ตวั อยา งท่ี 4.2 ถากระแสไฟฟา 10A ไหลผานลวดทองแดง ทาํ ใหเ กดิ ความตา งศกั ย 0.4 V/m จงหาขนาดของเสน ผา น
[ ]ศูนยก ลางนอยที่สุดของเสน 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
แทนคา 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 เสนลวดทองแดงนีจ้ ะตองมเี สน ผา นศูนยก ลางมากกวาหรอื เทากบั 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 สวนอิเลก็ ตรอนจะเคลอื่ นที่อยางอสิ ระชน positive – ion cores ทาํ ใหเ กดิ การแลกเปลี่ยนพลงั งานกนั
เนือ่ งจากไมม ีสนามไฟฟา ภายนอกใสเขาไป จงึ ทําใหอ เิ ล็กตรอนเคล่อื นทอี่ ยางไมเ ปนระเบียบ ดังนน้ั จึงไมมกี ระแสไหล
ถาความเขม ของสนามไฟฟาสมํา่ เสมอ E ถกู ใสเขา ไปในตัวนํา อิเล็กตรอนจะถูกเรง ใหเคล่ือนที่ดว ยความเรว็ คา
หนง่ึ ในทิศทางตรงขามกบั สนามไฟฟา ที่ใสเ ขา ไป อิเลก็ ตรอนจะวง่ิ ชน ion core ในโครงสราง ทําใหส ญู เสียพลังงานจลน
ของตัวมันเอง หลังจากเกิดการชนอิเล็กตรอนจะเปน อสิ ระท่ีจะถูกเรง อีกคร้งั จึงเปน ผลทาํ ใหความเร็วของอิเลก็ ตรอน
เปล่ยี นแปลงตามเวลาในลกั ษณะคลายฟนเล่ือย (sawtooth manner) ดังแสดงในรูป 4.3 คา เฉลี่ยของเวลาที่เกดิ การชน
เทา กบั 2T เมื่อ T คอื relaxation time
รปู ท่ี 4.3 แสดงความสัมพันธระหวางความเรว็ ลอยเลอื่ นของอเิ ลก็ ตรอนกับเวลา
อเิ ล็กตรอนจะมคี าเฉลยี่ ของความเร็วลอยเล่ือนเทากับ vd ซง่ึ จะเปนปฏิภาคโดยตรงกบั สนามไฟฟา E ดงั สมการ
vd = µ E
เมื่อ µ คอื สภาพเคลื่อนท่ีไดข องอเิ ลก็ ตรอน m2/(V.S) ซ่งึ เปน คา สัดสวนคงท่ี
รปู ท่ี 4.4 แสดงการไหลของอเิ ลก็ ตรอนในลวดทองแดง
25
ลองพจิ ารณารปู ที่ 4.4 เปนเสน ลวดตวั นําทีม่ คี วามหนาแนน ของกระแส (current density) J ไหลในทิศทางดงั ที่
แสดง คาความหนาแนนของกระแสถกู นิยามไววา คอื อัตราเรว็ ในการเคลอ่ื นทขี่ องประจทุ ผี่ า นพนื้ ทห่ี นา ตดั ทีต่ ั้งฉากกับ
แนวของ J ซึ่งมหี นวยเปน A/m2 หรอื C/(s.m2)
อตั ราเรว็ ในการเคล่อื นทข่ี องประจุตอหนงึ่ หนวยพ้ืนทจี่ ะขนึ้ อยกู ับจาํ นวนอิเล็กตรอนในหน่ึงหนวยปรมิ าตร, คา
ประจขุ องอิเล็กตรอน, e(-1.60 x 10-19 C) และความเรว็ ลอยเลอื่ นของอเิ ล็กตรอน, vd ซง่ึ เทากบั –nevd แตอยา งไรก็ตาม
การไหลของกระแสไฟฟาคือการไหลของประจบุ วก ดังนน้ั ความหนาแนน ของกระแส J จึงมเี ครือ่ งหมายเปน บวก ดังสม
การ
J = nevd
ความตา นทานไฟฟาของโลหะ (electrical resistivity of metals)
คาสภาพตานทานไฟฟาของโลหะนน้ั สามารถประมาณคาไดจาก
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 ใหขดั ขวางการเคลื่อนทข่ี องอเิ ลก็ ตรอนทําใหโลหะมีสภาพตา นทาน
มากข้นึ ดงั แสดงในรูปที่ 4.5
รูปที่ 4.5 แสดงผลของอุณหภมู ิทมี่ ตี อสภาพตา นทานทางไฟฟา ของโลหะบางชนิด
26
รปู ที่ 4.6 แสดงการเปลย่ี นแปลงของสภาพตานทานทางไฟฟาของโลหะชนดิ หน่งึ เมอ่ื อุณหภมู เิ ปลยี่ นไป
สว น ρr เกิดจากความบกพรองภายในโครงผลึกของโลหะ อาทิเชน dislocations, ขอบเขตของเกรน, และสาร
เจอื ปนตา ง ๆ ซึง่ จะไปขดั ขวางการเคลื่อนทขี่ องอิเลก็ ตรอน คา ρr จะไมข ึ้นกบั อณุ หภูมิและเดนท่อี ณุ หภูมิตาํ่ เทา นนั้
(รูปท่ี 4.6)
ในโลหะสว นใหญ ทอี่ ณุ หภมู ิสงู กวา –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 สภาพตานทานทางไฟฟาที่อณุ 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
ตัวอยางที่ 4.3 จงคํานวณหาคาสภาพตานทานทางไฟฟาของทองแดงบริสทุ ธ์ิ ทีอ่ ุณหภมู ิ 132oC, โดยใชคา
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 ็จะมีผลตอสภาพ
ตานทานไฟฟา ของโลหะเชนกนั กลาวคอื เมอ่ื เตมิ ธาตุอืน่ ลงในโลหะบรสิ ทุ ธ์ิ จะทาํ ใหก ารเคลือ่ นทข่ี องอเิ ลก็ ตรอนซึ่งเปน
ตวั พาประจไุ ดลําบากยิ่งข้นึ ซึ่งจะมผี ลทําใหคา สภาพตานทานไฟฟาของโลหะนน้ั เพมิ่ ขึน้ ดงั แสดงในรปู ท่ี 4.7
รปู ที่ 4.7 แสดงผลกระทบของการเติมธาตุบางชนิดตอสภาพตานทานไฟฟา ของทองแดงทอ่ี ุณหภมู ิหอ ง
จากรูปจะสงั เกตเหน็ ไดว า ผลของธาตุแตละชนิดทีม่ ีตอ คา สภาพตา นทานไฟฟาของทองแดงจะคอ นขา งแตกตา ง
กัน กลา วคือ โลหะเงนิ จะใหผลกระทบนอยทส่ี ุด แตฟอสฟอรัสจะมผี ลกระทบทําใหคา สภาพตา นทานทางไฟฟาของ
ทองแดงเพิ่มขนึ้ อยา งมาก
รปู ที่ 4.8 แสดงผลของการเตมิ สังกะสีลงในทองแดงบรสิ ุทธท์ิ ที่ าํ ใหสภาพการนาํ ไฟฟา ของทองแดงลดลง
รปู ท่ี 4.8 แสดงผลของการเตมิ โลหะสังกะสีลงในทองแดงตอคาสภาพการนาํ ไฟฟา ของทองแดง ซงึ่ จะสังเกตเห็น
ไดวา ทองแดงจะมีสภาพการนาํ ไฟฟาลดลงอยางมาก เมอื่ มีการเตมิ สงั กะสีปริมาณ 5-35% ลงในทองแดง
28
5. สมบตั ิเชงิ กลของโลหะ
5.1 กระบวนการการผลิตโลหะและโลหะผสม
การหลอโลหะและโลหะผสม
ในกระบวนการหลอ โลหะ หรอื โลหะผสม โดยมากจะใชว ธิ ีหลอมโลหะในเตาหลอมเสียกอ น ๆ ทีจ่ ะนําไปเทลงใน
แบบ และถาจะทําโลหะผสมกจ็ ะใชว ิธีเตมิ โลหะอกี ชนดิ หนง่ึ หรอื หลาย ๆ ชนิดลงในโลหะที่กาํ ลงั หลอมเหลวอยูแลว คนให
ผสมกนั ดีจนไดส วนผสมท่ีตอ งการ จากน้นั กจ็ ะนาํ ไปหลอใหเปนแทง หรือเปน แผน ใหเ ปน รปู ตามทตี่ องการหรือทาํ ใหเ ปน
วสั ดสุ าํ เรจ็ รูปตอไป
การรดี รอ นและการรีดเย็น
ในกรณที ตี่ องการทําเปนแผน โลหะทม่ี ว นไดห รือทาํ ใหเ ปนแผน หนาตามที่ตองการจากโลหะทีเ่ ปน แทง โดยใชว ธิ ี
รดี รอนและรดี เย็น
การรดี รอน (Hot rolling) : ถา ตอ งการลดความหนาลงมา มักจะใชว ธิ ีรดี ขณะท่ียงั รอน ๆ แตกอนรดี จะทําให
โลหะนน้ั รอ นทอี่ ุณหภูมิสูงกอ นในเตาเผา (รปู ท่ี 5.1) ซง่ึ เรยี กวา soaking pit แลว จงึ สงเขา ไปรดี ดวยลกู กลิง้ (รูปท่ี 5.2)
จนกวาจะเยน็ แลวจึงทําใหรอนใหมต ิดตอกันไป (รูปท่ี 5.3)
การรีดเยน็ (Cold rolling) : ตามปกติจะทําการรีดทอี่ ณุ หภูมิหองโดยใชล กู รีด 4 ลูก และอาจรีดเปนลาํ ดบั ตดิ ตอ
กนั กไ็ ด วิธนี ้ีเหมาะแกก ารรดี เยน็ พวกโลหะทไ่ี มใชเหลก็ เชน ดีบกุ (tin) หรืออะลมู เิ นียม ความหนาท่ีถูกรีดใหบางลง
สามารถคาํ นวณหาไดโ ดย
%ความหนาทล่ี ดลง = ความหนาเรม่ิ ตนของโลหะ – ความหนาสดุ ทา ยของโลหะ x 100%
ความหนาเริม่ ตน ของโลหะ
29
รปู ท่ี 5.1 แสดงถึงเหล็กจะถูกเผาใหร อนประมาณ 1200oC (2200oF) ในเตาแกส เรียกวา 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 ทายอีก 6 ตัว
31
ตวั อยา งที่ 5.1 จงคาํ นวณหาเปอรเ ซน็ ตค วามหนาท่ีลดลงของการรีดเยน็ แผน โลหะผสมอะลูมเิ นียม จากความหนา
0.120 น้วิ เปน 0.040 น้วิ
วิธที าํ เปอรเ ซน็ ตความหนาทีล่ ดลง = ความหนาเรมิ ตน − ความหนาสดุ ทา ย x100%
ความหนาเรมิ ตน
0.120 − 0.040
= 0.120 x 100
= 0.080 x 100
0.120
= 66.7%
ตัวอยา งท่ี 5.2 แผนโลหะผสมซงึ่ มีทองแดง 10% สังกะสี 30% ถูกนาํ ไปรีดเย็นลง 20% เหลอื ความหนาเปน 3.00 มม.
เมื่อนาํ ไปรดี ตอ จนเหลอื ความหนาเปน 2.00 มม. จงหา % cold work ทั้งหมดวา เปน เทา ใด
วธิ ที าํ กอ นอนื่ หาความหนาเริม่ แรกเสียกอน 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 จงหาเปอรเซน็ ตความหนาทีล่ ดลง เมอ่ื นาํ ลวดทองแดงทีท่ ําใหอ อ นตวั แลว นํามาดึงใหเ สน ผา นศนู ย
กลางลดลงจาก 1.27 มม. เหลอื 0.813 มม.
วธิ ที ํา เปอรเซน็ ตความหนาที่ลดลง = 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) : โดยมากใชกับกระบวนการผลติ ของพวกพลาสตกิ โดยวสั ดุนั้นจะถูกอดั ดว ย
ความดันสูง เพอื่ บงั คับใหออกไปทาง open die ดังรปู ที่ 5.4 แตถ า เปน โลหะหรือโลหะผสม จะใชว ธิ ีน้ไี ดก บั โลหะที่กําลัง
รอ น เพราะมันจะมคี วามตานทานตํา่ จึงมกั จะทําใหเปน แทงกลมหรอื ทําเปน ทอกลวง โดยนาํ โลหะที่หลอมเหลวมาใสไวใ 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 แสดงลักษณะรูปรางของ Open-die forging
สําหรบั Indirect extrusion จะใช power นอ ยกวา Direct extrusion เพราะมคี วามฝด นอยกวา แตกม็ ขี ดี จาํ กดั
กวา Direct extrusion
กระบวนการอดั ฉีดใชไ ดดีกบั พวก non-ferrous metals เชน Al, Cu หรอื พวกโลหะผสมของมันทีม่ ีจุดหลอม
เหลวตํา่ และยังใชกับพวกแกว ถา นและ Stainless steel
กระบวนการอดั หรอื ตี (Forging) : เปน อกี กระบวนการหนึง่ ที่ใชเ ปลย่ี นแปลงรูปรา งวสั ดุ ดวยการตดี ว ยฆอ นหรอื
ดวยการอัด (press) ขณะรอนใหอ อกมาเปน รปู รางทต่ี 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 ดุดวย นอกจากนยี้ ังมกี ระบวนการอนื่ ๆ อีก เชน
ก. กระบวนการดงึ ใหเ ปน เสน (wire drawing) โดยดงึ ผา น die ท่มี ีสารหลอ ล่นื และบางครง้ั ตอ งทําใหรอนกอน
ทั้งน้ีแลวแตชนดิ ของโลหะ
ข. Deep drawing เปน กระบวนการท่ีโดยมากใชเ ปลยี่ นแปลงจากรปู ลักษณะทเ่ี ปน แผนใหอ อกมาเปนถวย
โดยการอดั เขาไปตามรปู แบบทตี่ องการ
5.2 ความเคนและความเครยี ดของโลหะ
จะไดก ลาวถึงสมบตั ิเชงิ กล (Mechanical properties) ของโลหะเพอื่ การนําไปใชงานทางดานวศิ วกรรมวามี
ความแขง็ แรง และมีความออนความแข็งของวัสดเุ ปนอยา งไร เหมาะที่จะใชง านหรอื ไม
Elastic และ plastic deformation ถา เอาโลหะมาดึงในทศิ ทางเดียว (uniaxial tensile force) จะทาํ ใหโลหะ
เปล่ียนรปู ไดและถาเลิกดงึ แลวโลหะนน้ั กลับมาอยูใ นสภาพเดิมเรียกวา เกดิ Elastic deformation แตถากลับสูส ภาพเดิม
ไมไ ด 100% เรยี กวาเกดิ Plastic deformation ในระหวา งทเี่ กิดการเปลี่ยนรูปนี้ อะตอมจะเคล่ือนทไ่ี ปยงั ตาํ แหนง ใหม
การเปลี่ยนแปลงแบบนบี้ างครัง้ ก็เปนสิง่ ท่ีวศิ วกรตอ งการมาก เพราะสามารถนําไปผลติ ส่ิงของตา ง ๆ ไดถาไมมแี ตกหัก
และเปนไปตามที่ตองการ เชน การผลิตชน้ิ สวนรถยนตจ ากเหล็กกลา เปนตน
ความเคนทางวศิ วกรรม (Engineering Stress)
ถา นาํ แทงโลหะมายาว lo และมีพ้นื ทีห่ นาตัด Ao ดึงดว ยแรง F
F (Ave. uniaxial tensile force)
Engineering Stress ( σ) = Ao (original cross − sec tion area)
หนว ยทใ่ี ชว ัดคา ของความเคน
ปอนดตอ 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 ผานศนู ยกลาง 0.500 นวิ้ ถูกดงึ ดวยแรง 2500 lb จงหาความเคนทางวศิ 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 อยางที่ 5.5 โลหะแทง หนึ่งมเี สนผา นศนู ยก ลาง 1.25 เซนติเมตร รับน้าํ หนกั 2500 กโิ ลกรมั จงคาํ นวณหาความเคน
ทางวิศวกรรมท่เี กิดกบั แทงโลหะในหนวยเมกะปาสคาล (MPa)
วธิ ที ํา มวลท่ีใสลงไปบนแทง 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
แทงโลหะมเี 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)
เมื่อแทงโลหะถกู 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 ซ่ึงหาไดจากอตั ราสวนของความยาวท่ีเปล่ียนไปตอความยาวเดมิ
Engineering strain ( ε ) = l −lo
lo
= ∆l = ความยาวทเ่ี ปล่ยี นไป
lo ความยาวเดมิ
โดยทว่ั ไปทางดานวิศวกรรมจะใชค วามยาว 2 นิว้ ซึ่งเรยี กวา gage length ดังรปู ท่ี 5.5
รูปท่ี 5.5 แสดงผลของแผน โลหะทีถ่ ูกทดสอบ
35
ตวั อยา งท่ี 5.6 แทงอะลูมิเนียมกวา ง 0.500 น้ิว หนา 0.04 นวิ้ และยาว 8 นวิ้ โดยใช gage length 2 น้ิว เม่ือทาํ ใหเกิด
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 ท่ีเปน elastic ในทศิ ทางเดียว บางครง้ั จะมกี ารเปล่ียนแปลงทางดา นขางดว ย
(lateral contraction) tensile stress ( σ2 ) จะทาํ ใหเกดิ axial strain (+ ε Z) และ lateral contraction เปน - ε x และ - ε y
ε(lateral)
∴ Poisson ratio (V) = ε(longitudinal)
= - εx = - εy
สําหรับวัสดวุ ิศวกรรมสมมติ v = 0.5 εz εz
แตสําหรับวัสดวุ ศิ วกรรมจรงิ ๆ จะมคี า v อยูร ะหวาง 0.25 – 0.4 เฉลย่ี จะได 0.30
ความเคนเฉอื นและความเครยี ดเฉอื น
โลหะสามารถเปล่ียนรปู ไดดวยความเคน เฉอื น ซ่งึ โดยมากจะเปน shear stress ธรรมดากระทําเปนคู (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 เปน pure elastic shear
τ = Gγ
G = elastic shear modulus
36
5.3 การทดสอบแรงดงึ และแผนภาพของความเคน-ความเครยี ดทางวิศวกรรม
การทดสอบแรงดงึ (Tensile test) ใชสําหรบั การประเมินความแขง็ แรงของโลหะหรอื โลหะผสมดว ยการใชวิธดี งึ
จนขาดในชว งเวลาส้ัน ๆ ดว ยอตั ราคงที่ สารตวั อยางที่ใชท ดสอบจะแตกตางกนั ไปสําหรบั โลหะอาจทําเปน แผน หรืออาจ
ทําเปน แทง มีเสน ผานศูนยกลาง 0.50 น้ิว และใช gage length 2 นวิ้ ดังรปู ที่ 5.7 ขอมูลของแรงสามารถหาไดจ ากกราฟ
ของการทดสอบแรงดงึ ซงึ่ เปน กราฟระหวา งความเคนทางวศิ วกรรมกบั ความเครยี ดทางวิศวกรรม ดังรปู ที่ 5.8 จะ
สามารถหา Tensile strength ได
รูปที่ 5.6 แสดงภาพงาย ๆ ของเครอื่ งมอื ท่ใี ชทดสอบแรงดงึ ซงึ่ เปน การดงึ ลง
รปู ท่ี 5.7 แสดงตวั อยางของขนาดที่จะใชท ดสอบแรงดงึ
(a) ขนาดมาตรฐานทมี่ ลี กั ษณะกลม gage length ยาว 2 นว้ิ
(b) ขนาดมาตรฐานที่มีลกั ษณะเปนแผน 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 นศูนยกลาง 0.50 นิ้ว และใช gage length 2 นิ้ว
ขอมูลสมบัติเชงิ กลท่ไี ดจ ากการทดสอบแรงดึงและแผนภาพความเคน -ความเคนทางวิศวกรรม
สมบตั เิ ชิงกลของโลหะและโลหะผสมเปนเรอ่ื งทสี่ าํ คญั สาํ หรับวิศวกรในการออกแบบโครงสราง ซง่ึ ขอ มลู ทีไ่ ด
จากการทดสอบแรงดึง มดี ังนี้
1. Modulus of elasticity
2. Yield strength ที่วดั ไดจาก 0.2% offset
3. Ultimate tensile strength
4. Percent elongation at fracture
5. Percent reduction in area at fracture
Modulus of Elasticity
เปนการทดสอบของการเปลย่ี นรูปวาจะสามารถเปล่ยี นกลับมารูปเดิมไดหรือไมสาํ หรบั โลหะ maximum, elastic
deformation มักจะมนี อ ยกวา 0.5% โดยทั่วไปโลหะและโลหะผสมจะแสดงความสัมพนั ธท ่ีเปน แบบเสนตรงของความ
เคนและความเครยี ดในชวงของ elastic ของ engineering stress-strain diagram ซึ่งสามารถอธิบายไดด ว ย Hook’s law
ดงั รปู ท่ี 5.8
38
Hook’s law ไดอธบิ ายไวดังน้ี
σ (stress) = E ε (strain)
E = modulus of elasticity
= Young’ s modulus
E= σ (stress) (หนวยเปน psi หรอื Pa)
ε (strain)
Modulus elasticity น้จี ะเก่ียวของกับความแขง็ แรงของพนั ธะ (bond strength) ระหวางอะตอมของโลหะหรอื
โลหะผสม (ดตู ารางท่ี 5.1) โลหะที่มี modulus elasticity สูงจะแขง็ ไมง องา ย เชน เหลก็ กลา 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 ในชวง elastic ของ stress strain diagram คา modulus จะไมเปล่ยี นแปลงเมื่อ stress เพ่มิ ขนึ้
ตารางที่ 5.1 แสดงคาของ 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
เปนคา ท่มี คี วามสําคญั ท่ใี ชใ นการออกแบบโครงสรา งของวศิ วกร เพราะมนั เปน คาความแข็งแรงของโลหะหรอื
โลหะผสมท่ีสาํ คัญตอการเปลยี่ นรูปทจี่ ะเกิดขึน้ อยางถาวร จาก stress-strain curve ไมมจี ุดที่แนน อนทแ่ี สดงใหเ ห็นถึงจดุ
ท่ี elastic strain สิ้นสุด และ plastic strain เริม่ ตน จงึ ไดเลอื กเอา yield strength เปนความแขง็ 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 าจเรียกไดอีกอยางหนง่ึ วา 0.2% offset yield strength แตในอังกฤษใช 0.1% offset
การหา yield strength ใหลากเสน ตรงขนานกบั เสน stress-strain diagram ดังรปู ที่ 5.9 ตรงจดุ 0.002 นว้ิ /นว้ิ (เมตร/
เมตร) ไปตัด curve ขางบนจะได yield strength 78000 psi
Ultimate Tensile Strength
เปนคา ความแข็งแรงสูงสุดของวัสดุ โดยพจิ ารณาจาก engineering stress-strain curve ดังรปู ท่ี 5.8 ถาตวั อยาง
วสั ดุซง่ึ อาจเปนโลหะหรอื โลหะผสมไปดงึ จะเห็นวา ตรงกลางจะเล็กลง เกิดเปน คอคอด (necking) และถาดงึ ตอ ไปความ
เคนทางวศิ วกรรมจะลดลง เม่อื ความเครียดเพ่ิมขน้ึ ในทสี่ ดุ กจ็ ะขาด ความเคน ทางวิศวกรรมหาไดจ ากพืน้ ทหี่ นาตดั เดิม
(A0) ของตวั อยาง
39
รปู ที่ 5.9 แสดง Engineering stress-strain diagram ซง่ึ จะไดกราฟเสนตรงซ่ึงขยายจากรปู 5.8
ทาํ ใหมคี วามแมน ยําย่งิ ข้ึนในการหา 0.2% offset
จากรูปที่ 5.9 Ultimate tensile strength หาไดโ ดยการลากเสนขนานกบั แกน strain ของ stress-strain curve
จากจสุ ูงสุดไปตดั แกน stress จะไดคา ultimate tensile strength บางครง้ั เรียกวา tensile strength จากรูปท่ี 5.8 แสดง
ultimate tensile strength ของโลหะผสมอะลูมิเนียมซ่งึ มคี า 87000 psi
คา นไ้ี มคอ ยไดใ ชมากนักสําหรบั ยานออกแบบกอ สรางโดยเฉพาะโลหะออ น (ductile alloy) เนือ่ งจากมกี ารเกดิ
การเปลย่ี นแปลงรปู อยา งถาวรขน้ึ อยา งมาก กอ นที่จะถงึ ultimate tensile strength อยางไรก็ตาม ultimate tensile
strength สามารถบงช้ไี ดว า โลหะนั้นมคี วามสมบูรณหรอื ไม ถาโลหะนนั้ มีโครงสรา งท่ไี มส มบูรณ เชน มรี พู รนุ จะทาํ ใหคา
strength ลดลง
Percent Elongation (% ความยืด)
ปรมิ าณความยดื ทีเ่ กิดจากการนําตัวอยางไปดงึ เปนคาทใ่ี ชบ อกถงึ ความออน (ductile) ของโลหะ ความออนตัว
ของโลหะโดยท่วั ไปแสดงดวยคา เปอรเ ซ็นตค วามยืด (percent elongation) โดยเรมิ่ จาก gage length ทใ่ี ชกันคือ 2.0 นิว้
(5.1 cm) ดังรปู ที่ 5.7 โดยทว่ั ไปโลหะใดย่งิ ออ น ย่งิ มีคาเปอรเ ซน็ ตความยดื มาก แสดงวา โลหะนัน้ เปล่ยี นรปู มาก
สาํ หรบั โลหะอะลูมิเนียมบริสทุ ธท์ิ ี่เปน แผน หนา 0.062 นว้ิ (1.6 mm) จะมี % elongation สูงถงึ 35% แตถาเปน
aluminum alloy (high strength) 7075 – T6 ที่หนาเทา กัน จะมี % elongation เพยี ง 11% ความยาวของโลหะทย่ี ืด
ออกสามารถวัดไดดวย extensometer หรอื อาจจะวดั ดว ย calipers เปอรเซน็ ตค วามยืดสามารถคํานวณไดจากสมการ
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 ใหทราบวาโลหะนั้นออ น
เพียงใด ยังเปน ดชั นีท่ชี ้ใี หทราบวา โลหะนน้ั มีคุณภาพอยางไรดว ย โดยท่ี % elongation ต่าํ กวาปกติ
Percent reduction in area
พวกโลหะหรือโลหะผสมท่อี อ นอาจแสดงไดด ว ยคา % reduction in area ตามปกตคิ า นไ้ี ดจ ากการทาํ การ
ทดสอบแรงดึง โดยเริ่มตน ดวยตัวอยา งขนาดเสนผา นศนู ยก ลาง 0.50 นิ้ว (12.7 มม.) เมอื่ ดึงจนขาด วดั เสนผา นศนู ย
กลางอกี ครง้ั หนง่ึ กจ็ ะหาคา นไ้ี ดดงั 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 เปนตน ซึง่ เหมือนกบั % elongation
ตวั อยา งท่ี 5.7 เสนลวดเหลก็ มเี สน ผานศูนยก ลาง 0.500 นวิ้ ถูกดงึ จนขาด ปรากฏวาเสนผา 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) ใชหา
ความแข็งของวัสดุ ถา t นอย แสดงวาวัสดนุ ั้นแขง็ กวา
5.4 ความแขง็ และการทดสอบความแขง็
ความแขง็ แรงของโลหะเปนการวดั ความตอตา น (resistance) ของโลหะทจี่ ะตอ งเปล่ยี นรูปรา งไปอยางถาวร
(plastic deformation) การทดสอบความแข็งของวัสดุนนั้ ใชว ิธกี ดวัสดทุ ่มี ีลักษณะแขง็ กวา เชน เหลก็ แขง็ ทงั สเตนคาร
ไบด เพชร เปน ตน โดยทําเปน รูปรา งตา ง ๆ กนั เชน ทําเปนรูปกลม พรี ะมิด หรอื โคน เมือ่ กดตัวกด (indenter) ลงไป
ในวัสดุทที่ ดสอบเปนมุม 90oC ลงไปอยางชา ๆ แลว วดั รอยเวาทเี่ กดิ ขึ้น ก็จะสามารถหาความแข็งได รปู ท่ี 5.10 ความ
แข็งของโลหะจะมีคาเทาไร ขนึ้ อยกู บั ความยากงายของการเปลีย่ นรูปรางอยา งถาวรของวสั ดุนัน้ การทดสอบความแข็ง
ของวสั ดุนั้นทําไดง ายกวา การหาความแขง็ แรงของวสั ดุ
5.5 การเกิดรอยแตกของโลหะ
การเกดิ รอยแตกของโลหะเปน การแยกหรือการแตกของของแขง็ ออกเปน หลาย ๆ สวนเมื่อมีความเคน โดยท่วั
ไปการเกิดรอยแตกของโลหะ แบงออกไดเปน 2 พวก คือ
1. การเกดิ รอยแตกของโลหะออน (Ductile fracture) เกดิ ขน้ึ หลงั จากทเ่ี กดิ การเปล่ียนรูปอยางถาวรดว ยการดึง ถา
ความเคน เกิดข้นึ กับตัวอยาง (specimen) เกนิ ultimate tensile strength เปนเวลานานพอควร จะทาํ ใหโ ลหะเกดิ
รอยแตกขนึ้ ซง่ึ มีลักษณะท่เี ห็นไดชัด 3 ลกั ษณะดว ยกันคอื
1.1 มีลักษณะเวา เขาไปและมชี อ งวา งเกดิ ข้นึ ที่บรเิ วณนน้ั (ดังรปู 5.11 a และ b)
42
1.2 ชอ งวา งทีเ่ กดิ น้ีรวมตัวกันมากข้ึนเปน รอยแตกทตี่ รงกลาง แลว มาสผู วิ ของตวั อยาง เปนแนวตั้งฉากกับทศิ ทาง
ของแรงดงึ (ดังรูป 5.11 c)
1.3 เม่อื รอยแตกดาํ เนนิ มาใกลกับผวิ ทิศทางจะเปล่ยี นไปเปนมุม 45 องศา ทําใหเ กิดแตกออกเปนฟน 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 กวา cleavage planes แมจ ะเกดิ การเปลี่ยนรูปเพยี ง
เลก็ นอย เชน 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 ตอนดวยกัน คือ
2.1 การเปลยี่ นรูปอยา งถาวรจะเกดิ ขนึ้ ตาม slip plane ที่ถกู ขวางกัน้
2.2 ความเคนเฉือนจะถูกสะสมมากข้ึนท่ี slip plane ถกู ขวางกนั้ กอใหเ กิดรอยแตกเลก็ ๆ ขน้ึ มากอน
2.3 เม่อื ความเคนดําเนนิ ตอ ไป การเกิดรอยแตกเล็ก ๆ จะเกดิ มากขึน้ จนเปน รอยแตกเกดิ ขน้ึ
การเกดิ รอยแตกนอี้ ุณหภูมเิ ปน ปจจัยหนงึ่ ทม่ี ีผลกระทบ คอื ถา อุณหภูมติ ่าํ และมคี วามเครยี ดสูง ชอบทจี่ ะเกิด
รอยแตกเปนแบบ brittle fracture รวมทัง้ ทีบ่ ริเวณมีรอยบาก (notch) ดวย
รูปท่ี 5.11 แสดงลักษณะหรือข้นั ตอนของการเกดิ รอยแตกเปน ฟนปลาของโลหะออ น
43
5.6 ความแขง็ แกรง หรือความเหนียวของวสั ดุ และการทดสอบตอ แรงกระแทก
ความแข็งแกรง หรอื ความเหนยี วของวัสดุ (Toughness) เปนสมบัตขิ องวัสดอุ ยางหนง่ึ ที่เกย่ี วกบั การดดู กลืน
ปริมาณพลังงานของวสั ดนุ นั้ จะเปน ไฟไดม ากนอยเพียงใดกอนจะเกดิ การแตกหกั ซงึ่ นบั วา มคี วามสําคัญมากตอ งานทาง
ดา นวิศวกรรม โดยพจิ ารณาจากความทนทานตอ แรงกระแทก (impact) โดยไมเกดิ การแตกหัก วธิ วี ดั ความแข็งแกรงของ
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 ชทดสอบแรงกระแทก
รูปท่ี 5.13 แสดงผลของอุณหภมู ิตอ การดูดกลนื พลังงานจากการทดสอบแรงกระแทกของวัสดุบางชนิด
44
รปู ท่ี 5.13 แสดงถงึ ผลของอณุ หภมู ิที่มีตอการดดู กลืนพลงั งานของวสั ดบุ างชนดิ Impact test นี้สามารถนํามาใช
ทดสอบหาชวงของอณุ หภมู ขิ องการเปลย่ี นสมบตั ิและพฤติกรรมของโลหะและโลหะผสมจากออน (ductile) ไปเปนแขง็
เปราะ นนั่ คอื เหลก็ ออ นทม่ี ีปรมิ าณคารบอนเพ่มิ ข้นึ จะทาํ ใหเ หลก็ แขง็ มากขน้ึ และดูดกลืนพลงั งานนอยลง ในชว ง
อณุ หภมู ิที่กวา ง แตถ า มีปรมิ าณคารบอนต่ําจะดูดกลืนพลังงานไดดี คอื เปน เหลก็ ที่ออ นหรอื เหนยี วขึ้น แตเกดิ ในชวง
อณุ หภมู ิท่ีแคบ และเมอ่ื ใชอุณหภมู ติ ่ํา ๆ การทดสอบ Fracture toughness ของโลหะและโลหะผสมไดมีการพฒั นาวิธี
ทดสอบท่ีซับซอ นอน่ื ๆ อีก
รูปท่ี 5.14 กราฟแสดงผลของปริมาณของคารบอนที่มตี อ impact energy และอุณหภูมสิ ําหรบั เหลก็ ทที่ ําใหรอ นขน้ึ
45
6. วสั ดพุ อลิเมอร
6.1 ความหมายและประเภทของพอลเิ มอร
คําวา ”พอลิเมอร” (Polymer) ตามคําศัพทแ ลวแปลวา หลายสวน (Many parts) คําวา Poly แปลวามากหรือ
หลายอยา ง ดงั น้นั วัสดพุ อลิเมอรอาจจะพจิ ารณาไดวาเปนสารที่ประกอบดวยสว นตาง ๆ หรอื หนวยตา ง ๆ เขาดวยกัน
ดวยพันธะเคมกี ลายเปนของแขง็ ในทนี่ จี้ ะกลา วถงึ ชนดิ ตาง ๆ ของพอลเิ มอร (รปู ท่ี 6.1) การทําพอลิเมอรในทางเคมี
ลักษณะโครงสรางของพอลเิ มอร สมบัตติ าง ๆ กระบวนการเตรยี ม เทคนคิ ตา ง ๆ ในการขน้ึ รูป การประยกุ ตของ
พอลิเมอรใ นทางอุตสาหกรรมและวิศวกรรมตลอดจนผลกระทบตา ง ๆ ตอความแขง็ แรงและการเสรมิ ความแข็งแรงของ
พอลิเมอร แตพ อลเิ มอรที่มคี วามสาํ คัญตอ การประยุกตท างอตุ สาหกรรมและผูใช อาจแบง ออกไดเปน 2 ประเภทใหญ ๆ
คอื
1. พลาสตกิ (Plastics)
2. อีลาสโตเมอร (Elastomers) หรอื พวกยาง (Rubber)
พลาสติกเปน วัสดสุ งั เคราะหก ลมุ ใหญแ ละอาจมหี มูธ าตุทเ่ี ปนองคป ระกอบแตกตางกัน ซงึ่ อาจทําใหรวมตัวกัน
หรอื เขาแบบใหมีรูปรางตามทีต่ องการ พลาสติกมีหลายแบบ เชน พอลเิ อทีลนี และไนลอน เปน ตน
พลาสตกิ ทีแ่ บงออกเปน 2 ประเภทนัน้ ขึน้ อยูกบั พนั ธะเคมที ีก่ ระทาํ กันไดอ อกมาเปนโครงสราง และมลี ักษณะ
เฉพาะเม่อื ทําใหอุณหภมู เิ พิม่ ข้ึน คือ เทอรโ มพลาสตกิ (Thermoplastic) และเทอรโมเซททิงพลาสติก (Thermosetting
plastic) สวนอลี าสโตเมอรหรอื ยางเปนพอลเิ มอรท ่มี ีลกั ษณะยดื หยนุ (elastical) ไดมากเมือ่ ออกแรงดึงและจะกลบั มาอยู
ในสภาพเดิมเมือ่ ปลอยแรงดงึ
Thermoplastics เปน พลาสตกิ ทส่ี ามารถทาํ ใหห ลอมเหลวหรือเปลี่ยนรปู รางไดด วยความรอน และจะแขง็ ตวั
เมือ่ ทาํ ใหเย็น พลาสตกิ พวกนจ้ี งึ สามารถ recycle ไดต ลอดโดยสมบตั ิไมเ ปลี่ยนแปลง เทอรโ มพลาสติกโดยมากประกอบ
ดวยพวก long chain carbon atoms ท่เี กิดพนั ธะโคเวเลนตเขาดว ยกนั บางคร้งั อาจมีธาตุไนโตรเจน ออกซเิ จน หรอื
กาํ มะถัน เขา ไปเกิดพันธะโคเวเลนตในโมเลกลุ และระหวางโมเลกลุ ตอ โมเลกุลจะเกดิ พนั ธะทุตยิ ภูมิ (secondary bonds)
กนั อีกดวย
Thermosetting plastic (Thermosets) เปน พลาสติกทไ่ี มสามารถทําใหห ลอมเหลวไดด ว ยความรอน
พลาสตกิ ชนดิ นจ้ี ะคงรูปอยางถาวรดวยการบม “set” หรอื “cured” ดว ยปฏกิ ิริยาเคมหี รือดวยความรอน เมอื่ ใหความรอน
ท่อี ุณหภมู สิ งู จะเกดิ การสลายตัวหรอื ไหมได ดงั นั้นจึงไมส ามารถทํา recycle กับพลาสติกชนิดนไี้ ด โดยมาก
Thermosetting plastics ประกอบดวยคารบ อนอะตอมทเ่ี กดิ พนั ธะโคเวเลนตเขา ดว ยกนั เปน โครงขาย (network) ไดเปน
ของแขง็ บางครั้งในโครงขา ยนนั้ จะมอี ะตอมของธาตไุ นโตรเจน ออกซิเจน กาํ มะถัน หรอื อะตอมอนื่ ๆ เขา ไปเกิดพันธะ
โคเวเลนตรวมดวย
พลาสตกิ เปน วัสดุวิศวกรรมท่ีสาํ คญั หลายประการดวยกัน เพราะมนั มีสมบัตกิ วางขวางมาก บางชนิดอาจจะไมมี
วัสดอุ ื่นเสมอเหมอื น และโดยท่วั ไปพลาสติกจะมรี าคาคอ นขา งตา่ํ พลาสติกยงั มีขอไดเ ปรยี บอกี หลายอยางทว่ี ศิ วกร
เคร่ืองกลนําไปใชอ อกแบบ เพื่อลดการใชช นิ้ สวนบางอยา ง ลดขน้ั ตอนการทาํ งานโดยทําใหง ายตอ การประกอบ ลดน้ํา
หนกั ลดเสียงดังและบางกรณีชว ยลดเรอ่ื งของการหลอ ลน่ื บางชนิ้ สว นพลาสติกยงั มปี ระโยชนอ ีกมากมายตอการออก
46
แบบใชงานทางไฟฟา เพราะพลาสติกเปน ฉนวนทด่ี ีเยยี่ ม ทางอเิ ล็กทรอนกิ สใชทําตวั เชื่อมตอ (connectors) สวิตช รเี รย
ทําชิ้นสว นของทีวี รปู แบบขดลวด ทําแผนวงจรไฟฟา และทาํ ช้ินสว นของเคร่อื งคอมพิวเตอร
ปริมาณการใชพ ลาสติกในทางอตุ สาหกรรมไดเพมิ่ ข้นึ อยา งมากในชวงหลายปท ่ีผา นมา ตัวอยา งท่ีเหน็ ไดชัดเจน
วาอุตสาหกรรมใชพ ลาสตกิ มากขึ้น คืออตุ สาหกรรมผลิตรถยนต ของเลน ของใชในบาน เปนตน ตอไปนจ้ี ะไดกลา วถงึ
โครงสราง สมบตั ิ และการประยุกตของพลาสตกิ 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