อกสารประกอบการสอน༛portal5.udru.ac.th/ebook/pdf/upload/18z37K73yr37zf77f953.pdfของว สด ครงสร างของอะตอม

เอกสารประกอบการสอน วสดวศวกรรม

EY20201

สรวนท ปคะภาค

วศ.ม.(วศวกรรมเครองกล)

คณะเทคโนโลย มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน

2559

ค ำน ำ เอกสารประกอบการสอน วชาวสดวศวกรรม (EY20201) ใชประกอบการเรยนการสอนตามหลกสตรวทยาศาสตรบณฑต สาขาวชาวศวกรรมพลงงาน คณะเทคโนโลย มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน เนอหาในเอกสารประกอบการสอน ประกอบดวย แผนบรหารการสอนทไดจดแบงเนอหาออกเปน 9 บทเรยน ในแตละบทเรยนประกอบดวยแผนบรหารการสอนประจ าบท เนอหา และแบบฝกหดทายบท โดยผเขยนไดเรยบเรยงจากต าราภาษาไทยและภาษาองกฤษ เพอใหผเรยนมความเขาใจเนอหา สามารถท าแบบฝกหด สอดแทรกคณธรรมระหวางเรยน และประยกตใชในงานอตสาหกรรม ชวตประจ าวนได วสดวศวกรรม (Engineering Materials) เปนศาสตรแขนงหนงของวทยาศาสตรวสด ซงเนอหาในเลมนไดแบงออกเปน 3 ตอน ตอนแรกเปนธรรมชาตของวสดวศวกรรม ประกอบไปดวย ความเปนมาของวสด โครงสรางของอะตอม และคณสมบตทางกลของวสด ถดมาเนอหาในสวนทสองเปนชนดของวสด เชน โลหะกลมเหลก เซรามค โพลเมอร เปนตน และเนอหาสวนสดทาย เปนเนอหาในกรรมวธการผลต ขนรป และการเลอกใชวสด โดยเรยบเรยงใหครอบคลมเนอหาของรายวชาวสดวศวกรรม อานท าความเขาใจไดงาย เหมาะส าหรบนกศกษาสาขาวศวกรรมพลงงาน มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน และผทสนใจ ส าหรบเอกสารประกอบการสอนเลมนสมบรณไดตองขอขอบพระคณ ทานอธการบด มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน คณบดคณะเทคโนโลย รองคณบดทกทาน และครอบครวทนารกทเปนก าลงใจสนบสนนใหงานส าเรจไปดวยด ผเขยนขอขอบคณเจาของงานเขยนทกทานทไดถกอางองในเอกสารประกอบการสอนเลมน ผเขยนมไดมเจตนาจะละเมดลขสทธของผใด หากมขอความหรอรปภาพบางสวนทไมไดอางถง ตองขออนญาตมา ณ ทนดวย สดทายขอขอบพระคณอาจารยทกทานทไดเคยประสทธประสาทความร ความสามารถ และจตวญญาณของครใหกบผเขยน

สรวนท ปคะภาค กรกฎาคม 2559

สารบญ

หนา สารบญ................................................................................................................................................... (1) สารบญรป .............................................................................................................................................. (7) สารบญตาราง ....................................................................................................................................... (13)

แผนบรหารการสอนประจ าวชา ....................................................................................................... 1

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 1 ................................................................................................ 11

บทท 1 บทน า ................................................................................................................................... 13 1.1 ความหมายและความส าคญของวสดวศวกรรม ................................................................ 13

1.2 หลกส าคญของวสดวศวกรรม .......................................................................................... 13 1.3 ประเภทของวสด ............................................................................................................. 15 1.4 สรป ................................................................................................................................. 20 แบบฝกหดทายบทท 1 ........................................................................................................... 21 เอกสารอางอง ........................................................................................................................ 23

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 2 ................................................................................................ 25

บทท 2 โครงสรางอะตอมและแผนภมสมดลของเฟส............................................................... 27 2.1 โครงสรางอะตอมแนวคดและพนฐาน .............................................................................. 27 2.2 อเลกตรอนในอะตอม....................................................................................................... 28 2.3 ตารางธาต ....................................................................................................................... 33 2.4 พนธะระหวางอะตอมในของแขง ..................................................................................... 35 2.5 พนธะปฐมภม .................................................................................................................. 37 2.6 พนธะทตยภมหรอพนธะแวนเดอรวาลส .......................................................................... 42 2.7 โมเลกล ............................................................................................................................ 45 2.8 โครงสรางของแขงมผลก .................................................................................................. 45 2.9 อญรป (Allotropy) และหลายอญรป (Polymorphous) ................................................ 53 2.10 ระบบผลก (Crystal System) ....................................................................................... 53 2.11 ผลกเดยว (Single crystals) และหลายผลก (Polycrystalline materials) ................. 56 2.12 ของแขงทไมเปนผลก (Noncrystalline solid) ............................................................. 57 2.13 แผนภมสมดลเฟส (Equilibrium phase diagrams) .................................................... 58 2.14 แผนภมเฟสเหลก-เหลกคารไบด (Fe-Fe3C) .................................................................. 67 2.15 โครงสรางจลภาคของโลหะผสมเหลก–คารบอน ............................................................ 70 2.16 สรป ............................................................................................................................... 73 แบบฝกหดทายบทท 2………………………………………………………………………………………………….75 เอกสารอางอง ........................................................................................................................ 79

(2)

สารบญ (ตอ)

หนา แผนบรหารการสอนประจ าบทท 3 .................................................................................... 81

บทท 3 คณสมบตทางกลของวสด .................................................................................... 83 3.1 สมบตทางกลและการทดสอบ .......................................................................................... 83 3.2 ความเคนกบความเครยด ................................................................................................. 84 3.3 การทดสอบแรงดง ........................................................................................................... 87 3.4 สมบตทไดจากการทดสอบแรงดง .................................................................................... 92 3.5 การทดสอบความแขง .................................................................................................... 101 3.6 การทดสอบแรงกระแทก ............................................................................................... 106 3.7 การทดสอบความลา ...................................................................................................... 107 3.8 การทดสอบแรงกระแทก ............................................................................................... 109 3.9 การทดสอบการคบ ........................................................................................................ 111 3.10 สรป ............................................................................................................................. 116 แบบฝกหดทายบทท 3 ......................................................................................................... 117 เอกสารอางอง ...................................................................................................................... 121

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 4 .................................................................................. 123

บทท 4 โลหะกลมเหลก..................................................................................................... 125 4.1 การผลตเหลกกลา ......................................................................................................... 125 4.2 เหลกกลาคารบอน ......................................................................................................... 128 4.3 เหลกกลาผสม................................................................................................................ 139 4.4 เหลกกลาไรสนม ............................................................................................................ 146 4.5 เหลกกลาเครองมอ ........................................................................................................ 147 4.6 เหลกหลอ ...................................................................................................................... 151 4.7 สรป ............................................................................................................................... 153 แบบฝกหดทายบทท 4 ......................................................................................................... 155 เอกสารอางอง ...................................................................................................................... 157

(3)

สารบญ (ตอ)

หนา แผนบรหารการสอนประจ าบทท 5 .............................................................................................. 159

บทท 5 โลหะนอกกลมเหลก ........................................................................................................ 161 5.1 อะลมเนยมและอะลมเนยมผสม .................................................................................... 161 5.2 การชบแขงโดยวธการบมหรอการตกตะกอน ................................................................. 169 5.3 ทองแดงและทองแดงผสม ............................................................................................. 171 5.4 แมกนเซยมและเบรลเลยมผสม ...................................................................................... 177 5.5 นกเกลและโคบอลตผสม ................................................................................................ 179 5.6 สรป ............................................................................................................................... 182 แบบฝกหดทายบทท 5 ......................................................................................................... 183 เอกสารอางอง ...................................................................................................................... 186

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 6 .............................................................................................. 187

บทท 6 โพลเมอร ........................................................................................................................... 189 6.1 กระบวนการโพลเมอรไรเซซน........................................................................................ 189 6.2 โครงสรางของโพลเมอร ................................................................................................. 199 6.3 การจ าแนกชนดของโพลเมอร ........................................................................................ 202 6.4 เทอรโมพลาสตก ............................................................................................................ 203 6.5 อลาสโตเมอร (ยาง) ....................................................................................................... 215 6.6 เทอรโมเซตตงโพลเมอร ................................................................................................. 219 6.7 สารปรงแตงส าหรบพลาสตก ......................................................................................... 221 6.8 กระบวนการผลตโพลเมอร ............................................................................................ 222 6.9 สรป ............................................................................................................................... 225 แบบฝกหดทายบทท 6 ......................................................................................................... 226 เอกสารอางอง ...................................................................................................................... 231

(4)

สารบญ (ตอ) หนา


บทท 7 เซรามกและแกว .............................................................................................................. 235 7.1 โครงสรางผลกของเซรามก ............................................................................................ 235

7.2 แผนภาพเฟสของเซรามก ............................................................................................. 246 7.3 สมบตของเซรามก ........................................................................................................ 249 7.4 กระบวนการผลตเซรามก ............................................................................................. 259 7.5 การใชงานเซรามก ........................................................................................................ 264 7.6 โครงสรางของแกว ........................................................................................................ 267 7.7 สมบตของแกว.............................................................................................................. 268 7.8 กระบวนการการผลตและการใชงานของแกว ............................................................... 270 7.9 สรป ............................................................................................................................. 272 แบบฝกหดทายบทท 7 ........................................................................................................ 273 เอกสารอางอง ..................................................................................................................... 278


บทท 8 วสดผสม ............................................................................................................................ 281 8.1 วสดผสมทเสรมแรงโดยอนภาคและวสดทเปนเมดผง ..................................................... 282 8.2 วสดผสมเสนใยเสรมแรง (Fiber Reinforced Composite) .......................................... 286 8.3 ไม (Wood) ................................................................................................................... 292 8.4 คอนกรตและยางมะตอย ............................................................................................... 299 8.5 สรป ............................................................................................................................... 307 แบบฝกหดทายบทท 8 ......................................................................................................... 309 เอกสารอางอง ...................................................................................................................... 312

(5)

สารบญ (ตอ) หนา


บทท 9 กระบวนการผลตและขนรป .......................................................................................... 315 9.1 กรรมวธการหลอ (Casting Processes) ....................................................................... 315

9.2 กรรมวธการขนรป (Forming Processes) ................................................................... 322 9.3 กรรมวธการกดแตง (Machining Processes) ............................................................. 327 9.4 กรรมวธการตอ (Joining Processes) .......................................................................... 329 9.5 การเลอกใชวสด (Material Selection) ....................................................................... 333 9.6 สรป ............................................................................................................................. 334 แบบฝกหดทายบทท 9 ......................................................................................................... 335 เอกสารอางอง ..................................................................................................................... 337

บรรณานกรม ................................................................................................................................. …339

ภาคผนวก ......................................................................................................................................... 341 ภาคผนวก ก เฉลยแบบฝกหด .......................................................................................... 343

(6)

(7)

สารบญรปภาพ

รปท หนา 1.1 หลกส าคญของวสดวศวกรรม........................................................................................................... 14 1.2 โครงสรางพนฐานของวสด ............................................................................................................... 15 1.3 ผลตภณฑวสดจากโลหะ อลลอยด ไดแก มด ซอม กรรไกร เหรยญ เฟอง นอต สกร ....................... 17 1.4 วสดเซรามก ..................................................................................................................................... 18 1.5 วสดโพลเมอร ไดแก หมวก ยาง ขวดพลาสตก ลกบลเลยด ชอนสอมพลาสตก ................................ 19 1.6 แผงวงจรส าหรบชนสวนคอมพวเตอรและอปกรณอเลกทรอนกสตางๆ ............................................ 19 1.7 สวนประกอบของเครองบนโบอง 747 ทใชวสดผสมชนดตางๆ ........................................................ 20 2.1 แบบจ าลองโครงสรางอะตอมของบอหร ........................................................................................... 28 2.2 พลงงานของอเลกตรอนส าหรบระดบชนพลงงานหลกและระดบชนพลงงานยอยตางๆ .................... 31 2.3 ลกษณะการอยของอเลกตรอนในระดบชนพลงงานของอะตอมโซเดยม ........................................... 32 2.4 แสดงตารางธาตทบอกถงจ านวนอะตอม สญลกษณ และน าหนกของอะตอม .................................. 34 2.5 แสดงคาอเลกโตรเนกาทวต (Electronegativity) ............................................................................ 34 2.6 แสดงแรงกระท าทท าใหเกดพนธะระหวางอะตอม ........................................................................... 36 2.7 พนธะไอออนกในโซเดยมคลอไรด (NaCl) ........................................................................................ 38 2.8 พนธะโควาเลนซของมเทน (CH4) .................................................................................................... 40 2.9 พนธะโลหะ ...................................................................................................................................... 42 2.10 พนธะแวนเดอรวาลสระหวางไดโพล 2 อน .................................................................................... 42 2.11 พนธะทเกดจากสองขว .................................................................................................................. 43 2.12 โมเลกลไฮโดรเจนคลอไรด (HCI) ทมสองขว .................................................................................. 44 2.13 พนธะไฮโดรเจนในไฮโดรเจนฟลออไรด (HF) ................................................................................. 45 2.14 โครงสรางผลกเฟสเซนเตอรควบก (Face-Centered Cubic, FCC) .............................................. 47 2.15 โครงสรางผลกบอดเซนเตอรควบก (Body-Centered Cubic, BCC) ............................................. 50 2.16 โครงสรางผลกเฮกซะโกนอลโคลสแพก (Hexagonal Close-Packed, HCP) ................................ 51 2.17 หนวยเซลลในระบบแกน x y z ทมความยาวตามแกน (a b c) และมมระหวางแกน (α β γ) ........ 54 2.18 รปผลกเดยวหลายผลกของ CaF2 .................................................................................................. 56 2.19 รปวาดแสดงขนตอนระหวางการแขงตวของวสดหลายผลกโดยสเหลยมขนาดเลกแทนหนวยเซลล 57 2.20 รปวาด 2 มตของโครงสราง ........................................................................................................... 58 2.21 การละลายของน าตาลในน าเชอม .................................................................................................. 60 2.22 แผนภมเฟสของระบบ ................................................................................................................. 62

(8)

สารบญรปภาพ (ตอ) รปท หนา 2.23 โลหะผสม Ni-Cu (นกเกล-ทองแดง) เปนสารละลายของแขงทสวนผสมใดๆ .................................. 66 2.24 แผนภมสมดล Fe-Fe3C (เหลก-เหลกคารไบด) .............................................................................. 68 2.25 รปถายโครงสรางจลภาค ................................................................................................................ 68 2.26 โครงสรางจลภาคของโลหะผสมเหลก – คารบอนสวนผสมยเทกตอยด (0.76%C) ......................... 71 2.27 รปถายโครงสรางจลภาคของเหลกกลายเทกตอยดทมตโครงสรางเพรลไลต ................................... 71 2.28 แสดงการเกดโครงสรางเพรลไลตจากออสเตนไนต ทศทางการแพรของคารบอน ........................... 72 3.1 สมบตทางกลทแสดงออกมาเมอวสดถกแรงภายนอกกระท า ............................................................ 83 3.2 วสดรบแรงในรปแบบตางๆ .............................................................................................................. 85 3.3 ชนทดสอบแรงดงพนทหนาตดจบหวทายโดยการลอกทบา .............................................................. 87 3.4 อปกรณและการตดตงชนทดสอบบนเครองทดสอบแรงดง ............................................................... 88 3.5 กราฟความเคนและความเครยดของชนทดสอบอะลมเนยมผสม ...................................................... 90 3.6 จดส าคญของกราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรม ............................................................ 91 3.7 กราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรมของโลหะผสมชนดตางๆ ........................................... 92 3.8 การหาความเคน ณ จดคราก ........................................................................................................... 93 3.9 การเกดคอคอดของชนทดสอบ ณ จดความเคนแรงดงสงสด ............................................................ 94 3.10 การเปรยบเทยบพฤตกรรม ............................................................................................................ 97 3.11 ลกษณะกราฟความเคน-ความเครยดของวสดเหนยวกบวสดเปราะ ............................................... 99 3.12 กราฟเปรยบเทยบความเคนและความเครยดจรงกบความเคน ..................................................... 100 3.13 เครองมอวดความแขงแบบชอรสเกลโรสโคป ............................................................................... 102 3.14 เครองวดความแขงแบบบรเนลล .................................................................................................. 103 3.15 เครองทดสอบความแขงแบบรอคเวลล ........................................................................................ 104 3.16 กราฟเปรยบเทยบและเปลยนคาความแขงจากการวดแตละแบบ ................................................ 105 3.17 หลกการท างานและสวนประกอบของเครองท าสอบแรงกระแทก ................................................ 106 3.18 การจบยดชนทดสอบแรงกระแทก ............................................................................................... 107 3.19 เครองทดสอบความลา ................................................................................................................. 108 3.20 กราฟความสมพนธระหวางความเคน-จ านวนรอบ (S-N curve) .................................................. 108 3.21 กราฟการคบทแสดงความสมพนธระหวางความเครยดกบเวลาโดยอณหภมและความเคนคงท .... 109 3.22 การเปลยนต าแหนงของดสโลเคชนของวสดเมอไดรบการทดสอบการคบ .................................... 110 3.23 อทธพลของความเคนและอณหภมทเพมขนตออตราการคบ ........................................................ 111 3.24 ขนตอนการเกดการแตกหกแบบเหนยวของโลหะทไดรบแรงดง ................................................... 112 3.25 รอยแตกกบถวยและโคนทเกดกบชนทดสอบแรงดง ..................................................................... 112

(9)

สารบญรปภาพ (ตอ) รปท หนา 3.26 ภาพถายรอยแตกหกของเหลกกลา AISI 1018 ............................................................................ 113 3.27 ลกษณะการแตกหกแบบเปราะทเกดกบชนทดสอบแรงดง ........................................................... 113 3.28 ภาพรางแสดงลกษณะผวรอยแตกเนองจากความลา .................................................................... 115 4.1 กระบวนการถลงสนแรเหลกโดยเดาลม .......................................................................................... 126 4.2 กระบวนการลดออกซเจนโดย BOF ............................................................................................... 127 4.3 การแปรรปเหลกกลารปทรงตางๆ .................................................................................................. 128 4.4 เสนโคงการเยนตวของเหลกบรสทธและการเปลยนแปลงสภาพอญรป ........................................... 129 4.5 แผนภาพเฟสของเหลก-คารบอน ................................................................................................... 130 4.6 ภาพโครงสรางจลภาค (1) .............................................................................................................. 131 4.7 ภาพโครงสรางจลภาค (2) .............................................................................................................. 132 4.8 ลกษณะการเกดโครงสรางจลภาคของเหลกยเทกตอยด ................................................................. 134 4.9 กลไกการเกดโครงสรางเพรลไลตจากเฟสออสเทนไนต ................................................................... 135 4.10 ขนตอนการเกดโครงสรางของเหลกไฮโปยเทกตอยด ................................................................... 136 4.11 ขนตอนการเกดโครงสรางของเหลกไฮเปอรยเทกตอยต ............................................................... 137 4.12 อทธพลของธาตผสมชนดตางๆ ทละลายในเฟอรไรตแลวมผลตอความแขง…… ........................... 142 5.1 กระบวนการผลตอะลมเนยมโดยใชเซลลอเลกโทรไลต ................................................................... 162 5.2 FeAl3 ทเปนสารมลทนในอะลมเนยมเกรด 1100 ทผานการอบออน (X 350) ............................... 165 5.3 แผนภาพเฟสสวนหนงของโลหะผสมอะลมเนยม – แมกนเซยม ..................................................... 166 5.4 แผนภาพเฟสสวนหนงของโลหะอะลมเนยม – ซลคอน .................................................................. 167 5.5 สมบตทางกลของอะลมเนยม ......................................................................................................... 168 5.6 ความเคนแรงดงของโลหะผสมอะลมเนยม-ซลคอน ........................................................................ 168 5.7 โครงสรางของการตกตะกอน ......................................................................................................... 169 5.8 แผนภาพเฟสทองแดง – เบรลเลยมบางสวนและการท าการอบชบโดยวธการตกผลก .................... 175 5.9 แผนภาพเฟสสวนหนงของแมกนเซยม-อะลมเนยม ........................................................................ 178 5.10 อทธพลของอณหภมทมตอความเคนแรงดงของนกเกลผสมชนดตางๆ ......................................... 181 5.11 โครงสรางจลภาคซเปอรอลลอย ................................................................................................... 181 6.1 กระบวนการเกดโพลเมอไรเซซนแบบรวมตวโดยวธตางๆ ........................................................... 192 6.2 ตวอยางของปฎกรยาโพลเมอเซซนและผลพลอยได ..................................................................... 194 6.3 กระบวนการของโพลเมอไรเซซนแบบผสมของโพลเอสเตอร .......................................................... 195 6.4 การแจกแจงขนาดโมเลกลไวนลคลอไรด ........................................................................................ 197 6.5 การจดเรยงตวของอะตอมโพลเอทลน ......................................................................................... 200 6.6 ลกษณะโครงสรางโมเลกล ............................................................................................................. 201 6.7 ลกษณะรปรางของสายโซโพลเมอรแบบเสนและกงกาน ................................................................ 202 6.8 อทธพลของอณหภมทมตอโครงสรางและพฤตกรรมของเทอรโมพลาสตก ...................................... 208

(10)

สารบญรปภาพ (ตอ) รปท หนา 6.9 อทธพลของอณหภมทมตอมอดลสยดหยนของโพลสไตรนแบบอสณฐาน ....................................... 210 6.10 ความสมพนธระหวางปรมาตรจ าเพาะและอณหภมของโพลเมอร ................................................ 212 6.11 เสนกราฟความเคน-ความเครยดของโพลเมอรทมโครงสรางกงผลก ............................................ 214 6.12 โครงสรางซสและทรานของไอโซพรน .......................................................................................... 215 6.13 การเชอมขวางของสายโซโพลไอโซพรนทเกดขนจากอะตอมของซลเฟอรทเปนเสน ..................... 216 6.14 เสนกราฟความเคน-ความเครยดของอลาสโตเมอรทมการเปลยนรปในสภาวะยดหยนเทานน ..... 217 6.15 โครงสรางโคโพลเมอรของสไตรน-บวทาไดอน (SB) ในเทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอร .................. 218 6.16 การขนรปโดยแมพมพฉด ............................................................................................................ 222 6.17 แสดงการเปาขนรปขวดพลาสตกโดยการเปาลมเขาไปในแทงแพรสน (Parison) ......................... 223 6.18 การขนรปโดยวธเทอรโมฟอรมมง ................................................................................................ 224 6.19 การขนรปโดยอดเขาแบบ ............................................................................................................ 224 6.20 การขนรปโดยอดเขาแบบ ............................................................................................................ 225 7.1 การจดเรยงตวระหวางแคตไอออนและแอนไอออนทมความเสถยรและไมเสถยร ........................... 237 7.2 โคออรดเนตของแคตไอออนและแอนไอออน ................................................................................. 237 7.3 หนวยเซลลของโครงสรางผลกแบบ ................................................................................................ 241 7.4 หนวยเซลลของโครงสรางผลกของ ................................................................................................. 242 7.5 หนวยเซลลของโครงสรางซลคอน- ออกซเจน ................................................................................ 244 7.6 การจดเรยงตวของอะตอม ............................................................................................................. 245

7.7 โครงสรางผลกของแกรไฟต ............................................................................................................ 245 7.8 แผนภาพเฟสของอะลมเนยมออกไซตและโครเมยมออกไซต .......................................................... 246 7.9 แผนภาพเฟสของแมกนเซยมออกไซตและอะลมเนยมออกไซต (SS หมายถง Solid Solution) ..... 247 7.10 สวนหนงของแผนภาพเฟสของเซอรโคเนยและแคลโซ (Calcia) ................................................... 248 7.11 โครงสรางเกรนของ LLZT ........................................................................................................ 250 7.12 ลกษณะรอยแตกราวขนาดเลกทเกดกบเซรามก ........................................................................... 253 7.13 ความน าความรอนของวสดเซรามกทชวงอณหภมตางๆ ............................................................... 255

7.14 การหลอเซรามกโดยการเทแบบ (Slip Casting) แบบเปลอกบาง (Drain casting)...................... 262 7.15 การหลอเซรามกแผนบาง (Tape Casting Machine) ................................................................. 262 7.16 โครงสรางกลมซลเกต .................................................................................................................. 267 7.17 โครงสรางซลเกตแบบแผน ........................................................................................................... 268 7.18 การขนรปขวดแกวโดยวธการเปาลม ............................................................................................ 270

(11)

สารบญรปภาพ (ตอ) รปท หนา 8.1 วสดผสมหรอวสดคอมโพสต .......................................................................................................... 281 8.2 ขนตอนการผลตวสดผสมทางไฟฟา เงน – ทงสเตน ....................................................................... 285 8.3 โครงสรางจลภาค ........................................................................................................................... 286 8.4 โครงสรางทางเคมของเสนใยเคฟลาร ............................................................................................. 288 8.5 ภาคหนาตดของไมเทนนสโครงสรางทเปนระเบยบเคฟลาร ............................................................ 288 8.6 ผวหนาทเกดการแตกหกของวสดผสมไฟเบอรกลาสอพอกซ .......................................................... 292 8.7 โครงสรางเสนใยเซลลโลสในไม (Cellulose) .................................................................................. 293 8.8 โครงสรางเซลลของเนอไม โดยไมเนอออนจะมเซลลทใหญกวาและยาวกวาไมเนอแขง .................. 295 8.9 ทศทางตางๆ ของการรบรองในเนอไมซงสงผลตอการรบแรงทไมสม าเสมอ .................................... 297 8.10 กลไกลการเซตตวและการแขงตวของคอนกรต ............................................................................ 300 8.11 การทดสอบการยบตวของคอนกรต การเปลยนรปรางของคอนกรตทเกดจากน าหนกของตวเอง . 303 8.12 การผลตคอนกรตพรสเตรส .......................................................................................................... 306 8.13 ภาพจ าลองโครงสรางของยางมะตอย .......................................................................................... 307 9.1 แบบหลอชนงาน ............................................................................................................................ 315 9.2 ขนตอนในการท าแบบหลอทรายชน ............................................................................................... 317 9.3 ขนตอนการท าแบบหลอเปลอกบาง ............................................................................................... 318 9.4 ขนตอนการหลอโดยกรรมวธอนเวสเมนต ...................................................................................... 319 9.5 ขนตอนการหลอโดยแบบหลอถาวร ............................................................................................... 319 9.6 ขนตอนการหลอการหลอกรรมวธฮอตแชมเบอร และโคลดแชมเบอร ............................................ 321 9.7 ลกษณะการท างานของการหลอเหวยง .......................................................................................... 321 9.8 การรดขนรปเหลกกลารปทรงตางๆ ............................................................................................... 322 9.9 ลกษณะการตขนรปแมพมพแบบเปด ............................................................................................. 323 9.10 ลกษณะแมพมพ ต าแหนง และล าดบขนตอนการตขนรปกานสบ ................................................ 324 9.11 การอดรดขนรป ........................................................................................................................... 324 912. การดงขนรปทอ ........................................................................................................................... 325 9.13 การตดเฉอนโลหะแผน ................................................................................................................. 326 9.14 รปแบบและลกษณะของงานทพบขนรป ...................................................................................... 326 9.15 ลกษณะรปทรงของการกลงชนงานแบบตางๆ .............................................................................. 327 9.16 ลกษณะพนฐานการกดขนรปชนงาน ............................................................................................ 328 9.17 การเจยระไน ............................................................................................................................... 328 9.18 ลกษณะการเชอมตอโลหะแบบพนฐาน ........................................................................................ 329 9.19 การเชอม ..................................................................................................................................... 330 9.20 การเชอมภายใตองคประกอบ 1 .................................................................................................. 331 9.21 การเชอมภายใตองคประกอบ 2 .................................................................................................. 332

(12)

(13)

สารบญตาราง

ตารางท หนา 1.1 ววฒนาการดานคณภาพ .................................................................................................................. 16 2.1 จ านวนระดบชนพลงงานของอเลกตรอนในชนพลงงานหลก และระดบชนพลงงานยอย ................... 30 2.2 แสดงการจดเรยงอเลกตรอนของธาตหลายตวทพบบอยในงานวศวกรรมวสด .................................. 32 2.3 พลงงานพนธะและจดหลอมเหลวของวสดบางชนด ......................................................................... 39 2.4 คารศมอะตอมและโครงสรางผลกของโลหะบางชนด ....................................................................... 48 2.5 ความสมพนธของตวแปรของโครงผลกและลกษณะทางเรขาคณตของระบบผลกทง 7 แบบ ............ 55 3.1 ผลของการทดสอบแรงดงชนทดสอบอะลมเนยมเสนผานศนยกลาง 0.505 in และความเคนกบความเครยด ........................................................................................................................................... 89 3.2 คา E, G และอตราสวนปวสซอง (μ) ทอณหภมหองของวสดตางๆ ................................................... 96 4.1 พฤตกรรมของธาตผสมแตละชนดในเหลกกลาทผานการอบออน ................................................... 141 4.2 ชนดของเหลกกลาคารบอนและเหลกกลาผสมต ามาตรฐาน SAE-AISI ........................................... 143 4.3 ชนดของเหลกกลาเครองมอ ........................................................................................................... 148 4.4 แสดงสวนผสมทางเคมหลกๆของเหลกหลอ ................................................................................... 152 5.1 อทธพลของกลไกการเพมความแขงแรงของอะลมเนยมและอะลมเนยมผสม................................ 163 5.2 การก าหนดมาตรฐานของอะลมเนยมผสม ..................................................................................... 164 5.3 แสดงชนดของทองแดงและทองแดงผสมบางชนด .......................................................................... 172 5.4 สวนผสมทางเคม สมบตทางกล และการใชงานแมกนเซยมผสมบางชนด ....................................... 178 5.5 สวนผสมทางเคม สมบตทางกล การใชงานนกเกลและโคบอลตผสม .............................................. 180 6.1 โครงสรางของเมอรพนฐาน10 ชนดของวสดโพลเมอรตางๆ ....................................................... 190 6.2 ขอมลการค านวณจ านวนโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล .................................................................. 198 6.3 ขอมลการค านวณน าหนกโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล ................................................................. 199 6.4 สมบตทางกลไกของเทอรโมพลาสตก ............................................................................................. 204

6.5 หนวยยอยโพลเมอรและการใชงานของโพลเมอรบางชนด .............................................................. 205 6.6 ชวงอณหภมหลอมเหลวและอณหภมกลาสของเทอรโมพลาสตกและยางบางชนด ......................... 211 6.7 สมบตทางกลทอณหภมหองของโพลเมอรบางชนด ........................................................................ 213 6.8 สมบตตางๆของเทอรโมเซตตงโพลเมอร ......................................................................................... 219 7.1 เปอรเซนตคาแรกเตอรของไอออนกและโคเวเลนตของเซรามกบางชนด ........................................ 236 7.2 เลขโคออรดเนชนของอตราสวนรศมแคตไอออนตอแอนไอออนคาตางๆ ........................................ 239 7.3 คารศมของแอนไอออนและแคตไอออนของวสดเซรามกตางๆ (CN = 6) ....................................... 239 7.4 โครงสรางผลกของวสดเซรามกพนฐานบางชนด ............................................................................. 243 7.5 สมบตทางกลของวสดเซรามกวศวกรรม ......................................................................................... 249 7.6 สวนผสมทางเคมของวสดทนไฟชนดตางๆ ..................................................................................... 256

(14)

สารบญตาราง (ตอ)

ตารางท หนา 7.7 สมบตทางไฟฟาของเซรามกทใชท าฉนวนไฟฟา ............................................................................. 258 7.8 กระบวนการขนรปเซรามก ............................................................................................................ 261 7.9 ปฏกรยาทเกดขนระหวางกระบวนการเผาไฟของเซรามกทมดนเหนยวเปนสวนผสมพนฐาน.......... 263 7.10 หนาทการใชงานของเซรามกชนดตางๆ ....................................................................................... 266 7.11 สมบตทางกลของแกวชนดตางๆ .................................................................................................. 269 7.12 สวนประกอบทางเคมของแกวชนดตางๆ ...................................................................................... 271 8.1 ตวอยางวสดผสมประเภททเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาคและการใชงาน .................... 283 8.2 ชนด สวนผสม และสมบตของเสนใยแกวชนดตางๆ ....................................................................... 287 8.3 สมบตของเสนใยเคฟลารชนดตางๆ ................................................................................................ 289 8.4 แสดงสมบตของเสนใยชนดตางๆ ................................................................................................... 290 8.5 สมบตของไมบางชนด .................................................................................................................... 296 8.6 พฤตกรรมการรบแรงไมเทากนในแตละทศทางของไมชนดตางๆ (ความชน 12%) ......................... 298 8.7 สมประสทธขนาดไม C (in/in % H2 O) ของไมชนดตางๆ ........................................................... 299 8.8 ชนดของซเมนต ............................................................................................................................. 301 8.9 คณลกษณะของคอนกรต ............................................................................................................... 302 9.1 เครองมอและเทคนคของการจดการคณภาพโดยรวม ..................................................................... 334

มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน

แผนบรหารการสอนประจ าวชา ชอสถาบนอดมศกษา มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน

วทยาเขต/คณะ/ภาควชา คณะเทคโนโลย สาขาวชาวศวกรรมพลงงาน

หมวดท ๑ ขอมลทวไป

๑. รหสและชอรายวชา

EY๒๐๒๐๑ วสดวศวกรรม

Engineering Materials ๒. จ านวนหนวยกต

๓(๓-๐-๖)

๓. หลกสตรและประเภทของรายวชา

หลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต สาขาวชาวศวกรรมพลงงาน รายวชาเฉพาะดาน กลมวชาพนฐานทางวศวกรรม

๔. อาจารยผรบผดชอบรายวชา

อาจารยสรวนท ปคะภาค ๕. ภาคการศกษา / ชนปทเรยน

ภาคการศกษาท ๑ ชนปท ๒

๖. รายวชาทตองเรยนมากอน (Pre-requisite)

ไมม

๗. รายวชาทตองเรยนพรอมกน (Co-requisites)

ไมม

๘. สถานทเรยน สาขาวชาวศวกรรมพลงงาน คณะเทคโนโลย มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน

๙. วนทจดท าหรอปรบปรงรายละเอยดของรายวชาครงลาสด วนท ๑๐ มกราคม ๒๕๖๑

2 วสดวศวกรรม


หมวดท ๒ จดมงหมายและวตถประสงค ๑. จดมงหมายของรายวชา

เพอใหนกศกษามคณลกษณะดงตอไปน ๑. เพอใหมความร ความเขาใจเกยวกบพนฐานทางดานวสด ๒. เพอใหมความร ความเขาใจเกยวกบคณสมบตของวสด คณสมบตทางกลและกระบวนการผลต

๓. เพอศกษาความสมพนธระหวางโครงสรางจลภาค

๔. สามารถน าทฤษฎของวสดศาสตรมาประยกต และเลอกใชวสดทเหมาะสมในงานอตสาหกรรม

๒. วตถประสงคในการพฒนา/ปรบปรงราย

เพอใหนกศกษามความร ความเขาใจเกยวกบพนฐานดานวสดศาสตร คณสมบต กระบวนการผลต และสามารถน าไปประยกตใชไดอยางมประสทธภาพ.

หมวดท ๓ ลกษณะและการด าเนนการ

๑. ค าอธบายรายวชา ความสมพนธระหวางโครงสราง คณสมบต กระบวนการผลต และการใชงานของวสดวศวกรรมกลมโลหะ พอลเมอร เซรามก และวสดเชงประกอบ แผนภมสมดลของเฟสและการแปลความ คณสมบตทางกลและการเสอมสภาพของวสด

๒. จ านวนชวโมงทใชตอภาคการศกษา

หนวยกต บรรยาย การฝกปฏบต/งานภาคสนาม/การฝกงาน

การศกษาดวยตนเอง

๓(๓-๐-๖) ๑๖ สปดาห X ๓ ชวโมง ไมม ๑๖ สปดาห X ๖ ชวโมง

๓. จ านวนชวโมงตอสปดาหทอาจารยใหค าปรกษาและแนะน าทางวชาการแกนกศกษาเปนรายบคคล จ านวน ๒ ชวโมงตอสปดาห ทกวนพธ เวลา ๑๔:๐๐ – ๑๖:๐๐ น.

แผนบรหารการสอนประจ าวชา 3

หมวดท ๔ การพฒนาผลการเรยนรของนกศกษา

๑. คณธรรม จรยธรรม ๑.๑ ผลการเรยนร ๑.๒ กลยทธ/วธการสอน ๑.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๑. []ตระหนกในคณคาและคณธรรม จรยธรรม เสยสละ และซอสตยสจรต

๑............................................ ๑............................................

๒. []มวนย ตรงตอเวลา และความรบผดชอบตอตนเองและสงคม

๒. ใหความส าคญการตรงตอเวลา ทงการเขาหองเรยน และการสงงาน

๒. การใหคะแนนเขาชนเรยน และการสงงานตรงเวลา

๓. []เคารพสทธและรบฟงความคดเหนของผอน รวมทงเคารพในคณคาและศกดศรของความเปนมนษย

๓............................................. ๓.............................................

๔. []เคารพกฎระเบยบและขอบงคบตาง ๆ ขององคกรและสงคม

๔............................................... ๔...............................................

๕. []มจรรยาบรรณทางวชาการและวชาชพ

๕............................................... ๕...............................................

๒. ความร

๒.๑ ผลการเรยนร ๒.๒ กลยทธ/วธการสอน ๒.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๑. []มความรและความเขาใจเกยวกบหลกการและทฤษฎทส าคญในเนอหาสาขาวชาทศกษา

๑. ใชการสอนหลายรปแบบ โดยเนนหลกการทางทฤษฎและการปฏบต เพอใหเกดองคความร และมการทดสอบนกศกษากอนและหลงเรยน

๑. ประเมนจากแบบทดสอบกอนและหลงการเรยน และแบบทดสอบกลางภาคและปลายภาค

๒. []สามารถวเคราะหปญหาทางเครองกลเขาใจและอธบาย รวมทงประยกตความร ทกษะ และการใชเครองมอทเหมาะสมกบการแกไขปญหา

๒............................................... ๒...............................................



๒.๑ ผลการเรยนร ๒.๒ กลยทธ/วธการสอน ๒.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๓. []สามารถวเคราะห ออกแบบ ตดตง ปรบปรงหรอซอมแซม และตรวจสอบระบบดานวศวกรรมพลงงานใหตรงตามมาตรฐานทก าหนด

๓............................................... ๓...............................................

๔. []สามารถตดตามความกาวหนาทางวชาการและเทคโนโลยดานพลงงานรวมทงการน าไปประยกตใช

๔.ใหนกศกษาทกกลมสงรายงานความกาวหนาเปนระยะ และน าเสนองานกลมตามทมอบหมาย

๔.ประเมนจากการน าเสนอรายงานความกาวหนาของแตละกลม

๕. []รเขาใจและสนใจพฒนาความร ความช านาญทางดานวศวกรรมพลงงานอยางตอเนอง

๕............................................... ๕...............................................

๓. ทกษะทางปญญา

๓.๑ ผลการเรยนร ๓.๒ กลยทธ/วธการสอน ๓.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๑. []สามารถสบคน รวบรวมขอมล เพอใชในการแกไขปญหาอยางสรางสรรค

๑. ใหนกศกษา ศกษาคนควาตามหวขอทก าหนดให

๑. การน าเสนอผลงาน และรายงานทมอบหมาย

๒. []สามารถวเคราะห สงเคราะห และสรปประเดนปญหาและความตองการ

๒............................................... ๒...............................................

๓. []สามารถประยกตความรและทกษะกบการแกไขปญหาไดอยางเหมาะสม

๓............................................... ๓...............................................

๔. ทกษะความสมพนธระหวางบคคลและความรบผดชอบ

๔.๑ ผลการเรยนร ๔.๒ กลยทธ/วธการสอน ๔.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๑. []มความรบผดชอบในงานและการกระท าของตนเองและรบผดชอบงานในกลม

๑............................................... ๑...............................................

๒. []มมนษยสมพนธทด ปรบตวเขากบสถานการณและวฒนธรรมองคกรได

๒............................................... ๒...............................................


๔.๑ ผลการเรยนร ๔.๒ กลยทธ/วธการสอน ๔.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๓. []มจตอาสาและชวยเหลอผอนดวยความจรงใจ

๓................................................ ๓...............................................

๔. []สามารถสอสารสรางความเขาใจในการท างานรวมกนทงภายในและภายนอกกลม

๔. จดกจกรรมกลมการปฏบตงานวศวกรรมพลงงาน

๔. ประเมนจากการท างาน และผลสมฤทธในการท างาน

๕. ทกษะการวเคราะหเชงตวเลข การสอสาร และการใชเทคโนโลยสารสนเทศ

๕.๑ ผลการเรยนร ๕.๒ กลยทธ/วธการสอน ๕.๓ กลยทธ/วธประเมนผล

๑. []มทกษะในการใชคอมพวเตอร หรอโปรแกรมวเคราะหขอมลทมอยในปจจบนกบงานทเกยวของ

๑. จดกจกรรมมอบหมายการท างานเปนกลม

๑. การน าเสนอผลงาน และการอภปรายผล

๒. []สามารถแปลผลขอมลทางสถตไดอยางถกตอง

๒............................................... ๒...............................................

๓. []สามารถสอสารอยางมประสทธภาพทงปากเปลาและการเขยน เลอกใชรปแบบของการน าเสนออยางเหมาะสม

๓............................................... ๓...............................................

๔. []สามารถใชสารสนเทศและเทคโนโลยสอสารอยางเหมาะสม

๔............................................. ๔.............................................

๖. ดานทกษะพสย (มวชาชพเฉพาะ)

-



หมวดท ๕ แผนการสอนและการประเมนผล

๑. แผนการสอน สปดาห

ท หวขอ ชม.สอน/สปดาห กจกรรมการสอน สอทใชในการสอน อ.ผสอน

ทฤษฎ ปฏบต ๑ แนะน าวชา

-รายละเอยดวชาและแผนการสอน -เกณฑการใหคะแนน บทท ๑ บทน าวสดวศวกรรม

๓ ๐ - บรรยาย - การถามตอบ - ทดสอบกอนเรยน

- แผนการสอน - เอกสารประกอบการสอน

- Power point - แบบฝกหดทายบท

อ.สรวนท ปคะภาค

๒-๔ บทท ๒ โครงสรางอะตอมและแผนภมสมดลของเฟส

๓ ๐ - บรรยาย - การถามตอบ - ท าแบบฝกหด, การบาน

- เอกสารประกอบการสอน - Power point - แบบฝกหดทายบท


๕-๖ บทท ๓ คณสมบตทางกลของวสด


- เอกสารประกอบการสอน



๗-๘ บทท ๔ โลหะกลมเหลก





๙ สอบกลางภาค

๑๐-๑๑ บทท ๕ โลหะนอกกลมเหลก

๓ ๐ - บรรยาย - การถามตอบ - ท าแบบฝกหด, การบาน - น าเสนอรายงาน




๑๒ บทท ๖ พอลเมอร






๑๓ บทท ๗ เซรามคและแกว





๑๓ บทท ๘ วสดผสม


- เอกสารประกอบการสอน - Power point - แบบฝกหดทายบท


๑๔ บทท ๙ กระบวนการผลตและขนรปโลหะ

๓ ๐ - บรรยาย - การถามตอบ - ท าแบบฝกหด, การบาน - น าเสนอรายงาน




๑๕ สรปเนอหาในรายวชาวสดวศวกรรม

๓ ๐ - บรรยาย - การถามตอบ


- Power point


๑๖ สอบปลายภาค



๒. แผนการประเมนผลการเรยนร กจกรรม

ท การเรยนรดาน ผลการเรยนร วธการ

ประเมน สปดาหท ประเมน

สดสวน การประเมน

๑ คณธรรม จรยธรรม ๑. มวนย ตรงตอเวลา และความรบผดชอบตอตนเองและสงคม

๑. การใหคะแนนเขาชนเรยน และการสงงานตรงเวลา

ทกสปดาห

รอยละ ๑๐

๒ ความร ๑.มความรและความเขาใจเกยวกบหลกการและทฤษฎทส าคญในเนอหาสาขาวชาทศกษา ๒.สามารถตดตามความกาวหนาทางวชาการและเทคโนโลยดานพลงงานรวมทงการน าไปประยกตใช

๑. ประเมนจากแบบทดสอบกอนและหลงการเรยน และแบบทดสอบกลางภาคและปลายภาค ๒.ประเมนจากการน าเสนอรายงานความกาวหนาของแตละกลม

๑,๙,๑๐,๑๑, ๑๒, และ๑๖

รอยละ ๖๐

๓ ทกษะทางปญญา ๑.สามารถสบคน รวบรวมขอมล เพอใชในการแกไขปญหาอยางสรางสรรค

๑. การน าเสนอผลงาน และรายงานทมอบหมาย

๑๐, ๑๑,และ ๑๒


๔ ทกษะความสมพนธระหวางบคคลและความรบผดชอบ

๑.สามารถสอสารสรางความเขาใจในการท างานรวมกนทงภายในและภายนอกกลม

๑. ประเมนจากการท างาน และผลสมฤทธในการท างาน

ทกสปดาห


๕ ทกษะการวเคราะหเชงตวเลข การสอสาร และการใชเทคโนโลยสารสนเทศ

๑.มทกษะในการใชคอมพวเตอร หรอโปรแกรมวเคราะหขอมลทมอยในปจจบนกบงานทเกยวของ

๑. การน าเสนอผลงาน และการอภปรายผล

๑๐, ๑๑,และ ๑๒



หมวดท ๖ ทรพยากรประกอบการเรยนการสอน

๑.ต าราและเอกสารหลก ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ. (2548). วสดศาสตรและวศวกรรมวสดพนฐาน (Materials Science and

Engineering), กรงเทพฯ: ส านกพมพ ทอป. Askeland, Donald R., and Phule, Pradeep P., The Science and Engineering of Materials. (4th ed),

Thomson Learning, Inc., USA, 2003. Mangonon, Pat L.. The Principles of Materials Selection for Engineering Design. Prentice-Hall,

Inc., USA, 1999. Moniz B.J.. Metallurgy. (2nd ed), American Technical Publishers, Inc., USA, 1994. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology (5 th

ed). NJ: Pearson Education. Timings, R.L.. Engineering Materials (Volume 1).(2nd ed), Addison Wesley Longman Limited,

Singapore, 1998. William D Callister. (2007). An Introduction Material Science and Engineering (7th ed). New York:

John Wiley & Sons. 2. เอกสารและขอมลส าคญ ไมม 3. เอกสารและขอมลแนะน า ไมม

หมวดท ๗ การประเมนและปรบปรงการด าเนนการของรายวชา

๑. กลยทธการประเมนประสทธผลของรายวชาโดยนกศกษา - การสนทนารายบคคล/กลมกบอาจารยผสอน - การสะทอนความคดจากพฤตกรรมของผเรยน - สงเสรมใหนกศกษาแสดงความคดเหนตอการเรยนการสอนและการพฒนารายวชาผานระบบการประเมน

online ของมหาวทยาลย

๒. กลยทธการประเมนการสอน - อาจารยผสอนประเมนตนเองโดยพจารณาจากการเขาเรยนและผลการเรยนของนกศกษา - การทวนสอบผลประเมนการเรยนร ๓. การปรบปรงการสอน - สมมนาการจดการเรยนการสอน - อาจารยผสอนท าวจยในชนเรยนและปรบปรงตามผลการวจย ๔. การทวนสอบมาตรฐานผลสมฤทธรายวชาของนกศกษา - การทวนสอบการใหคะแนนจากการสมตรวจผลงานของนกศกษาโดยอาจารยอน หรอ ผทรงคณวฒ ทไมใช



อาจารยประจ าหลกสตร - มการตงกรรมการในสาขาวชา ตรวจสอบผลการประเมนการเรยนรของนกศกษา โดยตรวจสอบขอสอบ รายงาน วธการใหคะแนนสอบและการใหคะแนนพฤตกรรม

๕. การด าเนนการทบทวนและการวางแผนปรบปรงประสทธผลของรายวชา - ปรบปรงรายวชาทก ๓ ป หรอตามขอเสนอแนะและผลการทวนสอบมาตรฐานผลสมฤทธ

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 1 บทน า

หวขอเนอหา บทน า 1.1 ความหมายและความส าคญของวสดวศวกรรม 1.2 หลกส าคญของวสดวศวกรรม

1.2.1 สมบต (Properties) 1.2.2 โครงสราง (Structure) 1.2.3 กรรมวธการผลต (Processing) 1.2.4 สมรรถนะการใชงาน (Performance)

1.3 ประเภทของวสด 1.3.1 โลหะ (Metal)

1.3.2 เซรามก (Ceramic) 1.3.3 โพลเมอร (Polymer) 1.3.4 วสดกงตวน า (Semiconductor) 1.3.5 วสดผสม (Composite Material)

1.4 สรป

แบบฝกหดทายบทท 1 เอกสารอางอง

วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอผเรยน เรยนจบบทนแลวผเรยนควรมความรและทกษะดงน 1. เขาใจหลกการ ความหมายของวสดวศวกรรม 2. อธบายววฒนาการของวสด 3. อธบายหลกส าคญของวสดวศวกรรม

4. อธบายประเภทของวสด 5. สรปบทน าของวศวกรรม คณสมบต โครงสรางพนฐาน และการเลอกใช วธสอนและกจกรรม

1. ชแจงค าอธบายรายวชา วตถประสงค เนอหา และเกณฑการใหคะแนนรายวชา

2. น าเขาสบทเรยนโดยการบรรยาย ประกอบรปภาพใน Power point 3. อธบายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน

4. ตรวจสอบค าตอบของผเรยน และสอบถามผเรยนถาผเรยนมค าถามสงสย

5. มอบหมายใหผเรยนท าแบบฝกหดทายบทเปนการบาน 6. เสรมสรางคณธรรม และจรยธรรมใหกบนกศกษากอนเลกเรยน



สอการเรยนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวชาวสดวศวกรรม 2. กระดานไวทบอรด 3. วสดโสตทศน Power point 4. แบบฝกหดทายบท 5. เฉลยแบบฝกหดทายบท

การวดผลและการประเมนผล การวดผล

1. สงเกตจากพฤตกรรมและบรรยากาศระหวางเรยน 2. ถามตอบระหวางเรยน 3. แบบฝกหดทมอบหมายใหในแตละครง การประเมนผล 1. จากการท ากจกรรมกลมเสรจตามเวลา 2. ท าแบบฝกหดมความถกตองไมนอยกวา 80%

บทท 1 บทน า 13


บทท 1 บทน า

ในบทน าของเอกสารประกอบการสอนจะกลาวถงความหมายและความส าคญของวสดวศวกรรม ความร

พนฐานเกยวกบวสดประเภทตางๆ การออกแบบการผลต การตดสนใจเลอกใชวสดแตละชนด เพอทจะท าใหสามารถเลอกชนดของวสดใหสอดคลองกบงานทใช โดยมรายละเอยดของแตละหวขอดงตอไปน

1.1 ความหมายและความส าคญของวสดวศวกรรม

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) วสด (Materials) หมายถง สสาร (Matter) ทประกอบหรอท าขนมาเพอใชงานดานตางๆ ตามทเราตองการสสารตางๆ ทประกอบกนทางเคมแลวกลายเปนวสดอาจเกดขนเองจากธรรมชาต เชน โครงสรางทางเคมของไมเปนโพลเมอรทตนสรางขนเองสวนพลาสตกทเราใชในชวตประจ าวนเปนโพลเมอรทผานการสงเคราะหขนมาโดยมนษยความส าคญของวสดตอการพฒนาอารยธรรมของมนษยนนมมากจะเหนไดจากการตงชอยคตางๆตามวสดทนยมในแตละยค ไดแก ย คหน (Stone age) เปนยคทยอนหลงไปประมาณ 2.5 ลานป สมยนนมนษยใชหนเปนอาวธในการลาสตวยคตอมาเปนยคของบรอนซ (Bronze) หรอสมฤทธ อยในชวงระยะเวลา 2,000-1,000 ปกอนครสตกาล ยคนถอเปนรากฐานการเกดขนของศาสตรทางดานโลหะวทยาของโลหะผสมเพราะบรอนซเปนโลหะผสมระหวางทองแดงและธาตอนๆถดมาในชวง 1000 ปกอนครสตกาล เปนยคของเหลก (Iron age) ในชวงประมาณ 500 ปกอนครสตกาล เหลกไดมบทบาทในการน ามาใชทดแทนบรอนซเปนอยางมาก ปจจบนแมมนษยจะไมไดเรยกยคสมยตามวสดแลวกตามแตวสดกยงมความส าคญในชวตประจ าวนและการพฒนาเศรษฐกจและสงคมเปนอยางมาก

วสดวศวกรรม (Engineering Materials) เปนศาสตรทเกยวของกบการใชหลกการพนฐานและการประยกตความรของวสด เพอปรบปรงพฒนาสมบตของวสด แลวน ามาผลตเปนผลตภณฑทน ามาใชในสงคม สวนวสดศาสตร (Materials Science) คอ ศาสตรทอธบายวาโครงสรางภายในของวสดนนๆ เปนเชนไร รวมถงคณสมบตและกระบวนการผลตวสดตางๆ

ดงนนวสดวศวกรรมและวสดศาสตรจงมความเกยวของกนอยางมาก ทงนเพราะวสดศาสตรจะเปนความรพนฐานของทงหมดของวสด และวสดวศวกรรมจะเปนตวประยกตความรทงหมดเพอน าวสดมาผลตและใชใหเปนประโยชนตอสงคม

1.2 หลกส าคญของวสดวศวกรรม

หลกส าคญของวสดศาสตรม 4 สวนทส าคญ คอ โครงสราง สมบต กระบวนการผลต สมรรถนะ ดงแสดงในรปท 1.1 ซงมความสมพนธของ 4 สวน เราจะเหนไดวาหากมการเปลยนแปลงสงใดสงหนง



ผลกระทบจะเกดขนกบปจจยตวทเหลอทนท (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555) หากเรามองในฐานะผใชวสดแลว ประเดนทพจารณาจะอยทสมรรถนะของวสดหลกวามระดบความสามารถในการใชงานตรงกบทเราตองการหรอไม

รปท 1.1 หลกส าคญของวสดวศวกรรม

1.2.1 สมบต (Properties)

สมบตของวสดประกอบไปดวย สมบตทางกายภาพ สมบตทางเคม และสมบตทางกล โดยสมบตทางกลหมายถงอาการหรอสงทวสดแสดงออกเมอมแรงภายนอกมากระท า ซงประกอบไปดวย ความแขง ความแขงแรง ความเหนยว เปนตน สมบตทางกายภาพไดแก สมบตทางไฟฟา แมเหลก แสง ความรอน เปนตน เราจะพบวา หากมการขนรปวสดแลวโครงสรางภายในเกดการเปลยนแปลง จะสงผลใหวสดมสมบตทางกลและกายภาพเปลยนแปลงไป และจะสงผลกระทบตอสมรรถนะการใชงานดวย

1.2.2 โครงสราง (Structure)

โครงสรางอาจจ าแนกออกเปนระดบตางๆ ดงแสดงในรปท 1.2 โครงสรางทเลกสด คอ โครงสรางอะตอม โดยโครงสรางดงกลาวจะมผลตอสมบตทางกล ไฟฟา แมเหลก ความรอน และแสง ถดมาเปนการจดเรยงตวโครงสรางของอะตอมทเปนระเบยบ เรยกวาโครงสรางผลก และหากไมเปนระเบยบ จะเรยกวา โครงสรางอสณฐาน (Amorphous structure) จากลกษณะการจดเรยงตวจะมผลตอสมบตของวสด เชน วสดทมการจดเรยงตวเปนระเบยบ เชน โลหะจะมความแขงแรงและน าไฟฟาไดด สวนวสดทมการเรยงตวแบบไมเปนระเบยบ เชน โพลเมอร จะเปนฉนวนทางไฟฟาและทนตอความชน เปนตน

กระบวนการผลต (Process) การขนรป/การสงเคราะห

สมรรถนะ (Performance) การใชงาน

คณสมบต (Properties) ทางกายภาพ/เคม/ทางกล

โครงสราง (Structure) -โครงสรางผลก

-โครงสรางโมเลกล



ก. โครงสรางอะตอม ข. โครงสรางผลก

รปท 1.2 โครงสรางพนฐานของวสด

(ทมา: http://itc.gsw.edu/faculty/speavy/spclass/chemistry/atoms.htm)

1.2.3 กรรมวธการผลต (Processing)

การผลตวสดใหไดรปตามทตองการอาจใชกรรมวธการหลอ การเชอม การรด การอด การฉด การอบชบ หรอกรรมวธโลหะผงกได กรรมวธขนรปสงผลตอลกษณะโครงสรางของวสดโดยตรง เชน การหลอขนรปจะไดโครงสรางทแตกตางกนตามลกษณะการเยนตว การรดจะท าใหโครงสรางเกดการอดและแบนลง กระบวนการอบชบจะท าใหโครงสรางวสดกลบคนสสภาพเดมหลงผานการรดหรอเปลยนแปลงโครงสรางไปจากเดมกอนการชบโดยสนเชง ทงหมดนสงผลโดยตรงตอโครงสรางและสมบตของวสดทงสน

1.2.4 สมรรถนะการใชงาน (Performance)

หมายถง ระดบความสามารถในการใชงานทเหมาะสมกบเงอนไขของวสดตางๆ เชน ชนสวนเครองยนตทท าจากโลหะจะมความทนทานและแขงแรงกวาพลาสตก แตในสภาวะทมความเคม พลาสตกจะทนไดดกวา เปนตน ดงนนการเลอกใชวสดใหมสมรรถนะสงสด จะตองพจารณาถงพนฐานของสมบ ตและกระบวนการผลตวสดนนๆดวย อยางไรกตาม ปจจยทมความส าคญอกประการหนงทวศวกรจะตองพจารณาเสมอๆ เมอท าการเลอกใชวสดนนคอราคาหรอตนทนของวสด



1.3 ประเภทของวสด

วสดในการใชงานทวๆไป อาจแบงเปน 5 ประเภทไดแก โลหะ เซรามก โพลเมอร วสดผสม และวสดกงตวน า ดงแสดงในตารางท 1.1 วสดแตละประเภทมความแตกตางกนทงทางดานโครงสรางและสมบตอนๆ จากการศกษา พบวาโลหะและโลหะผสมมความแขงแรงสงสดและต าสด นนหมายความวาโลหะมสมบตทางกลคอนขางกวาง จงสามารถประยกตใชงานไดคอนขางหลากหลาย กลมของวสดทมความแขงแรงลดลงมา คอ วสดผสม ซงเกดขนจากการน าวสดทมสมบตเดนทแตกตางกนมารวมกนท าใหเกดสมบตเดนรวมกน ดงเชนการน าสมบตทางความเหนยวของโพลเมอรมารวมกบความแขงของเสนใยแกว สวนเซรามกถงแมจะมความแขงแรงต า แตสมบตเดนของเซรามก คอ ความทนทานตอความรอนและมความแขงสงมาก กระทงสามารถประยกตใชเปนวสดตดเฉอนโลหะและวสดบผนงเตาหลอมโลหะอกดวย กลมสดทายทมความแขงแรงนอยทสด คอ โพลเมอร แตสมบตดงกลาวไมไดถกน ามาพจารณาเปนประเดนหลกในการใชงานของโพลเมอร สมบตทน ามาพจารณาใชงานคอความคงทนตอสารเคม และมน าหนกเบา

ตารางท 1.1 ตวอยางและสมบตการใชงานของวสดแตละประเภท (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555)

ประเภทของวสด การใชงาน สมบต โลหะ

ทองแดง เหลกหลอสเทา เหลกกลาผสม

ลวดสายไฟฟา ชนสวนเครองยนต เครองมอตางๆ

น าไฟฟาไดด ขนรปด หลอขนรปงาย กลง-กดไดงาย รบแรงสนสะเทอนไดด ปรบปรงสมบตทางความแขงแรง โดยความรอนไดด

เซรามก

SiO2-Na2O-CaO

Al2O3,MgO,SiO2

แบเรยมไททาเนต

กระจกหนาตาง วสดทนไฟของเตาหลอมโลหะ อปกรณสงสญญาณของเครองเสยง

โปรงใส เปนฉนวนความรอน เปนฉนวนความรอน มจดหลอมตวสงไมท าปฏกรยากบน าโลหะเปลยนสญญาณเสยงเปนอเลกทรอนกส

โพลเมอร โพลเอทลน

อพอกซ ฟนอลก

ผลตภณฑบรรจอาหาร เคลอบแผนวงจร ท ากาวผลตไมอด

ขนรปเปนแผนบางงาย ยดหยนด เปนฉนวนไฟฟา ตานทานความชน แขงแรง ตานทานความชน

วสดกงตวน า

สลคอน

GaAs

ท าทรานซสเตอรและแผงวงจรไฟฟา เสนใยน าแสง

เปลยนแปลงความน าไฟฟาได เปลยนสญญาณไฟฟาเปนแสงได

วสดผสม

แกรไฟต-อพอกซ

ทงสเตนคารไบดผสมโคบอลต

ชนสวนเครองบน ท าใบมดตดส าหรบงานกลง-กด

มอตราสวนความแขงแรงตอน าหนกสง มความแขงสง



1.3.1 โลหะ (Metal)

โลหะและโลหะผสมประกอบดวย เหลกกลา อะลมเนยม แมงกานส สงกะส เหลกหลอ ไทเทเนยม ทองแดง และนกเกล เปนตน ธรรมชาตของโลหะโดยทวไปน าไฟฟาและความรอนคอนขางด มความแขงแรงสง แขงแกรง เหนยว และขนรปไดด การใชงานสวนมากเปนการใชงานโครงสรางหรองานทตองรบแรงตางๆ โลหะมกมการใชงานในลกษณะโลหะบรสทธนอย สวนมากแลวจะเปนโลหะผสมเสยมากกวา ทงนเพราะโลหะผสมมคณสมบตทหลากหลายและดกวาโลหะบรสทธ ดงแสดงในรปท 1.3

รปท 1.3 ผลตภณฑวสดจากโลหะ อลลอยด ไดแก มด ซอม กรรไกร เหรยญ เฟอง นอต สกร

(ทมา: William D Callister, 2007)

1.3.2 เซรามก (Ceramic)

วสดประเภทเซรามกโดยมากมสมบตทแขงและเปราะ เปนฉนวนไฟฟา ดงแสดงในรปท 1.4 การใชงานประกอบไปดวยฉนวนไฟฟา และความรอน วสดทนไฟ สขภณฑภายในบาน เปนตน กรรมวธการผลตททนสมยสามารถผลตเซรามกทมความแขงสงไมแตกราวไดงาย จงสามารถน าเซรามกไปใชเปน ผลตภณฑชนสวนททนความรอน เปนตน



รปท 1.4 วสดเซรามก


1.3.3 โพลเมอร (Polymer)

โพลเมอรผลตขนโดยการน าโมเลกลของสารสงเคราะหมาท าใหเชอมตอกนเปนโมเลกลขนาดใหญ กระบวนการดงกลาวเรยกวา กระบวนการโพลเมอไรเซซน (Polymerization) วสดประเภทโพลเมอรประกอบดวยยาง พลาสตก และกาวชนดตางๆ สมบตโดยทวไปของโพลเมอร คอ การน าไฟฟา น าความรอน และความแขงแรงต าไมเหมาะทจะใชงานในสภาวะทอณหภมสงๆ โพลเมอรประเภทเทอรโมพลาสตกเปนโพลเมอรทมโมเลกลเปนสายโซยาวๆ มการเชอมตอของโมเลกลทไมแขงแรงนก และมสมบตทออนละขนรปไดงาย สวนกลมโพลเมอรแบบเทอรโมเซตตงจะมความแขงแรงและเปราะกวากลมเทอรโมพลาสตก ทงนเพราะการเชอมตอสายโซโมเลกลจะมลกษณะเปนโครงขายหรอตาขาย การใชงานวสดประเภทโพลเมอรคอนขางกวางขวาง ดงแสดงในรปท 1.5 เชน บรรจภณฑ ฉนวนหมสายไฟฟา ทอน า ตลอดจนชนสวนยานยนต เปนตน



รปท 1.5 วสดโพลเมอร ไดแก หมวก ยาง ขวดพลาสตก ลกบลเลยด ชอนสอมพลาสตก


1.3.4 วสดกงตวน า (Semiconductor)

สมบตของวสดกงจ าพวกซลคอนหรอวสดผสมประเภท GaAs จะมความเปราะสง แตวสดเหลานเปนทนยมใชกบงานอเลกทรอนกส คอมพวเตอร และการสอสาร ทงนเพราะความสามารถในการน าไฟฟาของวสดกลมดงกลาวสามารถควบคมได ดงนนวสดกงตวน าจงถกน ามาผลตเปนชนสวนพวกทรานซสเตอรไดโอด และแผงวงจรรวม ดงแสดงในรป 1.6 งานทางดานการตดตอสอสารใชการสงขอมลโดยอาศยแสงชวย เราเรยกระบบนวา เสนใยแกวน าแสง วสดกงตวน าจะท าหนาทเปลยนสญญาณไฟฟาเปนแสงและเปลยนแสงเปนไฟฟา

รปท 1.6 แผงวงจรส าหรบชนสวนคอมพวเตอรและอปกรณอเลกทรอนกสตางๆ

(ทมา: https://preen55agun.wordpress.com/2013/01/)



1.3.5 วสดผสม (Composite Material)

วสดผสมเปนวสดทไดจาการน าวสดมากกวา 2 ชนดทมสมบตแตกตางกนมาขนรปรวมกน โดยสมบตทไดขนมาใหมจะแตกตางจากสมบตเดมเมอยงเปนวสดเดยว ตวอยางของวสดผสมไดแก คอนกรต ไมอด และใยแกวเสรมแรง สมบตใหมทไดจากการท าวสดประผสมประกอบดวย น าหนกเบา แขงแรง เหนยว ทนอณหภมสง เปนตน ตวอยางของงานทผลตจากวสดผสม ดงแสดงทในรปท 1.7 ชนสวนของเครองบนท าจากวสดผสมตางๆ

รปท 1.7 สวนประกอบของเครองบนโบอง 747 ทใชวสดผสมชนดตางๆ

(ทมา: Kalpakjian and Schmid, 2006)

1.4 สรป

หลกพนฐานทส าคญของวสด ประกอบดวย โครงสราง คณสมบต และกระบวนการผลต ทตางกน ยอมมผลตอการเลอกใชวสด โดยปจจบนวสดชนดหลกๆ ไดแก โลหะ เซรามค โพลเมอร วสดกงตวน า วสดกงผสม ทมความเหมาะสม ยอมจะสงผลตอสมรรถนะการใชงาน จากการศกษาพนฐานของวสดศาสตร ซงจะชวยใหสามารถตอยอดเพอเพมประสทธภาพคณสมบตแกตววสด และพฒนาสโลกแหงอนาคตตอไป



แบบฝกหดทายบทท 1

1. ขอใดไมใชความส าคญของความรพนฐานทางวสดทมตอวศวกร

ก.เพอเลอกใชวสดไดตรงกบงาน ข.เพอวเคราะหความเสยหายทเกดขนของวสด

ค.เพอการพฒนาสตรเคมวสดชนดใหม ง.เพอออกแบบผลตภณฑทเหมาะสม

2. ขอใดคอสงทท าใหวสดวศวกรรมแตกตางจากวสดศาสตร

ก.ความรในการประยกตใช ข.ความรเกยวกบการผลต

ค.ความรเกยวกบโครงสรางภายใน ง.ถกทกขอ

3 .อารยธรรมมนษยยคใดถอรากฐานการเกดศาสตรทางดานโลหะวทยาและโลหะผสม

ก.ยคหน ข.ยคบรอนซ

ค.ยคเหลก ง.ยคซลคอน

4.ขอใดจดเรยงล าดบการศกษาโครงสรางของวสดไดถกตอง

ก.โครงสรางอะตอม โครงสรางผลก โครงสรางมหภาค โครงสรางจลภาค

ข.โครงสรางผลก โครงสรางจลภาค โครงสรางอะตอม โครงสรางมหภาค

ค.โครงสรางอะตอม โครงสรางผลก โครงสรางจลภาค โครงสรางมหภาค

ง.โครงสรางจลภาค โครงสรางอะตอม โครงสรางผลก โครงสรางมหภาค

5. สมบตใดสงผลตอสมรรถนะทตองการใชงานดานวศวกรรมนอยทสด

ก.กระบวนการผลต ข.ความสวยงาม

ค.โครงสรางภายใน ง.สมบตวสด



6.ขอใดไมใชสมบตโลหะ

ก.น าไฟฟาไดด ข.มความแขงแรง

ค.ทนสารเคม ง.มความเหนยว

7.โพลเมอรมสมบตดานใดต า

ก.ความยดหยน ข.ทนการกดกรอน

ค.ความเปนฉนวนไฟฟา ง.ความแขงแรง

8. ขอใดคอสมบตของเซรามก

ก.น าไฟฟาด ข.ทนสารเคม

ค.น าความรอนไดด ง.ความแขงแรง

9. โพลเมอรมสมบตดานใดสง

ก.ความแขงแรง ข.การน าไฟฟา

ค.ความเปนฉนวนไฟฟา ง.ความแขงแรง

10. ขอใดไมใชสมบตของเซรามก

ก.เปนฉนวนไฟฟา ข.เปนฉนวนความรอน

ค.มความแขงแรง ง.มความเหนยว



เอกสารอางอง

ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology

(5th ed). NJ: Pearson Education. William D Callister. (2007). An Introduction Material Science and Engineering (7th ed).

New York: John Wiley & Sons. http://itc.gsw.edu/faculty/speavy/spclass/chemistry/atoms.htm https://preen55agun.wordpress.com/2013/01/

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 2

โครงสรางอะตอมและแผนภมสมดลของเฟส

หวขอเนอหา 2.1 โครงสรางอะตอมแนวคดและพนฐาน

2.2 อเลกตรอนในอะตอม 2.3 ตารางธาต 2.4 พนธะระหวางอะตอมในของแขง 2.5 พนธะปฐมภม

2.5.1 พนธะไอออนก 2.5.2 พนธะโควาเลนต 2.5.3 พนธะโลหะ

2.6 พนธะทตยภมหรอพนธะแวนเดอรวาลส 2.6.1 พนธะทเกดจากสองขวทเกดจากกการเหนยวน า 2.6.2 พนธะระหวางโมเลกลมขวกบสองขวทเกดจากการเหนยวน า 2.6.3 พนธะระหวางโมเลกลมขวกบโมเลกลมขว 2.7 โมเลกล 2.8 โครงสรางของแขงมผลก

2.8.1 หนวยเซลล (Unit cells) 2.8.2 โครงสรางผลกของโลหะ

2.9 อญรป (Allotropy) และหลายอญรป (Polymorphous) 2.10 ระบบผลก (Crystal System) 2.11 ผลกเดยว (Single crystals) และหลายผลก (Polycrystalline materials) 2.12 ของแขงทไมเปนผลก (Noncrystalline solid) 2.13 แผนภมสมดลเฟส (Equilibrium phase diagrams) 2.14 แผนภมเฟสเหลก-เหลกคารไบด (Fe-Fe3C) 2.15 โครงสรางจลภาคของโลหะผสมเหลก–คารบอน 2.16 สรป แบบฝกหดทายบทท 2 เอกสารอางอง

วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอผเรยน เรยนจบบทนแลวผเรยนควรมความรและทกษะดงน 1. อธบายชอแบบจ าลองอะตอม 2 ชนดทกลาวในบท และอธบายความแตกตาง

2. อธบายความส าคญของหลกการกลศาสตรควอนตมทเกยวเนองกบพลงงานของอเลกตรอน พนธะไอออนก โควาเลนต โลหะไฮโดรเจน และแรงแวนเดอรวาลส พรอมยกตวอยางวาวสดชนดใดมพนธะแบบใด



3. อธบายความแตกตางของโครงสรางอะตอม และโมเลกลของวสดทมผลกและไมมผลกได รวมถงเฟสเซนเตอรควบก (Face-Centered Cubic, FCC) บอดเซนเตอรควบก (Body – Centered Cubic, BCC) และเฮกซะโกนอลโคลสแพก ( Hexagonal Close Packed, HCP )

4. สามารถวาดแผนภมเฟสแบบยเทกตก (Eutectic) และแบบทละลายเขากนอยางสมบรณไดบอกเฟสทมอยในพนทเฟส (Phase region) ตางๆได บอกเสนลควดส (Liquidus line) โซลดส (Solidus line)

5. อธบายแผนภมเฟสทประกอบดวย 2 องคประกอบ บอกสวนผสมของแตละเฟส บอกปรมาณของแตละเฟสได รวมถงสวนผสมของเหลกกลาคารบอนทอยระหวาง 0.022-2.14%C วธสอนและกจกรรม

1. ทบทวนเนอหาในบทท 1 2. น าเขาสบทเรยนโดยการอธบายวตถประสงค ภาพรวมเนอหาในบทท 2 และบรรยายประกอบสอ

Power point 3. อธบายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน 4. ท าแบบฝกหดระหวางบทเรยน และตรวจสอบค าตอบของผเรยน 5. สอบถามผเรยนถาผเรยนมค าถามสงสย 6. มอบหมายใหผเรยนท าแบบฝกหดทายบทท 2 เปนการบาน




บทท 2 โครงสรางอะตอมและแผนภมสมดลของเฟส 27


บทท 2 โครงสรางอะตอมและแผนภมสมดลของเฟส

ในบทดงกลาวนจะกลาวถงสมบตบางประการของวสดของแขงนน มความสมพนธกบการจดเรยงตวของอะตอมและแรงกระท าระหวางกนของอะตอมหรอโมเลกล ความรพนฐานทส าคญของโครงสรางอะตอม การจดเรยงตวของอเลกตรอน ตารางธาต และพนธะปฐมภม พนธะทตยภม รวมไปถงโครงสรางวสดในระดบใหญขน โดยเฉพาะการจดเรยงตวของอะตอมในสภาพของแขงจากขอบเขตดงกลาวจะกลาวถงแนวคดพนฐานเกยวกบผลก และไมมผลก ความสมพนธกบแผนภมเฟสของโลหะผสมแตละชนด เพอทจะเขาใจเรองโครงสรางจลภาครวมทงผลตอสมบตทางกลของโลหะผสม นอกจากนแผนภมเฟสยงใหขอม ลส าคญตางๆเกยวกบการหลอมเหลว การหลอ การตกผลกใหม รวมทงปรากฎการณอนๆ 2.1 โครงสรางอะตอมแนวคดและพนฐาน

สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ (2548) ในแตละอะตอมประกอบดวยนวเคลยสขนาดเลกทมโปรตอนและนวตรอน ลอมรอบดวยวงโคจรของอเลกตรอน โปรตอนและอเลกตรอนเปนอนภาคมประจ 1.6 x 10-19 C โดยทโปรตอนมประจบวก และอเลกตรอนมประจลบ สวนนวตรอนไมมประจ มวลของอนภาคเหลานมขนาดนอยมากโปรตอนและนวตรอนมมวลประมาณ 1.67 x 10-27 Kg ซงมวลของอเลกตรอนทเทากบ 9.11 x 10-31 Kgชนดของธาตถกจ าแนกตามจ านวนโปรตอนในนวเคลยสโดย เรยกวาเปนเลขอะตอม (Z) ส าหรบอะตอมทเปนกลางไฟฟาจะมจ านวนอเลกตรอนเทากบเลขอะตอม เลขอะตอมเรมตงแต 1 ส าหรบไฮโดเจนจนถง 92 ส าหรบยเรเนยนซงเปนธาตทเกดตามธรรมชาตทมเลขอะตอมสงสด

มวลอะตอม (A) คอ ผลบวกของโปรตอนและนวตรอนภายในนวเคลยส อะตอมของธาตเดยวกนจ าเปนตองมจ านวนโปรตอนเทากน แตอาจมจ านวนนวตรอน (N) แตกตางกน อะตอมของธาตจงอาจมมวลอะตอมไดหลายคา เรยกวา ไอโซโทป (Isotope) ของธาตนนๆ น าหนกอะตอมของธาต คอ คาเฉลยแบบถวงน าหนกของไอโซโทปตางๆ ทเกดขนตามธรรมชาตของธาตนน เราอาจจะใชหนวยมวลอะตอม (amu) เปนตวค านวณน าหนกอะตอม โดยท 1 amu เทากบ 1/12 เทาของไอโซโทปคารบอนทพบมากทสด ซงคอ คารบอน 12(12C)(A=12.00000) ในการคดแบบนจะท าใหคามวลของโปรตอนและนวตรอนมากกวาหนงอยเลกนอย และ

A=Z+N (1)



น าหนกของอเลกตรอนหรอน าหนกของโมเลกลของสารประกอบอาจบอกไดเปนจ านวน amu ตออะตอม หรอมวลตอหนงโมล ปรมาณ 1 โมลเทากบ 6.02x1023 (เลขอาโวกาโดร) โดยความสมพนธระหวางการแสดงคาทง 2 วธการน คอ

1 amu/atom (หรอโมเลกล) = 1 g/mol

ตวอยางเชน น าหนกอะตอมของเหลกเทากบ 55.85 amu/atom หรอ 55.85 g/mol ความสะดวกในการใชงานขนอยกบความเหมาะสมในแตละกรณในหนงสอเลมนจะแบบ g/mol

2.2 อเลกตรอนในอะตอม

ในชวงครงหลงของศตวรรษท 19 มการคนพบปรากฎการณระดบอเลกตรอนสามารถอธบายไดความรทางกลศาสตรแบบฉบบ (Classical Mechanics) หลงจากนนมการพฒนาองคความรใหมทอธบายกฎเกณฑโครงสรางอะตอมและระดบโครงสรางยอยของอะตอม เรยกวา กลศาสตรควอนตม (Quantum mechanics) ซงเปนแนวความคดทท าใหเขาใจพฤตกรรมของอเลกตรอนและโครงสรางผลกของของแขง

พบวาเนอหาตอไปนเปนเพยงฐานอยางงายในการอธบายโครงสรางอะตอมเทานนแบบจ าลองอะตอมของบอหรเปนผลลพธเบองตนทไดจากควอนตม โดยมสมมตฐานวาอเลกตรอนมวงโคจรและต าแหนงทแนนนอนอยรอบนวเคลยส ดงแสดงในรปท 2.1

รปท 2.1 แบบจ าลองโครงสรางอะตอมของบอหร




หลกการหนงของกลศาสตรควอนตมทส าคญ คอ การตงกฎวาพลงงานอเลกตรอนมคาเฉพาะ หมายความวาอเลกตรอนสามรถมพลงงานไดบางคาเทานน ระดบพลงงานอเลกตรอนสามารถเปลยนแปลงได แตตองเปนการเปลยนแปลงไปสพลงงานทมคาเฉพาะเทานน กลาวไดวาเปนการเปลยนแปลงจากระดบชนพลงงานหนงไปสอกระดบชนพลงงานหนงเทานน โดยทดบชนพลงงานมคาเฉพาะไมใชเปนคาใดๆ กไดระยะหางระหวางระดบชนพลงงานจงเปนคาเฉพาะดวยเชนกน

แบบจ าลองของบอหรเปนความพยายามทจะอธบายต าแหนงทอยของอเลกตรอนและพลงงานของมน

แตตอมากมการคนพบวาแบบจ าลองนมขอจ ากดหลายประการทไมสามารถอธบายปรากฎการณของอเลกตรอนไดจงพฒนาแบบจ าลองใหมเรยกวา แบบจ าลองทางกลศาสตรคลน (Wave-mechanical Model) โดยทอเลกตรอนถกพจารณาวามสมบตแบบคลนและแบบอนภาคดวยในเวลาเดยวกน อเลกตรอนไมไดเปนอนภาคทโคจรในต าแหนงชนทแนนอนรอบๆ นวเคลยส ต าแหนงของอเลกตรอนไมแนนอน

เลขควอนตม เมออธบายพฤตกรรมของอเลกตรอนโดยใชแบบจ าลองทางกลศาสตรคลนลกษณะ

พฤตกรรมของอเลกตรอนก าหนดดวยเลขควอนตม กลาวคอ ขนาด รปราง และทศทางการกระจายตวของความนาจะเปนทจะพบอเลกตรอนนนสามารถแสดงก าหนดโดยเลขควอนตม 3 ตว นอกจากนระดบชนพลงงานในแบบจ าลองของบอหรสามารถแยกละเอยดเปนระดบชนพลงงานยอย (Sub shell) และเลขควอนตมจะบงบอกจ านวนนนพลงงานทมอยในแตละชนยอย ระดบพลงงานหลก (Shell) ถกแสดงดวยเลขควอนตมหลก (Principal quantum number) n เปนเลขจ านวนเตมเรมจากหนง หรอในบางครงแสดงดวยตวอกษร K, L, M, N, O แทนเลข 1 2 3 4 5 ตามล าดบ ดงแสดงในตารางท 2.1 เลขควอนตม n เปนเลขเดยวเกยวเนองกบแบบจ าลองของบอหรโดยบอกถงระยะหางอเลกตรอนจากนวเคลยสหรอต าแหนงของอเลกตรอน

เลขควอนตมทสอง คอ l บงบอกถงระดบชนพลงงานยอยแสดงดวยอกษร s p d f บอกถงรปรางของ

ระดบชนพลงงานยอยของอเลกตรอน เลขควอนตมตวทสองจะถกจ ากดโดยควอนตม n จ านวนชนพลงงานในแตระดบชนพลงงานยอยแสดงเลขควอนตมทสาม ml โดยระดบชนพลงงาน และระดบชนพลงงานยอย p d และ f ม 3 5 7 ชนพลงงานตามล าดบ (ตารางท 2.1) พลงงานของอเลกตรอนทกตวในระดบชนพลงงานยอยแตละชนเทากนหมด แตหากมสนามแมเหลกจากภายนอกเขาไปรบกวนจะท าใหปรมาณพลงงานของอเลกตรอนแตละตวในระดบชนพลงงานยอยแตกตางกนไปเลกนอย



ตารางท 2.1 จ านวนระดบชนพลงงานของอเลกตรอนในชนพลงงานหลก และระดบชนพลงงานยอย

Principal Quantum Number n

Shell Designation

Subshells Number of States

Number of Electrons Per Subshell Per Shell

1 K s 1 2 2

2 L s 1 2

8 p 3 6

3 M s 1 2

18 p 3 6 d 5 10

4 N

s 1 2

32 p 3 6 d 5 10 f 7 14

อเลกตรอนแตละตวจะมโมเมนตหมน (Spin moment) ซงอาจจะมทศทางขนหรอลง โมเมนตหมนของอเลกตรอนแสดงไวดวยควอนตมทม ms โดยอาจมคา +1/2 หรอ -1/2 ส าหรบทศทางการหมนสองแบบดงกลาวจะเหนไดวาแบบจ าลองของบอหรไดถกอธบายใหอธบายใหละเอยดขนดวยแบบจ าลองกลศาสตรควอนตมมาแสดงระดบชนพลงงานยอยในแตละระดบชนพลงงานหลกของอเลกตรอน

แผนผงแสดงระดบชนพลงงานโดยสมบรณตามแบบจ าลองทางกลศาสตรคลนไดถกแสดงไวในรปท 2.4จะสงเกตไดวาเลขควอนตมหลกทมคานอยจะมปรมาณพลงงานนอย เชน ชนท 1s มคาพลงงานต ากวาชน

2s และ ชน 2s มพลงงานต ากวาชน 3s ขอสงเกตขอทสอง คอ ภายในระดบชนพลงงานหลกเดยวกนพลงงานของชนยอยเพมขนตามคาตวเลขควอนตม l ดงเชนพลงงานของ 3d มากกวาของ 3p และ 3s ตามล าดบขอสงเกตขอสดทายคอมการทบเหลอมชอนกนของชนพลงงานหลกทอยตดกน โดยเฉพาะของชนยอย d และ f ตวอยางเชนพลงงานของ 3d นนมากกวาพลงงานของ 4s ดงแสดงในรปท 2.2



รปท 2.2 พลงงานของอเลกตรอนส าหรบระดบชนพลงงานหลกและระดบชนพลงงานยอยตางๆ


การจดเรยงอเลกตรอน กลาวถงสภาพหรอสถานะของอเลกตรอน (Electron state) ซงแสดงโดยระดบชนพลงงานทอเลกตรอนนนอย แตในการอธบายการเขาอยในระดบชนพลงงานตางๆ นนจะใชหลกการกดกนของพอล (Pauli Exclusion Principle) ซงเปนแนวคดหนงในกลศาสตรควอนตม หลกการนกลาววาแตละชนพลงงานนนสามารถรองรบอเลกตรอนไดเพยง 2 ตว โดยทอเลกตรอนแตละตวจะตองมโมเมนตหมนทตรงขามกน คอ ขนและลง ดงนนระดบชนพลงงานยอย s p d f จงสามารถรองรบอเลกตรอนได 2 6 10 และ 14 ตวตามล าดบ (ตารางท 2.1) แสดงจ านวนอเลกตรอนทชนพลงงานหลกสชนแรกรองรบไดแนนอนวาระดบชนพลงงานตางๆ ไมไดมอเลกตรอนอยทงหมด

ในอะตอมสวนใหญอเลกตรอนจะเตมเตมในชนพลงงานหลกตามชนยอยตางๆทมพลงงานนอยทสด และแตละสถานนะของอเลกตรอนจะสามารถรองรบอเลกตรอนได 2 ตวทมทศทางการหมนทตรงขามกน โดยสรางการเรยงตวของอเลกตรอนในอะตอมของโซเดยมไดถกแสดงไวในรปท 2.3 เมออเลกตรอนทงหมดในอะตอมอยในชนพลงงานทต าทสดตามขอก าหนดทกลาวขางตนเราเรยกวา การจดเรยงอเลกตรอน (Electron configuration) หรอโครงสรางของอะตอมคอการแสดงถงลกษณะทอเลกตรอนเขาไปอยในระดบชนพลงงานตางๆสญลกษณทใชทวไปในการแสดงจ านวนอเลกตรอนในแตละชนยอย จะเขยนเลขจ านวนอเลกตรอนไวเปนตวยกบนอกษรของชนยอยนน ตวอยางเชน การเรยงตวของอเลกตรอนในไฮโดรเจน ฮเลยม และโซเดยม เขยนแสดงวา 1s2, 1s2 และ 1s2 2s2 2p6 3s1 ตามล าดบ ดงตารางท 2.2



รปท 2.3 ลกษณะการอยของอเลกตรอนในระดบชนพลงงานของอะตอมโซเดยม


ตารางท 2.2 แสดงการจดเรยงอเลกตรอนของธาตหลายตวทพบบอยในงานวศวกรรมวสด



วาเลนซอเลกตรอน (Valence electron) หรออเลกตรอนวงนอก เปนอเลกตรอนทอยในวงโคจรนอกสด และส าคญมากเนองจากท าใหเกดพนธะระหวางอะตอมและโมเลกล มผลตอสมบตทางกายภาพและทางเคมของวสด

นอกจากนอะตอมบางตวมการจดเรยงอเลกตรอนทเสถยรคอระดบชนพลงงานชนนอกวสดมอเลกตรอนอยเตมโดยปกตเปนอะตอมทชน s และ p เปนชนนอกสดและมอเลกตรอนอยเตมเทากบ 8ตว ดงเชนในธาต นออน อารกอน ครปทอน ยกเวนแตฮเลยมทมเพยงอเลกตรอน 2 ตวในชน 1s เปนชนนอกสด ธาตเหลานเปนธาตเฉอย (Inert หรอ Noble) ไมท าปฏกรยากบธาตตวอนๆ อะตอมของธาตตวอนๆ ทชนพลงงานนอกสดมอเลกตรอนอยไมเตมจะสามารถมการจดเรยงตวเสถยรไดโดยรบหรอสญเสยอเลกตรอน เกดเปนไอออนทมประจ หรอโดยการใชอเลกตรอนรวมกนกบธาตอน ซงเปนหลกการพนฐานในการเกดปฏกรยาเคมและพนธะในวสดของแขง ดงทจะอธบายในหวขอ 2.4

ในกรณพเศษชน s และ p อาจมการผสมกนเปนชนผสม spn โดย n แสดงถงจ านวนชน p ทเขามาผสม ซงอาจม 1 2 หรอ 3 จนพบการเกดชนผสมบอยในธาตหม 3a 4a 5a ในตารางธาตแรงผลกดนทท าใหเกดชนผสมคอสามารถลดปรมาณพลงงานของวาเลนซอเลกตรอนลงดงชนผสม sp3 ในคารบอนนนส าคญมากตอเคมอนทรยและพอลเมอรรปรางของชนผสม sp3 ท าใหมมระหวางสายโซพอลเมอรเทากบ 109o

2.3 ตารางธาต

สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ (2548) จากทกลาวมาในชนของอเลกตรอนขางตนธาตในกลม Vlla (f cl Br และ At) เรยกวา ธาตฮาโลเจน (Halogen) สวนธาตในหม la และ lla (li na k be mg ca และอนๆ) เรยกวา เปนโลหะอลคาไลน และโลหะอลคาไลนเอรธตามล าดบ ซงมอเลกตรอนเกนอย 1 และ 2 ตว ตามล าดบ ธาตใน 3 แถวจากหม lllb ถง llb เปนโลหะทรานชชน (Transition metal) ซงมชนยอย d ทมอเลกตรอนอยไมเตม และในธาตชนยอย s ในชนพลงงานหลกถดไปกมอเลกตรอนอยไมเตม ธาตในหม llla lva และ v a (B Si Ge As และอนๆ) มโครงสรางทางอเลกตรอนทท าใหสมบตกงโลหะและกงอะโลหะ ดงแสดงในรปท 2.4

ธาตสวนใหญอาจถกจดแบงประเภทเปนอเลกโตรโพลทฟ (Electropositive) คอ พวกทสามารถสญเสยอเลกตรอนแลวกลายเปนไอออนบวก ส าหรบธาตทอยทางขวาของตารางธาตเปนประเภทอเลกโตรเนกาทฟ (Electronegative) คอ แนวโนมทจะรบอเลกตรอนเกดเปนไอออนลบ หรออาจจะใชอเลกตรอนรวมกบอะตอมอน รปท 2.5 แสดงคาความสามารถในการรบอเลกตรอนแลวเกดเปนไอออนลบของธาตตางๆ ในตารางธาต โดยทวไปคาอเลกตรอนเนกาทวตจะเพมขนจากหมทางดานซายไปหมทางดานขวาและจากแถวดานลางไปแถวทางดานบนตารางธาต อะตอมจะมแนวโนมทจะรบอเลกตรอนไดดหากชนพลงงานนอกสดนนเกอบเตม หรอเปนอะตอมขนาดเลกทมจ านวนอเลกตรอนทมจ านวนอเลกตรอนอยนอยเพราะการมอเลกตรอนอยมากจะท าใหลดแรงดงดดจากนวเคลยสลง



รปท 2.4 แสดงตารางธาตทบอกถงจ านวนอะตอม สญลกษณ และน าหนกของอะตอม


รปท 2.5 แสดงคาอเลกโตรเนกาทวต (Electronegativity)




2.4 พนธะระหวางอะตอมในของแขง

สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ (2548) สมบตทางกายภาพของวสดสามารถถกอธบายได โดยการศกษาแรงกระท าทท าใหเกดพนธะระหวางอะตอม พนธะระหวางอะตอมอาจจะอธบายไดงายทสดโ ดยพจารณาอะตอม 2 ตวทเคลอนตวมาอยใกลกนจากระยะอนนต (Infinity) ณ ทระยะหางกนมากๆ แรงกะท าระหวางอะตอมจะมนอยมาก แตเมออะตอมทงสองเคลอนตวเขาหากน แรงกระท าระหวางอะตอมกจะมมากขนเรอยๆ แรงกระท าม 2 แบบ คอ แรงดดและแรงผลกและขนาดแรงทงสองนนขนอยกบระยะหางระหวาง 2 อะตอม ชนดของแรงดด (FA) ขนอยกบชนดของพนธะและการเปลยนแปลงขนาดตามทแสดงในรปท 2.6 (ก) เมอชนพลงงานของอเลกตรอนของ 2 อะตอมเรมเหลอมชอนกน แรงผลก (FR) กจะเพมขนเรอยๆ ผลของแรงลพธ (FN) ระหวางสองอะตอม คอ ผลบวกระหวางแรงดงดดและแรงผลกดงสมการท 2 และ 3

FN = FA+FR (2)

ซงขนอยกบระยะระหวางอะตอมดงแสดงในรปท 2.6 (ก) เมอแรงดงดดสมดลกบแรงผลก ท าใหแรงลพธเทากบศนย FA+FR = 0 (3)

กเกดสภาวะขน ระยะหางระหวางจดศนยกลางของสองอะตอมเปนระยะทสมดล ro ดงทเขยนก ากบ

รปท 2.6 (ก) สวนใหญระยะสมดลจะมคาประมาณ 0.3 nm เมออะตอมทงสองอยในต าแหนงทมระยะหางน มนจะไมเคลอนตวเขาหากนอกเนองจากถกตานโดยแรงผลก และไมแยกหางออกจากกนเนองจากถกตานจากแรงดงดดพจารณาพลงงานศกยระหวางสองอะตอม จะเขยนความสมพนธทางคณตศาสตรไดวา

∫ (4)

หรอส าหรบระบบทมหลายอะตอมอยรวมกน

∫ (5)

∫ ∫ (6)

= EA+ER (7)



โดยท EN EA และ ER คอ พลงงานลพธ พลงงานดงดด และพลงงานผลกของสองอะตอมและทเกดกบอะตอมขางเคยง

รปท 2.6 แสดงแรงกระท าทท าใหเกดพนธะระหวางอะตอม

(ก) แรงดด แรงผลก และแรงลพธขนอยกบระยะระหวางอะตอม (ข) พลงงานดงดด พลงงานผลก และพลงงานลพธขนอยกบระยะระหวางอะตอม


(ก)

(ข)



ถงแมวาทกลาวมาขางตนพจารณาเพยง 2 อะตอม การพจารณาระบบทมหลายอะตอมดงในเนอวสดของของแขงคลายคลงกน เพยงแตจะยงยากซบซอนกวาเนองจากตองพจารณาแรงกระท าและพลงงานระหวางหลายๆอะตอมแตยงคงสามารถหาพลงงานพนธะส าหรบแตละอะตอมในรปแบบทคลายกบ คา EO ได คาของพลงงานพนธะและรปทรงของเสนกราฟแสดงความสมพนธะทเกด มสมบตของวสดหลายประการทขนอยกบคา EO รปทรงความโคงของเสนกราฟและชนดของพนธะ ตวอยางเชน วสดทมคาพลงงานพนธะสงจะมจดหลอมเหลวสงมสถานะเปนของแขงทอณหภมหอง ในขณะทวสดทมคาพลงงานพนธะต าจะมสถานะเปนกาซทอณหภมหอง และคาพลงงานพนธะปานกลางมผลใหวสดนนมสถานะเปนของเหลวความสามารถคงรป (Stiffness) ซงบงบอกโดยคามอดลสความยดหยนนนขนอยกบรปทรงของกราฟแรง - ระยะหางระหวางอะตอม วสดทสามารถคงรปไดดนน เสนกราฟในบรเวณ r0 จะมความชนสง สวนวสดทยดหยน เสนกราฟจะคอนขางลาดไมชนนก

พนธะทางเคมหรอพนธะปฐมภมระหวางอะตอมในวสดของแขงสามารถแบงไดเปน 3 ประเภท คอ พนธะไอออนก พนธะโควาเลนต และพนธะโลหะ การเกดพนธะแตละประเภทลวนเกยวเนองกบวาเลนซอเลกตรอน อกทงขนอยกบโครงสรางการจดเรยงอเลกตรอนของอะตอมทเกดพนธะดวย โดยทวไปพนธะเกดจากการทอะตอมมแนวโนมทจะมโครงสรางทางอเลกตรอนทเสถยร คอ แบบธาตเฉอย ทชนพลงงานนอกสดมอเลกตรอนอยเตม

ในวสดแขงหลายชนดยงมแรงพลงงานทางกายภาพ หรอแรงและพลงงานทตยภม ซงออนกวาพนธะปฐมภมและมผลตอสมบตทางกายภาพตอวสดเชนกน

2.5 พนธะปฐมภม

2.5.1 พนธะไอออนก

พบในสารประกอบทเกดจากธาตโลหะและอโลหะ ซงกคอธาตทอยฝงซายและขวาของตารางธาต อะตอมของธาตโลหะสญเสยวาเลนชอเลกตรอนใหกบธาตอโลหะ เกดเปนไอออนทมอเลกตรอนในชนนอกสดทเตมเหมอนกบธาตเฉอย ตวอยางเชน โซเดยมคลอไรด (NaCl) อะตอมของโซเดยมสญเสยอเลกตรอน 3s หนงตวใหกบคลอรน เกดเปนไอออนประจบวกหนงทมโครงสรางทางอเลกตรอนเหมอนนออนคลอรนรบอเลกตรอนหนงตวเปนไอออนทมประจลบหนง มโครงสรางทางอเลกตรอนเหมอนอารกอน ในโซเดยมคลอไรด โซเดยมและคลอรนอยรปไอออน พนธะแบบนไดถกแสดงไวในรปท 2.7



รปท 2.7 พนธะไอออนกในโซเดยมคลอไรด (NaCl)


แรงดงดดทเกดจากพนธะน คอ แรงคลอมบ (Coulombic force) ซงเปนแรงดงดดระหวางไอออน

บวกและไอออนลบทมประจตรงกนขาม พลงงานดงดด (EA) ระหวางไอออน 2 ตวแปรผนกบระยะหางระหวางไอออนตามสมการ

(8)

พลงงานผลกสามารถเขยนไดในรปสมการคลายกน คอ

(9)

โดย A B และ n เปนคาคงทขนอยกบระบบไอออนกนนๆ คา n มคาประมาณ 8 พนธะไอออนกไมมทศทางเนองจากมขนาดเทากนในทกทศทาง นนหมายความวาในวสดไอออนกทเสถยรนนไอออนบวกจะตองถกลอมรอบดวยไอออนลบในทกทศทางในสามมต และในท านองเดยวกนไอออนลบจะตองถกลอมรอบดวยไอออนบวกในทกทศทางดวยไอออนบวกในทกทศทางดวย วสดเซรามกสวนใหญจะมพนธะไอออนก

โดยทวไปพลงงานพลงงานพนธะไอออนกมคาระหวาง 600 ถง 1,500 kJ/mol (3 ถง 8 eV/atom) ซงคอนขางสง ดงเหนไดวาวสดไอออนกมจดหลอมเหลวทสง ตารางท 2.3 แสดงพลงงานพนธะและจดหลอมเหลวของวสดไอออนกหลายประเภท วสดไอออนกจะแขง เปราะเปนฉนวนไฟฟาและฉนวนความรอน



ตารางท 2.3 พลงงานพนธะและจดหลอมเหลวของวสดบางชนด

2.5.2 พนธะโควาเลนต

ในพนธะโควาเลนตรปแบบการจดเรยงตวอเลกตรอนทเสถยรนนเกดจากการใชอเลกตรอนรอมกนระหวางอะตอมทอยใกลเคยง อะตอม 2 ตว เกดพนธะโควาเลนตระหวางกนจะแบงใชอเลกตรอนอยางนอย 1 ตวรวมกน และอเลกตรอนทถกแบงนถอวาเปนของทง 2 อะตอม รปท 2.8 แสดงพนธะโควาเลนตในโมเลกลมเทน (CH4) อะตอมคารบอนมวาเลนซอเลกตรอน 4 ตว ในขณะทอะตอมไฮโดรเจนแตละตวมวาเลนซอเลกตรอน 1 ตว อะตอมไฮโดรเจนจะสามารถมโครงสรางทางอเลกตรอนแบบฮเลยม (มอเลกตรอนในชน 1 s

สองตว) ไดโดยบงใชอเลกตรอน 1 ตวจากอะตอมคารบอน

ดงนน อะตอมคารบอนไดรบแบงอเลกตรอน 4 ตว จากอะตอมไฮโดรเจนทอยลอมรอบทงส ท าใหมอเลกตรอนชนนอกสดเทากบแปด มโครงสรางทางอเลกตรอนเหมอนนออน พนธะโควาเลนตมทศทาง คอ

เกดพนธะขนระหวางขนระหวางอะตอมทมการใชอเลกตรอนรวมกนเทานน



รปท 2.8 พนธะโควาเลนซของมเทน (CH4)

(ทมา: William D Callister, 2007) พนธะโควาเลนตในโมเลกลของธาตอโลหะ (H2 Cl2 F2 และอนๆ) และโมเลกลของสารประกอบ เชน

CH4 H2O HNO3 และ HF พนธะระหวางอะตอมของธาตของแขงบางตวกเปนแบบโควาเลนต เชน เพชร (คารบอน) ซลคอน เจอรเนยม และสารประกอบทเกดจากธาตทางฝงขวาของตารางธาต เชน แกลเลยม อารเซไนต (GaAs) อนเดยมแอนตโมไนต (InSb) และซลคอนคารไบด (Sic)

จ านวนพนธะทมคาโวเลนตทแตละอะตอมนนสรางขนอยกบจ านวนวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมนน ส าหรบธาตทมวาเลนซอเลกตรอน N’ ตวจะสามารถสรางพนธะโควาเลนตกบอะตอมอนได 8–N’ พนธะ ตวอยางเชน ธาตคลอรนม N’=7 มคา 8-N’ = 1 หมายความวาคลอรนสามารถสรางพนธะกบอะตอมอนไดเพยงตวเดยว เชน เกดพนธะกบอะตอมคลอรนอก 1 ตวเปน Cl2 ส าหรบคารบอน N’ = 4 อะตอมคารบอนแตละตวสามารถสรางพนธะได 8-N’= 4 พนธะคอ แบงอเลกตรอนได 4 ตว โครงสรางเพชรเกดจากพนธะโควาเลนตระหวางอะตอมคารบอนกบอะตอมคารบอนทอยลอมรอบ 4 ตว ตอเนองกนไปในสามมต

พนธะโควาเลนตอาจมความแขงแรงสง เชน ทพบในเพชรท าใหเพชรมความแขงและจดหลอมเหลวทสงมาก (>3550 0C) หรออาจมความแขงแรงทต ามาก เชน ทพบในบสมท ซงหลอมละลายทอณหภม 270oC

ตารางท 2.3 แสดงพลงงานพนธะและจดหลอมเหลวของวสดทมพนธะโควาเลนตบางตว วสดพอลมเมอรเปนตวอยางของวสดทมพนธะโควาเลนต มโครงสรางโมเลกลเปนสายโซของอะตอมคารบอนเชอมโยงดวยพนธะโควาเลนต 2 พนธะแบงใชอเลกตรอน 2 ตว สวนวาเลนซอเลกตรอนอก 2 ตว ทเหลอจะสรางพนธะคาโวเลนตกบอะตอมอนโครงสรางโมเลกลของพอลเมอร พนธะกงไอออนกกงโควาเลนตอาจเกดขนได และในความเปนจรงแลวมสารประกอบเพยงไมกตวทเกดจากพนธะไอออนกหรอโควาเลนตหรอไอออนกนนขนอยกบต าแหนงสมพนธในตารางธาตของธาตทเปนองคประกอบในสารนน หากต าแหนงของธาตประกอบอยหางกนมาก พนธะกจะมความเปนไอออนกมากขน เนองจากมความแตกตางระหวางคาอเลกโตรเนกาทวตมาก ในทาง



ตรงกนขาม หากต าแหนงของธาตองคประกอบอยใกลเคยงกน (คาอเลกโตรเนกาทวตไมตางกนมาก) พนธะทเกดขนกมความเปนโควาเลนตมาก เปอรเซนตลกษณะความเปนพนธะไอออนกระหวางธาต A และ B (โดยท A เปนธาตทมคาอเลกโตรเนกาทวตสงกวา) อาจจะประมาณไดจากสมการ

% ionic character = {1-exp[-(0.25) (XA-XB)

2]} x 100 (10)

โดยท XA และ XB คอ คาอเลกโตรเนกาทวตของ A และ B ตามล าดบ

2.5.3 พนธะโลหะ

พนธะปฐมภมแบบสดทาย คอ พนธะโลหะ ซงพบในธาตโลหะและโลหะผสม แบบจ าลองทคอนขางงายส าหรบพนธะนกลาววา อะตอมโลหะมวาเลนซอเลกตรอน หนงสองหรออยางมากสามตว โดยทวาเลนซอเลกตรอนเหลานไมไดอยกบอะตอมใดอะตอมหนง (รปท 2.9) แตมความอสระทจะเคลอนตวไปทวชนวสดโลหะอาจคดไดวาอเลกตรอนเหลานเปนของทกอะตอมโดยรวมหรอของวสดโลหะทงชน เรยกวาเปน ทะเลของอเลกตรอน (Sea of electron) หรอหมอกอเลกตรอน (Electron cloud) ซงมประจลพธเปนบวกเทากบปรมาณประจลบทเกดจากวาเลนซอเลกตรอนตอ 1 อะตอม อเลกตรอนอสระเปนตวกนไมใหเกดแรงผลกกนระหวางประจบวกของแกนไอออน ดงนนพนธะโลหะจงเปนพนธะทมลกษณะทไมมทศทาง

นอกจากน อเลกตรอนอสระกเปนตวเชอมแกนไอออนเขาดวยกน ตารางท 2.3 แสดงคาพลงงานพนธะและจดหลอมเหลวของวสดโลหะหลายชนดพนธะอาจมความแขงแรงสง หรอต าคาพลงงานพนธะอยระหวาง 68 kJ/mole (0.7eV/atom) ในปรอทถง 850 kJ/mol (8.8 eV/atom) ในทงสเตนจดหลอมเหลวของโลหะทงสองเทากบ -39 oC และ 3,410 oC ตามล าดบ

พนธะโลหะพบในธาตหม lA และllA ในตารางธาตและธาต อนๆท เปนโลหะทกชนด สมบตทวไปบางประการของวสดประเภทตางๆ เชน โลหะ เซรามก พอลเมอร อาจจะอธบายไดดวยชนดของพนธะ ตวอยางเชน โลหะ เปนตวน าไฟฟาและความรอนทด ผลเนองมาจากการทมอเลกตรอนอสระ ในทางกลบกนวสดทเกดพนธะไอออนกและโควาเลนตจะเปนฉนวนความรอนและฉนวนไฟฟาเนองจากไมมอเลกตรอนอสระ



รปท 2.9 พนธะโลหะ


2.6 พนธะทตยภมหรอพนธะแวนเดอรวาลส

พนธะทตยะภมหรอแวนเดอรวาลสพนธะทางกายภาพ ซงเมอเปรยบเทยบกบพนธะปฐมภมหรอพนธะเคมแลวมความแขงแรงต า คาพลงงานพนธะอยในชวง 10 kJ/mol (0.1eV/atom) พนธะทตยภมเกดขนเกดระหวางทกอะตอมหรอโมเลกล แตไมเดนชดเนองจากมพนธะปฐมภมทแขงแรงอย พนธะทตยภมจะปรากฏเดนชดในกาชเฉลอยซงมโครงสรางทางอเลกตรอนทเสถยรไมมพนธะปฐมภม อกกรณหนงพบ คอพนธะทตยภมทเกดขนระหวางโมเลกลโดยทพนธะภายในโมเลกลเปนแบบโควาเลนต

รปท 2.10 พนธะแวนเดอรวาลสระหวางไดโพล 2 อน




แรงของพนธะทตยภมเกดจากการเกดสองขวหรอไดโพล (Dipole) ของอะตอมหรอโมเลกล เมอใดกตามทมการแยกกนเปนบรเวณประจบวกลบภายในหนงอะตอมหรอโมเลกล กจะเกดขวไฟฟาเปนสองขวขนจะมพนธะเกดขนเกดจากแรงดงคลอมบดงดด ระหวางบรเวณขวไฟฟาบวกของอะตอมหรอโมเลกลหนงบรเวณขวไฟฟาลบของอกอะตอมหรอโมเลกลหนงทใกลเคยงกน ดงแสดงรปท 2.9 แรงกระท าระหวางสองขวอาจเกดระหวางสองขวทเกดจากการเหนยวน า (Induced dipole) หรอระหวางสองขวทเกดจากการเหนยวน ากบโมเลกลทมสองขว (Polar molecule) หรอระหวางโมเลกลทมสองขวเอง พนธะไฮโดเจนเปนพนธะทตยภมชนดพเศษทเกดระหวางโมเลกลทมธาตไฮโดเจนเปนองคประกอบ กลไกการเกดพนธะทตยภมจะสามารถอธบายได ดงน

2.6.1 พนธะทเกดจากสองขวทเกดจากกการเหนยวน า

อาจเกดสองขวขนในอะตอมหรอโมเลกลทปกตมความเปนกลางทางไฟฟา ซงมการกระจายตวของอเลกตรอนรอบๆนวเคลยสนนสามาตรกนในทกทศทางดงในรปท 2.11 (ก) เนองจากอะตอมมการสนตวอยตลอดเวลาอาจท าใหเกดการไมสมมาตรของการกระจายตวของอเลกตรอนขนไดในระยะเวลาสนๆได กอนทจะกลบเปนสมมาตรเปนกลทางไฟฟาดงเดมในชวงเวลาสนๆนเกดขวไฟฟาสองขวขนเปนปรมาณเลกนอยดงในรป 2.11 (ข) การเกดสองขวขนในอะตอมหนงจะเหนยวน าใหเกดการบดเบยวของการกระจายตงของอเลกตรอนในอะตอมขางเคยง ท าใหเกดแรงดดอยางออนๆ ระหวางอะตอมทเกดสองขวนขนปรากฏการณนถอเปนพนธะแวนเดอรวาลสแบบหนง แรงดงดดอาจเกดขนระหวางอะตอมหรอโมเลกลจ านวนมากๆ โดยทแรงทเกดขนนนมการเปลยนแปลงไมถาวร

รปท 2.11 พนธะทเกดจากสองขว

(ก) อะตอมทมความสมมาตรทางไฟฟา (ข) อะตอมทถกเหนยวน าท าใหเกดสองขว


(ก) (ข)



การควบแนนเปนของเหลวและการแขงตวของกาซเฉอยและโมเลกลทเปนกลางทางไฟฟาอนๆ เชน H2 Cl2 นนเกดจากแรงดงดดระหวางอะตอมของพนธะประเภทน วสดทมพนธะทตยภมแบบสองขวเหนยวน าอยางเดยวจะมอณหภมจดหลอมเหลวและจดเยอกแขงทต ามากเปนพนธะทมความแขงแรงต าสด พลงงานพนธะและจดหลอมเหลวของอารกอนและคลอรนไดถกรวมไวใน ตารางท 2.3

2.6.2 พนธะระหวางโมเลกลมขวกบสองขวทเกดจากการเหนยวน า

โมเลกลบางชนดเกดขวไฟฟาถาวรสองขวขนเนองจากความไมสมมาตรของบรเวณทมประจบวกและบรเวณทมประจลบ โมเลกลประเภทนเรยกวา โมเลกลมขว (Polar molecule) ตวอยางเชนโมเลกลไฮโดรเจนคลอไรดในรปท 2.12 เกดขวบวกและลบขนในดานไฮโดเจนและคลอรนตามล าดบ โมเลกลมขวสามารถเหนยวน าใหเกดสองขวขนไปในโมเลกลทไมมขวได ท าใหเกดพนธะดงดดระหวางสองโมเลกลขน ความแขงแรงของพนธะทเกดแบบนจะมากกวา แบบทเกดระหวางสองขวทเกดจากการเหนยวน าแบบชวคราว

รปท 2.12 โมเลกลไฮโดรเจนคลอไรด (HCI) ทมสองขว


2.6.3 พนธะระหวางโมเลกลมขวกบโมเลกลมขว

เกดแรงแวนเดอรวาลสดงดดระหวางโมเลกลมขวสองขวโมเลกลทอยใกลเคยงกน พลงงานพนธะมคามากกวาแบบทเกดกบสองขวแบบเหนยวน า

พนธะทตยภมทแขงแรงทสด คอ พนธะไฮโดรเจน ซงเปนแบบหนงของพนธะทเกดระหวางโมเลกลมขว เกดขนระหวางโมเลกลทประกอบดวยไฮโดเจนกบฟลออรนหรอไฮโดรเจนกบออกซเจนหรอไฮโดรเจนกบไนโตรเจน เชน HF H2O และ NH3 ในโมเลกลเหลานไฮโดเจนเกดพนธะโควาเลนตแบงอเลกตรอนทมเพยงตวเดยวกบอะตอมอน ท าใหอเลกตรอน 1 ตวทมประจบวกในนวเคลยสโดยทไมถกกนโดยอเลกตรอนใดๆ เกดเปนบรเวณประจบวกทสง เกดแรงดงดดกบบรเวณประจลบของโมเลกลขางเคยง ดงแสดงในรปท 2.13 ส าหรบโมเลกล HF อาจกลาวเปนภาพโดยรวมไดวาโปรตอน 1 ตวสรางแรงดงดดขนและยดเชอมระหวางอะตอมทมประจลบ 2 ตว คาพลงงานงานของพนธะไฮโดรเจนจะสงกวาพนธะทตยภมประเภทอนๆ อาจมคา



สงถง 51 kJ/mol (0.52 eV/molecule) ดงแสดงในตารางท 2.3 จดหลอมเหลวและจดเดอดของไฮโดรเจนฟลออไรดและ น าจะสงผดปกตส าหรบโมเลกลทมมวลต า มผลเนองมาจากพนธะไฮโดรเจน

รปท 2.13 พนธะไฮโดรเจนในไฮโดรเจนฟลออไรด (HF)


2.7 โมเลกล

โมเลกลหลายชนดเกดจากกลมอะตอมทยดกนดวยพนธะโควาเลนตทแขงแรง ดงเชนโมเลกกลทประกอบดวยธาต 2 ตว (F2 O2 H2 และอนๆ) รวมทงสารทประกอบหลายตว เชน H2O CO2 HNO3 C6H6 CH4

เปนตน ในสถานะของเหลวและของแขง พนธะระหวางโมเลกลเปนพนธะทตยภมทไมแขงแรง ท าใหวสดทเกดจากโมเลกลเหลานมอณหภมจดหลอมเหลวละจดเดอดต า โมเลกลทมขนาดเลกในสภาพแวดลอมทวไปจะมสถานะเปนกาซในทางตรงกนขาม วสดพอลเมอรประกอบดวยโมเลกลขนาดใหญ มสถานะเปนของแขง โดยทสมบตบางประการของพอรลเมอรขนอยกบแรงแวนเดอรวาลสและพนธะไฮโดรเจน

2.8 โครงสรางของแขงมผลก สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ (2548) วสดทมสถานะเปนของแขงสามารถแบงออกไดตาการจดเรยงตวของอะตอม ส าหรบวสดทอะตอมมการจดเรยงตวอยางเปนระเบยบ มแบบแผนซ า ๆ กน จะเรยกวา มโครงสรางผลก (Crystal structure) การจดเรยงตวของอะตอมอยางมแบบแผนใน 3 มตจะเกดขนในระหวางการแขงตว อะตอมทอยตดกนจะมพนธะยดเหนยวกน ในการแขงตวแบบปกต วสด คอ โลหะ เซรามกและพอลเมอรจะมโครงสรางผลก หรออะตอมมการจดเรยงตวอยางเปนระเบยบ แตในบางกรณวสดกอาจไมมโครงสรางผลกเนองจากการเยนตวไมเหมาะสมท าใหโครงสรางทไดไมเปนผลก (Noncrystalline) หรออสณฐาน (Amorphous) ซงจะกลาวถงตอไปในบทน ส าหรบวสดทอะตอมจดเรยงตวอยางเปนระเบยบ สมบตของวสดเหลานขนอยกบโครงสรางผลกและการจดเรยงตวของอะตอมหรอโมเลกล โครงสรางผลกมหลายแบบ ตงแตแบบงาย ไมซบซอนจนถงโครงสรางทซบซอนมากของเซรามกหรอพอลเมอรบางประเภท



ส าหรบการอธบายเกยวกบโครงสรางผลกตอไปในบทน จะใชทรงกลมทมความยาวเสนผานศนยกลางแนนอนคาหนงเปนตวแทนไอออนหรออะตอม จงเรยกแบบจ าลองทสรางโดยใชทรงกลมแทนอะตอมวา “แบบจ าลองทรงกลมแขงของอะตอม (Atomic hard sphere model )” โดยใหทรงกลมทแทนอะตอมนเรยงชดตดกนตวอยางการเรยงตวของอะตอมในโครงสรางอยางงายโดยอาศยแบบจ าลองทรงกลมแขงของอะตอมแสดงไวในรปท 2.14 (ค) ซงพบอยในโลหะทวไป บางกรณมการใชค าวา โครงผลก (Lattice) แทนค าวาโครงสรางผลก แตการใชค าวาโครงผลกนจะหมายความถงการเรยงตวของอะตอมโดยทใชจดแสดงต าแหนงของอะตอมในโครงสรางผลก

2.8.1 หนวยเซลล (Unit cells)

การเรยงตวของอะตอมในโครงสรางผลกนน สามารถแบงออกเปนหนวยยอยหรอกลมอะตอมทมการเรยงตวเปนแบบแผนซ ากน ดงนน การอธบายโครงสรางผลกจะใชกลมอะตอมทมการเรยงตวซ ากนทมขนาดเลกทสดเรยกวา หนวยเซลล หนวยเซลลสวนมากมรปรางเปนลกบาศกหรอปรซมฐานสเหลยมทมดานขนานกน 3 ค รปท 2.14 (ค) แสดงหนวยเซลลรปลกบาศก หนวยเซลลทเลอกมาเปนสงแสดงความสมมาตรในโครงสรางผลกระยะความกวางแตละดานของหนวยเซลลสามารถบอกต าแหนงของอะตอมได เมอพจารณาใหหนวยเซลล คอ หนวยของโครงสรางพนฐานทประกอบขนเปนผลก เราจะสามารถบอกลกษณะทางเรขาคณตและต าแหนงของอะตอมโดยใหอะตอมอยทต าแหนงเดยวกบมมของหนวยเซลล นอกจากนในบางครงอาจเลอกมาพจารณามากกวาหนงหนวยเซลล แตโดยทวไปจะพจารณาจากหนวยเซลลทมขนาดเลกทสด

2.8.2 โครงสรางผลกของโลหะ

อะตอมของโลหะจะยดเหนยวกนดวยพนธะโลหะซงโดยธรรมชาตเปนพนธะแบบไมมทศทาง และไมมขอจ ากดของจ านวนและต าแหนงของอะตอมขางเคยง จงสามารถมอะตอมขางเคยงไดมากใหการเรยงของอะตอมทยดกนดวยพนธะโลหะคอนขางแนน การจดเรยงตวของอะตอมในโลหะกสามารถใชแบบจ าลองโดยใหทรงกลมแทนอะตอม และอาจลดขนาดทรงกลมใหเลกลง เพองายตอการแสดงต าแหนงโดยทรงกลมทลดขนาดลงน ใชเปนตวแทนศนยกลางของอะตอม ในตารางท 2.4 แสดงรศมของอะตอมโลหะชนดตางๆ และพบวาโครงสรางอยางงายนน สามารถแบงออกเปน 3 แบบส าหรบโลหะ คอ เฟสเซนเตอรควบก (Face –Centered Cubic, FCC) บอดเซนเตอรควบก (Body-Centered Cubic, BCC) และเฮกซะโกนอลโคลสแพก (Hexagonal Close-Packed, HCP)



รปท 2.14 โครงสรางผลกเฟสเซนเตอรควบก (Face-Centered Cubic, FCC) (ก) แบบจ าลองทรงกลมแขงของอะตอม (ข) แบบจ าลองทลดขนาดของกลมลง

(ค) กลมอะตอมทเรยงตวแบบ FCC


(ก) (ข)

(ค)



ตารางท 2.4 คารศมอะตอมและโครงสรางผลกของโลหะบางชนด

Metal Crystal Structurea

Atomic Radiusb (mm)

Metal

Crystal Structure

Atomic Radius (mm)

Aluminum Cadmium Chromium Cobalt Copper Gold Iron ( ) Lead

FCC HCP BCC HCP FCC FCC BCC FCC

0.1431 0.1490 0.1249 0.1253 0.1278 0.1442 0.1241 0.1750

Molybdenum Nickel

Platinum Silver

Tantalum Titanium (α)

Tungsten Zinc

BCC FCC FCC FCC BCC HCP BCC HCP

0.1363 0.1246 0.1387 0.1445 0.1430 0.1445 0.1371 0.1332

a FCC = face – centered cubic; HCP = hexagonal close – packed; BCC = body-cenered cubic. bA nanometer (nm) equals 10-9 m; to convert from nanometers to angstrom units (A), multiply the nonometer value by 10.

1) โครงสรางผลกแบบเฟสเซนเตอรควบก (Face – Centered Cubic, FCC)

โลหะหลายชนดมโครงสรางทแตละหนวยเซลลเปนลกบาศกทมอะตอมทมมและกงกลางหนาลกบาศก เรยกโครงสรางแบบนวา เฟสเซนเตอรควบกหรอ FCC โลหะทมโครงสรางผลกแบบ FCC หลายชนด เชน ทองแดง อะลมเนยม เงน ทอง (ดตามตารางท 2.4) รปท 2.13 (ก) แสดงแบบจ าลองทรงกลมแขงของหนวยเซลลแบบ FCC ส าหรบรปท 2.13 (ข) ไดลดขนาดของทรงกลมลงเพอแสดงต าแหนงอะตอมใหชดเจนขน และในรปท 2.13 (ค) ซงประกอบดวยหนวยเซลล FCC หลายหนวย จะมอะตอมบนหนาตดเรยงชดกน ดงนน ถาความยาวของหนวยเซลลเทากบ a และรศมอะตอมเทากบ R จะไดความสมพนธดงน a = 2 R (11)

ส าหรบอะตอมทมมของโครงสราง FCC จะถกแยงออกอยใน 8 หนวยเซลล สวนอะตอมทอยกลางหนาจะอยใน 2 หนวยเซลล ดงนนใน 1 หนวยเซลลจะมอะตอม 1/8 อะตอมทมมทง 8 มม และครงอะตอมทแตละหนาทง 6 หนา รวมทงหมดจงม 4 อะตอมใน 1 หนวยเซลล รปท 2.13 (ก) แสดงอะตอมในหนงหนวยเซลลโดยแตละหนวยเซลลมปรมาตรเทากบปรมาตรของลกบาศกโดยนบจากจดศนยกลางของอะตอมทมมของลกบาศกในรปต าแหนงอะตอมทมมและทกลางหนาอาจกลาวไดวาเปนต าแหนงเสมอน นนคอ หากยายมมของลกบาศกทสนใจจากศนยกลางของอะตอมทมม ไปทศนยกลางของอะตอมทแตละหนาจะไดโครงสรางหนวยเซลลทมลกษณะเปน FCC เหมอนเดม



คณลกษณะทส าคญของโครงสรางผลกอก 2 อยาง คอ เลขโคออรดเนชน (Coordination number) และอะตอมมกแพกกงแฟกเตอร (Atomic packing factor, APF) ส าหรบโลหะ อะตอมแตละอะตอมจะมจ านวนอะตอมขางเคยงทเรยงชดตดกนอยเทาๆ กน เรยกวา เลขโคออรดเนชน เชน ส าหรบ FCC มคา 12 ซงพสจนไดจากการพจารณารปท 2.13 (ก) เหนวาอะตอมทอยกลางหนาในดานหนาของหนวยเซลลจะอยตดกบอะตอมทมม 4 อะตอม และอะตอมทกลางหนาดานขางหนาดานบน และหนาดานลางของหนวยเซลลอก 4 อะตอม (กคอ ยกเวนอะตอมกลางหนาดานหลง) และเมอพจารณาหนวยเซลลทอยดานหนาซงตดกบหนวยเซลลทสนใจ กจะมอะตอมทกลางหนาดานขาง ดานบนและลางอก 4 อะตอม ทตดกบอะตอมทก าลงพจารณา ดงนน รวมทงหมด จงม 12 อะตอม

ส าหรบ APF คอ สดสวนของปรมาตรของทรงกลมแขงทใชเปนตวแทนอะตอมตอปรมาตรหนวยเซลล เมอพจารณาจากแบบจ าลองทรงกลมแขงจะไดวา

APF = (12)

โดย

vs คอ ปรมาตรอะตอมในหนวยเซลล vc คอ ปรมาตรของหนวยเซลล ส าหรบโครงสรางผลกแบบ FCC จะมคา APF เทากบ 0.74 ซงเปนคาทมากทสดส าหรบอะตอมทม

เสนผานศนยกลางเทา ๆ กน การค านวณ APF แสดงดงตวอยางโลหะสวนมาจากมคา APF สง

2) โครงสรางผลกแบบบอดเซนเตอรควบก (Body – Centered Cubic, BCC)

โครงสรางผลกแบบลกบาศกอกชนดหนงซงมอะตอมอยทมมทง 8 และม 1 อะตอมอยตรงกลางของลกบาศกเรยกวา บอดเซนเตอรควบกหรอ BCC รปท 2.15 แสดงโครงสรางผลกแบบ BCC ถาอะตอมทมมและกลางหนวยเซลลสมผสกน ใหลกบาศกแตละดานมความยาว a และรศมอะตอมมคา R จะไดวา

a = (13)

ตวอยางของโลหะทมโครงสราง BCC เชน โครเมยม เหลก ทงสะเตน และอนๆ ดงแสดงในตารางท

2.4 ใน BCC หนงหนวยเซลลประกอบดวย 2 อะตอม คอ 1/8 อะตอมทมมทง 8 มมและ 1 อะตอมทกลางหนวย เซลล เมอนบรวมแลวจะได 2 อะตอมตอหนวยเซลล นอกจากนจะเหนวาต าแหนงอะตอมทมมและกลางหนวยเซลลนนเปฯต าแหนงเสมอน ดงนน เมอยายมมของหนวยเซลลจากศนยกลางของอะตอมทมมมาทศนยกลางของอะตอมสวนกลางจะไดหนวยเซลลใหมทมโครงสราง BCC เหมอนเดม เลขโคออรดเนชนของ



BCC เทากบ 8 เหนไดจากอะตอมทกลางหนวยเซลลจะอยตดกบอะตอมทมมทง 8 มม เลขโคออรดเนชนของโครงสรางแบบ BCC นมคานอยกวาแบบ FCC คา APF ขอโครงสราง BCC จงมคา 0.68 นอยกวาโครงสรางแบบ FCC

(ก) (ข) (ค)

รปท 2.15 โครงสรางผลกบอดเซนเตอรควบก (Body-Centered Cubic, BCC) (ก) แบบจ าลองทรงกลมแขงของอะตอม (ข) แบบจ าลองทลดขนาดทรงกลมลง

(ค) กลมอะตอมทเรยงตวแบบ BCC


3) โครงสรางผลกทมฐานหกเหลยม (Hexagonal Close-Packed, HCP)

นอกจากโครงผลกแบบลกบาศกแลว โลหะยงสามารถมโครงผลกแบบอนดงทจะกลาวถงในแบบสดทาย โครงผลกทมฐานหกเหลยม ดงรปท 2.15 (ก) แสดงหนวยเซลลของโครงสราง แบบเฮกซะโกนอลโคลสแพก (Hexagonal Close-Packed, HCP) โดยลดขนาดของกลมแทนอะตอมใหเลกลง ตวอยางกลมอะตอมทเรยงตวแบบ HCP แสดงดงในรปท 2.15 (ข) โดยทดานหนาบนและลางจะมอะตอมกลางลอมรอบดวยอะตอมอก 6 อะตอม ส าหรบระนาบทอยถดลงมาจะมอะตอมอย 3 อะตอม และอยระหวางระนาบบนและลางของหนวยเซลล ดงนนจะมอะตอมใน 1 หนวยเซลลทงหมด 6 อะตอม คอ 1/6 อะตอมทมมทง 12 มม และ ½ อะตอมทกลางระนาบบนและลาง รวมทงอก 3 อะตอมทอยระนาบกลางหนวยเซลล



ถา a คอความยาวดานทระนาบฐาน และ c คอความสงของหนวยเซลล ดงรปท 2.16 (ก) ระยะ c/a จะมคา 1.633 อยางไรกตามโลหะบางชนดกมคาตางไปจากนเลขโคออรดเนชนและ APF ของผลก HCP จะมคาเทากบ FCC คอ 12 และ 0.74 ตามล าดบ โลหะทมเลขโคออรดเนชนและ APF ของผลก HCP จะมคาเทากบ FCC คอ 12 และ 0.74 ตามล าดบ โลหะทมโครงสราง HCP เชน แคดเมยม แมกนเซยมไทเทเนยม สงกะส และอนๆ ดงตารางท 2.4

(ก) (ข)

รปท 2.16 โครงสรางผลกเฮกซะโกนอลโคลสแพก (Hexagonal Close-Packed, HCP) (ก) แบบจ าลองทรงกลมแขงของอะตอม (ข) แบบจ าลองทลดขนาดทรงกลมลง




ตวอยางท 1 จงค านวณปรมาตรของหนวยเซลล FCC ในรปรศมอะตอม R

วธท า จากรป หนวยเซลล FCC อะตอมสมผสกนและกน ดงนนเสนทแยงมอมของหนาในดานใด ๆทคาเทากบ 4 R ดงรป เมอใน 1 หนวยเซลลมปรมาตร a3 และ a มคาเทากบความยาวในแตละดานของหนวยเซลล จะไดวา

A2 + a2 = 4R2

a = 2R 2

ส าหรบหนวยเซลล FCC ปรมาตร VC สามารถค านวณไดจาก

vc = a3 (2R 2)3 = 16R3 2

ตวอยางท 2 จงแสดงวา APF ของโครงสรางผลกแบบ FCC เทากบ 0.74 วธท า

คา APF คอ สดสวนของปรมาตรทรงกลมตอหนงหนวยเซลล หรอ

APF =



ปรมาตรของทรงกลมทงหมดและหนวยเซลลค านวณจากคารศม R ปรมาตรทรงกลมแตละอนมคา R3 และแตละหนวยเซลลแบบ FCC ม 4 อะตอม ดงนน

Vs = 4 R3 =

R3

จากโจทยตวอยางท 1 ปรมาตรของหนวยเซลลเทากบ

Vc = 16R3 2 ดงนน APF เทากบ

16 R3 APF = Vs = 3 = 0.74

Vc 16R3 2

2.9 อญรป (Allotropy) และหลายอญรป (Polymorphous) โลหะหรออโลหะบางชนดมโครงสรางผลกมากกวา 1 แบบ อาจกลาวไดวาวสดนนมหลายอญรป ลกษณะของแขงทพบจะเรยกวา อญรป โครงสรางผลกจะขนอยกบอณหภมและความดนภายนอก ตวอยางทเหนไดชดอยางหนงคอ คารบอน โดยทวไปจะอยในรปแกรไฟต แตจะอยในรปเพชรไดเมออยภายใตความดนสงมาก อกตวอยางหนงคอเหลก ซงมโครงสรางเปน BCC ทอณหภมหองและจะเปลยนเปน FCC ทอณหภม 912 oC (1674 oF) การเปลยนอญรปนนจะท าใหเกดการเปลยนสมบตทางกายภาพและความถวงจ าเพาะ

2.10 ระบบผลก (Crystal system) โครงสรางผลกมอยหลายแบบ สามารถแบงออกเปนกลมตามรปรางของหนวยเซลลและการจดเรยงตวของอะตอม การแบงนนจะแบงตามลกษณะทางเรขาคณตของหนวยเซลลโดยไมค านงถงการจดเรยงตวของอะตอม โดยใหจดก าเนดของแกน x y z อยทมมใดมมหนงของหนวยเซลล แกน x y และ z แตละแกนอยบนขอบของหนวยเซลลทงสามแกนโดยลากจากมมทซอนทบกบจดก าเนด ดงแสดงในรปท 2.17 ลกษณะทางเรขาคณตนนสามารถบอกไดจาก ตวแปร 6 ตว ดงน ความยาวบนแกน x y z ซงคอคา a b c และมมระหวางแกน x y z กคอ มม α (รปท 2.17) ตวแปรทงหกนเรยกวา ตวแปรของโครงผลก (Lattice parameter) แบบตางๆ



รปท 2.17 หนวยเซลลในระบบแกน x y z ทมความยาวตามแกน ( a b c ) และมมระหวางแกน ( β γ)


จากหลกการทกลาวมาตวแปร a b c และมม α ทแตกตางกนจะใหโครงผลกทแตกตางกน 7 แบบ เรยกโดยรวมวา ระบบผลก (crystal system) ระบบผลกทง 7 แบบ คอ ควบกหรอลกบาศก เตตระโกนอล เฮกซะโกนอบ ออโทรอมบก รอมโบฮดอล โมโนคลนก ไตรคลนก ลกษณะของโครงผลกและหนวยเซลลแสดงในตารางท 2.5 ส าหรบระบบควบกจะม a = b = c และ α 90 ซงสมมาตร แตในระบบไตรคลนกไมสมมาตร คอ มคา a b c ไมเทากนและมม α ไมเทากนเลย ส าหรบโครงสรางผลกทไดอธบายมา FCC และ BCC จดอยในระบบควบก และ HCP จดอยในระบบเฮกซะโกนอล หนวยเซลลแบบเฮกซะโกนอลนนสามารถแบงออกเปนปรซมฐานสเหลยม 3 อน ประกอบกนได ดงรปในตารางท 2.5 แนวคดตางๆ ทไดอธบายมานนสามารถทจะใชไดกบวสดประเภทเซรามกและพอลเมอร (ในบทท 6 และ 7) ไดเชนกน แตโครงสรางอาจมความซบซอนมากกวาโครงสรางโลหะทมหนวยเซลลแบบ FCC BCC หรอ HCP นอกจากนยงมการค านวณหาคา APF โครงสรางผลกของวสดอนๆ สามารถแบงออกตามหนวยเซลลออกไดเปน 7 ระบบผลกเชนกน



ตารางท 2.5 ความสมพนธของตวแปรของโครงผลกและลกษณะทางเรขาคณตของระบบผลกทง 7 แบบ



2.11 ผลกเดยว (Single crystals) และหลายผลก (Polycrystalline materials) 1) วสดผลกเดยว (Single crystals)

ผลกของแขงทมการจดเรยงตวของอะตอมในผลกอยางเปนระเบยบสมบรณทวทงชนงานจดเปน ผลกเดยว ในผลกเดยวหนวยเซลลทกหนวยจะเรยงตวไปในทางเดยวกน ผลกเดยวนนมอยตามธรรมชาต และสามารถสรางขนไดเชนกนแตจะตองมการควบคมบรรยากาศอยางละเอยด ถาผลกเดยวเกดขนอยางอสระ ผลกเดยวนนจะมรปรางทางเขาคณตซงแตกตางกนตามโครงสรางผลกและมผวเรยบเหมอนอญมณ รปท 2.18 แสดงผลกเดยวหลายผลก ในระยะหลงน ผลกเดยวมความส าคญมากขนในเทคโนโลยสมยใหม โดยเฉพาะเทคโนโลยเกยวกบวงจรขนาดเลก ทตองใชซลกอนผลกเดยวรวมทงวสดกงตวน าอนๆ

รปท 2.18 รปผลกเดยวหลายผลกของ CaF2

2) วสดหลายผลก (Polycrystalline materials) วสดทมสถานะของแขงสวนมากประกอบขนจากผลกขนาดเลกซงเรยกวา เกรน (Grain) วสด

แบบนเรยกวา วสดหลายผลก ผลกในวสดหลายผลกนเกดขนระหวางการแขงตวดงแสดงในรปท 2.19 ชวงแรกเรมเกดนวเคลยสขนาดเลกทจดตางๆ นวเคลยสเหลานมทศทางการเรยงตวไมแนนอนดงรปจะแสดงดวยสเหลยมขนาดเลก นวเคลยสเหลานโตขนเปนเกรนจากอะตอมในของเหลวทมาเรยงตวตอกนจากนวเคลยส การแขงตวจะเกดขนจนสมบรณเมอเกรนโตขนจนกระทงชนกนและไมมของเหลวเหลออย ดงนน การเรยงตวของผลกจงแตกตางกนในแตละเกรน ดงรปท 2.19 ทรอยตอของแตละเกรนอะตอมจะไมเรยงตวตอเนองกนบรเวณนเรยกวา ขอบเกรน (Grain boundary)



รปท 2.19 รปวาดแสดงขนตอนระหวางการแขงตวของวสดหลายผลกโดยสเหลยมขนาดเลกแทนหนวยเซลล (ก) นวเคลยส ของเลกของผลก (ข) ผลกเรมโตขน ขอบของบางเกรนเรมชนกน (ค) เกรนทเกดระหวางการ

แขงตวมรปรางไมแนนอน (ง) โครงสรางทไดเมอตรวจสอบดวยกลองจลทรรศน เสนสด าคอขอบเกรน


2.12 ของแขงทไมเปนผลก (Noncrystalline solid)

ของแขงทไมเปนผลกจะไมมสมมาตรหรอไมมการเรยงตวอยางเปนระเบยบของอะตอมในระยะยาว บางครงเรยกวสดแบบนวา อสณฐาน (Amorphous) ทแปลวาไมมแบบแผน หรอเรยกวา ของแขงเยนยงยวด (Supercooled solid) เนองจากอะตอมในของแขงแบบนมการเรยงตวอยางไมเปนระเบยบไมมโครงสรางทแนชดเหมอนของเหลว ดงรปท 2.20 แสดงภาพวาดของเซรามกซลกอนไดออกไซด (SiO2) ซงมผลกและไมมผลก (อสณฐาน) ซงสามารถเหนความแตกตางไดจากรป แมวาไอออนซลกอนจะมพนธะกบไอออนออกซเจนอก 3 ไอออน แตวสดอสณฐานนนมโครงสรางไมเปนระเบยบมากกวาวสดทเปนผลก

(ก) (ข)

(ค) (ง)



(ก) (ข)

รปท 2.20 รปวาด 2 มตของโครงสราง (ก) ผลกซลกอนไดออกไซด (ข) ซลกอนไดออกไซดทไมเปนผลก


การเกดผลกหรอเกดเปนอสณฐานนนขนอยกบความสามารถในการเปลยนแปลงโครงสรางทไมเปนระเบยบในของเหลวเปนโครงสรางทเปนระเบยบในของแขง ส าหรบวสดอสณบานนนจะมโครงสรางโมเลกลหรอการเรยงตวของอะตอมซบซอน และมโครงสรางทเปนระเบยบในชวงสน ๆ เทานน การเกดโครงสรางแบบอสณฐานหรอไมมผลกนนเกดไดงายเมอการเยนตวผานอณหภมแขงตวเปนไปอยางรวดเรว จะท าใหมเวลาในการจดเรยงตวใหมของอะตอมใหเรยงตวอยางเปนระเบยบนอยเกนไป ท าใหโครงสรางทไดไมมการเรยงตวเปนระเบยบ

โลหะสวนมากมลกษณะเปนผลกเชนเดยวกบเซรามกบางชนด แตเซรามกบางชนด เชน แกวอนน ทรย (Iorganic glass) มลกษณะอสณฐาน ส าหรบพอลเมอรอาจเปนอสณฐาน หรอมผลกบางสวนขนอยกบระดบความเปนผลก 2.13 แผนภมสมดลเฟส (Equilibrium phase diagrams)

ขอมลส าคญตางๆเกยวกบการควบคมโครงสรางจลภาคหรอเฟสตางๆนนมแสดงอยอยางชดเจนในแผนภมเฟส (Phase diagram) หรอบางครงเรยกวา แผนภมสมดลเฟส (Equilibrium diagram หรอ Constitutional diagram) โครงสรางหลายแบบเกดขนจากการแปลงเพศซงเกดขนเมออณหภมเปลยนไป โดยอาจเกดจากการแปลงจากเฟสหนงเปนอกเฟส และอาจมการเกดขนของเฟสใหมหรอการหายไปของเฟสเดม (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555) แผนภมเฟสนจงเปนประโยชนอยางมากในการท านายการแปลงเฟสและผล



ของโครงสรางจลภาคทไดซงอาจมลกษณะสมดลหรอไมสมดลกไดแผนภมเฟสจะบอกถงความสมพนธระหวางอณหภมและสวนผสมทางเคม รวมถงปรมาณของแตละเฟสในสมดล แผนภมเฟสมอยหลายชนด

แตในทนจะกลาวถงระบบทม 2 องคประกอบและมตวแปร คอ อณหภมและสวนผสมเทานน เนองจากแผนภมเฟสของระบบทมมากกวา 2 องคประกอบนนจะมความซบซอนอยางมากการควบคมโครงสรางของโลหะโดยใชแผนภมเฟสนนสวนมากท าโดยใชแผนภมเฟสของโลหะผสม 2 องคประกอบแมวาในความเปนจรงจะใชโลหะผสมทมมากกวา 2 องคประกอบกตาม ส าหรบความดนกมผลตอโครงสรางของเฟสเชนกน แตในทางปฏบตแลว ความดนมคาคงทในการใชงานสวนใหญ ดงนน ในแผนภมเฟสทจะกลาวตอไปจงเปนแผนภมเฟสเมอคาความดนคงทเทากบ 1 atm

เฟส หมายถง สวนหนงสวนใดในระบบทมคณลกษณะทางกายภาพและทางเคมสม าเสมอ โลหะบรสทธทกชนดจดเปนเฟส รวมทงสารละลายของแขง ของเหลว และกาซถกจดวาเปนเฟสดวยเชนกน ยกตวอยางเชน จากระบบน าและน าตาล น าเชอมจดเปนเฟส เชนเดยวกนกบผลกน าตาลทไมละลายจดเปนอกเฟสหนง ทงนบอกไดจาก คณลกษณะทางกายภาพของทงสองเฟสนแตกตางกน (ของแขงและของเหลว) คณลกษณะทางเคมของทงสองเฟสนกแตกตางกนเชนกน (เชน สวนผสมทางเคมตางกน) อาจกลาวโดยสรปไดวา ระบบน าและน าตาลอาจประกอบดวย 2 เฟส คอ เฟสน าเชอมและผลกน าตาล ส าหรบระบบใดๆทมมากกวาหนงเฟส จะมขอบเขตของแตละเฟสซงมความแตกตางหรอไมตอเนองทงทางกายภาพและทางเคม ดงนน เมอม 2 เฟส อาจมความแตกตางกนทางกายภาพหรอทางเคมเพยงอยางเอยางหนงกได เชน น าและน าแขงจดเปนเฟสทแตกตางกน เนองจากมคณลกษณะทางกายภาพแตกตางกน (ของแขงและของเหลว) แมวาจะมคณลกษณะทางเคมเหมอนกนกตาม นอกจากนความแตกตางของแตละเฟสยงรวมถงความแตกตางของอญรปดวย (โลหะบางชนดมทง FCC และ BCC) เพราะความแตกตางของอญรปนเปนตวแปรส าคญทสงผลตอคณลกษณะทางกายภาพ

บางครงระบบทมเฟสเดยวจะใชค าวา “เนอเดยว (Homogeneous)” ระบบทประกอบดวยเฟสมากกวา 1 เฟส จะเรยกวา “ของผสม (Mixture) หรอระบบทไมเปนเนอเดยว (Heterogeneous)” โลหะผสมสวนมาก เซรามกพอลเมอร และวสดผสมเปนระบบไมเปนเนอเดยว ซงโดยทวไปจะใหสมบตทผสมผสานจากสมบตของเฟสตางๆ จงนาสนใจกวาระบบทมเพยงเฟสเดยว

1) สมดลของเฟส สมดลเปนแนวความคดทส าคญโดยสามารถอธบายไดจากคา พลงงานอสระ (Free energy) ทาง

เทอรโมไดนามกสคาพลงงานอสระมความสมพนธกบพลงงานภายใน (Internal energy) ของระบบและความซบซอมของระบบหรอทเรยกวา เอนโทรป (Entropy) ระบบใดๆ กตามจะเขาสสมดล นนคอ มคาพลงงานอสระต าทสดเมอระบบนนๆ มอณหภมหรอสวนผสม ท าใหพลงงานภายในของระบบเพมขนจงเกดการเปลยนสภาวะเพอลดพลงงานภายในลงต าทสด

ค าวา สมดลของเฟส (Phase equilibrium) มกใชอธบายสมดลในระบบทมมากกวา 1 เฟส ค าวาสมดลของเฟสอาจพจารณาไดจากความเสถยรของเฟสหรอระบบทไมเปลยนแปลงตามเวลา เชน ระบบของน าและน าตาลในถงปดและสมผสกบผลกน าตาลทอณหภม 20°C โดยน าเชอมจะมความเขมขนของน าตาล 65%และน า 35% โดยน าหนก จากรปท 2.21 จะเหนวาระบบนอยในสมดล เนองจากจะไมมการเปลยนแปลง



สวนผสมและปรมาณของแตละเฟสแมวาเวลาจะผานไปนานเทาไรกตาม แตถาอณหภมเพมขนเปน 100°C จากรปท 2.21 จะเหนวา ขดจ ากดการละลายของน าตาลในน าเชอมเพมขนเปน 80% โดยน าหนก ดงนน ผลกน าตาลจะละลายลงไปในน าเชอมมากขนจนมคาเทากบความเขมขนของน าตาลในน าเชอมทสมดลใหมทอณหภม 100°C ระบบทยกตวอยางน าและน าตาล เปนระบบทอธบายหลกของสมดลของเฟสในระบบของแขงและของเหลวแตในระบบของโลหะและวสดเปนระบบทศกษาถงสมดลของเฟสทมสถานะของแขงเปนสวนใหญในกรณน

ระบบจะแสดงถงคณลกษณะทงทางโครงสรางจลภาคซงไมไดบอกเพยงเฟสทมอยและสวนผสมแตบอกถงปรมาณของแตละเฟสรวมทงการกระจายตวของแตละเฟสดวย

การพจารณาเรองพลงงานอสระหรอแผนภม ดงเชนในรปท 2.21 เปนการบอกถงคณลกษณะทสภาวะสมดลในระบบทสนใจเทานน แตจะไมไดบอกถงเวลาทตองใชกอนจะเขาสสมดล การเขาสมดลจ าเปนตองใชเวลานานมากในหลายกรณโดยเฉพาะในระบบของแขง ท งนเกดจากอตราการเปลยนแปลงเพอเขาสสมดลเปนไปไดชามาก จงท าใหระบบนนๆ ไมสามารถเขาสสมดลไดอยางสมบรณ ระบบทมลกษณะเชนนเรยกวา ระบบทไมสมดลหรอกงเสถยร (Meyastable) สภาวะหรอโครงสรางกงเสถยรนสามารถคงอยไดโดยสรางทเกดจากสมดล เชน ในเหลกกลาหรออะลมเนยมผสมบางชนด การเพมความแขงแรงของวสดท าโดยสรางโครงสรางกงเสถยรขนดวยกรรมวธทางความรอน เปนตน

จากทอธบายจะเหนไดวาความเขาใจทงเรองสภาวะสมดล โครงสราง รวมทงอตราการเปลยนแปลงและปจจยทมผลตางๆนนเปนสงส าคญในการศกษาเกยวกบวสด

รปท 2.21 การละลายของน าตาลในน าเชอม




2) ระบบเนอเดยวสององคประกอบ (Binary isomorphous system)

แผนภมเฟสแบบทเขาใจและอานผลไดงายทสด คอ แผนภมเฟสแบบละลายกนไดอยางสมบรณ เชน แผนภมเฟสของระบบทองแดง (Cu) และนกเกล (Ni) (รปท 2.21) แกนตงแสดงอณหภมและแกนนอนแสดงสวนผสมของโลหะผสมโดยแกนนอนดานลางแสดง%โดยน าหนกและดานบนแสดง%โดยอะตอมสวนผสมเรมตงแต 0% Ni (100%Cu) โดยน าหนกทางซายจนถง 100% Ni (0%Cu) ทางขวาของแผนภมจะเหนวาสามารถแบงพนทออกเปน 3 สวนทประกอบดวยเฟสตางกน หรอเรยกวา ฟนทเฟส (Phase region) คอพนทเฟสแอลฟา (α) ของเหลว (L) และพนทซงม 2 เฟส คอ แอลฟาผสมกบของเหลว (α+L) การแบงพนทในแผนภมสมดลออกเปนพนทเฟสสามารถอธบายไดจากเฟสตางๆทมอยในชวงอณหภมและชวงสวนผสมซงมขอบเขตอยทเสนแบงเฟส

เฟสของเหลวในแผนภมเปนสารละลายของเหลวเนอเดยวประกอบดวยทองแดงและนกเกล ส าหรบเฟส α เปนสารละลายของแขงแบบแทนทประกอบดวยอะตอมของทองแดงและนกเกล มโครงสรางรางผลกแบบ FCC ทอณหภมต ากวา 1080 °C ทองแดงและนกเกลจะละลายเขากนอยางสมบรณในสถานะของแขงไมวาจะมสวนประกอบเทาไรกตาม การททองแดงและนกเกลละลายเขากนอยางสมบรณน สามารถอธบายไดจากการทธาตทงสองมโครงสรางผลกแบบ FCC เหมอนกน ขนาดอะตอมและคาอเลกโตรเนกาทวต (Electronegativity) ใกลเคยงกนและมคาวาเลนซ (Valences) เทากน ระบบทสามารถละลายเปนเนอเดยว (isomorphous) ไดอยางสมบรณเนองจากทองแดงและนกเกลสามารถละลายเปนสารละลายเนอเดยว ทงในสถานะของแขงและของเหลวไดอยางสมบรณ

ขอสงเกตบางประการเกยวกบแผนภมเฟส คอ ประการแรก ส าหรบโลหะผสม สารละลายของแขงจะใชสญลกษณเปนตวอกษรกรกตวเลก (α, γ, β และอนๆ) นอกจากน เสนแบงขอบเขตของพนทเฟสของเหลวกบพนทของเฟสของเหลว+แอลฟา เรยกวา เสนลควดสสวนเสนแบงขอบเขตของพนทของเฟสของเหลว+แอลฟากบพนทเฟสแอลฟาเรยกวาเสนโซลดสซงได ดงแสดงในรปท 2.22



(ก) (ข)

รปท 2.22 แผนภมเฟสของระบบ (ก) แผนภมเฟสทองแดง (Cu) และนกเกล (Ni)

(ข) ภาพขยายสวนของแผนภมเฟสนกเกลทองแดงทมสวนผสมใกลกบจด B

(ทมา: William D Callister, 2007) ในรปท 2.22 แสดงวามจดตดของเสนลควดสและเสนโซลดสอย 2 จด ทบนแกนตงดานซายและขวา

สดในรป จดทงสองนเปนจดทแสดงถงจดหลอมเหลวของนกเกลและทองแดงบรสทธ ซงเปนองคประกอบของระบบทอณหภม 1,085 °C และ 1,453 °C ตามล าดบ อาจพจารณาไดวาเมอใหความรอนแกทองแดงบรสทธ กคอ การเลอนขนตามแกนอณหภมทางดานซาย ทองแดงจะยงคงเปนของแขงจนกระทงอณหภมเพมถงจดหลอมเหลวกจะเกดการเปลยนสถานะจากของแขงเปนของเหลวทอณหภมจดหลอมเหลว และอณหภมของระบบจะไมเพมขนจนกวาการเปลยนสถานะหรอหลอมเหลวจะเสรจสน

ส าหรบสวนผสมอนๆทไมไดเปนธาตบรสทธ การหลอมเหลวจะเกดขนในชวงของอณหภมระหวางเสนลควดสและเวนโซลดส โดยในชวงอณหภมนทงของแขงหรอในทนคอแอลฟาและของเหลวจะอยในสมดล เชน เมอใหความรอนแกโลหะผสม 50%Ni-50%Cu โดยน าหนก โลหะผสมจะเรมหลอมเหลวทอณหภม 1,280 °C และปรมาณของเหลวจะเพมขนตามอณหภม จนกระทงถงอณหภม 1,320 °C โลหะผสมจะเปลยนสถานะเปนของเหลวทงหมด



3) การแปลขอมลจากแผนภมเฟส

ส าหรบระบบทมสององคประกอบเมอรสวนผสมและอณหภมทสมดล เราจะทราบขอมลตอไปน (1) เฟสทปรากฏ (2) สวนผสมของแตละเฟส (3) อตราสวนหรอเปอรเซนตของแตละเฟส วธการในการหาขอมลทกลาวมาแลวจะแสดงโดยใชแผนภมเฟสนกเกลและทองแดงดงตอไปน

เฟสทปรากฏ

การหาขอมลวามเฟสใดปรากฏอยบางนนสามารถท าไดโดยสรางจดบนแผนภมเฟส โดยจดนนอยทอณหภมและสวนผสมตามทสนใจ จากนนสามารถบอกเฟสทปรากฏได ซงกคอเฟสทอยในพนทเฟสของจดนน เชน โลหะผสม 60%Ni-40%Cu โดยน าหนก ทอณหภม 1,100 °C เมอสรางจดบนแผนภมเฟสกคอ จด A ใน รปท 2.22 (ก) ดงนน อยในพนทเฟส α แตส าหรบโลหะผสม 35%Ni-65%Cu โดยน าหนกทอณหภม 1,250 °C จะอยทจด B ซงอยในพนทซงประกอบดวย 2 เฟส คอ α และของเหลวในสมดล

การบอกสวนผสมของแตละเฟส

ในการบอกสวนผสมของแตละเฟสจะบอกจากความเขมขนของแตละองคประกอบ ขนแรกท าโดยสรางจดทอณหภมและสวนผสมทสนใจในแผนภมเฟส ส าหรบพนทเฟสเดยวกบพนทซงม 2 เฟสจะใชวธทแตกตางกนในกรณทมเฟสเดยว สวนผสมของเฟสนนจะมคาเทากบสวนผสมโดยรวมของโลหะผสม เชน เมอพจารณาโลหะผสม 60%Ni-40%Cu โดยน าหนกทอณหภม 1,100 °C (จด A ในรปท 2.22 (ก) ) จะมเฟส α เพยงเฟสเดยวและมสวนผสมเทากบสวนผสมโดยรวมกคอ 60%Ni-40%Cu โดยน าหนก

ส าหรบโลหะผสมทมสวนผสมและอณหภมซงท าใหประกอบดวย 2 เฟส เชน จด B ในรปท 2.22วธการจะซบซอนมากขน เรมตนจากการสรางเสนแนวนอนบนทกๆอณหภมเสนนเรยกวาไทไลน (Tie line) หรอบางครงเรยกวา เสนไอโซเทรม (Isotherm) ไทไลนเหลานจะลากผานพนทซงม 2 เฟส ไปสนสดทเสนขอบเขตทมเฟสตางกน การค านวณสวนผสมทสมดลของแตละเฟสท าโดย

(1) สรางไทไลนผานบรเวณทประกอบดวย 2 เฟส ทอณหภมทสนใจ (2) ก าหนดจดตดของไทไลนกบเสนขอบเขตทแบงพนทเฟส (Phase region) (3) ลากเสนตามแนวตงจากจดตดในขอ 2 จนถงแกนนอนทแสดงสวนผสมจะไดคาสวนผสมของแตละ

เฟส ตวอยางเชน โลหะผสม 35%Ni-65%Cu โดยน าหนกทอณหภม 1,250 °C จะอยทจด B ในรปท 2.22

(ข) ซงอยในพนทเฟสของ α+L ในสมดลปญหาในกรณนคอ จะสามารถบอกสวนผสมของนกเกลและทองแดงใน α และของเหลวไดอยางไร ในกรณนจะตองสรางไทไลนขนใหผานพนทเฟส α+L ในแผนภมเฟส ดงแสดงในรปท 2.22 (ข) เมอลากเสนตามแนวตงจากจดตดของไทไลนกบเสนลควดสมาตดแกนนอนจะแสดงคาสวนผสม 31.5%Ni-68.5%Cu ซงกคอสวนผสมของเฟสของเหลว (CL) ในทางกลบกน ทจดตดของไทไลนกบเสนโซลดส สามารถบอกสวนผสมของสารละลายของแขง α (Cα) คอ 42.5%Ni-57.5%Cu



การบอกปรมาณของแตละเฟส

ปรมาณของแตละเฟสทสมดล (บอกโดยอตราสวนหรอเปอรเซนต) สามารถค านวณไดจากแผนภมเฟส กรณทมเฟสเดยวกบม 2 เฟสกจะใชวธทแตกตางกนเชนเดยวกบการหาสวนผสมของแตละเฟส เมอระบบมเฟสเดยว เชน สารละลาย แสดงวาเฟสนนมอตราสวนเปน 1 หรอกคอ 100% ตวอยางในกรณน คอ โลหะผสม 60%Ni-40%Cu โดยน าหนกทอณหภม 1,100 °C ( จด A ในรปท 2.22 (ก) ) จะมเฟส α เพยงเฟสเดยวนนคอ มเฟส α 100%

ส าหรบโลหะผสมทมสวนผสมและอณหภมทท าใหประกอบดวย 2 เฟส การหาอตราสวนของแตละเฟสท าโดยกฎของคานงด (Lever rule หรอบางครงเรยกวา Inverse lever rule) ซงเซอมโยงกบไทไลน ดวยขนตอนตอไปน

(1) สรางไทไลนผานบรเวณทประกอบดวย 2 เฟส ทอณหภมทสนใจ (2) อานคาสวนผสมของแตละเฟส (3) ค านวณหาคาอตราสวนของเฟสทสนใจ โดยหาความยาวบนไทไลนจากจดทแสดงสวนผสม

โดยรวมของโลหะผสมจนถงเสนแบงพนทเฟส (phase region) ในดานตรงขามกบเฟสทสนใจ หารดวยความยาวทงหมดของไทไลน

(4) อตราสวนของเฟสทเหลอสามารถหาไดดวยวธเดยวกน (5) เมอตองการแสดงสวนผสมในรปของ % สามารถท าไดโดยคณอตราสวนทไดดวย 100 เมอ

การค านวณใชแกนนอนทแสดงสวนผสมโดยน าหนก อตราสวนของเฟสทค านวณไดกจะเปนอตราสวนโดยน าหนกกคอน าหนกของเฟสนนๆหารดวยน าหนกทงหมด ดงนน น าหนกของแตละเฟสไดจากการค านวณโดยใชอตราสวนของแตละเฟสและน าหนกโดยรวมของโลหะผสม

ในการค านวณดวยกฎของคานงด การแบงไทไลนและหาความยาวของแตละสวนสามารถท าไดโดยการวดโดยตรงจากแผนภมเฟส สวนมากมกวดเปนหนวย mm หรออาจหาจากการอานคาจากแกนสวนผสม (แกนนอน) กไดเชนกน

เมอพจารณาตวอยางในรปท 2.22 (ข) ทอณหภม 1,250 oC โลหะผสม 35% Ni-65% Cu โดยน าหนก ทจด B ซงอยในสวนของ α + L ในแผนภมเฟส การค านวณหาอตราสวนของแตละเฟสท าโดยเรมจากการสรางไทไลนโดยใหสวนผสมโดยรวมของโลหะผสมอยบนไทไลนท Co และใหอตราสวนโดยน าหนกของ α และ L คอ Wα และ WL ตามล าดบ จากกฎของคานงดไดดงสมการท 14

WL = (14)



หรอแทนดวยคาความเขมขน

WL = (15)

สวนผสมทจ าเปนตองใชในการค านวณ เปนสวนผสมขององคประกอบใดองคประกอบหนงในส าหรบ

แผนภมเฟสทม 2 องคประกอบ ในการค านวณตวอยางขางตน เมอรปรมาณของนกเกล (Co = 35%Ni, Cα = 42.5% Ni, CL = 31.5%Ni) แลว

WL = = 0.68

ส าหรบเฟส α

Wα =

=

=

= 0.32

เชนเดยวกน เมอใชปรมาณของทองแดงเปนคาทใชในการค านวณ คาอตราสวนของแตละเฟสทได

ยอมมคาเทากน ดงนน เมอรคาสวนผสมและอณหภมทสมดล เราสามารถใชกฎของคานงดหาปรมาณสมพทธหรออตราสวนของแตละเฟสในสวนทประกอบดวย 2 เฟส ในระบบ 2 องคประกอบได

การค านวณตอไปนอาจเกดความสบสนขนไดระหวางค าวา “สวนผสมของเฟส” และ “อตราสวนของ

เฟส” ดงนนจงขออธบายโดยยอถงความหมายของสองค าดงกลาวกอน สวนผสมของแตละเฟส หมายความถง % โดยน าหนกของแตละองคประกอบในเฟสนน (เชน %Ni และ %Cu โดยน าหนก) ส าหรบโลหะผสมทมเฟสเดยว สวนผสมของเฟสนนมคาเทากบสวนผสมโดยรวมของโลหะผสมนน ถาโลหะผสมม 2 เฟสจะตองหาคาสวนผสมของแตละเฟสจากการสรางไทไลน ส าหรบอตราสวนของเฟส (เชน อตราสวนของเฟสของเหลวหรอเฟส α) เมอมเพยงเฟสเดยวแสดงวาทงหมดเปนเฟสนน แตถาม 2 เฟส จะตองใชกฎของคานงดและอตราสวนทไดจากไทไลนเพอหาอตราสวนของแตละเฟส



4) สมบตทางกลของโลหะผสมเนอเดยว

ในหวขอนจะกลาวถงผลของสวนผสมทมตอสมบตทางกลของโลหะผสมเน อเดยว เมอปจจยทางโครงสรางอนๆ เชน ขนาดเกรนไมมการเปลยนแปลง โลหะผสมทมสวนผสมใดๆ ถาหากมอณหภมต ากวาจดหลอมเหลวขององคประกอบทมอณหภมหลอมเหลวต ากวาจะมเฟสปรากฎเพยงเฟสเดยว คอ ของแขง ดงนน ความแขงจงเพมขนจากการเปนสารละลายของแขง (Solid solution stengthening) หรอความแขงแรงเพมจากองคประกอบอนทเตมลงไป ตวอยางการเพมความแขงแรงแบบนแสดงดวยรปท 2.23 (ก) และพบวาความสมพนธของโลหะผสมนกเกลทองแดงทอณหภมหองนนมสวนผสมบางคาทใหสมบตทดทสด ในรปท 2.23 (ข) แสดงถงผลของสวนผสมตอความเหนยว (Ductility) หรอ %EL ซงมลกษณะตรงขามกบความแขงแรง กลาวคอ ความเหนยวลดลงเมอมการเตมองคประกอบทสองลงไปจนกระทงต าสดทสวนผสมหนง

(ก) (ข)

รปท 2.23 โลหะผสม Ni-Cu (นกเกล-ทองแดง) เปนสารละลายของแขงทสวนผสมใดๆ (ก) ความแขงแรงกบสวนผสม (ข) ความเหนยวโดยวดจากความสามารถในการยดตว (%EL)

กบสวนผสมเมอทดสอบทอณหภมหอง




2.14 แผนภมเฟสเหลก-เหลกคารไบด (Fe-Fe3C)

สวนหนงของแผนภมเฟสเหลก-คารบอนถกแสดงไวในรปท 2.24 เมอเหลกบรสทธถกท าใหรอนจะมการเปลยนโครงสรางผลก 2 ครง กอนทจะหลอมเหลว ณ อณหภมหอง รปแบบทเสถยรของเหลกจะเรยกวา เฟอรไรต (Ferrite) หรอเหลก α และมโครงสรางผลกเปนแบบ BCC เหลกซงเปนโลหะทมหลายอญรปจะเปลยนจากเฟอรไรตเปนออสเตนไนต (หรอเหลก γ ทมโครงสรางผลก FCC) ทอณหภม 912 oC (1,674 oC) เฟสออสเตนไนตจะยงคงอยจนกระทงถงอณหภม 1,394 oC (2,541 oF) และทอณหภมนเหลกจะเปลยนกลบไปเปนเฟสทมโครงสรางผลกเปน BCC อกครงซงเรยกวา เฟอรไรตเดลตา ( ferrite) ซงจะหลอมเหลวทอณหภม 1,538 oC (2,800 oF) การเปลยนแปลงนเกดขนตามแกนดานซายของแผนภม

แกนแสดงสวนผสมในรปท 2.23 แสดงถงสวนผสม 6.7 % ทจดนเปนสวนผสมของสารประกอบระหวางกลางของเหลกคารไบดหรอซเมนไตต (Fe3C) และแสดงในแผนภมเปนเสนตง ดงนน แผนภมเฟสเหลกคารบอนจงแบงออกไดเปน 2 สวน คอ สวนทมเหลกมาก (ดงรปท 2.24) และอกสวนทเหลอ คอ คารบอนมากกวา 6.7 % จนถง 100% (แกรไฟตบรสทธ) ซงไมไดแสดงในรปท 2.24 ในทางปฏบต เหลกกลาและเหลกหลอทใชงานกนมคารบอนนอยกวา 6.7 % โดยน าหนก ดงนน เราจงสนใจศกษาเฉพาะระบบของเหลก เหลกคารไบดนเทานน นอกจากนแผนภมทแสดงอาจจะเรยกวาเปนแผนภมเฟสเหลก -เหลกคารไบดกได เพราะเราสามารถถอไดวาเหลกคารไบดเปนองคประกอบหนงของระบบได แตเพอใหงายตอการเขาใจจะยงคงแสดงปรมาณ %C ในแผนภมแทนทจะแสดงเปน %Fe3C หรออาจกลาวไดวาเมอ %C = 6.70% โดยน าหนก กคอ 100 % Fe3C นนเอง

คารบอนเปนสารเจอแบบแทรกทในเหลก ท าใหเกดเปนสารละลายของแขงเหลก -คารบอนของเฟสเฟอรไรตเดลตา เฟอรไรต และออสเตนไนต ดงรปท 2.24 คารบอนสามารถละลายไดนอยในเฟรอไรตดงจะเหนไดจากขดจ ากดการละลายสงสดเทากบ 0.022% โดยน าหนกท 727 oC (1,341 oF) ความสามารถในการละลายทจ ากดนสามารถอธบายจากรปรางและขนาดของต าแหนงแทรกทในโครงสราง BCC ซงท าใหคารบอนละลายอยไดยาก ถงแมความเขมขนของคารบอนต า แตกมผลส าคญตอสมบตทางกล เฟสของสารละลายเหลก-คารบอนเฟสนจะคอนขางนมและสามารถท าใหเปนแมเหลกทอณหภมต ากวา 768 oC (1,414 oF) และมความหนาแนน 7.88 g/cm3 รปท 2.25 แสดงภาพโครงสรางจลภาคของเหลกเฟอรไรต



รปท 2.24 แผนภมสมดล Fe-Fe3C (เหลก-เหลกคารไบด)


(ก) (ข)

รปท 2.25 รปถายโครงสรางจลภาค (ก) เฟอรไรตแอลฟา ก าลงขยาย 90 เทา (ข) ออสเตนไนต ก าลงขยาย 325 เทา




ออสเตนไนตเฟส γ ของเหลกเมอมคารบอนผสมอย จะไมเสถยรทอณหภมต ากวา 727 oC (2,097 oF) ดงแสดงในรปท 2.24 ขดจ ากดการละลายสงสดของคารบอนใน γ เทากบ 2.14% ทอณหภม 1147 oC (2,097 oF) ความสามารถในการละลายนมากกวาของในเฟอรไรต BCC เปน 100 เทา เนองจากต าแหนงทจะแทรกทส าหรบใน FCC มขนาดใหญกวา ดงนนความเครยดทเกดขนในอะตอมของเหลกรอบๆ ต าแหนงแทรกทใน FCC จะต ากวาใน BCC มาก จากการอธบายจะเหนวาการแปลงเฟสของออสไตนไนตมความส าคญมากตอกรรมวธความรอนดงจะไดอธบายตอไป และออสเตนไนตนไมเปนแมเหลก รปท 2.25 แสดงโครงสรางจลภาคของเฟสออสเตนไนต

เฟอรไรตเดลตา ( ) มลกษณะเหมอนเฟอรไรต ( ) ยกเวนวาอณหภมมเสถยรตางกน กลาวคอ เฟอรไรตเดลตาจะเสถยรทอณหภมสงและไมมความส าคญทางเทคนคมากนกจงจะไมอธบายถง ในทน ซเมนไตต (Fe3C) เกดขนเมอปรมาณการละลายของคารบอนมากกวาขดจ ากดการละลายของเฟรไรตแอลฟา ทอณหภมต ากวา 727 oC (1,341 oF) (ส าหรบสวนผสมในพนทเฟส + Fe3C) ดงแสดงในรปท 2.24 นอกจากน Fe3C ยงเกดขนผสมกบ γ ทชวงอณหภม 727 oC ถง 1,147 oC (1,341 oF – 2,097oF) ซเมนไตตมคณสมบตทางกลคอ คอนขางแขง เปราะ ชวยปรบปรงความแขงแรงของเหลกได แตถาพจารณาอยางละเอยด ซเมนไตตนนจดเปนสารกงเสถยร กลาวคอ ถาอยทอณหภมหอง ซเมนไตตจะคงอยได แตเมออณหภมสงขน เชน ประมาณ 600-700 oC (1,200 oF -1,300 oF) แลวทงไวหลายป ซเมนไตตทเปนสารกงเสถยรนจะเปลยนเปนเหลก α และคารบอนในสภาพแกรไฟต ดงนน แผนภมในรปท 2.24 จงไมอาจกลาวไดวาเปนแผนภมสมดลเฟสจรง เนองจากซเมนไตตเปนสารประกอบกงเสถยร อยางไรกตามอตราการสลายตวของ Fe3C ต ามาก ท าใหคารบอนทงหมดจะอยในสภาพ Fe3C ไมใชในสภาพแกรไฟต เพราะฉะนนในทางปฏบตแลว แผนภมเฟสของเหลก-เหลกคารไบดจงสามารถใชอางองได การเตมธาต เชน Si ลงในเหลกหลอ จะท าใหการสลายตวของซเมนไตตกลายเปนแกรไฟตเรวขน

ในบรเวณทม 2 เฟสดงแสดงในรปท 2.24 จะเหนวามปฏกรยายเทกตกท 4.3 % C และอณหภม 1147 oC (2097 oF) ปฏกรยายเทกตกน คอ

L γ + Fe3C (16)

ของเหลวจะแขงตวเปนออสเตนไนตและซเมนไตต และเมอเยนตวลงถงอณหภมหองกจะมการ

เปลยนแปลงเฟสอกทจดตายตวอกจดหนง คอ ยเทกตอยดทสวนผสม 0.76%C โดยน าหนก ทอณหภม 727oC (1,341oF) ปฏกรยายเทกตอยดนแสดงโดย

γ (0.76 wt% C) (0.22 wt% C) + Fe3C (0.76 wt% C) (17)

Cooling

Heating

Heating

Cooling



กลาวคอ ระหวางการเยนตวลง เฟสของแขง γ จะเปลยนเปนหลก α และซเมนไตต การเปลยนเฟสจากปฏกรยายเทกตอยดทแสดงในสมการ 17 เปนสมการส าคญและเปนหลกในกรรมวธทางความรอน

โลหะผสมในกลมเหลกจะมเหลกเปนองคประกอบหลกและมคารบอน รวมทงธาตอนๆ เปนธาตผสม ในการแบงชนดของโลหะผสมในกลมเหลก จะแบงโดยปรมาณคารบอนเปน 3 ชนด คอ เหลก ( Iron) เหลกกลา (Steel) และเหลกหลอ (Cast iron) ในทางการคาเหลกหรอเหลกบรสทธจะก าหนดใหมปรมาณคารบอนไดสงสด 0.008% และจากแผนภมเฟสจะเหนวาเหลกชนดนมเพยงเฟส α เทานนทอณหภมหอง ถาหากมปรมาณคารบอนมากกวา 0.008% แตนอยกวา 2.14 % จะจดเปนเหลกกลา

เหลกกลาเกอบทงหมดมโครงสรางประกอบดวย α และ Fe3C โลหะผสมทมสวนผสมชวงนเมอเยนตวลงจนถงอณหภมหองจะตองผานสวนของเฟส γ โครงสรางทไดจะอธบายตอไป แมวาเหลกกลาจะม %C มากทสดไดถง 2.14% แตในทางปฏบตความเขมขนของคารบอนมกจะไมเกน 1% สมบตและชนดของเหลกกลา เหลกหลอซงจดเปนโลหะผสมในกลมเหลกจะมคารบอน 2.14-6.7% C อยางไรกตามในทางการคาเหลกหลอจะมปรมาณคารบอนนอยกวา 4.5%

2.15 โครงสรางจลภาคของโลหะผสมเหลก–คารบอน

ในหวขอนจะอธบายถงโครงสรางจลภาคแบบตางๆ ในเหลกกลารวมถงความสมพนธของโครงสรางกบแผนภมเฟสเหลก-เหลกคารไบดโครงสรางจลภาคทไดจะขนกบปรมาณคารบอนและกรรมวธความจะถอวาการเยนตวเกดขนชามาก การแปลงเฟสจงเปนไปตามแผนภมเฟสเหลกคารไบด

การเปลยนเฟสทเกดขนผานบรเวณของ เขาสบรเวณของ α+Fe3C (รปท 2.24) นนคอนขางซบซอน เชน เมอพจารณาโลหะผสมทมสวนผสมยเทกตอยด (0.76%C โดยน าหนก) เมอเยนตวลงจากบรเวณทเปน เชน อณหภม 800 oC หรอจด a ในรปท 2.26 และเยนตวลงตามเสนแนวตง xx’ ในตอนเรมตนโลหะผสมทงหมดประกอบดวย เทานน โดยมสวนผสม 0.76 % C ดงโครงสรางทแสดงในรปท 2.26 เมอโลหะผสมเยนลงจะไมเกดการเปลยนแปลง จนกระทงถงอณหภมยเทกตอยด (727 oC) เมอเยนตวลงผานอณหภมยเทกตอยดถงจด b ออสเตนไนตจะเปลยนเฟสตามสมการ 17



รปท 2.26 โครงสรางจลภาคของโลหะผสมเหลก – คารบอนสวนผสมยเทกตอยด (0.76%C) ทอณหภมเหนอและต ากวาอณหภมยเทกตอยด


รปท 2.27 รปถายโครงสรางจลภาคของเหลกกลายเทกตอยดทมตโครงสรางเพรลไลตประกอบดวยชนแอลฟาเฟอรไรตสขาวและชน Fe3C สด า ก าลงขยาย 500 เทา




โครงสรางจลภาคของเหลกกลายเทกตอยดท เยนตวอยางชาๆ ผานอณหภมย เทกตอยดจะประกอบดวยชนสลบของ 2 เฟส คอ α และ Fe3C ซงเกดขนพรอมกนระหวางการแปลงเฟส ในกรณนความหนาของเฟสทงสองทเกดขนจะมอตราสวน 8:1 โครงสรางจลภาคแบบน (จด b) ซงแสดงในรปท 2.26 ดวย เรยกวาโครงสรางเพรลไลต (Pearlite) เพราะมลกษณะเหมอนเปลอกหอยมก (Pearl) เมอมองดวยก าลงขยายต า รปท 2.27 แสดงโครงสรางเพรลไลตในเหลกกลายเทกตอยด เพรลไลตจะอยในเกรน (Grain) หรอกลม (Colonies) ชนทปรากฏจะเรยงตวไปในทศทางเดยวกนในแตละเกรนหรอแตละกลม ซงจะแตกตางกนไปจากเกรนอนหรอกลมอน ชนหนาสขาวหรอสออนในรป คอ เฟส α สวนซเมนไตต Fe3C จะเปนชนสด าบาง Fe3C บางครงบางมากและอยตดกบขอบของเฟส ท าใหไมสามารถแยกออกได ท าใหเหนชนเหลานเปนสด าทก าลงขยายน เพรลไลตมสมบตทางกลอยระหวาง α ทนมและเหนยวกบซเมนไตตทแขงและเปราะ

รปท 2.28 แสดงการเกดโครงสรางเพรลไลตจากออสเตนไนต ทศทางการแพรของคารบอน


ชนสลบของ α และ Fe3C ในเพรลไลตเกดจากปฏกรยาเหมอนกบยเทกตก และเนองจากสวนผสมของเฟสตงตน (ในกรณนคอ 0.76%C โดยน าหนก ) ตางกบเฟสทเกดขน (ในกรณนคอ α ) 0.022% C และ Fe3C 6.7%C) ดงนน การแปลงเฟสจงตองอาศยการกระจายตวใหมของคารบอนดวยการแพร รปท 2.28 แสดงการเปลยนแปลงโครงสรางดวยปฏกรยายเทกตอยด ทศทางการแพรของคารบอนเปนไปตามลกศร คารบอนจะแพรออกจาก α ซงมคารบอนอย 0.022% ไปสชนของ Fe3C ซงมคารบอนอย 6.7 % เพรลไลตจะเกดขนจากขอบเกรนและโตเขาไปสสวนทยงคงเปน γ อย การทเพรลไลตทเกดขนมลกษณะเปนชนๆ เพราะตองการลดระยะทางการแพรของคารบอนใหนอยทสดนนเอง หลงจากนนเมอเยนตวลงหลงจากจด b จะไมกอใหเกดการเปลยนแปลงทางโครงสรางอยางชดเจน



2.16 สรป

1. พนฐานโครงสรางของอะตอมแบบจ าลองของบอหรกลาววาอเลกตรอนเปนอนภาคทโคจรรอบนวเคลยสดวยวงจรทแนนอน กลสาสตรคลนพจารณาวาอเลกตรอนมลกษณะแบบคลน และกลาวถงต าแหนงของอเลกตรอนในลกษณะความเปนไปไดในการทจะพบอเลกตรอนในบรเวณตางๆ รอบนวเคลยส

ระดบชนพลงงานของอเลกตรอนถกบงชโดยเลขควอนตม เราไดรจกนยามในชนพลงงานหลกและชนพลงงานยอย การจดเรยงตวของอเลกตรอนในระดบชนพลงงานตางๆ ในอะตอมยดหลกการกดกนของพอลลตารางธาตถกสรางขนโดยการจดเรยงธาตเปนหมวดหมตามการจดเรยงของวาเลนซอเลกตรอน

พนธะระหวางอะตอมในของแขงอาจพจารณาไดจากแรงหรอพลงงานดงดดและผลกระหวางอะตอม พนธะปฐมภมในวสดของแขงม 3 ชนด คอ ไอออนก โควาเลนต และโลหะ ส าหรบพนธะไอออนก ไอออนทประจเกดจากการถายเทวาเลนซอเลกตรอนจากอะตอมหนงไปยงอกอะตอมหนง แรงดงดดเปนแรงคลอมบ หากเปนพนธะโควาเลนตจะมการแบงใชวาเลนซอเลกตรอนรวมกนระหวางอะตอมใกลเคยง ในพนธะโลหะ วาเลนซอเลกตรอนสามารถเคลอนทไดอยางอสระ เกดเปนทะเลของอเลกตรอนกระจายตวทวไปลอมรอบและยดแกนไอออนเขากน

พนธะทตยภม คอ พนธะแวนเดอรวาลสและพนธะไฮโดรเจน มความแขงแรงต ากวาพนธะปฐมภม แรงพนธะเกดจากแรงดงดดระหวางขวไฟฟาสองขว โดยทขวไฟฟาสองขวนอาจจะเปนประเภทถาวร หรอเปนประเภทไมถาวรเกดจากการถกเหยยวน า 2. อะตอมในผลกของแขงนนจะมการจดเรยงตวอยางเปนระเบยบ และมแบบแผนแตกตางจากการเรยงตวของอะตอมอยางไมเปน ระเบยบในวสดอสณฐาน อะตอมของแขงแทนดวยทรงกลมแขง ส าหรบวสดทมผลกนนโครงสรางผลกคอการจดเรยงตวของทรงกลมแขงแทนทอะตอม โครงสรางผลกแบบตางๆ สามารถระบไดดวยหนวยเซลลทมลกษณะเปนกลองสเหลยมซงสามารถวเคราะหไดจากลกษณะทางเรขาคณตและต าแหนงของอะตอม

โลหะสวนมากจะมโครงสรางแบบใดแบบหนงของโครงสรางพนฐาน FCC BCC หรอ HCP ลกษณะพเศษของโครงสรางผลกแตละแบบม 2 อยาง คอ เลขโคออรดเนชน (Coordination number) หรอกคอจ านวนอะตอมขางเคยง และอะตอมมกแพกกงแฟกเตอร (Atomic Packing Factor, APF) ซงคอสดสวนของปรมาตรทรงกลมแขงในแตละหนวยเซลล คาทงสองนส าหรบโครงสราง FCC และ HCP มคาเทากน แตโครงสรางทงสองนจะมความแตกตางกน ทล าดบการเรยงตวของระนาบทมความหนาแนนสงสดหรอระนาบโคลสแพก

วสดผลกเดยวเปนวสดทมการจดเรยงตวของอะตอมอยางเปนระเบยบทวทงชน จงมรปรางเปนทรงเรขาคณตและมผวเรยบ ถาวสดมหลายผลกจะประกอบขนจากเกรนหรอผลกขนาดเลกหลายเกรนทมทศทางการเรยงตวแตกตางกน

3. แผนภมเฟสเปนวธทสะดวกและแมนย าใชในการแสดงความสมพนธความเสถยรของเฟสตางๆ ในระบบโลหะผสม กลาวถงแผนภมทม 2 องคประกอบโดยมอณหภมและสวนผสมเปนตวแปร แผนภมแสดงสวนผสมและอณหภมนจะมพนทหรอบรเวณของเฟสตางๆ อาจจะมเพยงเฟสเดยวหรอ 2 เฟส ส าหรบโลหะผสมทมสวนผสมหนงๆ ถาหากทราบอณหภมแลว จะสามารถหาเฟสทเกดขน รวมทงสวนผสมและปรมาณ



(อตราสวน) ของแตละเฟสทสมดลได ในบรเวณทม 2 เฟส การหาสวนผสมของแตละเฟสจะตองใชไทไลนและใชกฎของคานงดเพอหาอตราสวนโดยมวลของแตละเฟส

ส าหรบระบบโลหะแลว แผนภมเฟสมหลายชนด แผนภมของโลหะผสมเนอเดยว คอ ระบบทโลหะผสมสามารถละลายเขากนอยางสมบรณในสภาวะของแขง เชน ระบบทองแดง – นกเกล และไดอธบายถงโครงสรางของโลหะผสมเนอเดยวทเกดจากการเยนตวอยางสมดลและไมสมดล รวมทงผลของสวนผสมตอลกษณะเฉพาะทางกล

ระบบทเลอกมาพจารณา คอ ระบบเหลก-คารบอนโดยเฉพาะแผนภมเหลก-เหลกคารไบดซงเปนแผนภมหนงทมความส าคญมากใสนการใสชงานทางเทคนค โครงสรางจลภาคของโลหะผสมเหลกกบคารบอนหรอเหลกกลาขนอยกบปฏกรยายเทกตอยดซงท าให γ ทเปน FCC สวนผสม 0.76 %C เกดการเปลยนเฟสเปน α ทมโครงสราง BCC (0.022%C) และสารประกอบเชงโลหะ Fe3C ทอณหภมคงท โครงสรางจลภาคจากปฏกรยายเทกตอยดเรยกวา เพรลไลต ซงจดเปนสวนประกอบจลภาคทประกอบดวยชนของเฟอรไรตและซเมนไตดสลบกน ถาโลหะผสมมปรมาณคารบอนนอยกวาสวนผสมยเทกตอยด จะเกดเฟอรไรตปฐมภมขนรวมกบโครงสรางเพรลไลต ในทางกลบกน ซเมนไตตปฐมภมจะเกดรวมกบเพรลไลตในโลหะผสมไฮเปอรยเทกตอยด ซงมปรมาณคารบอนมากกวาสวนผสมยเทกตอยด




1.เลขอะตอม คอจ านวนของอะไร ก. อเลกตรอน ข. ไอโซโทป ค. นวตรอน ง. โปรตรอน 2.เมออเลกตรอนถกกระตนใหหางออกจากระดบพลงงานเดมแลวปลอยกลบ จะคายพลงงานออกมาเรยกวาอะไร ก. แกมมา ข. โฟตอน

ค. อนฟราเรด ง. คอสมก 3.อเลกตรอนทอยระดบพลงงานวงนอกสดเรยกวาอะไร ก. ทะเลอเลกตรอน ข. หมอกอเลกตรอน ค. เวเลนซอเลกตรอน ง. ถกทงขอ ข และ ค 4. โครงสรางผลกแบบเฮกซะโกนอลโคลสแพก (Hexagonal Close Packed, HCP) ในหนงหนวยมกอะตอม

ก. 2 ข. 4 ค. 6 ง. 8 5. ขอใดคอความสมพนธระวางรศม (R) และแลตทซพารามเตอร (a) ของระบบผลกแบบ BCC

ก. a = 6R/√2 ข. a = 6R/√3 ค. a = 4R/√2 ง. a = 4R/√2 6. ทะเลอเลกตรอนเกดขนในพนธะเคมใด ก. พนธะโควาเลนซ ข. พนธะโลหะ ค. พนธะไอออนกส ง. รศมอะตอม 7.ระยะหางในหนวยเซลลเรยกวาอะไร ก. แองสตรอม ข. นาโนเมตร ค. รศมอะตอม ง. สเปซแลตทซ 8.โลหะสามารถเปลยนระบบผลกเมออณหภมเปลยนแปลง เรยกวาปรากฎการณอะไร ก. อะมอฟส ข. สภาวะกงเสถยร ค. แลตทซพารามเตอร ง. สภาพอญรป



9.จากรปเปนระบบผลกแบบใด

ก. Simple Cubic ข. BCC ค. FCC ง. HCP 10.ขอใดไมใชพนฐานของโลหะ

ก. Simple Cubic ข. BCC ค. FCC ง. HCP 11.ขอใดเรยงล าดบการแขงตวของโลหะไดถกตอง ก. นวเคลยส ผลกกงไม เกรน ข.เกรน นวเคลยส ผลกกงไม ค. ผลกกงไม นวเคลยส เกรน ง. นวเคลยส เกรน ผลกกงไม 12. ในระบบซงประกอบไปดวยสวนประกอบ 1 ชนด อยากทราบวาถาใหอณหภมและความดนสามารถเปลยนแปลงได จะมจ านวนเฟสเกดขนไดมากทสดพรอมกนกเฟส

ก. 2 ข. 3 ค. 4 ง. 5

13. ขอใดกลาวไดถกตองระหวางความแตกตางของสารละลายและของผสม ก. สารละลายเกดการแยกกนของสาร ท าใหเกดเฟสมากกวาหนงเฟส ของผสมจะเกดเปนเนอ

เดยวกนมเพยงหนงเฟส ข. สารละลายจะเกดในเฉพาะของเหลวเทานน ของผสมจะเกดการผสมกนระหวางของเหลว

และของแขงเขาดวยกน ค. สารละลายจะเกดเปนเนอเดยวกนมเพยงแคหนงเฟส ของผสมจะเกดจากการแยกกนของสาร

ท าใหเกดเฟสมากกวาหนงเฟส ง. สารละลายจะเกดการรวมตวกนของของเหลวและของของแขงเปนเฟสเดยว ของผสมจะเกด

จากการรวมตวกนของสารท าใหกลายเปนเฟสเดยว



14. ขอใดไมท าใหเกดระบบทธาต 2 ชนดละลายกนไดอยางไมมขดจ ากด (isomorphous system)

ก. โครงสรางผลกของแตละธาตมโครงสรางแบบเดยวกน ข. ธาตทง 2 ชนดรวมตวกนเปนสารประกอบ (compound) ค. ขนาดอะตอมของธาตทง 2 ชนดมความแตกตางกนไมเกน 15% ง. ธาตทง 2 ชนดมเวเลนซอเลกตรอนทเหมอนกน

15. ขอใดคอโครงสรางทเกดขนจากการเยนตวในสภาวะไมสมดล ก. เฟอรไรต (ferrite) ข. สารละลายของแขง (solid solution) ค. โครงสรางแกนใน (core structure) ง. สารประกอบอนเตอรเมทลลก (intermetallic compound)

16.ขอใดตอไปนเปนปฏกรยายเทกเตอร (eutectoid)

ก.

ข. L1

ค.

ง. L

17.ขอใดตอไปนเปนปฏกรยาโมโนเทกตก (monotectic)

ก.

ข. L1 L2

ค. L

ง. ง. L

18. หากโลหะมโครงสรางแกนในหรอโครงสรางแยกชน เมอตองการปรบสภาพโครงสรางแกนในใหเปนเนอเดยวกนตองใหความรอนกบโลหะทอณหภมต ากวาเสนโซลดสเพออะไร

ก. เพอใหเกดเฟส 2 ชนด ข. ข. เพอประหยดพลงงาน ค. เพอใหอะตอมเกดการแพรไดยาก ง. เพอปองกนไมใหเกดเฟสของเหลวตามขอบเกรน



19. เกรนทอยตดผนงของโพรงแบบหลอคอขอใด ก. คอลมนารเกรน (columnar grain) ข. อควแอกซเกรน (equiaxed grain) ค. วคแพลน (weak plane) ง. ไฟนเกรน (fine grain)

20. อนภาคของแขงทเกดจากการแขงตวทมลกษณะคลายผลกกงไมคอขอใด

ก. เกรน (grain) ข. นวคลไอ (nuclei) ค. เดนไดรต (dendrite) ง. ขอบเกรน (grain boundary)




ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ. (2548). วสดศาสตรและวศวกรรมวสดพนฐาน (Materials Science

and Engineering), กรงเทพฯ: ส านกพมพ ทอป. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology


New York: John Wiley & Sons.

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 3 คณสมบตทางกลของวสด

หวขอเนอหา 3.1 สมบตทางกลและการทดสอบ

3.2 ความเคนกบความเครยด 3.2.1 การเปลยนรปของวสด 3.2.2 ความเคน (Stress) 3.2.3 ความเครยด (Strain)

3.3 การทดสอบแรงดง 3.3.1 วธการทดสอบแรงดง 3.3.2 กราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรม (Engineering stress-strain curve)

3.4 สมบตทไดจากการทดสอบแรงดง 3.4.1 ความแขงแรง ณ จดคราก (Yield strength; YS หรอ 𝜎y) 3.4.2 กราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรม (Engineering stress-strain curve) 3.4.3 มอดลสของความยดหยน (Modulus of Elasticity; E) 3.4.4 มอดลสรไซเลนซ (Modulus of Resilience; ER) 3.4.5 เปอรเซนตการยดตวและการลดลงของพนทหนาตด (%EL และ %RA) 3.4.6 ความเคนและความเครยดจรง

3.5 การทดสอบความแขง 3.5.1 วธการทดสอบความแขงแบบตางๆ 3.5.2 การเปรยบเทยบความแขงแบบตางๆ

3.6 การทดสอบแรงกระแทก 3.7 การทดสอบความลา 3.8 การทดสอบแรงกระแทก 3.9 การทดสอบการคบ

3.9.1 การแตกหกแบบเหนยว (Ductile Fracture) 3.9.2 การแตกหกแบบเปราะ (Brittle Fracture) 3.9.3 การแตกหกเนองจากความลา (Fatigue Fracture) 3.9.4 ปจจยทมผลตออายความลา

3.10 สรป แบบฝกหดทายบทท 3 เอกสารอางอง



วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอผเรยน เรยนจบบทนแลวผเรยนควรมความรและทกษะดงน 1. อธบายคณสมบตของทางกลของวสด

2. อธบายความหมายของค าศพทเฉพาะตอไปน Elastic deformation, Plastic deformation, Strength, Toughness, Creep, Fatigue

3. ค านวณคาความเคน ความเครยด ได 4. อธบายการแตกหกแบบเปราะ และการแตกหกแบบเหนยวได

วธสอนและกจกรรม 1. ทบทวนเนอหาในบทท 2 2. น าเขาสบทเรยนโดยการบรรยายแนวคดและขอบเขตของแผนภมควบคม พรอมรปภาพประกอบ

ใน Power point 3. อธบายเนอหาและท าแบบฝกหดระหวางบทเรยนทละหวขอ แลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละ

หวขอกอนขามหวขอนน 4. ตรวจสอบค าตอบของผเรยน และสอบถามผเรยนถาผเรยนมค าถามสงสย 5. มอบหมายใหผเรยนท าแบบฝกหดทายบทท 3 6. เสรมสรางคณธรรม และจรยธรรมใหกบนกศกษากอนเลกเรยน




บทท 3 คณสมบตทางกลของวสด 83


บทท 3 คณสมบตทางกลของวสด

ปจจบนปจจยทมความส าคญในการเลอกใชวสดในงานอตสาหกรรม เพอความเหมาะสมตอกระบวนการผลต และตรงตามความตองการของผใชงาน เชน การตองการวสดทนตอการเสยดสไดด วสดทขนรปไดงายแตมความเหนยวและทนทานสง วสดททนตอการกดกรอนตอความเคมหรอสารละลาย สงตางๆ เหลานจงเปนเรองทควรพจารณา คอ คณสมบตทางกลของวสด โดยจะกลาวดงตอไปน 3.1 สมบตทางกลและการทดสอบ ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) สมบตทางกล (Mechanical properties) หมายถง พฤตกรรมทวสดแสงออกมาเมอมแรงภายนอกมากระท า ดงรปท 3.1 ซงจะเหนวา มแรงภายนอกมากระท า วสดจะเกดการเปลยนรปและแสดงพฤตกรรมใหเราเหน ไดแก ความแขงแรง ความแขง หรอความเหนยว เปนตน

แรงภายนอก การเปลยนรป

รปท 3.1 สมบตทางกลทแสดงออกมาเมอวสดถกแรงภายนอกกระท า

การเลอกใชวสดในงานวศวกรรมนน สมบตอยางแรกทเรามกพจารณา คอ สมบตทางกล โดยวสดทจะน ามาใชนนจ าเปนทจะตองมความแขง ความแขงแรง ความยดหยน หรอความเหนยวเพยงพอ ลกษณะเหลานลวนเปนสมบตทางกลทงสน คาของสมบตทางกลจะถกบนทกขอมลไวเปนคมอหรอเอกสารอางองตางๆ ทเราจะสามารถหามาพจารราเลอกวสดทเหมาะสมกบงานของเราได ขอมลของสมบตทางกลนนจะไดมาจากการทดสอบดวยเครองมอและวธการ ตลอดจนชนทดสอบทเปนมาตรฐานทสามารถใหความเชอถอ ส าหรบการทดสอบสมบตทางกล หากแบงตามลกษณะของแรงทใชในหารทดสอบแลวจะแบงเปน 3 ชนด ของแรงดงน

แรงสถต ( Static load) หมายถง แรงกระท าตอวสดขนาดวสดอยนง เชน การทดสอบแรงดง แรงสลบ (Cyclic load) หมายถง แรงกระท าตอวสดทมขนาดแตกตางกน และท าซ าๆ เชน การ

ทดสอบความลา

ปอนเขา

สมบตทางกล

o ความแขงแรง

o ความเหนยว

o ความแขง

ผลลพธ



แรงกระแทก (Dynamic หรอ Impact load) หมายถงแรงกระท ากบวสดอยางรวดเรวในทนททนใด เชนการทดสอบแรงกระแทก

ในบทนจะไดกลาวถงคณสมบตทางกลกบวสดและวธการทดสอบตางๆ ทใชในการวดความสามารถในการขบแรงในสภาวะตางๆโดยผลของการวดจะออกมาเปนคณสมบตทางกลของวสดทเราท าการทดสอบ เพอใหเกดความเขาใจและวสดไดถกตองยงขน

3.2 ความเคนกบความเครยด

3.2.1 การเปลยนรปของวสด

วสดเมอถกแรงภายนอกกระท า จะท าใหเกดการเปลยนรปขน ซงแบงเปนสองแบบ คอ การเปลยนรปแบบยดหยน (Elastic deformation) และการเปลยนรปแบบถาวร (Plastic deformation)

การเปลยนรปแบบยดหยน เกดขนกบวสดเมอเราใหแรงกระท า และวสดเกดการเปลยนรปหรอขนาด และเมอเราปลอยแรงกระท าออกไปแลว วสดจะกลบสสภาพเดมหรอกลบสขนาดปกตเหมอนกอนหนาทจะรบแรงเชน การดงหนงยางใหยดออกแลวปลอยแรง หนงยางจะกลบสสภาพเดม

การเปลยนรปแบบถาวร เกดขนเมอวสดรบแรงแลวเกดการเปลยนรปหรอเปลยนขนาดจากเดมไป และเมอปลอยแรงกระท าออกแลว วสดจะไมกลบสสภาพเดมไดครบ 100% เชน การงอหรอดดลวดโลหะเปนรปรางตางๆ

3.2.2 ความเคน (Stress)

หมายถง แรงตานทางภายในเนอวสดทพยามตานทานแรงภายนอกทมากระท า เพอไมใหเกดการเปลยนรปไปจากเดม แรงทมากระท าจะถกกระจายไปอยางสม าเสมอตลอดพนทหนาตดของวสด หากแบงตารมลกษณะของแรงทกระท ากบวสดแลว จะท าใหเกดความเคนขน 3 แบบ คอ ความเคนดง (Tensile stress) ความเคนอด (Compressive stress) และความเคนเฉอน (Shear stress) ดงแสดงในรป 3.2 ความเคนดงและความเคนอด จะรบแรงทมากระท าในทศทางทตงฉากกบพนทหนาตด สวนความเคนเฉอนแรงทกระท าจะขนาดกบพนทหนาตด



(ก) (ข) (ค)

รปท 3.2 วสดรบแรงในรปแบบตางๆ (ก) วสดรบแรงดงจะเกดความเคนดงขนและยดตวออกเปนเสนตรง (ข) วสดรบแรงอดจะเกดความเคนอดและหดตวเปนเสนตรง

(ค) วสดรบแรงเฉอนจะเกดความเคนเฉอนและเปลยนรปเปนมมปด


จากลกษณะของแรงกระท าทเปนแรงอด เราสามารถหาความเคนทเกดขนไดโดยคดเปนอตราสวนระหวางแรงกระท าตอพนทหนาตด ดงสมการท 1

(1)

เมอ

ความเคนทางวศวกรรม (Ib/in2, N/m2, kgf/mm2)

F = แรงทกระท าตงฉากกบพนทหนาตด (Ib, N, kgf)

A0 = พนทหนาตดขวางทถกแรงกระท า (in2, m2, mm2)

กรณทรบแรงเฉอน ความเคนทเกดขนจะหาไดจากแรงทกระท าตอพนทหนาตดทขนานกบแนวแรง ดงสมการท 2

(2)



เมอ

ความเฉอน (Ib/in2, N/m2, kgf/mm2)

F = แรงทกระท าตงฉากกบพนทหนาตด (Ib, N, kgf)

A0 = พนทหนาตดขวางทถกแรงกระท า (in2, m2, mm2)

3.2.3 ความเครยด (Strain)

คอ การเปลยนรปราง (Deformation) ของวสดเมอมแรงมากระท า โดยแบงเปนความเครยดยดหยน (Elastic strain) และความเครยดถาวร (Plastic strain) ความเครยดยดหยนเปนการเปลยนรปในลกษณะทเมอลดแรงกระท าแลว วสดจะกลบสรปเดมเหมอนกอนหนาทจะรบแรง สวนความเครยดแบบถาวรเปนลกษณะทเมอปลอยแรงแลววสดจะไมกลบสขนาดเดม

การหาความเครยดทางวศวกรรม (Engineering strain) หาจากอตราสวนของขนาดทเปลยนแปลงไปตอขนาดเดมโดยแบงตามลกษณะแรงทกระท าได 2 แบบ คอ ความเครยดเชงเสน (Linear strain) และความเครยดเฉอน (Shear strain)และความเครยดเชงเสนจะเกดขนเมอวสดรบแรงดงหรอแรงกด สวนความเครยดเฉอนจะเกดขนเมอวสดไดรบแรงเฉอน และความเครยดเชงเสนหาไดจากสมการท 3

(3)

เมอ

= ความเครยดเชงเสน

l = ความยาวเมอไดรบแรงกระท า

l0 = ความยาวเกจ (Gage length)

= ความยาวเมอเปลยนแปลงไป



ความเครยดเฉอนหาไดจาก

(4)

เมอ

= ความเครยดเฉอน

= มมทเปลยนไป

3.3 การทดสอบแรงดง

3.3.1 วธการทดสอบแรงดง

การทดสอบแรงดง (Tensile test) เปนการวดความตานทางของวสดโดยการใหแรงดงทเพมขนอยางสม าเสมอ (Static load) จนกระทงวสดขนาดจากกน ชนงานทดสอบมไดหลายลกษณะของเครองทดสอบ หวจบชนทดสอบ และขนาดของแรงทใชดง แตโดยทวไปแลวชนทดสอบมกมพนทหนาตดเปนรปทรงกลม

รปท 3.3 ชนทดสอบแรงดงพนทหนาตดจบหวทายโดยการลอกทบา

(ทมา: Timings R.L., 1998)

ชนงานทใชทดสอบจะมการก าหนดขนาดตางๆไวเปนมาตรฐาน ไมวาจะเปนเสนผานศนยกลาง ความยาวของชนทดสอบ และรศมของความโคงของบรเวณบาลอกเพอจบดง ขนาดของชนทดสอบทแสดงในรป 3.3 โดยชนทดสอบทมพนทหนาตดกลม จะมสดสวนของความยาวเกจ (Gage length, L0) ตอพนทหนาตด (A) เปนคาความสมพนธทคงทเรยกสดสวนนวา สดสวนของชนทดสอบ โดยมรความสมพนธกน ดงสมการ



L0 = 5.658√A

ซง

A = π/4 x d2

√A = 0.886d

ดงนน

L0 = 5.658 x 0.886d = 5.013d ≅ 5d (โดยประมาณ)

หากชนทดสอบมขนาดเสนผานศนยกลาง 5 mm ความยาวเกจจะเทากบ 25 mm

ตามล าดบ

ในรป 3.3 ชวงความยาวเกจ (L0) คอ ความยาวของชนทดสอบทจะใชวดการยดตวของชนทดสอบ สวนความยาวแนวขนานต าสด (Lc) คอ ความยาวต าสดทชนทดสอบควรจะมพนทภาคตดทคงทตลอดทกสวนกอนทจะท าการทดสอบคาของความยาว L0, Lc และพนทหนาตด A จะถกก าหนดโดยมาตรฐานแตละประเทศ ส าหรบเครองทดสอบจะมหลายแบบและหลายขนาด แตจะมสวนประกอบหลกๆ ดงแสดงในรป 3.4

รปท 3.4 อปกรณและการตดตงชนทดสอบบนเครองทดสอบแรงดง

(ทมา: Mangonon, 1999)



เมอตดตงชนทดสอบบนเครองทดสอบแลว จะมการใหแรงดง (F) ซงเราเรยกวา ภาระ (Load) หรอแรงกระท าและมเครองมอการยดตว (Strain gage หรอ Extensometer) ตดอยบนชนทดสอบ เพอวดความยาวทเปลยนแปลงไปในชวงความยาวเกจ จากนนท าการบนทกคาของแรงทเพมชนอยางสม าเสมอและความยาวของชนทดสอบทยดออกในชวงของแรงตางๆจนกระทงชนงานขาด ตวอยางคาบนทกไดแสดงในตาราง 3.1 เปนการทดสอบแรงดงอลมเนยม

ตารางท 3.1 ผลของการทดสอบแรงดงชนทดสอบอะลมเนยมเสนผานศนยกลาง 0.505 in และความเคนกบความเครยด

คาทวดได คาทค านวณ แรง (Ib)

ความยาวเกจ (in)

ความเคน (psi)

ความเครยด (in/in)

0 1000 3000 5000 7000 7500 7900

8000 (แรงสงสด) 7950

7600 (ขาด)

2.000 2.001 2.003 2.005 2.007 2.030 2.080 2.120 2.160 2.205

0 5000

15,000 25,000 35,000 37,500 39,500 40,000 39,700 38,000

0 0.0005 0.0015 0.0025 0.0035 0.0150 0.0400 0.0600 0.0800 0.1025

3.3.2 กราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรม (Engineering stress-strain curve)

คาของแรงและความยาวทเปลยนแปลงไปจะถกน ามาเปลยนเปนคาของความเคนทางวศวกรรม Engineering stress และความเครยดทางวศวกรรม Engineering strain โดยหาไดจากสมการท (1) และ (3) ตวอยางท 1 แสดงการค านวณคาความเคนและความเครยดท 1000 Ib โดยคาความเคนทค านวณไดมคา 5,000 Ib/in2และความเครยดมคา 0.0005 in/in ส าหรบความเคนและความเครยดอนๆ สามารถค านวณไดในลกษณะเดยวกน และคาทค านวณ ดงแสดงในตารางท 3.1



ตวอยางท 1 จงค านวณหาคาความเคนและความเครยดของขอมลจากตารางท 3.1

วธท า ทแรงดง 1,000 Ib

= 1000/0.2 = 5,000 lb/in2

= (2.001-2.00)/2 = 0.0005 in/in

จากนนน าคาความเคนและความเครยดไปสรางกราฟ โดยแกนนอนเปนความเครยด และแกนตงเปนความเคนจะไดกราฟขนมาหน งเสน ซ งเรารยกวา กราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรม (Engineering stress-strain curve) ดงแสดงในรปท 3.5

รปท 3.5 กราฟความเคนและความเครยดของชนทดสอบอะลมเนยมผสม

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

0

0.00

05

0.00

15

0.00

25

0.00

35

0.01

5

0.04

0.06

0.08

0.10

25

ความ

เคน (S

train

) ps

i

ความเครยด (Stress) in/in



รปท 3.6 จดส าคญของกราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรม

(ทมา: Moniz B.J, 1994)

กราฟความเคนและความเครยดจะมจดตางๆทส าคญ ดงแสดงในรปท 3.6 โดยจดตางๆประกอบไปดวย

จด A คอ ขดจ ากดการแปรผนตรง (Proportional limit) เปนจดปลายของสวนทเปนเสนตรงของกราฟระหวางความเคนกบความเครยด ซงถาพนจดนไปแลว ความสมพนธระหวางความเคนกบความเครยดจะไมแปรผนอกตอไป

จด B คอ ขดจ ากดความยดหยน (Elastic limit) เปนจดทความเคนสงสด ซงต ากวาความเคน ณ จกครากทท าใหวสดยงไมเปลยนรปอยางถาวร ณ จดนหากปลอยแรกออก วสดจะกลบสสภาพเดม

จด C คอ จดคราก (Yield point) เปนต าแหนงทชนทดสอบเกดการเปลยนรปอยางถาวร ในกรณเหลกกลาคารบานต าและคารบอนปานกลาง ทจดครากชนทดสอบจะเกดการยดตวออกหรอเกดความเครยดเพมขน โดยทความเคนลดลงทจด C นบางครงเรยกวาจดครากบน (Upper yield)

จด D-E คอ จดรากกลาง (Lower yield) เปนชวงทความเครยดเพมขน โดยไมมการเพมความเคน

จก F คอ ความตานทานแรงดงสงสด (Ultimate Tensile Strength: UTS) ความเคนดงสงสดทวสดสามารถทนทานได นยมเรยกสนๆวา ความตานทานแรงดง (Tensile strength)

จด G คอ จดแตกหก (Fracture point) เปนจดทวสดเกดการฉกขาดหรอแตกหกออกจากกน



วสดแตละชนดจะใหลกษณะของกราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรมทไมเหมอนกน ทงนขนอยกบองคประกอบหลายๆ อยางเชน สวนผสมทางเคมของวสดนน หรอกระบวนการชบ เปนตน

การเปรยบเทยบกราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรมของโลหะผสมชนดตางๆ ดงแสดงในรป 3.7 โดยจะเหนไดวาธาตผสมและกระบวนการอบชบจะมอทธพลตอความแขงแรง และความเหนยวของโลหะผสมตางๆ ดงเชนเหลกกลา SAE 1340 ทผานการชบดวยน าและอบคนตวท 370 ◦C (700 ◦F) จะมความแขงแรงทสงมาก

รปท 3.7 กราฟความเคนและความเครยดทางวศวกรรมของโลหะผสมชนดตางๆ

(ทมา: http://reelatscience.blogspot.com/2015/03/stress-strain.html)

3.4 สมบตทไดจากการทดสอบแรงดง

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) สมบตตางๆ ทไดจากการทดสอบแรงดงนนประกอบไปดวยสงทส าคญๆ ไดแก ความแขงแรง ณ จดคราก (Yield strength) ความตานทานแรงดง (Tensile strength) สมบตในสภาวะยดหยน (Elastic properties) และความเหนยว (Ductility)



3.4.1 ความแขงแรง ณ จดคราก (Yield strength; YS หรอ 𝜎y)

หมายถง จดทวสดมการเปลยนรปอยางถาวร โดยหากใหแรกกระท ากบวสดเกนจดครากนไป วสดจะเกดการเปลยนรปไปและไมกลบสสภาพเดม 100% หรอหากมองลกลงไปในระดบโครงสรางของผลก จดครากคอ จดทโครงสรางผลกเกดการเลอน (Slip) ของระนาบผลก ดงนนจดคราก คอ คาความแขงแรงทเปนจดเชอมตอระหวางการเปลยนรปอยางยดหยน (Elastic deformation) และการเปลยนรปอยางถาวร

วสดบางชนดเราไมสามารถสงเกตจดครากทแนนอนได ดงนนจงตองมการประมาณคาโดยการออฟเซตท 0.2% (0.2% Offset) ของความเครยดนน คอ คา 0.002 in/in รปท 3.8 (ก) จากนนลากเสนขนมาโดยใหขนานกบกราฟความเคนกบความเครยดไปตดกนดานบนจดนน คอ จด 0.2% ออฟเซต ในทางวศวกรรมจะใชความเคนทจดครากนในการออกแบบโครงสรางตางๆ ความเคน 0.2% ออฟเซตน บางครงเรยกวา ความเคนพสจน (Proof stress)

วสดบางชนดสามารถมองเหนจดครากไดชดเจน อยางเชน เหลกกลาคารบอนต า ดงแสดงในรป 3.8 (ข) จดครากทมองเหนจะมถง 2 จด สวนทอยบนสดเรยกวาจดครากบน (Upper yield point) สวนลางลงมาเรยกวาจดครากลาง (Lower yield point)

(ก) (ข)

รปท 3.8 การหาความเคน ณ จดคราก (ก) วธ 0.2% ออฟเซต (0.2% offset) (ข) จดครากบนและจดครากลางของเหลกกลาคารบอนต า




3.4.2 ความตานทางแรงดง (Tensile strength; TS หรอ UTS หรอ 𝜎u)

คอ คาความเคนสงสดทวสดรบได หากดจากกราฟความเคนกบความเครยดในจดทมความเคนสงสด จด M (รปท 3.9) ณ จดน ชนทดสอบจะเรมเกดคอคอด (Necking) ขนบรเวณความยาวเกจ และเมอผานจดนไป วสดจะมพนทหนาตดลงเรอยๆ จนเกดการแตกหก บางครงเราเรยกความเคนแรงดงนวา ความตานทานแรงดงสงสด (Ultimate Tensile Strength; UTS)

รปท 3.9 การเกดคอคอดของชนทดสอบ ณ จดความเคนแรงดงสงสด


3.4.3 มอดลสของความยดหยน (Modulus of Elasticity; E)

การเปลยนรปของวสดในสภาวะนจะเปนเปลยนรปไมถาวรโดยมคาทส าคญคาหนงเราเรยกวา มอดลสของความยดหยน (Modulus of elasticity) หรอมอดลสของยง (Young’s modulus) ใช E เปนสญลกษณคาของ E นนเปนคาความชนของกราฟความเคนกบความเครยดในชวงสภาวะยดหยน ดงแสดงในรป 3.5 ความสมพนธดงกลาวจะเปนไปตามกฎของฮค (Hooke’law) นน คอ การเปลยนแปลงขนาดและความเคนของวสดในชวงทมสภาวะยดหยนจะเปนอตราสวนหรอสดสวนโดยตรงตอกน ดงสมการท 5

E = (5)

ในกรณทวสดเกดการเปลยนรปเนองจากแรงเฉอน เราจะเรยกมอดลสของการเปลยนรปวา มอดลสของการเฉอน (Modulus of ligidity) และใช G เปนสญลกษณ คาของ G สามารถหาไดจากสมการ



G= (6)

ตวอยางท 2 จากขอมลในตวอยางท 1 ใหค านวณหาคามอดลสความยดหยนและใชคาทหาไดหาความยาวของสนทดสอบทยดออกขณะรบแสง 30,000 lb/in2 หากชนทดสอบมความยาวกอนทดสอบ 50 in

วธท า

ทคาความเคน 35,000 lb/in2 คาความเครยดมคา 0.0035 in/in

ดงนน E = 35,000/0.0035 = 10 x 106 lb/in2

จากกฎของฮค

= 35,000/0.0035 = 0.003

l = l0 + l0 = 50 + (0.003)(50) = 50.15 in

ขอมลของคา E, G และอตราสวนปวสซองของวสดตางๆ ดงแสดงในตารางท 3.2 ในกรณของโลหะคา G จะมคาประมาณ 0.4E ดงนนหากเรารคามอดลสตวใดตวหนง เรามารถประมาณคามอดลสอกคาไดทนท



ตารางท 3.2 คา E, G และอตราสวนปวสซอง (μ) ทอณหภมหองของวสดตางๆ

การวดปรมาณหรอคาของการเปลยนรปของวสดในชวงยดหยนนนจะวดออกมาเปนคาสตฟเนสส (Stiffness) โดยวสดมคาสตฟเนสสสง กจะมคามอดลสความยดหยนสง นนหมายความวาวสดมคาสตฟเนสสสงจะสามารกษาขนาดและรปรางในชวงยดหยนไดหรอมการเปลยนรปไปนอยนนเอง ดงเชนการเปรยบเทยบพฤตกรรมในชวงยนหยนของอะลมเนยมกบเหลกกลา ในรป 3.10 (ก) จะเหนวาเหลกหลาเมอลกแรงกระท า 30,000 Ib/in2 จะเปลยนรปไปเพยง 0.001 in สวนอะลมเนยมจะเปลยนขนาดไปถง 0.003 in ทการรบแรงเทากน นนแสดงวาเหลกกลามมอดลสของความยดหยนมากกวาอะลมเนยมถง 3 เทาตว

3.4.4 มอดลสรไซเลนซ (Modulus of Resilience; ER)

คอ คาของพลงงานทวสดรบไวไดในสภาวะยดหยน สามารถหาไดจากพนทของกราฟความเคนกบความเครยดในชวงทมการเปลยนรปในสภาวะยดหยน ดงแสดงในรปท 3.10 (ข) การหาคามอดลสรไซเลนซ หาไดจากสมการ (7)



ER = ความเคนทจดคราก ความเครยดทจดคราก =

(7)

(ก) (ฃ)

รปท 3.10 การเปรยบเทยบพฤตกรรม (ก) ในชวงยดหยนของเหลกกลากบอะลมเนยม (ข) พนททใชหามอดลสรไซเลนซ


3.4.5 เปอรเซนตการยดตวและการลดลงของพนทหนาตด (%EL และ %RA)

การวดความเหนยว (Ductility) ของวสดเปนการวดขนาดของการเปลยนรปวาวสดมการเปลยนรปไปไดมากนอยเยงใดเมอมแรงมากระท า วสดทเปลยนรปไปไดมากโดยปราศจากการแตกหกแสดงวา วสดนนมความเหนยวมาก คาความเหนยวคาหนงของวสดทนยมใช คอ เปอรเซนตการยดตว (% Elongation; % EL หรอ %e) หาไดจากสมการท (8) ดงน

ความเคน (psi)

40,000

20,000

30,000

10,000

50,000

0.001 0.002 0.004 0.003

ความเครยด (in/ini)

เหลกกลา

อะลมเนยม



% EL = (lf-l0)/l0 x 100 (8)

เมอ

% EL = เปอรเซนตการยดตว

lf = ความยาวของชนทดสอบหลงจากขาด

l0 = ความยาวเกจ

การวดคาความเหนยวอกคาหนงทนยม คอ เปอรเซนตการลดลงของพนทหนาตด (% Reduction of

area) โดยหาไดจากสมการท (9)

%RA = (A0-Af)/A0 x 100 (9)

เมอ

%RA = เปอรเซนตการลดลงของพนทหนาตด

A0 = พนทหนาตดกอนทดสอบ

Af = พนทหนาตดหลงการแตกหก

ตวอยางท 4 จากตวอยางท 1 ชนงานทดสอบอะลมเนยมวดความยาวหลงขาดได 2.195 in และขนาดเสนผานศนยกลางหลงขาดวดได 0.398 in จงค านวณหาความเหนยวของโลหะผสมน

วธท า

= 9.75%

π

= 37.9%



วสดเหนยวกบวสดเปราะนนจะมพฤตกรรมการเปลยนรปอยางถาวร (Plastic deformation) ทแตกตางกน โดยวสดทมความเปราะจะเปลยนรปอยางถาวรไดนอยกวาวสดเหนยว ดงแสดงการเปรยบเทยบในรปท 3.11 การจ าแนกประเภทของวสดเหนยวและวสดเปราะใชเปอรเซนตการยดตวเปนตวแบง โดยวสดทมเปอรเซนตการยดตวนอยกวา 5% จะเปนวสดเปราะ (Brittle material)

รปท 3.11 ลกษณะกราฟความเคน-ความเครยดของวสดเหนยวกบวสดเปราะ


3.4.6 ความเคนและความเครยดจรง

ในการค านวณคาความเคนของวสดโดยใชพนทหนาตดเดมตงแตเรมใหแรงกระท าจนวสดเกดการแตกหกนนเปนคาทไมถกตองนก เพราะคาของความเคนภายหลงรบแรงดงสงสดแลว ความเคนจะลดลง ซงในความเปนจรงแลว หากตองการหาคาทแทจรง แลวจะตองใชพนทหนาตดจรง ณ จดรบแสงตางๆ มาค านวณหาคาความเคน ซงเราจะเรยกวา ความเคนจรง (true tress) ในท านองเดยวกน ความเครยดจรง (True strain) กจะตองหาจากความยาวจรงเชนกน โดยความเคนและความเครยดจรงจะหาไดจากสมการดงน

ความเคนจรง σt =

ความเครยดจรง ∫ ( ) เมอ A = พนทหนาตดจรง ณ จดรบแรง F



คาของ ( ) ควรหาภายหลงจากทชนทดสอบเกดคอคอดเสนกราฟความเคนและความเครยดจรง เมอเปรยบเทยบกบกราฟความเคนและความเครยดปกตแสดงดงรปท 3.12 จะเหนวาคาของความเคนจรงจะเพมขน ทงนจากพนทหนาตดของชนทดสอบลดลงนนเอง

รปท 3.12 กราฟเปรยบเทยบความเคนและความเครยดจรงกบความเคน และความเครยดปกตของเหลกหลาคารบอน


ตวอยางท 5 จากตวอยางท 1 ใหเปรยบเทยบความเคนและความเครยดกบความเคนปกตโดยหาท (ก) จดรบแรงสงสด (ข) จดแตกหก โดยขนาดเสนผานศนยกลางทจดรบแรงสงสดคอ 0.497 in และทจดแตกหกคอ 0.398 in

วธท า

(ก) จดรบแรงสงสด

คาความเคนปกต 40,000 lb/in2

ความเคนจรง 41,237 lb/in2

ความเครยดปกต 0.060 in/in

ความเครยดจรง ( ) ( ) 0.058 in/in



(ข) คาความเคนปกต π 38,000 lb/in2

ความเคนจรง π 61,090 lb/in2

ความเครยดปกต 0.1025 in/in

ความเครยดจรง ( ) * + = In(1.610) = 0.476 in/in

จะเหนวาความเคนจรงจะมคาสงกวาความเคนปกต

3.5 การทดสอบความแขง

การทดสอบความแขง (Hardness test) เปนการวดความทานทานของวสดตอการกดใหเปนรอยปม (Indentation) การขดหรอขดใหเปนรอย (Scratching) การหาคาความแขงของวสด อาศยหลกการ 3 อยางคอ 1. หาความตานทานตอพลงงานยดหยน (Elastic Hardness) โดยการใหวสดชนดหนงตกลงมากระทบกบวสดอกชนดหนง แลวปลอยใหกระดอนขน สงเกตการณกระดอนของวสดนน วสดใดมความแขงมากกจะกระดอนไดสง สวนวสดทมความแขงต ากจะกระดอนไดต า 2. หาความตานทานตอการตดหรอขดขวน (Resistance to Cutting or Abrasion) เปนการน าเอาวสดตางชนดกนมาขดหรอถกน วสดใดมความแขงสงกจะขดหรอถวสดทมความแขงต าใหเปนรอยได 3. หาความตานทานตอการกดใหเปนรอยบม (Resistance to Indentation) เปนการน าเอาวสดชนดหนงมากดลงบนผวอกชนดหนง วสดใดทสามารถท าใหเกดรอยบมไดโตหรอลก แสดงวาวสดนนมความแขงต า แตถารอยกดเลกหรอตน กแสดงวาวสดนนมความแขงสง

3.5.1 วธการทดสอบความแขงแบบตางๆ

การวดความแขงซงแบงตามลกษณะของหลกการ 3 ประการขางตน การวดแตละวธนนนยมเรยกชอตามเครองมออปกรณทใชวด ดงน



1. การวดความแขงแบบชอรสเกลโรสโคป (Shore Scaleroscope Hardness Test) เปนการทดสอบความแขงโดยการใชคอนหวเพชรซงน าหนก 1/12 ออนซ ปลอยจากทสงหางจากชนงานทดสอบ 10 in ใหตกลงมากระทบกบผวชนงาน ใหสงเกตดการกระดอนหลงของคอนหวเพชรวาสงหรอต าจากสเกลทหนาปทม วสดทแขง คอนหวเพชรจะกระดอนกลบไดสงกวาวสดออน เครองทดสอบแบบชอรสเกลโรสโคปแสดงดงรป 3.13

รปท 3.13 เครองมอวดความแขงแบบชอรสเกลโรสโคป

(ทมา: ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555)

2. การวดความแขงแบบสเกลของโมส (Mohs’Scale) เปนการทดสอบความแขงอยางงายๆ ซงนายเฟรดรดโมล เปนผคดขนโดยอาศยการแบงความแขงออกเปน 10 ขนตามชนดของสนแร คอสนแรชนดใดมความแขงต าสด ก าหนดขนความแขง 1 และสนแรชนดใดมความแขงขนสงสด ก าหนดเปนขนความแขง 10

ตามล าดบ ดงแสดงในรป 3.16 ในการทดสอบความแขงโดยวธนกระท าไดโดยน าเอาสนแรมาตรฐานทง 10 ไปขดวสดทตองการทราบความแขง สงเกตดวาสนแรมาตรฐานความแขงขนใดขดวสดเปนรอย กแสดงวาวสดนนมความแขงอยในขนนน เชน น าเอาสนแรความแขง 7 ไปขดวสดอกชนดหนง ท าใหวสดนนเปนรอย กแสดงวาวสดนนมความแขงเทากบขนท 7 เทยบเทาสนแรควอตซการทดสอบความแขงแบบสเกลของโมสนยมใชทดสอบสนแรมากกวาในทางโลหะวทยา เพราะชวงของความแขงกวางมากและเปนคาทหยาบ ไมเหมาะทจะน ามาใชในทางวศวกรรม



3. การวดความแขงแบบบรเนลล (Brinell Hardness Test; HB หรอ BHN) เปนการวดโดยใชน าหนกมาตรฐานกดผานหวกด (Indenter) ท าดวยลกบอลเหลกกลาทผานการชบแขงหรอลกบอลทงสเตนคารไบต ใหหวกดกดลงบนชนงานเปนเวลา 10-30 วนาท จากนนปลดน าหนกมาตรฐานออก หวกดจะท าใหเกดรอยกดทผวชนงาน ดงแสดงในรปท 3.14 จากนนน าชนงานทดสอบไปวดขนาดความโตของรอยกดดวยกลองขยาย แลวน าคาทวดไดไปหาคาความแขง เรยกวา BHN (Brinell Hardness Number) ไดจากสตรท 10

BHN = √ (10)

เมอ

BHN = คาความแขงโดยการทดสอบแบบบรเนลล

P = น าหนกทใชกดหวกด

D = ความโตของหวกด

d = ความโตของรอยกด

รปท 3.14 เครองวดความแขงแบบบรเนลล




4.การทดสอบความแขงแบบรอคเวลล (Rockwell Hardness Test; HR) การทดสอบความแขงแบบรอคเวลลนยมใชกนมากในงานอตสาหกรรม เพราะทดสอบไดงาย รวดเรว และสามารถทราบคาความแขงไดโดยตรงจากเครอง โดยการอานทหนาปดของเครอง รปท 3.15

รปท 3.15 เครองทดสอบความแขงแบบรอคเวลล


หวกด (Indenter) และน าหนกกด (Load) จะแบงออกเปนสองกลมคอ กลมทดสอบแบบธรรมดาและแบบพเศษทง 2 กลมจะแบงการวดโลหะออกแตกตางกน โดยหวเพชรจะใชวดโลหะแขงและหวบอลเหลกจะใชวดโลหะออน และการทดสอบแบบพเศษจะใชกบโลหะทมความบาง

การทดสอบความแขงดวยวธรอคเวลลทนยมใชมอยดวยกน 2 แบบ คอ HRC และ HRB ส าหรบ HRC

จะเปนการทดสอบโลหะทผานการชบแขงมา โดยหวทดสอบจะเปนหวเพชร สวน HRB จะใชวดความแขงโลหะทออนกวาซงหวทดสอบจะเปนหวบอลเหลกกลา การเขยนคาความแขงจะใชอกษรบอกวธการทดสอบมาดวย เชน 60 HRC หรอ 45 HRB เปนตน

3.5.2 การเปรยบเทยบความแขงแบบตางๆ

เราสามารถเปรยบเทยบหรอเปลยนคาความแขงจากการวดแตละแบบทมสเกลแตกตางกนได โดยรปท 3.16 คาทไดจากสเกลความแขงของวสดตางๆเหลานเปนคาโดยประมาณ หากตองการคาทถกตองจรงๆ จะตองวดจากเครองและวธการวดความแขงแตละแบบโดยตรง



รปท 3.16 กราฟเปรยบเทยบและเปลยนคาความแขงจากการวดแตละแบบ




3.6 การทดสอบแรงกระแทก

การทดสอบแรงกระแทก (Impact test) ของวสด เปนการทดสอบเพอหาความสามารถในการรบแรงทมากระท ากบวสดดวยความรวดเรว (Dynamic load) ความสามารถในการรบแรงกระแทกของวสด หมายถงการทวสดสามารถดดกลนหรอเกบพลงงานกระแทกไวไดมากนอยเพยงใด ถาวสดสามารถเกบสะสมพลงงานตอหนวยปรมาตร ตงแตเรมตนไดรบแรงกระแทกจนกระทงแตกหวไดสง กหมายความวาวสดนนมทฟเนสส (Toughness) สง หรอมความทดทานตอการแตกหกสงนนเอง

หลกการทดสอบแรงกระแทกจะใชคอนเหวยง (Hammer) กระทบชนทดสอบซงท าเปนขนาดมาตรฐานไว ซงลกษณะการเหวยงจะคลายลกตมนาฬกา ดงแสดงในรปท 3.17 ซงสามารถทจะค านวณปรมาณพลงงานทใชกระแทกชนทดสอบไดจากผลตางของระดบสงต าของลกตมเมอเรมแกวง และหลงจากทแกวงไปกระแทกชนทดสอบใหหก อยางไรกแลวแต เราสามารถอานคาของพลงงานไดจากหนาปดของเครองทดสอบไดโดยตรง โดยไมตองท าการค านวณ โดยคาทอานไดจะเปนพลงงานทวสดดดกลนไวไดจนเกดการแตกหก มหนวยเปนจล

รปท 3.17 หลกการท างานและสวนประกอบของเครองท าสอบแรงกระแทก


การทดสอบแรงกระแทกทนยมใชม 2 แบบคอ แบบชารป (Charpy test) และแบบไอซอด (Izod

test) การทดสอบทงสองแบบนแตกตางกนตรงลกษณะของการจดชนงาน โดยการทดสอบแบบชาร ปจะจบชนงานทปลายทงสองขางและใหรอยบากอยกงกลาง โดยหนดานหลงของรอยบากเขาจดกระทบของลกตม ดงแสดงในรปท 3.18 (ก) สวนการทดสอบแบบไอซอด ชนทดสอบจะถกจบยดทปลายเพยงดานเดยว และปลายอกดานหนงจะตงขนและหนดานหนาของรอยบากเขาจดกระทบของลกตม ดงแสดงในรปท 3.18 (ข)



(ก) (ข)

รปท 3.18 การจบยดชนทดสอบแรงกระแทก (ก) แบบชารป (ข) แบบไอซอต


อทธพลของอณหภมทมตอการทดสอบแรงกระแทก อณหภมมผลกระทบตอความเหนยวหรอความเปราะของวสด โดยทวไปแลววสดจะมความเหนยวทอณหภมหนง แตจะเปลยนไปเปนวสดเปราะเมออณหภมต าลง อณหภมทท าใหวสดเปลยนไปจากวสดเหนยวไปเปนวสดเปราะเรยกวา อณหภมแทรนซชน (Transition temperature) วสดเมอเปลยนสภาพจากเหนยวไปเปนวสดเปราะ จะท าใหความสามารถในการรบแรงกระแทกลดลง นนคอทอณหภมต า วสดจะรบแสงกระแทกไดนอยกวาอณหภม โลหะทมโครงสรางแบบ BCC เชน เหลกกลา จะมอณหภมแทรนซซน แตโครงสรางแบบ FCC เชน เหลกกลาไรสนม จะไมมอณหภมแทรนซซน และจะคงความเหนยวไวไดทอณหภมต า

3.7 การทดสอบความลา

การทดสอบความลา (Fatigue test) เปนการทดสอบโดยการใหแรงกระท ากบวสดในลกษณะซ าๆ (Cyclic load) เปนจ านวนมากครง จนกระทงวสดเกดความลาและแตกหกในทสด การทดสอบนจ าเปนตองท าส าหรบวสดทจะน าไปท าชนสวนทตองหมน เกดการดดหรอการสนสะเทอน เชนเพลาลงก าลง เปนตน ชนสวนเหลานจะไดรบความเคนทสลบกนไปมา เชน อาจจะรบความเคนอดและความเคนดงกลบไปกล บมาอยตลอดเวลา และมโอกาสจะเกดการแตกหกเนองจากความลาเกดขนไดโดยเฉพาะหากบรเวณผวเนอของวสดมรอยแตกราวอยกอน จะเปนจดทเรงใหเกดการแตกหกเรวขน การแตกหกของวสดเนองจากความลานน จะเกดขนไดถงแมวาวสดนนจะรบแรงต ากวาความเคน ณ จดครากหรอความเคนสงสดของวสดกตาม ลกษณะการแตกหกเนองจากความลาจะแบงเปน 3 ชวง โดยในชวงแรก จะเปนการก าเนดรอยราวเรมแรกทผว จากนนชวงตอมา จะเกดการขยายและลกลามไปเรอยๆ



และเรวขน ท าใหพนทหนาตดในการรบแรงลดลงและท าใหความเคนเพมขน จากนนจะเขาสขนสดทาย คอ วสดจะขาดจากกนทนท ลกษณะการขาดจะคลายการขาดวสดเปราะ การทดสอบความลา ชนงานทดสอบจะถกจบยดดวยหวจบตดกบมอเตอรหมน ดงแสดงในรปท 3.19 และปลายอกดานหนงจะประกอบกบแบรงและอปกรณนบรอบการหมน จากนนจะมการใหแรงกระท ากบชนทดสอบทคงท โดยชนทดสอบจะมลกษณะโกงขน ท าใหผวตานแรงรบแรงดงและผวดานลางรบแรงกด จากนนใหหมนมอเตอรไปจนกวาชนทดสอบจะแตกหก และบนทกจ านวนรอบทวสดแตกหกกบความเคนทให น าไปสรางกราฟทแสดงความสมพนธระหวางความเคน (Stress) กบจ านวนรอบ (Number of cycles) ดงแสดงในรปท 3.20 ซงเราเรยกกราฟนวา กราฟ S-N (S-N curve)

รปท 3.19 เครองทดสอบความลา


รปท 3.20 กราฟความสมพนธระหวางความเคน-จ านวนรอบ (S-N curve)




จากกราฟ S-N ในรปท 3.20 ลกษณะของกราฟจะลาดเอยงลงชวงหนง แลวจะเปลยนทศทางเปนเสนตรงขนานกบเสน N โดยเสนทลาดเอยงนนแสดงขอบเขตของความเคนทเกดขนกบชนทดสอบ ท าใหเกดการแตกหก ความเคนดงกลาวเรยกวา ความแขงแรงความลา (Fatigue strength) หรอ ความตานทานความลาตว การแตกหกเกดขนเมอคาความตานทานต ากวาความแขงแรงสงสดของวสด จงเรยกการแตกหกนวา การแตกหกจากความลา (Fatigue failure) สวนเสนกราฟทเปลยนทศทางเปนเสนตรงขนานกบแกน N บอกใหทราบถงวสดทนทานตอความเคนไดระดบหนงโดยไมเกดการแตกหก ไมวาจะหมนไปกรอบกตาม คาความตานทานของวสดดงกลาวเราเรยกวา ขดจ ากดความทนทาน (Endurance limit) ส าหรบวสดบางชนด เชน เหลกกลา สามารถประมาณคาขดจ ากดความตานทานได โดยจะมคาประมาณครงหนงของความแขงแรงสงสด 3.8 การทดสอบการคบ

วสดหลายชนดทถกน าไปใชงานทอณหภมสงและไดรบความเคนในขณะเดยวกนเปนเวลานาน วสดจะเกดการยดอยางชาๆ และตอเนอง ถงแมวาแรงทมากระท านนจะมคาต ากวาความเคน ณ จดครากของวสดกตาม วสดจะยงคงยดตวคดตอไปเรอยๆ จนเกดการแตกหกหรอขาด ปรากฏการดงกลาวเรยกวา การคบ (Creep) การทดสอบการคบ (Creep Test) เปนการหาความสมพนธระหวางความเครยดกบเวลาทใหแรงกระท ากบชนทดสอบทอณหภมสง จากนนน าคาทไดมาสรางกราฟความสมพนธระหวางความเครยดกบเวลา ดงแสดงในรปท 3.21 จะไดกราฟขนมาหนงเสนเรยกวา กราฟการคบ (Creep curve)

รปท 3.21 กราฟการคบทแสดงความสมพนธระหวางความเครยดกบเวลาโดยอณหภมและความเคนคงท




จากกราฟทได กราฟการคบจะถกแบงออกเปน 3 ชวง คอ

ชวงแรก เปนชวงทมการปรบตวในเนอวสด มการจดเรยงตวของโครงสรางผลกขนใหม จดใดทม ดสโลเคชน กจะมการเปลยนต าแหนง (Dislocation climb) ไปยงทใหม ดงแสดงในรปท 3.22 การเปลยนรปในชวงนจะเกดอตราการคบเคลอน (Creep rate) คอนขางชา เพราะจดบกพรองภายในเนอวสดเกดการจดเรยงตวใหมและยงไมเปนระเบยบ จงท าใหเกดการเคลอนทล าบาก

รปท 3.22 การเปลยนต าแหนงของดสโลเคชนของวสดเมอไดรบการทดสอบการคบ


ชวงท 2 เปนชวงทมการยดตวออกอยางสม าเสมอ หรอเรยกวา สถานะคงตว (Steady state) ชวงนจะเกดความสมดลระหวางแรงทกระท ากบการเปลยนรปภายในเนอวสด หรอเปนชวงทความเครยดกบอตราคนตว (Recovery) ของเมดเกรนของวสดมความใกลเคยงกน ความชนของเสนกราฟในชวงนสามารถน าไปหาอตราการคบ (Creep rate) ไดดงสมการ

อตราการคบ (Creep rate) = ∆ความเครยด (Strain)/∆ เวลา (Time) (11)

ชวงท 3 เปนชวงทอตราการคบเพมขนอยางรวดเรวจนชนทดสอบเกดการขาด ซงเปนผลมาจากพนทหนาตดของชนทดสอบเลกลง ท าใหเกดความเคนทสง โดนเฉพาะอยางยงเมอชนทดสอบเกดคอคอดขน กจะเปนจดทเกดการฉกขาดอยางรวดเรว โดยทวไปแลวปจจยทมผลตออตราการคบของวสดนนจะขนอยกบความเคนและอณหภม หากความเคนและอณหภมสงขนกจะสงผลใหอตราคบสงดวยเชนกน ดงแสดงในรปท 3.23



รปท 3.23 อทธพลของความเคนและอณหภมทเพมขนตออตราการคบ


3.9 ความเสยหายของวสด (Failure of materials)

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) เปนสงทอาจเกดขนไดกบวสดทกชนดทถกใชงานอยในชวตประจ าวน โครงสรางอาคารบานเรอนหรอโรงงานอตสาหกรรมตลอดจนรถยนตหรอเครองใชภายในบานทสรางขนจากชนสวนของวสดเปนจ านวนหลายชน หากพจารณาในเชงสถตแลวเราจะเหนวา โอกาสทชนสวนใดชนสวนหนงจะเกดความเสยหายนนมไมนอย สาเหตของความเสยหายตางๆ ทเกดขนอาจเนองมาจากการออกแบบทใหมเหมาะสม การเลอกใชวสดผดประเภท หรอแมแตการใชกระบวนการผลตทไมถกตอง ดงนนหนาทของวศวกรรมจะตองค านงถงความเสยหายขงวสดทอาจจะเกดขนเปนอยางมาก เพราะนนหมายถงความปลอดภยทจะเกดขนกบชวตและทรพยสนของเราได ในหวขอนจะไดกลาวถงลกษณะของการแตกหกทไดเกดขนกบวสดทงวสดเหนยวและวสดเปราะ กลศาสตรการแตกหก และการแตกหกเนองจากความลา ทงหมดนเพอใหวศวกรมพนฐานทจะใชในการออกแบบและเลอกใชวสดใหเหมาะสมตอไป

3.9.1 การแตกหกแบบเหนยว (Ductile Fracture)

การแตกหกแบบเหนยวปกตแลวจะเปนการแตกหกแบบผาเกรน (Trans granular) ซงเกดขนกบโลหะทมความเหนยวและมความทนทานตอการแตกหกสงๆลกษณะการเปลยนรปกอนการแตกหกของวสดเหนยว โดยปกตแลวจะมการเกดคอคอด (Necking) ขนกอนฉกขาดของเนอโลหะ การแตกหกแบบเหนยวนปกตจะเกดขนเมอโลหะรบแรงเกนขดจ ากดทจะทนทานได หรอโลหะไดรบความเคนทสงเกนไป จงท าใหเกดการแตกหกขนในการทดสอบแรงดงกบโลหะ การแตกหกแบบเหนยวจะเรมตนจากการเกดคอคอดจากนนเกดรหรอชองวางขนาดเลก (Micro voids) ขน



จากรปท 3.24 บรเวณกงกลางของสนทดสอบ ซงเปนผลมาจากความเคนทกระท ากบชนทดสอบทบรเวณขอบเกรนหรอบรเวณผวสมผสระหวางโลหะและสารมลทนทฝงอยภายใน และเมอความเคนเพมขน ชวงวางขนาดเลกจะขยายตวโตขนและรวมตวเปนชองวางขนาดใหญและลกลามจนฉกขาดในทสด

รปท 3.24 ขนตอนการเกดการแตกหกแบบเหนยวของโลหะทไดรบแรงดง


การเปลยนรปเนองจากการเลอนจะเกดขนโลหะทมการแตกหกแบบเหนยว ซงเราทราบกนแลววา การเลอนจะเกดขนเมอความเคนเฉอนมคาสงถงจดความเคนเฉอนวกฤต และความเคนดงกลาวจะมคาสงสดทมม 45o ทศทางของความเคนทกระทบกบโลหะ ลกษณะผวของรอยแตกหกจะมลกษณะเฉพาะทเรยกวา การแตกหกแบบถวยและโดน (Cup-and-cone) ดงแสดงในรปท 3.25 โดยผวของรอยแตกดานหนงจะเปนรปถวยและอกดานหนงจะเปนรปโคน ลกษณะผวของรอยแตกหกบรเวณใจกลางถวยจะมลกษณะเปนหลมขนาดเลกสม าเสมอ หรอจะมลกษณะเกรนแบบอควแอกช (Equiaxed) ดงรปท 3.26 สวนบรเวณผวของโคนจะมลกษณะเปนรอยบมรปทรงรคลายรปไขหรอตวซ และมลกษณะซอนทบกน โดยมทศทางวงออกจากศนยกลางของชนทดสอบ โดยรปเปนภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนงทมก าลงขยายสง

รปท 3.25 รอยแตกกบถวยและโคนทเกดกบชนทดสอบแรงดง




(ก) )ข(

รปท 3.26 ภาพถายรอยแตกหกของเหลกกลา AISI 1018 ทผานการออนทถายโดยกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนง (ก) รอยแตกมลกษณะเปนหลมทศนยกลางหลม

(ข) รอยแตกบรเวณผวของโคนทเกดการเลอน


3.9.2 การแตกหกแบบเปราะ (Brittle Fracture)

การแตกหกแบบเปราะจะเกดขนกบโลหะหรอโลหะผสมทความแขงแรงสงๆ หรอกลมทมความเหนยวและทฟเนสต ามากๆ ส าหรบโลหะทมความเหนยวบางชนด อาจเกดการแตกแบบเปราะไดทอณหภมต าๆ การแตกหกแบบเปราะ จะมการเปลยนรปในสภาวะพลาสตกทนอยมากหรอไมมเลย การแตกหกโดยมากจะมจดเรมตนรอยแตกราวขนาดเลก ซงเปนจดศนยรวมความเคนทมความเขมสง การลกลามหรอขยายตวของรอยแตกราวบางครงจะมอตราเรวเทากบความเรวของเสยงทวงผานเนอโลหะ โดยปกตแลวลกษณะของการแตกหกจะตงฉากกบทศทางของความเคนดงทกระท ากบโลหะ รปท 3.27 (ก) ท าใหผวของรอยแตกหกมลกษณะแบนเรยบ บางครงการแตกหกอาจเปนการแตกระหวางเกรน ( Intergranular) ดงแสดงในรป 3.27 (ข) หรอบางครงลกษณะของการแตกหกอาจเปนการแตกแบบผาเกรน (Trans granular or Trans crystalline) ดงแสดงในรปท 3.27 (ค) ซงในกรณนมกเกดขนเมอโลหะมโครงสรางทมสวนผสมไมสม าเสมอ

(ก) (ข) (ค)

รปท 3.27 (ก) ลกษณะการแตกหกแบบเปราะทเกดกบชนทดสอบแรงดง (ข) การแตกหกระหวางเกรน(ค)การแตกหกผานเกรน




3.9.3 การแตกหกเนองจากความลา (Fatigue Fracture)

การแตกหกเนองจากความลาเกดขนเนองจากวสดไดรบความเคนสลบไปมาเปนวฎจกรจนเกดการลาตว และเกดการแตกหกขนในทสด แมความเคนทไดรบนนต ากวาความเคน ณ จดครากกตาม กระบวนการแตกหกเนองจากความลาเกดขนได 3 ขนตอน คอ (1) จดเรมตนการแตก (Crack initiation) เปนก าเนดรอยแตกขนาดเลกขนและเปนจดศนยรวมความเคน (2) การขยายตวของรอยแตก (Crack propagation) ขณะทวสดไดรบความเคนแบบวฏจกร แตละรอบทไดรบความเคนจะสงผลใหรอยแตกขยายตวเพมขน (3) เกดการแตกหก (Final failure) เปนขนตอนทเกดขนทนททนใด และเมอรอยมขนาดเทากบขนาดวกฤต ลกษณะของรอยแตกหกเนองจากความลา บอยครงทจะท าการสงเกตเหนไดคอนขางงาย โดยลกษณะผวของรอยแตกใกลบรเวณจดก าเนดรอยแตกจะมลกษณะคอนขางเรยบ (รปท 3.28 (ก)) จากนนบรเวณถดมาจะเรมมผวหยาบและขนาดโตขนเรอยๆและในบรเวณสดทาย ผวรอยแตกจะมลกษณะคลายเยอทถกฉกขาด ผวของรอยแตกทเกดขนในขนท 2 ซงเปนชวงการขยายตวของรอยแตกนน จะมลกษณะคลายเยอทถกฉกขาด ผวรอยแตกทเกดขนในขนท 2 ซงเปนชวงการขยายตวของรอยแตกนน จะมลกษณะรอยแตกแบงเปน 2 ชนด คอ แบบบชมารค (Beachmarks) และแบบสตรเอชน (Striation) รอยแตกทง 2 แบบ นจะบงชต าแหนงของปลายรอยแตก โดยรอยแตกจะมลกษณะเปนแนวเสนวงโคงทขยายตวออกจากต าแหนงของจดเรมตนของรอยแตก โดยทวไปแลวรอยแตกจะมลกษณะเปนวงกลมหรอกงวงกลมรอยแตกแบบบชมารคบางครงเรยกวา รอยแตกแบบ รอยแตกแบบเปลอกหอยกาบ (Clamshell mark) ดงแสดงในรปท 3.28 (ข) ซงสามารถมองเหนไดดวยตาเปลา รอยแตกนมกขนกบชนสวนเครองจกรทมการหยดพกการใชงานเปนชวงๆเชน เครองจกรทท างานเฉพาะชวงเวลาท างานปกตและปดเครองหลงเลกงาน ในกรณเชนนลกษณะของแถบบชมารคแตละเสนแสดงถงชวงเวลาทเกดการขยายตวของรอยแตก ส าหรบหรบผวของรอยแตกแบบสตเอชนนน จะมขนาดทเลกมากในระดบจลภาค ซงจะเหนไดดวยกลองขยายก าลงสง อยางกลองจลทรรศนอเลกตรอน ลกษณะของรอยแตกแบบสตรเอชนแสดงในรปท 3.28 (ค) แถบสตรเอชนแตละแถบจะบอกระยะทางทแถวหนารอยแตกเคลอนทไปในหนงรอบวฏจกรขนาดความกวางของแถบสตรเอชนนจะขนกบชวงความเคน โดยจะมความกวางมากขน เมอชวงความเคนกวางขน



(ก)

(ข) (ค)

รปท 3.28 (ก) ภาพรางแสดงลกษณะผวรอยแตกเนองจากความลา (ข) ผวรอยแตกทแสดงทศทางการขยายตวของรอยแตก ลกษณะรอยแตกแบบบชมารค (ค) ผวรอยแตกแบบสตรเอชนทถายดวยกลองจลทรรศน

อเลกตรอน ซงแสดงผวของสตรเอชน


3.9.4 ปจจยทมผลตออายความลา

ความตานทานความลาของโลหะหรอโลหะผสมจะไดรบอทธพลจากปจจยหลายๆ ปจจยทนอกเหนอจากผสมทางเคมของโลหะเอง ปจจยตางๆ ทมความส าคญประกอบไปดวย

1. ความเขมของความเคน (Stress concentration) ความตานทานความลาของวสดจะลดลงหากวสดมรอยแตก ร หรอรอยบากรองทจะเปนจดศนยรวมความของความเคน ท าใหไดจดดงกลาวมความเขมขนของความเคนสง และจดดงกลาวจะเปนจดเรมตนของการแตกหกแบบลาตว ดงนนเพอหลกเลยงปญหาดงกลาว เราควรท าการบานออกแบบใหชนสวนมจดทท าใหเกดความเขมขนของความเคนใหนอยทสด

2. ความหยาบของผว (Surface roughness) โดยทวๆ ไปแลวผวของวสดทมความเรยบมากๆจะท าใหความตานทานความลาเพมขนดวย ผววสดทหยาบจะท าใหเกดบรเวณเพมความเคนขน และจะกลายเปนจดเรมตนของการแตกหกจากความลาได



3. สภาพของผว (Surface condition) โดยทวไปแลวการแตกหกเนองจากความลา จะเรมไปแลวการแตกหกเนองจากความลา จะเรมตนจากผวของวสดกอน ดงนนการเปลยนแปลงแปลงสภาพของผววสดจะมผลตอความตานทานความลาโดยตรง ตวอยางเชน การชบแขงทผวของเหลกกลาดวยวธการคารเบอรไรซงหรอไนไตรดง จะชวยยดอายของความลาใหสงขน ในขณะทหากชนงานเหลกกลาเกดการสญเสยคารบอนทผวขณะท าการอบชบ กจะท าใหอายของความลาลดลงได เปนตน

4. สภาพแวดลอม (Environment) หากโลหะอยในสภาพแวดลอมทมการกดกรอน กจะชวยเรงอตราการขยายตวของรอยแตกราวเนองจากความลาขนไปอก ซงจะท าใหเกดความเสยหายทเรยกวาการกดกรอนรวมกบความลา (Corrosion fatigue) ขนได 3.10 สรป

1. คณสมบตทางกล เปนคณสมบตทเกยวกบปฏกรยาทเกดขนของวสด เมอมภาระแรง (Force) มากระท าวสด จะเกดแรงตานภายในเนอของวสด ถาหากวสดไมสามารถตานทานแรงทมากระท าได กจะเกดการเสยรป แตกราว หรอแตกหกได ดงนนคาทบงบอกถงความสามารถในการตานทานแรงทมากระท าน จะเรยกวา ความแขงแรงของวสด (Strength of Materials)

2. เมอมแรงภายนอก F กระท า จะเกดแรงตานทานภายในวสดเพอไมใหเกดการเปลยนแปลงขนาดและรปราง คาความเขมของแรงตานทานทเกดภายในวสด จะเรยกวา ความเคน (Stress) แตถาหากวสดเกดการเปลยนรป จะเรยกวา ความเครยด (Strain) คอเกดการเปลยนแปลงของรปรางและขนาด ทเกดขนกบเนอวสดภายใตแรงกระท า

3. พฤตกรรมของวสดภายใตแรงทางกลจากกราฟ Stress-strain สามารถแบงไดเปน 2 ชวง คอ 1) Elastic deformation เปนชวงทกราฟเปนเสนตรง จะไดความสมพนธระหวาง stress-

strain ตามกฎของ Hook’s law เรยกวา Young’s modulus หรอ Elastic modulus 2) Plastic deformation เมอชนงานไดรบแรงดงทสงขน และเกดการเสยรปยดหยนจนถง

จดสนสดชวงยดหยน แรงดงจะสามารถเอาชนะแรงระหวางอะตอม ท าใหชนงานเกดการเสยรปอยางถาวร สงผลใหขนาดและรปรางเปลยนไป

4. การทดสอบวสดมหลายวธ ไดแก 1) การทดสอบความแขง คอ ความตานทานตอแรงกด การขดสและแรงกลของวสด การ

ทดสอบความแขงแบบหวกด ในเชงโลหะวทยา จะเปนการทดสอบความตานทานตอการแปรรปถาวร เมอถกแรงกดจากหวกดกระท าลงบนชนงานทดสอบ วธการเชน Brinell Rockwell Vicker และ Knoop เปนตน

2) การทดสอบความทนทาน คอ ความตานทานตอแรงกด การขดสและแรงกลของวสด การทดสอบความแขงแบบหวกด ในเชงโลหะวทยา จะเปนการทดสอบความตานทานตอการแปรรปถาวร เมอถกแรงกดจากหวกดกระท าลงบนชนงานทดสอบ วธการเชน คอนตมน าหนก

3) การทดสอบความลา มการคาดการณกนวา กวา 90% ของความเสยหายทเกดขนกบชนสวนเปนความเสยหายทเกดจากการลา การลาเปนสาเหตของ Failure ทพบมากทสดของโลหะทใชใน aircraft, I-beams cranes, bridges and ships และใน crankshaft ดงนนจ าเปนตองมการทดสอบเพอวดอายการใชงานของวสด วธการทดสอบเรยกวา Fatigue test




1.ขอใดใหความขงสมบตทางกลไดอยางเหมาะสม

ก. พฤตกรรมของวสดทแสดงออกมาเมอมแรงตานภายในเนอวสด ข.พฤตกรรมของวสดทแสดงออกมาเมอถกแรงภายนอกกระท า

ค.พฤตกรรมของวสดทแสดงออกมาเมอถกน าไปรบแรงดง ง.พฤตกรรมของวสดทแสดงออกมาเมอถกน าไปทดสอบแรงเฉอน

2. เหลกกลาคารบอนไดรบแรงดงท าใหเกดการเปลยนรปในสภาวะยดหยน โดยมคาความเคนทางวศวกรรม 400 Mpa และความเครยดทางวศวกรรมมคา 0.001 จงหาคามอดลสของความยดหยน (modulus of elastivity)

ก.400 GPa ข.40 GPa

ค.4 GPa ง.0.4 GPa

3. 0.2% offset เปนวธการหาอะไร

ก.ความเคนสภาวะยดหยน (elastic stress) ข.ความเคนสภาวะพลาสตก (plastic stress) ค.ความเคน ณ จดคราก (yield stress) ง.ความเคนจดแตกหก (breaking stress)

4. แทงทองแดงขนาดความโต 20 mm.น าไปทดสอบแรงดงท 25KN ท าใหขนาดเสนผานศนยกลางลดลงมาท 18.mmจงหาความเคนทางวศวกรรมทเกดขน

ก.69 MPa ข.80 MPa

ค.98 MPa ง.118 MPa

5. ภายใตแรงดงอยางไรทท าใหโลหะอะลมเนยมเสยรปอยางไมสม าเสมอ (non-uniform deformation) ก.ใชแรงดงนอยกวาความแขงแรง ณ จดคราก

ข.ใชแรงดงมากกวาความแขงแรง ณ จดคราก

ค.ใชแรงดงนอยกวาความตานทานแรงดง ง.ใชแรงดงมากกวาความตานทานแรงดง



6.การทดสอบความแขงเหลกหลอสเทาควรใชวธใด

ก.บรเนลล (brinell) ข.วกเกอร (vicker) ค.รอคเวลล (rockwell) ง.นพ (knoop)

7. โลหะมความแขงสง เชนเหลกทผานการชบแขง ควรวดความแขงดวยวธใด

ก.ไอซอด (izod) ข.บรเนลล (brinell) ค.รอคเวลล (rockwell) ง.อมแพกต (impad)

8. คาขดจ ากดความทนทาน (endurance limit) พบไดในกราฟใด

ก.ความ-จ านวนรอบ ข.ความเครยด-เวลา ค.ความเครยด-อณหภม ง.ความเคน-ความเครยด

9. วสดทจะน าไปใชรบแรงกระแทกภายใตอณหภมต าควรจะมการทดสอบดวยแรงลกษณะใด

ก.การทดสอบเทนไซล (tensile test) ข.การทดสอบฮารเนสส (hardness test) ค.การทดสอบแฟทค (fatigue test) ง.การทดสอบอมแพกต (impact test)

10. ปรากกฎการความคบ (creep) มกเกดขนกบผลตภณฑใด

ก.ตอหมอสะพาน ข.เรอเดนทะเล

ค.ชนสวนเครองยนตไอพน ง.เหลกขอออยส าหรบโครงสราง

11. วตถประสงคของการทดสอบแรงกระแทกคอขอใด

ก.วดปรมาณพลงงานทวสดสามารถรบได ข.วดปรมาณพลงงานในการทนทานกดกรอน

ค.วดอณหภมชนงานทถกกระแทก ง.วดความสามารถในการทนตอแรงกระท าเปนรอบ

12. โดยปกตแลวการแตกหกของวสดเหนยวจะเปนการแตกหกแบบใด

ก.การแตกระหวางเกรน (intergranular)

ข.การแตกหกแบบผาเกรน (transgranlar) ค.แฟรกเจอรทฟเนสส (fracture toughness) ง.การขยายตวของรอยแตก (crack propagation)



13. ขอใดเรยงล าดบการฉกขาดของเนอโลหะทมความเหนยว และอยภายใตสภาวะแรงดงไดถกตอง ก.คอคอด ชองวางขนาดเลก ขยายตว การแตกหก

ข.ชองวาขนาดเลก คอคอด ขยายตว แตกหก

ค.คอคอด ขยายตว ชองวางขนาดเลก แตกหก

ง.ขยายตว ชองวาขนาดเลก คอคอด แตกหก

14. โลหะเหนยวจะเกดการแตกหกแบบเปราะไดในกรณใด

ก.ไดรบความเคนดง ข.ไดรบความเคนอด

ค.อยทอณหภมต า ง.อยทอณหภมสง

15. ขอใดกลาวผดเกยวกบการแตกหกของวสด ก.การแตกหกแบบเหนยวจะเกดหลงจากากรเปลยนรปในสภาวะพลาสตก และการขยายตวของรอย

แตกจะเกดขนอยางชาๆ

ข.การแตกหกแบบเปราะจะเกดโดยไมมการเปลยนรปในสภาวะพลาสตก และมการขยายตวของรอยแตกอยางรวดเรว

ค.วสดเหนยวอยางเชน อะลมเนยมหรอเหลกกลาคารบอนต า จะมความสามารถในการดดกลนพลงงานทใชในการท าใหเกดการแตกหกไดมากกวาวสดเปราะ อยางเชน เซรามก

ง.การเกดคอคอด (necking) ของวสด จะเกดขนกอนการแตกหก ทงการแตกหกแบบเหนยวและแบบเปราะ

16. สมประสทธความทนทานตอการแตกหก เปนการวดความสามารถของวสดในขอใด

ก.การวดความสามารถในการรบแรงของวสดในสภาวะทมความรอนสง ข.การวดความสามารถในการรบแรงของวสดในสภาวะทมความเยนสง ค.การวดความสามารถในการรบแรงของวสดในสภาวะทมรอยต าหน ง.การวดความสามารถในการรบแรงของวสดในสภาวะทมความเคนสง

17.คา Klcหมายถงขอใด

ก.มอดลสยดหยน ข.ความยาวรอยแตกภายใน

ค.ความเขมขนของความเคน ง.ความเคนวกฤตส าหรบการขยายตวของรอยแยก



18.ขอใดไมใชการเพมความตานทานการแตกหกของวสด ก.เพมความหนาชนงาน ข.เพมขนาดเมดเกรนใหโตขน ค.เพมปลายรอยแตกใหมรศมมาก ง.เพมอณหภมใหสงขน

19. วสดใดตอไปนมทฟเนสส (Toughness) สง ก.เหลกกลาคารบอนต า ข.เหลกกลาคารบอนสง ค.อะลมนา ง.ทงสเตนคารไบด 20. ขอใดไมใชตวแปรหลกในการหาคาของ Klc จากสมการ ก.ความเคนวกฤต ข.การยดของวตถ ค.ความยาวรอยแตก ง.ลกษณะรอยแตก




ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. Mangonon, Pat L.. The Principles of Materials Selection for Engineering Design. Prentice-

Hall, Inc., USA, 1999. Moniz B.J.. Metallurgy. (2nd ed), American Technical Publishers, Inc., USA, 1994. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology

(5th ed). NJ: Pearson Education. Timings, R.L.. Engineering Materials (Volume 1). (2nd ed), Addison Wesley Longman

Limited, Singapore, 1998. William D Callister. (2007). An Introduction Material Science and Engineering (7th ed).

New York: John Wiley & Sons. http://reelatscience.blogspot.com/2015/03/stress-strain.html

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 4

โลหะกลมเหลก

หวขอเนอหา 4.1 การผลตเหลกกลา

4.2 เหลกกลาคารบอน 4.2.1 อญรปของเหลก 4.2.2 แผนภาพเฟสของเหลก-คารบอน 4.2.3 ปฏกรยาในแผนภาพเฟสของเหลกกบคารบอน 4.2.4 การเกดโครงสรางจลภาคของเหลกกลาคารบอน 4.2.5 การจ าแนกประเภทของเหลกกลาคารบอนจากปรมาณคารบอน 4.2.6 การจ าแนกประเกกของเหลกกลาคารบอนจากแผนภาพเฟส

4.3 เหลกกลาผสม 4.3.1 อทธผลของธาตผสม 4.3.2 อทธผลของธาตผสมทมตอเฟอรไรต 4.3.3 อทธพลของธาตผสมทมตอการเกดคารไบด 4.3.4 ชนดของเหลกกลาผสม

4.4 เหลกกลาไรสนม 4.5 เหลกกลาเครองมอ

4.5.1 สวนผสมทางเคมของเหลกกลาเครองมอ 4.5.2 ชนดและการใชงานเหลกกลาเครองมอ

4.6 เหลกหลอ

4.7 สรป แบบฝกหดทายบท เอกสารอางอง

วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอผเรยน เรยนจบบทนแลวผเรยนควรมความรและทกษะดงน 1. อธบายหลกการกระบวนการผลตเหลกกลา

2. อธบายจ าแนกชนด เหลกกลาชนดตางๆ 3. สามารถเขาใจคณสมบตพนฐานของเหลก เพอเลอกใชงานตามชนดของเหลกในอตสาหกรรม

วธสอนและกจกรรม 1. ทบทวนเนอหาในบทท 3 2. น าเขาสบทเรยนโดยการบรรยาย ประกอบรปภาพใน Power point 3. อธบายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน

4. แบงกลมท าแบบฝกหดระหวางเรยน และสอบถามผเรยนถาผเรยนมค าถามสงสย



5. มอบหมายใหผเรยนท าแบบฝกหดทายบทท 4 6. เสรมสรางคณธรรม และจรยธรรมใหกบนกศกษากอนเลกเรยน

สอการเรยนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวชาการควบคมคณภาพ 2. กระดานไวทบอรด 3. วสดโสตทศน Power point 4. แบบฝกหดทายบท 5. เฉลยแบบฝกหดทายบท



บทท 4 โลหะกลมเหลก 125


บทท 4 โลหะกลมเหลก

โลหะทถกน ามาใชในงานวศวกรรมอาจจ าแนกเปนกลมใหญๆ ได 2 กลม คอ โลหะกลมเหลกและโลหะนอกกลมเหลก โลหะกลมเหลกยงจ าแนกออกเปนเหลกกลาและเหลกหลอ ซงมความแตกตางกนตรงปรมาณของคารบอนในเนอเหลก โดยเหลกกลาจะมปรมาณคารบอนทต ากวาเหลกหลอ เหลกกลายงจ าแนกออกเปนโลหะผสมต าและโลหะผสมสง ซงอาศยปรมาณสวนผสมทางเคมของธาตผสมเปนตวจ าแนก โลหะกลมเหลกจะมปรมาณการใชงานในอตสาหกรรม โครงสรางตางๆ สงมาก เหตผลทเปนเชนนเนองจากวาสนแรเหลกทพบอยบนพนโลกนนมปรมาณมาก กระบวนการผลต สามารถตอบสนองในทางเศรษฐศาสตร และทส าคญเหลกมสมบตทางกลและทางกายภาพทกวางขวาง ในเนอหาจะกลาวถงกระบวนการผลตเหลก สวนผสมทางเคม โครงสรางจลภาค สมบตตางๆ ตลอดจนชนดและการใชงานของโลหะ กลมเหลกทเกยวของในงานทางวศวกรรม

4.1 การผลตเหลกกลา ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) เหลกทพบอยบนพนโลกโดยมากแลวจะอยในรปของเหลกออกไซด ไดแก แรเฮมาไทต (Hematite; Fe2O3) และ แมกนไทต (Magnetite; Fe3O4) การถลงสนแรเหลกจะใชเตาลม (Blast furnace) ตงแสดงในรปท 4.1 โดยลกษณะของ เตามรปทรงกระบอกสง ภายในเตาจะบรรจถานโคก สนแรเหลก และหนปนเปนชนๆ สลบกนไป และใชลมรอนเปาเขา บรเวณรอบขางของเตาในสวนลาง ถานโคกทใสเขาไปจะท าหนาทใหความรอน และใหคารบอนทจะเปนตวลดออกซเจน ในสนแรเหลก โดยคารบอนทมในถานโคกจะรวมตวกบออกซเจนทเปาเขาไปในรปของลมรอน เปนกาชคารบอน - มอนอกไซด (CO) ซงเปนตวลดออกซเจนจากสนแรเหลก ปฏกรยาการลดออกซเจนแสดงตงสมการตอไปน ปฏกรยาการเกดคารบอนมอนอกไซด C (coke) + O 2(air) CO2

CO2 + C (coke) 2CO ปฏกรยาการลดออกซเจนในสนแรเหลก Fe2O3 + 3C(coke) 2Fe + 3CO2

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2



รปท 4.1 กระบวนการถลงสนแรเหลกโดยเดาลม

(ทมา: Kalpakjian and Schmid, 2006) หนปนทใสเขาไปจะท าหนาทเปนฟลกซ (Flux) จบสงเจอปนทตดมากบสนแรเหลก กลายเปนขตะกรน (Slag) ไหลออกทางดานขางสวนลางของเตา และถกน าไปใชงานในอตสาหกรรมปนซเมนต น าเหลกทไดจากการถลงจะเรยกวา เหลกดบ (Pig iron) ทยงคงมปรมาณสารมลทนเจอปนอยมาก ยงไมเหมาะทจะน าไปใชงาน ดงนนจะตองมการท าใหน า เหลกดบมความบรสทธขน โดยกระบวนการเตาเบสกออกซเจน (Basic Oxygen Furnace; BOF) โดยปกตแลว น าเหลกดบทไดจะมคารบอนอยระหวาง 4 - 5% ซงเกนมาตรฐานของเหลกกลาทจะมคารบอนอย ในชวง 0.06 - 2% อกทงน าเหลกดบยงมสวนผสมของธาตอน เชน ซลคอน ซลเฟอรฟอสฟอรส และแมงกานส ในปรมาณสง ดงนนจงตองมการลดปรมาณธาตผสมเหลานลง ตวทใชลดธาตตางๆ เหลาน คอ ออกซเจน น าเหลกดบทไดจากเตาลม ปรมาณ 200 ตน จะถกน ามาเทลงในเตา BOF และเตมเศษเหลกลงไปอก 90 ตนเพอเพมปรมาณน าเหลก (รปท 4.2) จากนนจะท าการเตมฟลกช (หนปน) เพอท าหนาทในการจบสารมลทนและกลายเปนขตะกรนเพอเทออกไดสะดวก ขนตอน ตอไปจะท าการเปาออกซเจนบรสทธลงไปในเตาโดยใชเวลาประมาณ 20 นาท ทความดนออกซเจน 1,250 KPa ปรมาณ ธาตคารบอนทอยในน าเหลกจะถกลดลงโดยออกซเจนซงหลดออกมาในรปของ CO และ CO2 กระบวนการ BOF สามารถ ผลตเหลกได 250 ตน โดยใชเวลาเพยง 35-50 นาท



รปท 4.2 กระบวนการลดออกซเจนโดย BOF

(ทมา: Kalpakjian and Schmid, 2006) ขนตอนตอจากกระบวนการ BOF คอการหลออนกอต (Ingot) หรอเหลกแทง เพอใหมขนาดทสามารถล าเลยงหรอ ขนสงไดสะดวก จากแทงอนกอตจะถกน าไปใหความรอนและผานกระบวนการรดใหเปนรปทรงกงส าเรจทมหนาตดเปนสเหลยมแบบตาง ๆ และจะน าไปผานการแปรรปขนสดทายตอไป การหลอแทงอนกอตจะท าโดยการเทน าเหลกลงแบบหลอ โลหะทมลกษณะเปนเทเปอร เพอใหถอดออกจากแบบหลอไดสะดวก การแปรรปใหเหลกมรปทรงตางๆ จะทาโดยการน าอนกอดหรอแทงเหลกมาใหความรอนทอณหภม 1,200 °C จากนนผานเขาลกกลงเพอรดรอน จะไดเหลกทมหนาตดสเหลยมจตรสขนาด 150 X 150 mm เรยกวา บลเลต (Billet) หรอกรณทมขนาดใหญกวานจะเรยกวา บลม (Bloom) และหากมหนาตดเปนผนผาขนาด 150 X 300 mm หรอมากกวา จะเรยกวา สแลบ (Slab) จากนนเหลกเหลานจะถกน าไปแปรรปโดยกระบวนการตางๆ ตอไป ดงแสดงในรปท 4.3 เพอใหไดผลตภณฑเหลกกลาไปใชในอตสาหกรรม



รปท 4.3 การแปรรปเหลกกลารปทรงตางๆ

(ทมา: Kalpakjian and Schmid, 2006) 4.2 เหลกกลาคารบอน 4.2.1 อญรปของเหลก

เหลกบรสทธจะมสภาพอญรป (Allotropic) หรอมการเปลยนแปลงโครงสรางผลกไดหลายรปแบบ ดงรปท 4.4 แสดงเสนโคงการเยนตวของเหลกบรสทธทมการเปลยนผลกทอณหภมตางๆจากการเยนตวของเหลกหลอมเหลวมาถงอณหภม 538 °C จะเรมเกดการแขงตว โดยอะตอมของเหลกจะรวมตวกนเปนของแขงทมโครงสรางผลกแบบ BCC การแขงตว จะเกดทอณหภมคงท เรยกชอเหลกชนดนวา เหลกเดลตา ( -iron) หรอเดลดาเฟอรไรต ( -ferrite) จากนนเมออณหภม เยนลงมาถง 1,394 °C จะเกดการเปลยนแปลงผลกจาก BCC ไปเปน FCC มชอเรยกวา ออสเทนไนต (Austenite) หรอเหลกแกมมา ( -iron) การเปลยนแปลงเฟสจะเกดทอณหภมคงทเชนกน ทอณหภม 912 °C เหลกแกมมาจะเปลยนแปลงเฟสไปเปน เหลกเฟอรไรต หรอเหลกแอลฟา ( -iron) ทมผลกแบบ BCC เหมอนเหลกเดลตา แตระยะหางของอะตอมจะสนกวา เพราะอยทอณหภมต า เหลกบรสทธจะคงสภาพผลกแบบ BCC จนถงอณหภมหอง โดยไมมการเปลยนแปลงใดๆ อก แตจะมเพยงสภาพความ



เปนแมเหลกเทานนทเกดการเปลยนแปลง โดยจากชวงอณหภมระหวาง 912 – 770 °C เหลกจะมสภาพแมเหลกดดไมตด (Non-magnetic) และทอณหภมต ากวา 770 °C เหลกจะเปลยนไปสสภาพทแมเหลกดดตด (Magnetic) เราเรยกอณหภมนวา อณหภมคร (Curie Temperature)

รปท 4.4 เสนโคงการเยนตวของเหลกบรสทธและการเปลยนแปลงสภาพอญรป

(ทมา: สนตรฐ นนสะอาง, 2559)

4.2.2 แผนภาพเฟสของเหลก-คารบอน

แผนภาพเฟสระหวางเหลกกบคารบอนแสดงในรปท 4.5 โดยปรมาณคารบอนทอยในแผนภาพเฟสจะมเพยง 6.67% เทานนทน ามาศกษา ทงนเพราะปรมาณคารบอนสงกวานจะไมนยมใชในอตสาหกรรม อนเนองมาจากสมปดทางกลทแขง และเปราะ ภายในแผนภาพเฟสจะมทงเสนทบและเสนประ โดยเสนทบจะเปนการเปลยนแปลงของเฟสในสภาวะกงเสถยร (Metastable) ของเหลกกบเหลกคารไบต (Fe-Fe3C) ใชศกษาเฟสของเหลกกลาและเหลกหลอสขาว สวนเสนประจะเปน การเปลยนแปลงเฟสในสภาวะเสถยรของเหลกกบแกรไฟต (Fe-Graphite) ซงเกดจากการเยนลงหรอรอนขนอยางชาๆ เฟสในสกาวะเสถยรใชศกษาการเปลยนแปลงเฟสของเหลกหลอสเทา ภายในแผนภาพเฟสประกอบไปดวยเฟสและโครงสรางทสวนผสมตางๆ ดงน



รปท 4.5 แผนภาพเฟสของเหลก-คารบอน


1. เหลกเดลดา (Delta Iron; ) เหลกชนดนจะอยทชวงอณหภมระหวาง 1,394 - 1,538 °C มสภาวะเปนสารละลายของแขง โดยคารบอนจะละลายอยไดสงสด 0.09 % ทอณหภม 1,495 °C ซงเปนอณหภมทเกดปฏกรยาเพอรเทกตกเหลกเดลดามระบบผลกแบบ BCC มสภาพเปนเฟอรโรแมกเนตกและคงรปไดทอณหภมสงกวา 1,394 °C เทานน หากต ากวานจะเปลยนสภาพไปเปนเหลกแกมมา 2. เหลกแกมมา (Gamma Iron; ) หรอออสเทนไนต (Austenite) เหลกชนดนมสถานะเปนสารละลายของแขง โดยคารบอนสามารถละลายไดสงสด 2.11% ทอณหภม 1,148 °C คณลกษณะทวไปจะออน เหนยว แมเหลกดดไมตด มโครงสรางผลกแบบ FCC ลกษณะโครงสรางแสดงดงรปท 4.6 (ก) 3. เหลกแอลฟา (Alpha Iron; ) หรอเฟอรไรต (Ferrite) มสถานะเปนสารละลายของแขง คารบอนละลายไดสงสด 0.0218% ทอณหภม 727 °C มผลกแบบ BCC สมบตออนและเหนยว และไมมสภาพความเปนแมเหลกในชวง 770 – 912 °C ลกษณะโครงสรางแสดงดงรปท 4.6 (ข)



(ก) (ข)

รปท 4.6 ภาพโครงสรางจลภาค (ก) ออสเทนไนต (500x) และ (ข) เฟอรไรต (500x)


4. ซเมนไทต (Cementite) หรอเหลกคารไบด (Iron Carbide) เปนสารประกอบอนเตอรเมทลลก มสตรทางเคมคอ Fe3C มสมบตทแขงและเปราะ ประกอบไปดวยคารบอน 6.67% มระบบผลกแบบออโธรอมบก (Orthorhombic) 5. เพรลไลต (Pearlite) เปนโครงสรางทเกดจากปฏกรยายเทกตอยด ประกอบไปดวยโครงสรางเฟอรไรตสลบกบชเมนไทตเปนชนๆ ดงแสดงในรปท 4.7 (ก) ลกษณะโครงสรางดงกลาวเรยกวา ลาเมลลาเพรสไลต (Lamella pearlite) โครงสรางชนดนจะมความแขงแรงสง เพราะเกดจากโครงสรางทออนของเฟอรไรตสลบกบโครงสรางทแขงของชเมนไทต 6. เลเดบไรต (Ledeburite) เปนโครงสรางทเกดจากปฏกรยายเทกตก โดยมสวนผสมคารบอน 4.3% ทอณหภม 1,148 °C ของเหลวเยนตวลงกลายเปนของแขง 2 ชนด คอ ออสเทนไนต และชเมนไทต 7. เลเดบไรตทรานสฟอรม (Ledeburite Transformed) เปนโครงสรางทเกดจากการเปลยนสภาพของออสเทนไนตในโครงสรางยเทกตกโดยออสเทนไนตดงกลาวจะใหปฏกรยายเทกตอยดกลายเปนโครงสรางเพรลไลตดงนนโครงสรางเลเดบไรดทรานสฟอรมจงประกอบไปดวยโครงสรางของชเมนไทตและเพรลไลตซงโครงสรางทงสองเปนโครงสรางของเหลกหลอสขาว (White cast iron) ดงแสดงในรปท 4.7 (ข)



(ก) (ข)

รปท 4.7 ภาพโครงสรางจลภาค (ก) เพรลไลต (X 2,500) (ข) เหลกหลอสขาว (เลเดบไรตทรานสฟอรม)


4.2.3 ปฏกรยาในแผนภาพเฟสของเหลกกบคารบอน

ในแผนภาพเฟสของเหลกกบคารบอนนน มปฏกรยาทเกดขนทงหมด 3 ปฏกรยาไดแก 1. ปฏกรยาเพอรเทกตก เกดขนทอณหภม 1,495 °C ทเปอรเซนตคารบอน 0.17% โดยของเหลวทมปรมาณ คารบอน 0.53% เขารวมตวกบสารละลายของแขง ทมปรมาณคารบอน 0.09% แลวเกดเปนสารละลายของแขงชนด ใหมคอออสเทนไนต หรอเหลก ทมสถานะเปนสารละลายของแขงทปรมาณคารบอน 0.17% ปฏกรยาทเกดขนเขยนได ดงน เยนลง L (0.53%C) + (0.09%C) (0.17%C) รอนขน 2. ปฏกรยายเทกตก เกดจากของเหลวทมปรมาณคารบอน 4.3% ท าปฏกรยายเทกตกทอณหภม 1,148 °C แลวกลายเปน และ Fe3C โดย มสถานะเปนสารละลายของแขงทมคารบอนละลายอย 2.11% และ Fe3C เปนสาร ประกอบอนเตอรเมทลลกทมคารบอนอย 6.67% ปฏกรยาทเกดขนสามารถเขยนไดดงน

เยนลง L (4.3%C) (2.11%C) + Fe 3C (6.67%C)

รอนขน

↽ ⇀

↽ ⇀



3. ปฏกรยายเทกตอยด เกดขนทอณหภม 727 °C ทปรมาณคารบอน 0.77% โดย ทมคารบอนอย 0.77% แตกตวใหสารละลายของแขง ทมคารบอน 0.0218% และ Fe3C ทมคารบอน 6.67% ปฏกรยาทเกดขนเขยนไดดงน เยนลง (0.77%C) (0.0218%C) + Fe 3C (6.67%C)

รอนขน

4.2.4 การเกดโครงสรางจลภาคของเหลกกลาคารบอน

เหลกกลาคารบอนจะมปรมาณคารบอนผสมอยไมเกน 2% โครงสรางจลภาคของเหลกกลาคารบอนจะมความสมพนธโดยตรงกบปรมาณคารบอนทผสมอยในเนอเหลก การเปลยนแปลงของเฟสในสภาวะการเยนตวอยางชาๆ จะเกดขนเมอเฟสของ เยนตวผานขอบเขตของ และ Fe3C หากเราพจารณาจากแผนภาพเฟส การเกดโครงสรางจลภาค ของเหลกกลาจะแยกออกเปน โครงสรางของเหลกไฮโปยเทกตอยด โครงสรางเหลกยเทกตอยด และโครงสรางเหลกไฮเปอรยเทกตอยด 1. โครงสรางเหลกยเทกตอยด ปรมาณคารบอนของเหลกยเทกตอยดจะอยทประมาณ 0.77% จากรปท 4.8 ทอณหภมประมาณ 800 °C หรอจด a จะมเฟสเปน จากนนเมอเกดการเยนตวอยางชา ๆ ลงมาตามเสน xx' จนถงอณหภม 727 °C จะเกดปฏกรยายเทกตอยดขน โดย จะแตกตวให และ Fe3C ทอณหภมคงท ลกษณะโครงสรางของ ยเทกตอยดจะเปนแถบหรอชนสลบกนระหวางเฟส และ Fe3C โดยความหนาจะมอตราสวนประมาณ 7 : 1 โครงสราง นมชอเรยกวา เฟรลไลต (Pearlite) ดงแสดงในรปท 4.9 (ก) ทศทางของชนระหวาง และ Fe3C จะมทศทางไปในแนว เดยวกน โดยชนของ จะมความหนากวา โดยจะเหนเปนสขาว และชนของ Fe3C จะมขนาดทบาง มสด า โครงสราง เพรลไลตจะมสมบตทางกลอยระหวางความออนเหนยวของเฟอรไรตและความแขงเปราะของซเมนไทต

⇀ ⇀ ↽



รปท 4.8 ลกษณะการเกดโครงสรางจลภาคของเหลกยเทกตอยด

(ทมา: สนตรฐ นนสะอาง, 2559) การเกดชนของโครงสรางระหวางเฟอรไรต (0.0218%C) และซเมนไทต (6.67%C) จะเกดขนจากการแพรของอะตอมคารบอน รปท 4.9 (ก) แสดงขนตอนการเปลยนแปลงโครงสรางของปฏกรยายเทกตอยด จากรป ทศทางการแพรของอะตอมคารบอนจะเปนไปตามหวลกศรเลกๆ อะตอมคารบอนจะแพรจากเฟอรไรตซงตองการคารบอนเพยง 0.0218% ไปสซเมนไทตทตองการคารบอนถง 6.67% การเกดจะเรมตนจากการตกผลกของ Fe3C ทบรเวณขอบเกรนของออสเทนไนตทมคารบอนอย 0.77% และดงคารบอนบรเวณใกลเคยงใหมารวมตวเปนแผนหรอชนของ Fe3C ท าใหปรมาณคารบอนบรเวณใกลเคยงลดลงอยางรวดเรว จนเหลอปรมาณใกลเคยง 0.0218% ซงเปนปรมาณทท าใหเกดโครงสรางเฟอรไรต การเกดแถบของซเมนไทตจะเกดขนหลายๆ จดในเกรนของออสเทนไนต (รปท 4.9 (ข)) และมทศการ เขาหาแกนกลางของเกรน เมอสนสดปฏกรยา ปลายของแถบซเมนไทตและเฟอรไรตจะมาชนกนในทศทางทแตกตาง



(ก) (ข) รปท 4.9 (ก) กลไกการเกดโครงสรางเพรลไลตจากเฟสออสเทนไนต (ข) ทศทางการขยายตวของชเมนไทตและ

เฟอรไรตจากขอบเกรนออสเทนไนต

(ทมา: ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555 และ สนตรฐ นนสะอาง, 2559)

2. โครงสรางเหลกไฮโปยเทกตอยด เหลกไฮโปยเทกตอยดจะมปรมาณคารบอนอยระหวาง 0.008 - 0.77% จากรปท 4.10 (ก) ทสวนผสม C0 เหลกมการเยนตวตามเสน yy' โดยทจด C เหลกจะมเฟสเปน เมอเยนตวชาๆ ลงมา ถงจด d จะเกดโครงสรางของ ขนบรเวณขอบเกรนของ และขยายตวโตขนเรอยๆ เมออณหภมลดลงจนกระทง มาถงเสนอณหภมยเทกตอยดหรอเสน NO เฟส จะใหปฏกรยายเทกตอยดเกดเปนโครงสรางเพรลไลต และเมอผาน อณหภมยเทกตอยดลงไปจนถงอณหภมหอง เหลกไฮโปยเทกตอยดจะประกอบไปดวยโครงสรางเฟอรไรตและเพรลไลต



(ก) (ข)

รปท 4.10 (ก) ขนตอนการเกดโครงสรางของเหลกไฮโปยเทกตอยด (ข) โครงสรางจลภาคของเหลกไฮโปยเทกตอยด


ขณะมการเยนตวผานขอบเขตของเฟส + (MNO) ปรมาณของเฟสทงสองกจะเปลยนแปลงไปดวย ปรมาณเฟสของ จะเพมขนเมออณหภมลดลง ซงเราสามารถตรวจสอบไดโดยการลากเสนไทจากจด d ไปตดเสน MO และจากจด e ไปตดเสน M0 จะเหนวาเสนจากจด e ไป MO จะยาวกวาเสนจากจด ไป MO แสดงวาปรมาณของเพมขนเมออณหภมลดลง ในขณะทปรมาณ เพมขน ปรมาณของ กจะลดลง โดยจะสงเกตเหนวาเสน MN จะเอยง เขาใกลจด d และ e ปรมาณ ทเพมขนจะท าใหเปอรเซนตคารบอนใน เพมขน ทงนเนองมาจาก ตองการคารบอนเพยง 0.0218% เทานน ตงนนขณะท ขยายตว อะตอมของคารบอนจะถกผลกออกมารวมกนในเนอของ มากขน (เสน MO ลาดลงไปทางขวา) และเมอถงอณหภมยเทกตอยต ปรมาณคารบอนใน จะมสงถง 0.77% ซงเปนปรมาณคารบอนทใหปฏกรยายเทกตอยต จงเกดปฏกรยา



ดงกลาวขน และท าใหไดโครงสรางเพรลไลต ขณะมการเกดปฏกรยายเทกตอยต โครงสรางเฟอรใรตทเกดขนกอนหนาจะไมมการเปลยนแปลงแตอยางใด และมซอเรยกวา โปรยเทกตอยดเฟอรไรต (Proeutectoid Ferrite) สวนเฟอรไรตทเกดจากปฏกรยายเทกตอยตซงอยในโครงสรางเพรลไลตจะเรยกวา ยเทกตอยดเฟอรไรต (Eutectoid Ferrite) 3. โครงสรางเหลกไฮเปอรยเทกตอยด เหลกไฮเปอรยเทกตอยตมปรมาณคารบอนระหวาง 0.77 - 2.11% การเยนตวจากเฟส ทสวนผสม C1 ในรปท 4.11 (ก) ตามเสน zz’ โดยทจด g จะมเฟสเปน และเยนตวลงมาตดเสน OP ซงเปนเสนขอบเขต Fe3C จะเกดการตกผลกของโครงสราง Fe3C ทบรเวณขอบเกรนของ และขยายตวโตขนเรอยๆ เมออณหภมลดลง

(ก) (ข) รปท 4.11 (ก) ขนตอนการเกดโครงสรางของเหลกไฮเปอรยเทกตอยต (ข) โครงสรางจลภาคของเหลกไฮเปอรย

เทกตอยต (1.4%C)

(ทมา: สนตรฐ นนสะอาง, 2559) เราสามารถตรวจสอบปรมาณ Fe3C ไดจากการลากเสนไทไปตดเสน PO เมออณหภมลดลง ท าใหเสน PO ลาดเอยงลงมาทางซาย ท าใหเสนไทยาวขน ซงกคอปรมาณ Fe3C ทเพมขนนนเอง โครงสราง Fe3C ทเกดขนมากอนนจะม ชอเรยกวา โปรยเทกตอยตชเมนไทต (Proeutectoid Cementite)



เนองจาก Fe3C เปนโครงสรางทดองการคารบอนสงถง 6.67% ดงนนขณะเยนตวและเกดการขยายตว อะตอมของคารบอนทอยใน จะถกดงออกมารวมตวกนเปน Fe3C สงผลใหปรมาณคารบอนใน ลดลง และเมอถงอณหภมยเทกตอยด ปรมาณคารบอนใน กจะเหลอ 0.77% ซงเปนสวนผสมทใหปฏกรยายเทกตอยด กจะเกดปฏกรยาทนทและกลายเปนโครงสรางเพรลไลตทถกลอมรอบดวยซเมนไทต (ดงแสดงในรปท 4.11(ข)) ซงเปนโครงสรางของเหลกทมคารบอน ผสมอย 1 - 4% โครงสราง Fe3C ทลอมรอบโครงสรางเพรลไลตอยลกษณะนเรยกวา คารไบดแบบตาขาย (Network Carbide) โดยจะมผลตอสมบตทางกลของเหลก คอแขงและเปราะ ท าใหมความแขงแรงต า

4.2.5 การจ าแนกประเภทของเหลกกลาคารบอนจากปรมาณคารบอน

วธการจ าแนกประเภทของเหลกกลาคารบอนนนมหลายวธไมวาจะเปนการจ าแนกโดยกระบวนการผลตประกอบไปดวยเหลกกลาเบสเซมเมอร (Bessemer) เหลกกลาโอเพนฮารต (Open heart) เหลกกลาเตาไฟฟาและเหลกกลา เตาครซเบล (Crucible) เปนตน เหลกกลายงสามารถจ าแนกตามลกษณะการใชงาน ซงประกอบไปดวย เหลกกลาเครองจกรกล เหลกสปรง เหลกโครงสราง หรอเหลกกลาเครองมอ เปนตน การจ าแนกชนดเหลกกลาคารบอนบางครงอาศยปรมาณคารบอนทผสมอยเปนเกณฑการแบง ไดแก 1.เหลกกลาคารบอนต า จะมคารบอนต ากวา 0.20% เปนกลมทมการใชงานอยางกวางขวางมาก เชน อตสาหกรรมผลตรถยนตจะใชท าขนสวนทเปนเหลกแผนบางตาง ๆ หรอเหลกแผนขนาดใหญทใชงานในอตสาหกรรมทวไป เหลกกลาชนดนจะมความแขงนอย เหนยว และแปรรปไดงาย ใชกบงานทไมตองการความแขงแรงสง 2.เหลกกลาคารบอนปานกลาง มปรมาณคารบอนอยระหวาง 0.20 - 0.50% เปนกลมทมความแขงแรงสง กวาเหลกกลาคารบอนต า นยมใชเปนสวนประกอบของเครองจกรกลตางๆ เชน เพลาขอเหวยง และชนสวนขอตอตางๆ 3.เหลกกลาคารบอนสง มปรมาณคารบอนมากกวา 0.5% มความแขงแรง แขงแกรง และความแขงสง ใชท าสปรงและเครองมอคมตดตาง ๆ 4.2.6 การจ าแนกประเกกของเหลกกลาคารบอนจากแผนภาพเฟส

ปรมาณคารบอนทผสมอยเปนตวจ าแนกประเภทของเหลกออกเปน 3 ประเภท โดยเมอดจากแผนภาพเฟส เหลก กลมแรกเปนเหลกบรสทธทมคารบอนไมเกน 0.008% และมเฟสเปนเฟอรไรต กลมท2 ปรมาณคารบอนอยระหวาง 0.008 -2.11% กลมนเปนเหลกกลา (Steel) ซงแบงเปน 2 ชนดคอ เหลกไรโปยเทกตอยด (0.008 - 0.77%C) และเหลกไฮเปอรยเทกตอยต (0.77 -2.11%C) เหลกไฮโปยเทกตอยตประกอบไปดวย โครงสรางเฟอรไรตและเพรลไลต สวนเหลกไฮเปอรยเทกตอยด โครงสรางประกอบไปดวยเพรลไลตและซเมนไทต ทปรมาณคารบอน 0.77% จะเรยกเหลกชนดนวา เหลกกลายเทกตอยต (Eutectoid steel) โดยมโครงสรางเปนเพรลไลต 100% เหลกกลมท 3 มปรมาณคารบอนตงแต 2.11% ขนไป กลมนจะเปนเหลกหลอซงทใชงานโดยทวๆ ไป จะมคารบอนไมเกน 4.5% หากมากกวานจะมสมบตทแขงและ เปราะ ไมเหมาะกบการใชงาน



4.3 เหลกกลาผสม

เหลกกลาคารบอนธรรมดาทใชอยทว ๆ ไปมความแขงแรงคอนขางดและราคาต า สามารถน ามาใชงานไดหลากหลาย อยางไรกตามงานทางดานวศวกรรมจ านวนมากทตองการสมบตเฉพาะอยาง ซงเหลกกลาคารบอนทวๆไป ไมสามารถท าได ขดจ ากดของเหลกกลาคารบอนธรรมดา ประกอบไปดวย

ไมสามารถเพมความแขงแรงทสงกวา 100,000 psi โดยทฟเนสส (Toughness) และความเหนยวไมลดลง

ชนงานขนาดใหญไมสามารถชบแขงแลวไดโครงสรางมารเทนไซตตลอดชนงาน ท าใหไมสามารถเพมความ แขงบรเวณทลกๆ ได

อตราการเยนตวทสงมากในการชบแขงเหลกกลาคารบอนปานกลางเพอใหไดโครงสรางมารเทนไซดนน จะท าใหชนงานเกดการบดงอและแดกราวได

เหลกกลาคารบอนธรรมดาจะมความตานทานตอแรงกระแทกทอณหภมต าไมด เหลกกลาคารบอนธรรมดาจะมความดานทานตอการกดกรอนจากสภาพแวดลอมนอยมาก

เหลกกลาคารบอนธรรมดาจะเกดปฏกรยากบออกซเจนทอณหภมสงๆ ไดงายมาก

จากขอจ ากดขางดน จงมการผลตเหลกกลาผสม (Alloy steel) ชนมาเพอชวยแกปญหาตางๆ ทเกดชน ซงอาจจะ มราคาทสงกวา แตสมบตตางๆ ทเพมขนกชวยใหมความคมคามากกวา ธาตผสมโดยทวๆ ไปทใชเตมในเหลกกลาผสม ไดแก นกเกล (Ni), โครเมยม (Cr), โมลบดนม (Mo), แมงกานส (Mn), ซลคอน (Si) และวาเนเดยม (V) เปนตน วตถประสงคของการเตมธาตผสมตางๆ เขาไปไดแก

เพมความสามารถในการชบแขง (Hardenability) เพอท าใหความลกในการชบแขงสงขน

คงความแขงแรงและขนาดไดดทอณหภมสง เพมสมบตทางกลทงทอณหภมต าและอณหภมสง เพมความทนทานการกดกรอนและการเกดออกซเดชนทอณหภมตาง ๆ

เพมความสามารถพเศษบางอยางใหดขน เชน ความทนทานการเสยดสและความลาตว

4.3.1 อทธผลของธาตผสม

ธาตผสมทเตมเขาไปในเหลกกลาจะมอทธพลตอเหลกกลาหลายอยาง ซงสามารถจ าแนกออกเปน 3 กลม คอ กลมทมอทธพลตอออสเทนไนต กลมทมอทธพลตอเฟอรไรต และกลมทมอทธพลตอการเกดคารไบด โดยสองกลมแรก จะสงผลตอแผนภาพเฟสของเหลกกบเหลกคารไบดโดยตรง กลมทมอทธพลตอออสเทนไนตหรอเรยกอกอยางวากลมเพมเสถยรภาพออสเทนไนต ธาตผสมในกลมนเมอเตมเขาไปแลวจะท าให พนทของออสเทนไนตในแผนภาพเฟสเพมขน สวนกลมเพมเสถยรภาพเฟอรไรตจะท าใหพนทของออสเทนไนตลดลง และเพมพนทของเฟอรไรตใหมากขน จากการเพมขน และลดลงของออสเทนไนตและเฟอรไรตในแผนภาพเฟส ท าให



สามารถจ าแนกลกษณะของแผนภาพเฟสทมการเปลยนแปลงเมอเตมธาตผสมเขาไปออกเปน 4 ชนด โดยแตละชนดมคณลกษณะดงน ชนดท 1 กลมเปดพนทเฟสออสเทนไนด ธาตผสมกลมนไดแก แมงกานส (Mn), นกเกล (Ni), โคบอลต (Co), รเทเนยม (Ru), ออสเมยม (Os), อรเดยม (lr) และรทเทอรฟอรเดยม (Rf) เปนตน พนทของเฟสออสเทนไนดทอยในขอบ เขตของ + จะถกขยายใหต าลงจนถงอณหภมหอง และเลอนขอบเขตทเปนเฟสระหวาง δ + ใหสงขน ดงแสดงใน ชนดท 2 กลมทขยายพนทเฟสออสเทนไนต กลมนจะคลายกลมแรก แตไมถงกบท าใหพนทของออสเทนไนตเปดออก เพยงแคขยายใหกวางขนเทานน ธาตผสมกลมนไดแก คารบอน (C), ไนโตรเจน (N), ทองแดง (Cu), สงกะส (Zn) และทอง (Au) พนททเพมขนไมไดขยายกวางมากนก ตวอยางเชน การเตมธาตคารบอนและไนโตรเจนเขาไปจะท าใหขอบเขตของออสเทนไนตทแสดงความสามารถในการละลายเปนสารละลายของแขงเพมเปน 2.0% และ 2.8% ตามล าดบ ชนดท 3 กลมทปดพนทออสเทนไนต ธาตผสมกลมนจะท าให พนทออสเทนไนตเลกลงมากจนเหลอพนทเปนวงเลกๆ ซงบางครงเรยกวา บวงแกมมา (Gamma loop) พนทของออสเทนไนตลดลง หมายความวาพนทของเฟอรไรตเพมขน หรอธาตกลมนจะเพมเสถยรภาพเฟอรไรตนนเอง ธาตเหลานไดแก ซลคอน (Si), อะลมเนยม (AI), เบรลเลยม (Be) และฟอสฟอรส (P) และรวมถงกลมทท าใหเกดคารไบตดวย ดงเชน โครเมยม (Cr), ไทเทเนยม (Ti), วาเนเดยม (V), โมลบดนม (Mo) และทงสเตน (w) เปนตน ชนดท 4 กลมทลดพนทออสเทนไนต กลมนจะท าใหขอบเขต และ ถกบบใหแคบ ธาตผสมทท าใหเกดผลอยางรนแรงเชนนไดแก โบรอน (B) โดยเฉพาะเมอเตมลงไปพรอมกบธาตกลมทท าใหเกดคารไบด ดงเชน แทนทาลม (Ta), เซอรโคเนยม (Zr) และไนโอเนยม (Nb) เปนตน

พฤตกรรมการรวมตวของธาตผสมในเหลกกลาผสมแลวเพมเสถยรภาพเฟอรไรตหรอออสเทนไนตนน จะขนอยกบธรรมชาตของโครงสรางผลกของแตละธาต โดยธาตผสมทมระบบผลกแบบ BCC กจะเปนตวทเพมเสถยรภาพใหเฟอรไรต สวนธาตผสมทมระบบผลกแบบ FCC กจะเพมเสถยรภาพใหกบออสเทนไนต และโดยอาศยสภาพเฟสตางๆทมเสถยรภาพทอณหภมหอง บางครงเราจะเรยกชอของเหลกตามเฟสนนๆ เชน เหลกกลาทเตมนกเกลและแมงกานสในปรมาณมาก แลวท าใหเกดเฟสออสเทนไนตทอณหภมหอง เราจะเรยกเหลกกลมนวา เหลกกลาออสเทนนตก (Austenitic steel) หรอ เหลกกลาสแตนเลสออสเทนนตก (Austenitic stainless steel) มสวนผสมของคารบอน 1% และโครเมยม 18% เปนตน และกรณของเหลกกลาทมเฟสเฟอรไรตทอณหภมหอง เรากจะเรยกวา เหลกกลาเฟอรรตก (Ferritic steel) เปนตน

4.3.2 อทธผลของธาตผสมทมตอเฟอรไรต ธาตผสมบางชนดละลายไดดในเฟอรไรต ดงเชน นกเกล (Ni), ซลคอน (Si), อะลมเนยม (AI), ทองแดง (Cu) และ โคบอลต (Co) เปนตน สวนธาตบางชนดสามารถละลายในเฟอรไรตและรวมตวกบคารบอนเปนคารไบตไดดวย เชน แมงกานส (Mn), โครเมยม (Cr), ทงสเตน (W), โมลบดนม (Mo), วาเนเดยม (V) และไทเทเนยม (Ti) ธาตเหลานจะละลาย ในเฟอรไรตไดมากหรอนอยขนอยกบปรมาณคารบอนในเนอเหลก หากปรมาณ



คารบอนมาก กมแนวโนมทจะไปรวมตว กบธาตผสมแลวเกดเปนคารไบตไดมาก ดงตารางท 4.1 แสดงใหเหนพฤตกรรมของธาตผสมแตละชนดวามแนวโนมทจะละลายในเฟอรไรตหรอรวมตวเปนคารไบตและธาตบางชนดจะมอทธพลทงสองแบบ โดยจะมากนอยเพยงใดใหสงเกตจากขนาดของหวลกศร ตารางท 4.1 พฤตกรรมของธาตผสมแตละชนดในเหลกกลาทผานการอบออน

ธาตผสม กลมท 1 ละลายในเฟอรไรต กลมท 2

รวมตวในคารไบต

นกเกล Ni

ซลคอน Si อะลมเนยม AI ทองแดง Cu แมงกานส Mn Mn โครเมยม Cr Cr

ทงสเตน W W โมลบดนม Mo Mo

วาเนเดยม V V ไทเทเนยม Ti Ti

ธาตผสมทกชนดทละลายในเฟอรไรตจะเพมความแขงและความแขงแรงใหกบเหลกกลา ซงเปนผลมาจากหลกการ เพมความแขงแรงโดยสารละลาย ธาตผสมทเพมความแขงจากนอยไปหามากไดแก โครเมยม (Cr), ทงสเตน (W), วาเนเดยม (V), โมลบดนม (Mo), นกเกล (Ni), แมงกานส (Mn), ซลคอน (Si) และฟอสฟอรส (P) ตามล าดบ ดงแสดงในรปท 4.12 ธาตทเพมความแขงแรงใหกบเหลกกลาผสมมากทสดคอแมงกานสและซลคอน แตกจะท าใหเปอรเซนตการยดตวลดลงมากเชนกน



รปท 4.12 อทธพลของธาตผสมชนดตางๆ ทละลายในเฟอรไรตแลวมผลตอความแขง


4.3.3 อทธพลของธาตผสมทมตอการเกดคารไบด

ธาตผสมทเตมเขาไปในเหลกกลาจะมความสามารถในการรวมตวกบคารบอนแลวกลายเปนคารไบตทแตกตางกน ทงนขนอยกบวาธาตผสมเหลานนมความไวในการรวมตวกบคารบอน (affinity) มากนอยเพยงใด อกทงยงขนนอยกบปรมาณ คารบอนทผสมอยในเนอเหลกดวยโดยปกตแลวธาตผสมทเตมลงไปในเหลกแลวรวมตวกบคารบอนใหคารไบตนนจ าแนก ออกเปน 2 ชนด ไดแก 1. คารไบดเชงซอน (Complex or Double Carbide) เกดขนจากธาตผสมเขาไปแทรกอยในซเมนไทต (Fe3C) โดยอะตอมของธาตผสมจะเขาไปแทนทอะตอมของเหลกในซเมนไทต ซ งเขยนเปนสตรดงน (Fe-M)3C โดย M หมายถง ธาตผสมทเตมเขาไป เชน (Fe-Mn)3C, (Fe-Mo)3C และ (Fe-Cr)3C เปนตน 2. คารไบดชนดพเศษ (Special Carbide) เกดขนในกรณทมการเตมธาตผสมปรมาณมากและเหลกมปรมาณ คารบอนมากดวย จงท าใหธาตผสมสามารถรวมตวกบคารบอนเปนคารไบดได คารไบตกลมนจะมเสถยรภาพสงมาก ซง อาจอยในรปของคารไบตเชงเดยว (Single carbide) ทเขยนเปนสญลกษณดงน MC, M2C, M3C, M6C, M7C3 และ M23C6 ตวอยางของคารไบตกลมนไดแก Tie, NbC และ Cr7C3 เปนตน บางกรณอาจเกดคารไบตเชงซอนขนได โดยซเมนไทต เขาไปแทรกอยในคารไบตของธาตผสม ซงอาจเขยนเปนสตรไดคอ (M-

Fe)mCn โดย m และ n หมายถงจ านวนอะตอมของธาตผสม ตวอยางของคารไบตชนดนไดแก (CrFe)7C3,

(MoFe)6C และ (W Fe)6C เปนตน


มหาวทยาลยราชภฏอดรธาน :

4.3.4 ชนดของเหลกกลาผสม

การจ าแนกชนดของเหลกกลาผสมโดยอาศยสวนผสมทางเคมเปนเกณฑนน ดงแสดงตารางท 4.2 โดยมาตรฐาน กลาวเปนของระบบ SAE-AISI และเนองจากเหลกกลาผสมทมใชอยในอตสาหกรรมนนมจ านวนมาก จงเปนเรองยากทจะพดถงรายละเอยดทางดานสมบตและการใชงานไดทงหมด อยางไรกตามเราพอจะสรปอทธพลของธาตผสมหลกทเตมเขาไปไปในเหลกกลาผสมแตละชนดและการใชงานตางๆ ไดดงน

ตารางท 4.2 ชนดของเหลกกลาคารบอนและเหลกกลาผสมต ามาตรฐาน SAE-AISI

รหสตวเลขและอกษร ชนดของเหลกและปรมาณธาตผสม (%) เหลกกลาคารบอน

10XX คารบอนธรรมดา (Mn 1.0 สงสด) 11xx ลดชลเฟอร 12xx ลดชลเฟอรและฟอสฟอรส 15xx คารบอนธรรมดา (ปรมาณ Mn สงสด ะ 1.00 - 1.65) เหลกแมงกานส 13xx Mn 1.75 เหลกนกเกล 23xx Ni 3.50

25xx Ni 5.00 เหลกนกเกล-โครเมยม

31XX Ni 1.25 ะ Cr 0.65 และ 0.80 32xx Ni 1.75 ; Cr 1.07 33xx Ni 3.50 ; Cr 1.50 และ 1.57 34XX Ni 3.00 ; Cr 0.77 เหลกโมลบดนม

40XX Mo 0.20 และ 0.25 44xx Mo 0.40 และ 0.52 เหลกโครเมยม-โมลบดนม

41xx Cr 0.50, 0.80 และ 0.95 ; Mo 0.12, 0.20, 0.25 และ 0.30 เหลกนกเกล-โครเมยม-โมลบดนม

43xx Ni 1.82 ; Cr 0.50 และ 0.80 ; Mo 0.25 43BVXX Ni 1.82 ; Cr 0.50 ะ Mo 0.12 และ 0.25 ; V 0.03 ต าสด

47xx Ni 1.05 ะ Cr 0.45 ; Mo 0.20 และ 0.35 81xx Ni 0.30 ะ Cr 0.40 ; Mo 0.12 86xx Ni 0.55 ; Cr 0.50 ; Mo 0.20 87xx Ni 0.55 ; Cr 0.50 ะ Mo 0.25 88xx Ni 0.55 ; Cr 0.50 ; Mo 0.35



เหลกแมงกานส (Manganese steel, กลม 13xx) แมงกานสปกตแลวจะเปนตวทชวยลดออกซเจนในกรรมวธ ผลตเหลกกลา และเปนตวชวยลดการแตกราวทอณหภมสงขณะแปรรปรอน ทเปนผลมาจากชลเฟอรทอยในเนอเหลกรวม ตวกบเหลกเปนเหลกซลไฟด (FeS) แลวเกดเปนฟลมลอมรอบผลก ตงนนจงมการเตมแมงกานสเขาไปเพอรวมตวกบ ซลเฟอรเปนแมงกานสซลไฟด ซงมจดหลอมเหลวทสงกวาเหลกซลไฟด จงชวยแกปญหาการแตกราวทอณหภมสงได เหลกกลาจะวดเปนเหลกกลาผสมแมงกานสกตอเมอมแมงกานสประมาณ 0.80% ขนไป ปกตแลวแมงกานสจะเพมความแขงและความแขงแรงใหกบเหลก แตจะมผลนอยกวาคารบอนแมงกานสจะไมรวมตวกบคารบอนเปนคารไบต และชวยเพมความสามารถในการชบแขงไดปานกลางเทานน แมงกานสจะท าใหอณหภมและสวนผสยเทกตอยดลดต าลงคลายนกเกล แมงกานสจะท าใหเกรนของเหลกมความละเอยดขนท าใหมทฟเนสสและความแขงแรงสงใชท าเฟองขอเหวยงหรอเพลาสงก าลง หากเตมวาเนเดยมลงไปปานกลาง จะท าใหเหลกแมงกานสตแปรรปงานขนใหญๆ และใหเยนตวในอากาศภายหลงจากการอบนอรมอลไลซ จะท าใหเหลกชนดนมความแขงแรง ณ จดครากเหมอนกบเหลกกลา คารบอนธรรมดาทผานการชบแขง หากเตมแมงกานสมากกวา 10% จะท าใหเกดเฟสออสเทนไนตทอณหภมต า โดยเฉพาะอยางยงเหลกฮารดฟลดแมงกานส (Hardfield manganese steel) ทมแมงกานส 12% เมอผานกระบวนการอบชบแลว เหลกชนดนจะมความแขงแรงและความเหนยวสงมาก และยงทนทานตอการเสยดสอกดวย ซงเปนสมบตทเหมาะกบการใชท าชนสวนเครองจกรทตองการความทนการเสยดสตางๆ หากปลอยใหโลหะผสมชนดนเยนตวอยางชาๆ จาก 955°C ลงมา จะไดโครงสรางทประกอบไปดวยคารไบดขนาดใหญลอมรอบเกรนของออสเทนไนตอย ซงโครงสรางนจะมความแขงแรงและความเหนยวต า โดยความแขงแรงส งสดจะอยทประมาณ 70,000 psi และเปอรเซนตการยดตวมเพยง 1% แตเมอน าเหลกกลาผสมชนดนไปท าใหคารไบดสลายตวและละลายเขาไปในออสเทนไนต และจมชบลงมาจาก 1,010 °C จะไดโครงสรางออสเทนไนตอยางเดยว และมความแขงแรงประมาณ 120,000 psi การยดตวเปน 45% และความแขง 180 BHN จะเหนไดวา ความแขงแรงและความเหนยวสงขน ปกตแลวจะน าเหลกชนดนไปใหความรอนอกครงทอณหภมประมาณ 260 °C เพอ ลดความเคนทเกดจากการชบใหนอยลง ออสเทนไนตทไดจากการจมชบนจะมความแขงไมสงนก แตเมอน าไปใชงานแลว ไดรบแรงกระแทก จะท าใหความแขงเพมชนถง 500 BHN ซงเปนผลมาจากออสเทนไนตเปลยนไปเปนมารเทนไซดเนอง จากการใชงาน (Work-hardening)

เหลกนกเกล (Nickel Steel, กลม 2xxx) นกเกลทผสมในเหลกกลาจะไมมขดจ ากดในการละลายเขาไปในเหลกแกมมา และขณะเดยวกนกละลายไดในเฟอรไรตในปรมาณทสงดวย ชวยเพมความแขงแรงและทฟเนสสใหกบเฟอรไรต นกเกลท าใหอณหภมวกฤตของเหลกต าลง และขยายชวงอณหภมทจะท าใหการอบชบท าไดดขน นกเกลไมรวมกบคารบอนเปนคารไบตซงจะเปนตวทละลายเชาไปในออสเทนไนตยากขณะทออสเทนไนไทซง นกเกลชวยลดสวนผสมของคารบอน ในสวนผสมยเทกตอยต ท าใหเกดโครงสรางเพรลไลตในปรมาณทสงชนกวาเหลกกลาคารบอนธรรมดา อกทงอณหภมท เกดออสเทนไนตนนต ากวาปกต ท าใหเพรลไลดมความละเอยดกวาเหลกกลาทไมมนกเกลผสม สงผลใหเหลกทมปรมาณ คารบอนต า มความแขงแรง ทฟเนสส การเปลยนรปในสภาวะพลาสตก และดานทานการลาตวด



เหลกนกเกลเหมาะทจะใชท าเหลกโครงสรางทตองการความแขงแรงสง เชน โครงสรางของแทนรดแปรรปเหลก หรอโครงสรางเครองจกรตแปรรป เปนตน เหลกทมนกเกลผสมอย 3.5% (กลม 23xx) ซงเปนเหลกกลาทมคารบอนต า จะนยมน าไปท าคารเบอไรซง เพอน าไปท าเฟองเกยร โบลตทท าขอตอ สตด และคงพน เปนดน สวนกลมทมนกเกล 5% (กลม 25xx) จะมทฟเนสสสง ใชกบงานทรบแรงหนกๆ เชน เฟองเกยรของรถบรรทก ลกเบยวและขอเหวยง เปนดน นกเกล จะมผลในการเพมความสามารถในการชบแขงใหกบเหลกกลานอย แตจะมผลมากในการเพมทฟเนสส โดยเฉพาะอยาง ยงทอณหภมต าๆ เหลกโครเมยม (Chromium steel, กลม 5xxx) โครเมยมจะท าใหเกดคารไบตแบบธรรมดา เชน Cr7C3, Cr4C และคารไบตเชงซอน (FeCr3)C คารไบตเหลานจะมความแขงสง ทนการเสยดสดมาก โครเมยมละลายในเหลกแกมมาสงถง 13% และไมมขดจ ากดในการละลายในเฟอรไรตในเหลกกลาผสมต า โครเมยมทผสมอยมแนวโนมทจะเปนสารละลาย ซง จะชวยเพมความแขงแรงและทฟเนสลใหกบเฟอรไรต และหากมโครเมยมมากกวา 5% จะท าใหสมบตตางๆ ทอณหภมสงดขนและทนการกดกรอนไดด เหลกนกเกล-โครเมยม (Nickel-chromium steel, กลม 3xxx) เหลกกลาผสมกลมนจะมสดสวนระหวางนกเกลตอโครเมยมประมาณ 2.5 : 1 โดยสมบตของเหลกกลาผสมจะเปนสมบตรวมระหวางคณลกษณะของธาตผสมทงสองนกเกลจะเพมทฟเนสสและความเหนยวใหกบเหลก ขณะเดยวกนกบทโครเมยมจะใหความสามารถในการชบแขงและความ ทนทานการเสยดส เหลกกลาผสมทมธาตผสมมากกวาสองชนดโดยมากแลวจะใหความสามารถในการชบแขงดกวาการเตมธาตผสมเพยงอยางเดยว เหลกกลาผสมนกเกล-โครเมยมคารบอนต าจะนยมใชท าคารเบอไรชง โดยโครเมยมจะชวยเพมความแขงทผว ขณะทนกเกลจะเพมทฟเนสสในแกนกลางของเหลก เหลกกลาผสมกลม 34xx ทมนกเกล 1.5% และโครเมยม 0.60% จะใชท าเฟองตวหนอนและสลกลกสบ ส าหรบงานหนกๆ เชน เฟองเกยรของเครองบน เพลาและลกเบยว เหลกทใชจะผสมนกเกลถง 3.5% และโครเมยม 1.5% เหลกกลาผสมนกเกล-โครเมยมคารบอนปานกลางจะนยมใชในอตสาหกรรม ผลตรถยนต เหลกโมลบดนม (Molybdenum steel, กลม 4xxx) โมลบดนมจะมขดจ ากดในการละลายในออสเทนไนดและ เฟอรไรต และเปนธาตทท าใหเกดคารไบต และมผลอยางมากตอความสามารถในการชบแขง มสมบตคลายโครเมยม คอเพมความแขงและความแขงแรงทอณหภมสง โมลบดนมในเหลกกลาจะมผลตอการเกดความเปราะเนองจากการท าเทมเปอรนอยกวาธาตผสมตวอนๆ เหลกกลาโมลบดนมทมคารบอนต านยมใชท าคารเบอไรซงส าหรบผลตชนสวนยานยนต เชน เพลาเฟองทายและชนสวนระบบสงก าลง โดยมากแลวโมลบดนมมกใชผสมรวมกบนกเกลหรอโครเมยมเพอใหเหมาะกบการท าคารเบอไรชง ส าหรบงานทตองการความทนทานการเสยดสทผวสงโดยแกนกลางยงคงความเหนยวไวอยางด เหลกโครเมยม-โมลบดนม (Chromium-molybdenum steel, กลม 41xx) เหลกกลาผสมกลมนจะมโครเมยม อยระหวาง 0.50 - 0.95% และโมลบดนม 0.13 - 0.20% โดยโครเมยมชวยเพมความสามารถในการชบแขงและความตานทานการเสยดสเหลกทผสมโครเมยมและโมลบดนมปรมาณนอย จะชวยใหความสามารถในการชบแขงสงชนโดยสามารถชบแขงโดยน ามนไดแตถาชบในน าอาจเกดการแตกราวได เหลกโครเมยม-โมลบดนมมสมบตตานการเชอมทด มความสามารถในการชบแขงด เหมาะกบงานทเปนชนสวนเครองบน เพลาเครองยนต และภาชนะทรบแรงตน เปนดน



เหลกนกเกล-โครเมยม-โมลบดนม (Nickel-chromium-molybdenum steel, กลม 43xx, 47xx, 8xxx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx) เหลกกลมนจะมจดเดนของธาตผสมแตละชนดรวมกน นกเกลกบโครเมยมสามารถวมกนแลวท าให มอดลสของความยดหยนสง เพมความสามารถในการชบแขง ทนแรงกระแทกและการลาตวด และถาผสมโมลบดนม ประมาณ 0.2% จะท าใหความสามารถในการชบแขงสงชนอก ลดความเปราะเนองจากการท าเทมเปอร อกทงยงชวยเพม ความสามารถในการกดแตงดวย เหลกกลม 43xx เหมาะทจะใชในงานทรบภาระหนกหรอชนสวนทตองการความแขงแรงสง เชน เฟองเกยร แตถาเปนงานทตองการความแขงแรงนอยลง จะใชเหลกกลม 8620 และ 8640 แตถาเปนงานดแปรรปและเพลาสงก าลงมตองการความแขงแรงสง จะใชกลม 86xx เหลกกลาผสมกลมนมการใชงานทกวางขวางมาก ส าหรบงานทตองการความ ทนทานการเสยดสและการลาตว เชน เฟองสงก าลง เพลาและแบรง นอกจากนนยงใชในอตสาหกรรมการผลตเครองบนไมวาจะเปนสวนปกและล าตวเครอง เปนตน 4.4 เหลกกลาไรสนม

ในป 1913 แฮรร เบรยรล (Harry Brearly) ท าการพฒนาเหลกกลาผสมขนมาชนดหนง โดยมปรมาณคารบอน 0.35% และโครเมยม 14% (ปจจบนรจกในนามของเหลกกลาไรสนม 430) ดวยความพยายามทจะตรวจสอบโครงสรางจลภาคดวยการกดดวยกรด เขาพบวาสารเคมตางๆ ทน ามาใชนนไมสามารถกดโลหะผสมชนดนไดโดยงาย ซงเปนปญหามากในการทดลองของเขา ขณะเดยวกนเขากลบใชปญหาทเกดขนเปนโอกาสขนมา โดยใชความยากในการทจะกด ดวยกรดของโลหะผสมชนดนท าเปนวสดททนทานการกดกรอน ซงถกน ามาใชจนถงปจจบนนในนามของเหลกกลาไรสนมหรอเหลกกลาสแเตนเลส เหลกกลาไรสนม (Stainless steel) หรอเหลกกลาสแตนเลส นยมใชกบงานททนการกดกรอนจากสารเคมทงในสภาวะปกตหรอทอณหภมสงๆ เหลกกลาไรสนมเปนเหลกกลาทมสวนผสมของโครเมยมมากกวา 12% โดยโครเมยมทเตมเขาไปนนจะท าหนาทเปนตวปองกนการกดกรอน ซงเปนสาเหตมาจากโครเมยมรวมตวกบออกซเจนกลายเปนโครเมยมออกไซด (Cr203) มลกษณะเปนชนบางๆ (Thin film) ปดผวของเหลกไวไมใหเหลกท าปฏกรยากบออกซเจนกลายเปนสนมไดฟลมของโครเมยมออกไซดนจะมสมบตเปนแพสซวต (Passivity) หรอเปนแคโทดก (Cathodic) มลกษณะคลาย เกราะปองกนไมใหเนอเหลกท าปฏกรยาไฟฟาเคม (Electrochemical) แลวเกดการกดกรอนขนได ปรมาณของโครเมยมทเตมเขาไปในเหลกจะตองมมากถง 12% จงจะท าใหเกดแพสซฟฟลม (Passive film) ขนมาได ดงนนในทางปฏบตจงตองมการเตมโครเมยมลงไปมากกวา 12% (โดยทวไปใช15-18%) ทงนเนองจากวาโครเมยม มความไวในการรวมกบคารบอนแลวกลายเปนคารไบดสงกวาเหลก ดงนนหากเตมโครเมยมเพยง 12% จะท าใหบางสวน ไปรวมกบคารบอนแลวท าใหโครเมยมมปรมาณไม เพยงพอจะท าใหเกดแพสซฟฟลมได



เหลกกลาไรสนมเฟอรรตกโครงสรางจลภาคของเหลกกลมนจะเปนเฟอรไรต โดยทวไปจะมคารบอนนอยกวา 0.2% และมโครเมยมระหวาง 14 - 28% เหลกในกลมนไดแก 405, 430, 442, 443 และ 446 สแตนเลสกลมนไมสามารถชบแขงโดยกระบวนการอบชบได แตอาจเพมความแขงแรงโดยการแปรรปเยน ความแขงแรงของเหลกกลมนจะดมาก ความเหนยวปานกลาง และแมเหลกดดตด เหลกกลม 430 และ 443 จะแปรรปไดงายเหมาะกบอตสาหกรรมทเกยวของกบสารเคม สวนกลม 442 จะใชกบงานทอณหภมสง กลม 406 จะมความดานทานไฟฟาสง แตอาจเกดความแขงขนจากการเยนตวในอากาศขณะแปรรปกลม 446 จะเปนกลมทมความดานทานการกดกรอนสงทสดโดยเฉพาะทอณหภมสง เหลกกลาไรสนมออสเทนนตก เหลกกลมนไดแก โครม-นกเกล 300 และโครม-นกเกล-แมงกานส 200 นกเกล ทผสมอยในเหลกกลมนจะท าใหออสเทนไนตมเสถยรภาพและเกดขนทอณหภมหอง โดยทง 2 กลมนไมสามารถชบแขงไดและแมเหลกดดไมตด หากตองการเพมความแขง ตองใชวธการแปรรปเยน สแตนเลสกลมนทนยมใชมากทสดคอ 18-8 โครเมยม-นกเกล โดยจะมเหลก74%และคารบอนถง 1% หากปรมาณของคารบอนต ากวา 0.03% จะไมมคารไบตเกดขน โดยปกตแลวสแตนเลสกลมนจะทนทานการกดกรอนดกวากลมเฟอรรตกและมารเทนซตก ถาหากมการใหความรอนทอณหภมระหวาง 480 – 860 °C จะท าใหโครเมยมคารไบตเกดขนทขอบเกรนโดยการตกผลก ท าใหบรเวณรอบผลกคารไบตมปรมาณโครเมยมทต าลงและอาจเปนสาเหตของการกดกรอนทเรยกวา การกดกรอนตามขอบเกรน (Intergranular corrosion)

4.5 เหลกกลาเครองมอ

เหลกกลาเครองมอ (Tool steel) เปนเหลกชนดพเศษทผลตขนมาเพอใชท าอปกรณหรอเครองมอตางๆ โดยมากจะมวตถประสงคเพอใชแปรรปหรอเพอตดเฉอนวสดชนดอนๆ ดงนนเหลกกลาเครองมอจงตองมสมบตพเศษทางดานความแขงสง ความทนตอแรงกระแทก หรอความแขงทอณหภมสงๆ เปนตน การจ าแนกประเภทของเหลกกลาเครองมอตามมาตรฐาน AISI โดยอาศยกระบวนการชบแขง การใชงานและคณลกษณะพเศษสามารถจ าแนกไดดงตารางท 4.3 โดยเหลกแตละชนดจะใชตวอกษรแทนชนดของเหลก



ตารางท 4.3 ชนดของเหลกกลาเครองมอ

กลม สญลกษณ ชนด

เหลกกลาแปรรปเยน เหลกกลาทนแรงกระแทก เหลกกลาแปรรปรอน เหลกกลาเครองมอความเรวสง เหลกกลาแมพมพ เหลกกลาพเศษ

W (ชบแขงดวยน า) O (ชบแขงดวยน ามน) A (ชบแขงดวยอากาศ) D (คารบอนสง, โครเมยมสง) S H M T P L

W1,W2,W5 O1,O2,O6,O7 A2,A4,A6,A7,A8,A9,A10,A11 D2,D3,D4,D5,D7 S1,S2,S4,S5,S6,S7 H10-H19 กลมโครเมยม H20-H39 กลมทงสเตน H40-H59 กลมโบลบดนม กลมโมลบดนม : M1, M2,M3-1,M3-2,M4,M6,M7,M10,M33, M34,M36,M41,M42,M46,M50 กลมทงสเตน : T1,T4,T5,T6,T8,T15 เหลกกลาแมพมพ : P26,P20,P21 เหลกกลาพเศษ : L2,L6

4.5.1 สวนผสมทางเคมของเหลกกลาเครองมอ

เหลกกลาเครองมอทนยมใชมากๆ จะมอย 5 กลมคอ เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน (Cold work)

เหลกกลาเครองมอแปรรปรอน (Hot work) เหลกกลาเครองมอทนแรงกระแทก (Shock-resisting) เหลกกลาความเรวสง (High speed) และเหลกกลาแมพมพ (Mold steel) ทง 5 กลมมสวนผสมทางเคมทแตกตางดน โดยในแตละกลม จะมกลมยอยแยกออกมาอกตางหาก เหลกกลาเครองมอแปรรปรอนจะมคารบอนผสมอยปานกลาง และมโลหะผสมททนความรอนสงอยแตกดางดนไป เชน โครเมยม ทงสเตน และโมลบดนม เปนตน เหลกกลาเครองมอ ทนแรงกระแทกจะมคารบอนประมาณ 0.5% และมธาตผสมอนอกเลกนอย เหลกกลาเครองมอความเรวสงจะมคารบอน ประมาณ 1% และมทงสเตนเปนธาตผสมหลก (กลม T) สวนกลม M จะมโมลบดนมเปนธาตผสมหลก เหลกกลา เครองมอทใชท าแมพมพจะมคารบอนและธาตผสมอนอยนอย



4.5.2 ชนดและการใชงานเหลกกลาเครองมอ

เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน : เกรดชบแขงดวยน าเหลกกลาเครองมอกลม W เปนเหลกกลาคารบอนท ไมมคารไบตชนดพเศษใดๆ เหลก W2 จะมวาเนเดยมผสมอยดวย เพอชวยใหเกรนละเอยดและชวยลดปญหาเรองการแตกราวเนองจากการชบแขงดวย เหลก W5 มโครเมยมเลกนอย เพอชวยเพมความสามารถในการชบแขง เหลกกลา เครองมอกลม W ทงหมดจะมอตราการเยนตวของอณหภมวกฤตสง จงตองจมชบในน าเพอใหการเยนตวเกดขนอยางรวดเรว เนองจากเหลกกลมนมธาตผสมนอย ท าใหราคาต า แตมกเกดปญหาเรองการแตกราวไดงาย เพราะการจมชบในน า เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน : เกรดชบแขงดวยน ามน เหลกกลาเครองมอเกรดนมความสามารถในการชบ แขงคอนขางด สามารถชบแขงดวยน ามนทใหอตราการเยนตวทขากวาน า เหลกชนด 01 และ 02 จะมสมบตทคลายกน เหลก 02 จะมอณหภมในการท าออสเทนไนไทซงทต ากวา 01 เลกนอย ซงมขอดตรงทชนงานจะเกดการบดงอเนองจาก การจมชบนอยกวา เหลกชนด 06 จะมปรมาณคารบอนประมาณ 0.3% ทจะเปนแกรไฟตอสระเกดขนในแมทรกชมารเทนไซด ซงนยมเรยกวาเหลกกลาเครองมอแกรฟดก (Grafitic tool steel) แกรไฟตทเกดขนจะท าหนาทเปนสารหลอลน ชนดแขงอยางดเมอโลหะตองเสยดสกน ขอดอกอยางคอ แกรไฟตจะชวยใหท าการกดแตงเหลกงายขน เหลกชนด 07 จะ มทงสเตนผสมอยดวย เพอท าใหเกดทงสเตนคารไบตททนทานการเสยดส และท าใหเกดความคมหากน าไปท าใบมดตด เหลกทงหมดทมใน กลมนชนด 01 เปนทนยมใชมากทสด เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน : เกรดชบแขงดวยอากาศ เหลกชนด A2 เปนชนดทนยมใชมากทสด โครเมยมและโมลบดนมชวยเพมความสามารถในการชบแขงใหดขนและท าใหเกดคารไบต ชนด A4 และ A6 จะมแมงกานสเปน ตวชวยใหสามารถชบแขงดขน และท าใหอณหภมออสเทนไนไทชงต าลงกวาเกรดโครเมยมถง 5% ชนด A7 จะมคารบอนสวนเกนและวาเนเดยมทชวยท าใหเกดคารไบตทตานทานการเสยดสด ชนด A8 และ A9 จะมคารบอนนอยกวาชนดอนทงนเพอตองการเพมทฟเนสสใหสงขน สวน A9 จะเพมวาเนเดยม 1% เพอเพมอายการสกหรอ ชนด A10 มความคลายกบ 06 คอจะมคารบอนสวนเกนทท าใหเกดแกรไฟต สวนชนด A11 เปนเหลกทผลตจากกรรมวธโลหะผง โดยมวาเนเดยมท 10% เพอชวยท าใหความตานทานการสกหรอจากวาเนเดยมคารไบตสงขน เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน : เกรดคารบอนและโครเมยมสง เหลกกลาเครองมอกลม D น บางชนดชบแขงดวยอากาศบางชนดชบแขงดวยน ามนและสวนผสมโดยทวไปจะมโครเมยม 12% และคารบอนมากกวา 1.5%ชนด D2 นยมใชท าเครองมอแปรรปเยนมากทสด ซงสามารถชบแขงโดยอากาศ มการบดตวนอย แมมความหนาถง 250 mm และเนองจากมโครเมยมคารไบตปรมาณสง จงทนการเสยดสไดดมาก ชนด D3 จะมคารบอนสง ท าใหมคารไบตมากขน อก เหลกชนดนตองชบแขงดวยน ามน เหลก D4 มคารบอนสงกวา D2 จงทนการเสยดสดกวา สวนเหลก D5 จะมโคบอลตผสมอย เพอชวยใหเกดความตานทานตอการออนตวเนองจากการท าเทมเปอร เหลก D7 จะคลาย A7 คอ มธาตทท าใหเกดคารไบตเมดใหญ บางครงเปนชนด VC ซงจะมความแขงกวาโครเมยมคารไบดในเหลก D2 เหลกชนดนทนการเสยดสดเยยมแตกดแตงยาก



เหลกกลาเครองมอทนแรงกระแทก (Shock-resisting tool Steels) เหลกกลาเครองมอกลมนจะมคารบอนอยนอย หากเปรยบเทยบกบกลมเหลกกลาเครองมอแปรรปเยน คาความแขงของเหลกกลาเครองมอกลมนจะไมสงเทากลม เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน (58 HRC Max) แตคาทฟเนสสจะสงกวามาก ทงสเตนจะผสมเขาไปในเหลกชนด S1 เพอเพมความทนทานการเสยดสใหดขน ชนด S2, S4, S5 และ S6 จะมซลคอนเปนตวเพมความสามารถในการชบแขง เหลก ทง 4 ชนดจะมคณลกษณะทคลายกน จะแตกตางกนตรงลกษณะการท าใหเกดความแขงขนเทานน ชนด S7 จะแตกตาง จากกลม S อนๆ ปรมาณโครเมยมและโมลบดนมทมสงจะชวยใหเหลกชนดนชบแขงดวยอากาศไดทขนาดความหนาถง 100 mm และเนองจากเหลกชนดนมทฟเนสสสงและชบแขงไดดวยอากาศ จงท าใหนยมน ามาท าแมพมพฉด (Injection mold) สมบตทเหลกชนด S มนอย คอ ความทนทานการเสยดส ทงนเพราะไมมคารไบตและโครงสรางทแขงเหมอนกลม เหลกกลาเครองมอแปรรปเยน แตเหลกชนดนถกผลตขนมาเพอใชสมบตทางดานทฟเนสสเปนปจจยหลก เหลกกลาเครองมอแปรรปรอน (Hot-work tool Steels) เหลกกลาเครองมอกลมนจะจ าแนกออกเปนกลมยอย โดยอาศยธาตผสมหลกเปนเกณฑ ไดแก กลมโมลบดนม กลมโครเมยม และกลมทงสเตน การเตมธาตผสมทเปนโลหะจ าพวกทนไฟหรอทนความรอนสงดงเชน ทงสเตน โมลบดนม โครเมยมและวาเนเดยม จะชวยท าใหเกดคารไบตขณะ ท าการท าเทมเปอร ซงจะท าหนาทในการยบยงการเกดดสโลเคชนและลดความออนตวทเปนผลมาจากความรอนโลหะ ผสมเหลานยงชวยท าใหเกดเซคนดารฮารดเดนนงขณะท าการท าเทมเปอรอกดวย เหลกกลมโครเมยมจะตานทานการออนตวเนองจากการท าเทมเปอรทอณหภมสงถง 430 °C สวนกลมทงสเตนและโมลบดนมจะสงถง 620 °C สวนผสมทางเคม ของ H10 และ H13 จะคลายกน และมการเพมความแขงและคณลกษณะอนๆ ทคลายกบเหลก H14 และ H19 จะมทงสเตนผสมอยสง เพอเพมความแขงทอณหภมสงและการทนการสกกรอนทอณหภมสงดวย นยมใชท าแมพมพตแปรรปเหลก H11 และ H13 เปนทนยมใชมากทสดในกลมน เหลก H11 นยมใชท าโครงสรางเครองมองานรอนตางๆ และ H13 ใชท าเครองมองานรอนโดยทวๆ ไปไมวาจะเปนแมพมพฉดพลาสตกหรอโลหะนอกกลมเหลก แมพมพอดแปรรป เปนตน เหลกกลาเครองมอความเรวสง (High-speed tool Steels) เหลกกลมนจะใชท าเครองมอทใชตดเฉอนโลหะชนดอนทความเรวรอบสงๆ จงมธาตผสมตางๆ ในปรมาณทสงกวาเหลกกลาเครองมอชนดอนๆ สญลกษณของเหลกจะใชธาตผสมทเปนธาตผสมหลกเปนเกณฑ เชน กลมทมโมลบดนมเปนหลกจะเปนกลม M สวนกลมทงสเตนจะเปนกลม T เปนตน คารบอนและโครเมยมทผสมอยชวยใหความสามารถในการชบแขงดขน วาเนเดยมทมปรมาณถง 1% ชวยใหเกรนละเอยดหากมปรมาณสงขนจะท าใหเกดวาเนเดยมคารไบดททนการเสยดสด ทงสเตนชวยยบยงการออนตวเนองจากอณหภมสง กลม M จะมทงสเตนคอนขางสง โคบอลตในกลม M42 และ T15 มบทบาทในการปองกนการออนตวท อณหภมสง ชนด M1 โมลบดนมเปนธาตผสมหลก M2 จะมคารบอนและวาเนเดยมมากกวาเลกนอยเพอเพมความทนทานการเสยดส ชนด M3-1 จะมความสามารถในการเจยระไนสงกวา M2 และ M3-2 จะทนการเสยดสดกวา M3-1 ชนด M4 เปนชนดทมความทนทานการเสยดสสงทสดในกลม M

เหลกกลาเครองมอความเรวสงจะมความแขงสงกวาเหลกกลาเครองมอทว ๆไป (62-67 HRC) และจะมคารไบตทมความละเอยดกระจายอยท าใหทนการเสยดสด อกทงยงคงความแขงไดทอณหภมสงถง 540 °C กลม M1, M2, M7 และ M42 ใชท าเครองมอเจาะกลม M50 เปนกลมธาตผสมต าทใชท าลกกลงในแบรง กลม T15 จะแปรรปดวยกรรมวธ โลหะผง (PIM techniques)



เหลกกลาเครองมอท าแมพมพ (Mold Steel) เหลกกลมนใชท าแมพมพฉดพลาสตกและแมพมพตางๆ เหลก ชนด P6 จะมคารบอนต ามากไมสามารถชบแขงไดปรมาณธาตผสมต าท าใหมความออนและสามารถแปรรปทมรายละเอยดสงได แลวจากนนจงน าไปผานกระบวนการคารเบอไรชง ชนด P20 นยมใชมากในเหลกกลาเครองมอกลมน ปรมาณคารบอนและธาตผสมสามารถท าใหเกดความแขงสงถง 30 HRC ตลอดทงขนของงานทหนามากๆ ท าใหนยมใชท าแมพมพฉดโลหะและพลาสตกขนาดใหญ ชนด P21 สามารถชบแขงโดยท าใหเปนสารละลายของแขงทมความแขง 25 HRC จากนนน าไปผานกระบวนการตกตะกอนจะไดความแขงถง 40 HRC

เหลกกลาเครองมองานพเศษ (Special-purpose tool steel) เหลกกลาเครองมอชนดนจะใชท าเครองมอตดทตองการความทนทานการเสยดสและมความเหนยวสง เชน ท าแบรง ลกกลง แผนคลชต ลกเบยว ประแจ แตถามปรมาณคารบอนสง จะใชท าดอกสวาน เครองมอท าเกลยว เปนตน

4.6 เหลกหลอ

เหลกหลอ (Cast iron) เปนเหลกทมคารบอนผสมอยเหมอนเหลกกลาคารบอนแตจะมปรมาณทมากกวาโดยหากพจารณาจากแผนภาพเฟสเปอรเซนตคารบอนในเหลกหลอจะอยระหวาง 2 - 6.67% แตในทางปฏบตแลว หากปรมาณคารบอนสงเกนไปจะท าใหเหลกหลอเปราะมาก ๆ ดงนนเหลกหลอทมใชในอตสาหกรรมจงนยมใหมคารบอนอยระหวาง 2.5 - 4% ธรรมชาตของเหลกหลอจะมความเหนยวทต ามากไมสามารถแปรรปโดยการรด การดง หรอแปรรปทอณหภมหองได จงนยมแปรรปโดยกระบวนการหลอ ซงมขอดตรงสามารถท าใหมรปรางทซบซอนไดด จากนนจงท าการกดแตงเพอใหไดขนาดในตอนทาย และดวยธรรมชาตของการแปรรปของเหลกชนดนโดยการหลอจงเรยกวา เหลกหลอ

เหลกหลอสามารถจ าแนกออกเปน 6 ชนด โดยอาศยโครงสรางจลภาคและคณลกษณะทางดานกายภาพและทางกล ไดแก เหลกหลอสขาว (White cast iron) เหลกหลอสเทา (Gray cast iron) เหลกหลอเหนยว (Ductile cast iron) เหลกหลอคอมแพกตแกรไฟต (Compacted graphite cast iron) เหลกหลออบเหนยว (Malleable cast iron) และเหลก

หลอผสม (Alloy cast iron) คารบอนทผสมอยในเนอเหลกอาจอยไดหลายรปแบบขนอยกบปรมาณและอตราการเยนอกทงธาตผสมตวอนๆ ทเตมเขาไปดวยคารบอนทอยในเนอเหลกอาจอยในรปของสารประกอบทเปนเหลกคารไบตซเมนไทตหรออยในรปคารบอนอสระอยางแกรไฟต (Graphite) ลกษณะรปรางและการกระจายตวของคารบอนอสระจะมอทธพลตอสมบตทางกายภาพและทางกลของเหลกหลออยางมาก เหลกหลอแตละชนดจะมลกษณะเฉพาะตวตงน เหลกหลอสขาว : คารบอนทอยในเนอเหลกจะอยในรปของชเมนไทต (Fe3C) เหลกหลอสเทา : คารบอนทอยในเนอเหลกจะอยในรปของคารบอนอสระหรอแกรไฟตแบบเกลด (Graphite flakes) เหลกหลอเหนยว : บางครงเรยกวาเหลกหลอโนดลาร (Modular cast iron) ลกษณะของคารบอนอสระหรอแกรไฟตทมอยจะมรปรางกลม (Spheroid) จงนยมเรยกวาเหลกหลอแกรไฟตกลม



เหลกหลออบเหนยว : เปนการน าเหลกหลอสขาวไปผานกระบวนการอบชบใหคารบอนแยกตวออกจาก ซเมนไทด มาเปน คารบอนอสระหรอแกรไฟตทมรปรางเกอบกลม

เหลกหลอคอมแพกตแกรไฟต : บางครงเรยกวาแกรไฟตตวหนอนคารบอนอสระทอยในเนอเหลกจะมลกษณะคลายตวหนอน ซงท าใหเหลกมความเหนยวมากกวาเหลกหลอสเทา

เหลกหลอผสม : เปนเหลกหลอทเตมธาตผสมอนๆ ลงไปเพอเพมสมบตตางๆ ทตองการ เหลกหลอแตละชนดจะมสวนผสมทางเคมทแตกตางกน

ตารางท 4.4 แสดงสวนผสมทางเคมหลกๆของเหลกหลอ

ชนดเหลกหลอ เปอรเซนต

คารบอน ซลคอน แมงกานส ซลเฟอร ฟอสฟอรส

เหลกหลอสขาว 1.8 - 3.6 0.5 - 1.9 0.25-0.8 0.06-0.2 0.06-0.2

เหลกหลออบเหนยว

2.2 - 2.9 0.9 - 1.9 0.15 - 1.25 0.02 - 0.2 0.02-0.1

เหลกหลอสเทา 2.5 - 4.0 1.0 - 3.0 0.2 - 1.0 0.02 - 0.25 0.05 - 1.0

เหลกหลอเหนยว

3.0 - 4.0 1.8 - 3.0 0.1 - 1.0 0.005 - 0.035 0.015-0.1

จากเหลกหลอชนดตางๆ ยงมเหลกหลออกชนดหนงทมชอเรยกเฉพาะวา เหลกหลอชลล (Chilled cast iron) เปนเหลกหลอทผลตใหเปนเหลกหลอสขาวเฉพาะท โดยใหอตราการเยนตวทรวดเรวขณะเหลกหลอเกดการแขงตว ขอแตกตางของเหลกหลอสขาวกบเหลกหลอชลลคอโครงสรางจลภาคของเหลกหลอชลลจะละเอยดกวาเหลกหลอสขาวและเกดขนบรเวณผวสวนทลกเขาไปจะเปนโครงสรางของเหลกหลอสขาวและเหลกหลอสเทา พนททมโครงสรางผสมระหวางเหลกหลอสขาวและสเทาจะมทงคารไบตและแกรไฟตผสมกนอย เหลกหลอทมโครงสรางนมชอเรยกวา เหลกหลอมอทเทล (Mottled cast iron) ซงท าใหมสมบตตางๆ อยระหวางเหลกหลอสขาวและเหลกหลอสเทา



4.7 สรป

1. เหลก เปนวสดทมก าลงรบการรบแรงสง มความคงทนตลอดอายการใชงานหากมการบ ารงรกษาทด และมรปทรงมาตราฐานทเมนย าไมเปลยนแปลงงาย จงถกน ามาใชงานในดานตาง ๆ เชน ท าเปนเครองมอกสกรรม เครองมอชาง ใชในงานกอสราง หรอใชในงานอตสาหกรรม เปนตน

2. กระบวนการผลตเหลกทใชในงานอตสาหกรรมสวนใหญ เปนเหลกผสมโดยจะมเหลกเปนองคประกอบหลกและจะมสวนผสมอนๆ ทท าใหคณสมบตของเหลกเปนไปตามทตองการเปนองคประกอบยอย เชน

คารบอน ( C ) ความหนาแนน 1.9 kg/dm3 จดหลอมเหลว 3540 °C เปนอโลหะ เปนธาตทไดมาจากถานหน ถานโคก คารบอนนผสมอยในเนอเหลก 2 ลกษณะ คอ ในสภาวะเหลกคารไบด (Fe3C) และในสภาวะแกรไฟต คารบอนทเจออยในเหลกจะชวยท าใหจดหลอมเหลวต าลง หากมมากจะท าใหเหลกแขงและเปราะ

ซลคอน (Si) ความหนาแนน 2.33 kg/dm3 จดหลอมเหลว 1420 °C เปนอโลหะท าปฏกรยากบออกซเจนจะกลายเปนซลกา (Silica = SiO2) ซงไดแก หน ควอตซ ทราย เมอท าปฏกรยากบคารบอนในเนอเหลกจะกลายเปนซลคอนคารไบด (SiC) ซงท าใหเหลกแขง ถามมากจะท าใหเปราะหกงายเปนตวท าใหเกดการแยกตวของแกรไฟตได

แมงกานส (Mn) ความหนาแนน 7.47 kg/dm3 จดหลอมเหลว 1260 °C ท าจากหนสน าตาล แมงกานสไดออกไซด มสแดงเปนวาว แขง และเปราะ ใชเปนสารดดออกซเจนออกจากน าเหลก (Deoxidixer) เปนธาตทหนวงเหนยวไมใหเกดการแยกตวเปนแกรไฟต แตจะรวมตวกบก ามะถนและชวยเพมคณสมบตทางกลใหกบเหลกหลอ

3. การแบงชนดของเหลกกลา แบงประเภทเหลกกลาออกไดเปน 5 ประเภทใหญ ๆ ไดแก 3.1 เหลกกลาคารบอน เปนเหลกกลาทมสวนผสมของคารบอนเปนหลกโดยจะมเปอรเซนต

คารบอน ไมเกน 1.7% จะมธาตอนผสมอยดวยเชน ซลคอน, ฟอสฟอรส, ก ามะถน และ แมงกานสซงธาตเหลานมปรมาณนอยมาก จะตดมากบเนอเหลกตงแตเรมการผลตเหลกจากสนแรโดยกรรมวธการผลตของเหลกกลาคารบอลไดแก กรรมวธ LD, กรรมวธโธมส, กรรมวธเตากระทะ และ กรรมวธเบสเซเมอร เหลกชนดนเปนวสดชางชนดเดยวทมคณสมบตทางความแขงแรง (Strength) และความออนตว (Ductility) ทเปลยนแปลงไดกวางมากตามปรมาณของคารบอนทมอยในเหลก ท าใหเหมาะทจะเลอกใชไดตามความเหมาะสมของลกษณะงาน

3.2 เหลกกลาประสม เปนเหลกกลาทมสวนผสมของคารบอนอยไมเกน 1.7% และยงมธาตอนๆผสมอยในเนอเหลกดวยเชน แมงกานส, นกเกล, โครเมยม, วาเนเดยม, โมลบดนม, โคบอลต, ทงสเตน ฯลฯ การทผสมธาตตาง ๆ ลงไปในเหลกนนกเพอปรบปรงคณสมบตหลาย ๆ ประการทเหลกคารบอนใหคณสมบตเหลาน นอยในเกณฑทต าไมสามารถใชงานไดด กรรมวธการผลตเหลกกลาประสมสามารถผลตไดจาก เตากระทะ , เตาไฟฟา และ เตาอนดกชน เปนตน

3.3 เหลกกลาเครองมอ เปนเหลกชนดพเศษทผลตขนมาเพอใชท าอปกรณหรอเครองมอตางๆ โดยมากจะมวตถประสงคเพอใชแปรรป หรอเพอตดเฉอนวสดชนดอนๆ 3.4 เหลกกลาประสมพเศษ เปนเหลกกลาประสมทพฒนาขนมาเพอใหเหมาะกบงานทจะใช



เฉพาะอยางมหลายประเภท เชน เหลกกลาไรสนม จะมธาตทผสมอยเพอใหเหลกมคณสมบตตานทานการเปนสนม คอ โครเมยม และจะตองผสมโครเมยมใหสงพอสมควร ดงนนเหลกกลาไรสนมนกคอ เหลกประสมสงชนดหนง 3.5 เหลกหลอ เปนเหลกทผลตจากเหลกดบสเทา (Gray Pig Iron) ทไดจากเตาสง (Blast Furnace) มาหลอมหรอถลงใหมในเตาควโปลา เตาแอรเฟอรเนซ หรอเตาไฟฟา ถาพจารณาดจาก Iron-carbon Equilibrium Diagram แลวจะเหนวาเหลกหลอมปรมาณธาตคารบอนผสมอยประมาณ 2% - 6.67% สวนเหลกกลามปรมาณธาตคารบอนผสมอยประมาณ 0.008% - 2% เทานน แตทางปฏบตแลวเหลกหลอจะมปรมาณธาตคารบอนผสมอยประมาณ 2.5% – 4% ถามมากกวานนจะขาดคณสมบตความความเหนยว (Ductility) จะเปราะและแตกหกงายเมอถกแรงกระแทกปกต




1.ขอใดเปนปฏกรยายเทกตอยดทเกดในเหลกกลาคารบอน ก. L + ข. L + Fe3C ค. y + Fe 3C ง. L + 2.ปฏกรยายเทกตกในเฟสไดอะแกรม Fe-Fe3C เกดทปรมาณคารบอนเทาใด ก. 0.022% ข. 0.77% ค. 2.11% ง. 4.3% 3.โครงสรางทเกดจากปฏกรยายเทกตอยดในเฟสไดอะแกรม Fe-Fe3C คอขอใด ก. + ข. Fe3C + ค. + Fe3C ง. + G 4.เหลกไฮโปยเทกตอยดประกอบดวยโครงสรางใด ก. ซเมนไทต + Fe3C ข. เฟอรไรต + เพรลไลด ค. ออสเทนไนต + Fe3C ง. เพรลไลด + Fe3C 5.เฟสหรอโครงสรางใดใหความแขงสงสด ก. เฟอรไรต (ferrite) ข. ออสเทนไนต (austenite) ค. เพรลไลด (pearlite) ง. ซเมนไทต(cementite) 6.ธาตผสมทกชนดทเดมลงในเหลกกลาคารบอนมอทธพลในการเพมสมบตทางกลขอใดใหสงขน ก. ความเหนยว ข. ความแขง ค. ทนทานการกดกรอน ง. การชบแขง 7.เหลกมาตรฐาน AISI 10150 มปรมาณคารบอนเทาไร ก. 150% ข. 15% ค. 1.5% ง. 0.5% 8.ธาตผสมหลกในสเตนเลสคอขอใด ก. โครเมยม ข. โมลบดนม ค. ทงสเตน ง. แมงกานส



9.เหลกเครองมอคารบอน (carbon tool steel) คอสญลกษณในขอใด ก. 0 ข. พ ค. A ง. F 10.เหลกหลอชนดใดมสมบตทางดานความแขงสงเหมาะกบงานทนการเสยดส ก. เหลกหลอเทา ข. เหลกหลอโนดลา ค. เหลกหลอมลลเอเบล ง. เหลกหลอขาว 11.ในการผลตเหลกหลอเหนยว (nodular cast iron) จะมการเตมธาตใด เพอใหแกรไฟตรวมตวกนเปนรปทรงกลม ก. โครเมยม ข. ซเรยม ค. คารบอน ง. โคบอลต 12.เหลกกลาไรสนมเกรด 18-8 หมายถงเหลกกลาทผสมโลหะชนดใดเปนปรมาณสงสด 2 ชนดแรก ก. ไทเทเนยม-ซลคอน ข. ไทเทเนยม-นกเกล ค. โครเมยม-ซลคอน ง. โครเมยม-นกเกล 13.เหลกเสนและเหลกขอออยทใชในงานกอสรางทวไป เปนเหลกในกลมใด ก. เหลกกลาคารบอนต า ข. เหลกกลาคารบอนปานกลาง ค. เหลกกลาคารบอนสง ง. เหลกกลาผสม 14.ขอใดคอปฏกรยาในแผนภาพเฟสของ Fe-Fe3C ก. Peritic, Eutectic, Eutectoid ข. Peritectic, Eutectic, Eutectoid ค. Peritectic, Eutectic, Eutectertic ง. ขอ ก, ข. และ ค. ผด 15.ขอใดคอปจจยทมผลตอความแขงของเหลกกลาคารบอนปานกลาง ก. ปรมาณคารบอน ข. อณหภมกอนการชบแขง ค. อตราการชบแขง ง. ขอ ก , ข. และ ค. ถก 16.เฟอรไรต (ferrite) ในเหลกกลาคารบอนเปนเฟสชนดใด ก. ธาตบรสทธ ข. สารละลายของแขง (solid solution) ค. ของผสม (mixture) ง. สารประกอบ (compound)



17.ธาตใดสงเสรมใหเกดแกรไฟต แทนทจะเกดคารไบดในเหลกหลอ ก. Cr ข. Mn ค. Mo ง. Si 18.เหลกหลอ 4.5% C แขงตวอยางชาๆ จากสภาวะของเหลว จะเกดเฟสของแขงใดกอนเฟสอน ก. แกรไฟต (graphite) ข. เฟอรไรต (ferrite) ค. ออสเทนไนต (austenite) ง. ซเมนไทต (cementite) 19.โครงสรางออสเทนไนตในเหลกกลา มโครงสรางผลกรปแบบใด ก. บอด-เซนเตอรควบก (body-centered cubic; BCC) ข. เฟซ-เซนเตอรควบก (face-centered cubic; FCC) ค. เฮกชะโกนอล โคลส-แพก (hexagonal close-packed; HCP) ง. บอด-เซนเตอร เตตระโกนอล (body-centered tetragonal; BCT) 20.ขอใดคอโครงสรางของเหลกกลาคารบอนปานกลางทไดจากการปลอยใหเยนอยางชา ๆ จากโครงสราง ออสเทนไนต ก. ซเมนไทต + เพรลไลต ข. เบนไนต + เพรลไลต ค. เฟอรไรต + เพรลไลต ง. มารเทนไซด + เพรลไลด





(5th ed). NJ: Pearson Education. William D Callister. (2007). An Introduction Material Science and Engineering (7th ed). New

York: John Wiley & Sons. สนตรฐ นนสะอาง. (2559). Engineering metallurgy. http://eu.lib.kmutt.ac.th.

http://eu.lib.kmutt.ac.th/

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 5 โลหะนอกกลมเหลก

หวขอเนอหา 5.1 อะลมเนยมและอะลมเนยมผสม

5.1.1 คณลกษณะทวไปและการใชงานของอะลมเนยม 5.1.2 การจาแนกประเภทของอะลมเนยม

5.2 การชบแขงโดยวธการบมหรอการตกตะกอน 5.3 ทองแดงและทองแดงผสม

5.3.1 การจาแนกชนดของทองแดงและทองแดงผสม 5.3.2 การเปลยนแปลงเฟสของโลหะผสมทองแดง 5.3.3 สมบตและการใชงานทองแดงและทองแดงผสม

5.4 แมกนเซยมและเบรลเลยมผสม 5.5 นกเกลและโคบอลตผสม 5.6 สรป แบบฝกหดทายบทท 5 เอกสารอางอง

วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอผเรยน เรยนจบบทนแลวผเรยนควรมความรและทกษะดงน 1. อธบายจาแนกชนด โครงสราง ของโลหะนอกกลมเหลกและโลหะผสม

2. สามารถเขาใจคณสมบตพนฐานของโลหะนอกกลมเหลก เพอประยกตใชงานตามชนดในอตสาหกรรม วธสอนและกจกรรม

1. ชแจงคาอธบายรายวชา วตถประสงค เนอหา และเกณฑการใหคะแนนรายวชา 2. นาเขาสบทเรยนโดยการบรรยาย ประกอบรปภาพใน Power point 3. อธบายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน 4. ตรวจสอบคาตอบของผเรยน และสอบถามผเรยนถาผเรยนมคาถามสงสย 5. มอบหมายใหผเรยนทาแบบฝกหดทายบทเปนการบาน 6. เสรมสรางคณธรรม และจรยธรรมใหกบนกศกษากอนเลกเรยน



สอการเรยนการสอน

1. เอกสารประกอบการสอนวชาวสดวศวกรรม 2. กระดานไวทบอรด 3. วสดโสตทศน Power point 4. แบบฝกหดทายบท 5. เฉลยแบบฝกหดทายบท


1. สงเกตจากพฤตกรรมและบรรยากาศระหวางเรยน 2. ถามตอบระหวางเรยน 3. แบบฝกหดทมอบหมายใหในแตละครง การประเมนผล 1. จากการทากจกรรมกลมเสรจตามเวลา 2. ทาแบบฝกหดมความถกตองไมนอยกวา 80%

บทท 5 โลหะนอกกลมเหลก 161

มหาวทยาลยราชภฏอดราน

บทท 5 โลหะนอกกลมเหลก

ในเนอหาของเอกสารประกอบการสอนบทท 5 โหละนอกกลมเหลก จะกลาวถงวสดประเภทโลหะ

จาแนกออกเปน 2 กลม คอ โลหะกลมเหลกและโลหะนอกกลมเหลก โลหะในกลมเหลกนนจะมธาตเหลกเปนโลหะหลก สวนโลหะนอกกลมเหลกจะมธาตทไมใชเหลกเปนโลหะหลก โลหะนอกกลมเหลกทมใชในงาน วศวกรรมทวๆไป ไดแก ทองแดง อะลมเนยม ไทเทเนยม แมกนเซยม นกเกล ดบก ตะทว และสงกะส สวนกลมใชงานทวไป ไดแก แคดเมยม โมลบดนม โคบอลต เซอรโคเนยม เบรลเลยม และแทนทาลม สาหรบกลมโลหะทมคา ไดแก ทอง เงน และแพลทนม เปนตน

โลหะนอกกลมเหลกทนามาใชในงานโครงสราง คอ อะลมเนยมและไทเทเนยม คณลกษณะเดนของโลหะทงสอง ชนดน คอ มความหนาแนนนอยและทนทานการกดกรอนทาใหโลหะทงสองชนดนยมใชในงานโครงสรางทตองการสมรรถนะสง ๆ โลหะผสมทงสองชนดนสามารถเพมความแขงแรงไดด วยกระบวนการอบชบและจะทาใหมคาความแขงแรงจาเพาะ (Specific strength) และความแขงแรงจาเพาะในสภาวะยดหยน (Specific modulus) ทสงมากคาความแขงแรง ทงสองนจะเปนดชนวดสมรรถนะของวสดทใชในอตสาหกรรมการขนสงโดยเฉพาะอยางยงในอตสาหกรรมการบน ดงนนโลหะผสมอะลมเนยมและไทเทเนยมจงนยมใชเปนสวนประกอบของโครงสรางในอตสาหกรรมการบน สมบตทดของอะลมเนยมในดานอน คอ ความนาไฟฟาและความสามารถในการขนรปทดมาก สาหรบแมกนเซยมนนเปนโลหะทมนาหนกเบาเชนกน แตมการใชงานในงานโครงสรางทจากดอย โดยมากจะใชในอตสาหกรรมการหลอ ทงนเพราะแมกนเซยมนน มขดจากดในเรองของการขนรปและความทนทานตอการกดกรอน

ทองแดงและนกเกลมการใชงานในอตสาหกรรมเชนเดยวกบเหลก แตราคาของโลหะทงสองจะสงกวาเหลก ทาใหในทางอตสาหกรรมโครงสรางนยมใชเหลกมากกวาสมบตเดนทโลหะทงสองถกนามาใชงานคอ ความนาไฟฟา ความทนทานตอการกดกรอน และสมบตทอณหภมสง ทองแดงถกใชงานทางดานไฟฟา เชน สายไฟ หรอเปนสขภณฑเสยเปน สวนใหญ สวนนกเกล โดยมากใชเปนธาตผสมในการผลตสแตนเลสและเหลกกลาผสมตาแตในทางไฟฟาจะใชงานททนการกดกรอนและงานทอณหภมสงๆ ทเราเรยกวา ซเปอรอลลอย ซงถกใชเปนใบพดเครองยนตของเครองบน เปนตน

5.1 อะลมเนยมและอะลมเนยมผสม

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) อะลมเนยมถกผลตขนจากหองทดลองในป ค.ศ.1825 โดยผลตจากอะลมเนยมคลอไรตแตในสมยนนอะลมเนยมยงไมนยมใชในทางวศวกรรมทงนเพราะผลตยากและราคาแพงจนกระทงในป ค.ศ.1886 ไดมกระบวนการผลตทชอวาฮอลล-เฮโรลด (Hall-Heroult process) ทสามารถผลตอะลมเนยมในเชงการคาได วธการนจะนาเอาสนแรบอกไซด (bauxite) ทมสวนประกอบของอะลมเนยมออกไซด (Al2O3) หรออะลมนา (alumina) มาผานกระบวนการอเลกโทรไลด (Electrolytic) ทาใหไดโลหะอะลมเนยมหลอมเหลว ในกระบวนการนสารครโอไลด (Cryolite) ซงไดแก โซเดยม-อะลมเนยม ฟลออไรต



(Na3AIFg) จะเปนตวทถกหลอมเหลวเบองตน โดยความรอนจากนนเตมอะลมเนยมออกไซดลงไป จะเกดการหลอมละลายเปนของเหลวซงประกอบไปดวยอออนของอะลมเนยม (Al+3) จากนนจะนาแทงอเลกโทรดคารบอนใสลงไปในเตาหลอมและปลอยกระแสไฟฟาใหไหลระหวางแทงอเลกโทรดและเบาหลอม อะลมเนยมซงเปนไอออนบวกจะวงไปรวมกนอยทแคโทดบรเวณกนเตาสวนออกซเจนจะวงไปทแอโนด กระบวนการนจะเกดขนโดยอณหภมของเตาจะอยท 953 °C ดงนนอะลมเนยมทกนเตาจะอยในสภาวะหลอมเหลว และสามารถปลอยนาอะลมเนยมออกไปหลอเปนอนกอตได ดงแสดงในรปท 5.1 โดยปฏกรยาทเกดขนในกระบวนการนคอ

อะลมนาละลาย

Al2O3 —> 2AI+3 (อะลมเนยมอออน) + 30 -2 (ออกซเจนแคตไอออน)

ทแอโนด

2AI+3 + 6e —> 2AI

ทแคโนด

30 —> o2 + 6e

รปท 5.1 กระบวนการผลตอะลมเนยมโดยใชเซลลอเลกโทรไลต

(ทมา: https://www.ibchem.com, 2016)



5.1.1 คณลกษณะทวไปและการใชงานของอะลมเนยม

อะลมเนยมมความหนาแนน 2.70 g/cm3 หรอมคาเพยง 1 ใน 3 ของความหนาแนนของเหลกและมมอดลสยดหยน 10x106 psi หากเปรยบเทยบกบเหลกแลว อะลมเนยมจะมความแขงแรงทตากวามากแตหากคดเปนความแขงแรงจาเพาะหรอคดเปนอตราสวนความแขงแรงตอนาหนก (Strength-to-weight ratio) อะลมเนยมจะมสงกวาเหลกมากและดวยสมบตขอนทาใหอะลมเนยมผสมทองแดงจงถกนามาใชผลตเครองยนต อะลมเนยมสามารถขนรปไดงาย เพราะมความเหนยวอกทงยงมความนาไฟฟาและความนาความรอนทสงมากอะลมเนยมไมมการเปลยนสภาพจากวสดเหนยวไปเปนวสดเปราะทอณหภมตาๆ อะลมเนยมไมเปนพษและสามารถนามารไซเคลไดโดยใชพลงงานเพยง 5% อะลมเนยมมสภาพทแมเหลกดดไมตดและดานทานการกดกรอนและการเกดออกซเดชนเปนอยางด อยางไรกตามอะลมเนยมกมขอจากดในเรองสมบตทางกลบางอยาง เชน การไมมขดจากดการลาตว (Endurance limit) ทแทจรง ทาใหเกดการแตกหกจากการลาตวไดทความเคนตาๆ และดวยความทอะลมเนยมมจดหลอมเหลวทตา (660 °C) ทาใหมขดจากดในการใชงานทอณหภมสง และ อะลมเนยมมความแขงทตา ทาใหไมทนทานการเสยดสแตอะลมเนยมกสามารถเพมความแขงแรงไดดวยกลไกหลายๆ อยาง ดงแสดงในตารางท 5.1 ตารางท 5.1 อทธพลของกลไกการเพมความแขงแรงของอะลมเนยมและอะลมเนยมผสม

ความตานทาน

ความแขงแรง อตราสวนความแขงแรง วสด แรงดง

(psi) ณ จดคราก (psi)

%การยดตว ณ จดครากระหวาง AI – ผสม ตอ AI - บรสทธ

AI – บรสทธ 6,500 2,500 60 1

AI - บรสทธในทางการคา (บรสทธไมตากวา 99%) 13,000 5,000 45 2.0

AI - ผสมเพมความแขงแรงโดย กลไกสารละลายของแขง 16,000 6,000 35 2.4

AI -ขนรปเยน 24,000 22,000 15 8.8

AI - ผสมเพมความแขงแรงโดย กระจายตวของอนภาค

42,000 22,000 35 8.8

AI - ผสมเพมความแขงแรงโดย 83,000 73,000 11 29.2



5.1.2 การจ าแนกประเภทของอะลมเนยม

อะลมเนยมจาแนกออกเปน 2 กลมใหญ คอ อะลมเนยมใชแรงขนรป (Wrought) และอะลมเนยมหลอ (Cast alloy) อลมเนยมผสมใชแรงขนรปนน รปรางหรอรปทรงทใชงานจะผานการเปลยนรปในสภาวะพลาสตกและมสวนผสมกบโครงสรางจลภาคทแตกตางจากกลมอะลมเนยมหลอจากกลมอะลมเนยมทงสองกลมยงสามารถจาแนกอะลมเนยมออกเปนอกสองกลมยอยคอ กลมทอบชบเพมความแขงแรงและความแขงไดและกลมทอบชบไมได

การกาหนดมาตรฐานของอะลมเนยมโดยใชระบบตวเลขตามมาตรฐานของอเมรกา ดงแสดงในตารางท 5.2 โดยตวเลขตวแรกจะบอกชนดของธาตผสมหลกและตวเลขทตามมาจะบงบอกสวนผสมทางเคมของโลหะผสมตางๆ ตารางท 5.2 การกาหนดมาตรฐานของอะลมเนยมผสม

โลหะผสมใชแรงขนรป 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx

Al - บรสทธทางการคา (> 99% AI) Al- Cu และ Al - Cu – Li AI - Mn Al - Si และ Al - Mg - Si Al - Mg Al - Mg - Si Al - Mg - Zn Al - Li, Sn, Zr หรอ B ไมมใชในปจจบน

ชบแขงโดยการบมไมได ชบแขงโดยการบมได ชบแขงโดยการบมไมได ชบแขงโดยการบมไดถาม Mg

ชบแขงโดยการบมไมได ชบแขงโดยการบมได ชบแขงโดยการบมได ชบแขงโดยการบมได ชบแขงโดยการบมได

โลหะผสมหลอ 1xx.x. 2xx.x. 3xx.x. 4xx.x. 5xx.x. 7xx.x. 8xx.x. 9xx.x.

AI - บรสทธทางการคา AI - Cu Al - Si - Cu หรอ Al - Mg - Si Al - Si Al - Mg Al - Mg – Zn Al - Sn ไมมใชในปจจบน

ชบแขงโดยการบมไมได ชบแขงโดยการบมได บางชนดชบแขงโดยการบมได ชบแขงโดยการบมไมได ชบแขงโดยการบมไมได ชบแขงโดยการปมได ชบแขงโดยการบมได



1. อะลมเนยมผสมใชแรงขนรป กลม 1xxx, 3xxx, 5xxx และกลม 4xxx ทงหมดเปนอะลมเนยมผสมขนรปทไมสามารถอบชบโดยการบมได กลม 1xxx และ 3xxx เปนโลหะผสมเฟสเดยว ยกเวนแตจะมปรมาณของสารมลทนหรอสารประกอบอนเตอรเมทลลกอยบาง ดงแสดงในรปท 5.2 การควบคมสมบตทางกลทาไดโดยการเพมความแขงโดยความเครยด (Strain hardening) กรรมวธเพมความแขงแรงโดยกลไกสารละลายของแขงและการปรบสภาพเมดเกรน (ก) (ข) รปท 5.2 (ก) FeAl3 ทเปนสารมลทนในอะลมเนยมเกรด 1100 ทผานการอบออน (350x) (ข) Mg2Si ทเกด

จาก การตกตะกอนในอะลมเนยมเกรด 5457 ทผานการอบออน (75x)

(ทมา: ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555) ปกตแลวความสามารถในการละลายของธาตผสมในอะลมเนยมจะมจากดมาก โดยเฉพาะทอณหภมหอง ดงนน ใหการเพมความแขงแรงโดยกลไกสารละลายของแขงจงมขดจากดไปดวย อะลมเนยมผสมเกรด 5xxx จะประกอบไปดวย 2 เฟสทอณหภมหอง โดยมเฟส α ซงเปนสารละลายของแขงของแมกนเซยมในอะลมเนยม และมเฟส β (Mg2AI3) ซงมความแขงและเปราะ เพราะเปนสารประกอบอนเตอรเมทลลก (รปท 5.3) อะลมเนยมผสมเกรดนสามารถเพมความแขงแรงไดดวยการทาใหเกดอนภาคของ Mg2AI3 ทมความละเอยดขนภายในเนอของโลหะผสมและเนองจากสารประกอบ Mg2AI3 ทเกดขนไมมแรงยดเหนยวกบแมทรกช จงทาใหไมสามารถอบชบโดยการบมได



รปท 5.3 แผนภาพเฟสสวนหนงของโลหะผสมอะลมเนยม – แมกนเซยม

(ทมา: H.K.Khaira, 2016)

อะลมเนยมเกรด 4xxx ประกอบไปดวยสองเฟสระหวาง α และซลคอนบรสทธ หากโลหะผสมมสวนประกอบของซลคอนและแมกนเซยมอยดวยกนกจะสามารถทาการชบแขงโดยการบมไดโดยการบมจะทาใหเกดการตกผลกของ Mg2Si ขนในเฟสสารละลายของแขง อะลมเนยมกลม 2xxx 6xxx และ 7xxx เปนกลมทชบแขงโดยการบมได และจะทาใหมคาความแขงแรงจาเพาะทสงมาก แตมขดจากดตรงทหามใชงานทอณหภมสงกวา 175 °C โลหะผสมกลม 2024 นยมใชในการผลตขนสวนของเครองบน

2. อะลมเนยมผสมหลอ อะลมเนยมผสมทขนรปโดยการหลอโดยมากจะมซลคอนเปนธาตผสมหลก ทงนเพราะจะทาใหเกดปฏกรยายเทกตกทมจดหลอมเหลวตาทาใหหลอมไดงายไหลตวไดด และมความสามารถในการหลอหลอมทดมาก อะลมเนยมผสมซลคอนสามารถควบคมสมบ ตทางกลไดโดยอาศยกลไกการเพมความแขงแรงโดยสารละลายของแขงในแมทรกชทเปน α หรอจะใชวธการทาใหเกดอนภาคของแขงขนาดเลกของเฟส β เพอเพมความแขงแรงตลอดจนการควบคมอตราการเยนตวเพอใหเกรนละเอยด กสามารถทาไดดกบอะลมเนยมผสมซลคอน รปท 5.4 เปนแผนภาพเฟสของโลหะผสมอะลมเนยมกบซลคอนทแสดงใหเหนปฏกรยายเทกตกทเกดขนทสวนผสมของซลคอน 11.6% พาใหเกดเฟส α และ β ขน

Weight percent magnesium

Tem

pera

ture

(°C)



รปท 5.4 แผนภาพเฟสสวนหนงของโลหะอะลมเนยม – ซลคอน

(ทมา: T.Markovits, J.Takács, A.Lovas, J.Belt, 2003)

การทาใหเกรนของโลหะผสมมความละเอยดโดยควบคมอตราการเยนตวใหเรวขน ทาไดโดยการหลอดวยแบบหลอ โลหะหรอแบบหลอดายแคสตง (Die casting) หรอจะใชวธการเตมธาตผสมบางชนดททาหนาทในการปรบสภาพของเมดเกรนลงไปในนาโลหะหลอมเหลวกอนการเทลงแบบหลอก ได โดยธาตทใช คอ โบรอนหรอไทเทเนยม จะใชวธการปรบสภาพนาโลหะโดยการเตมโซเดยมหรอสตรอนเชยม เพอเปลยนสวนผสมและอณหภมยเทกตก กจะทาใหความแขงแรงของอะลมเนยมผสมซลคอนเพมขนสงไดเชนกน

โครงสรางจลภาคทไดจากการใหอตราการเยนตวทรวดเรวโดยใชแบบหลอถาวร (แบบหลอโลหะ) และแบบหลอดายแคสตง ดงแสดงในรปท 5.5 และรปท 5.6 แสดงสมบตทางกลของอะลมเนยม ผสมทเปลยนแปลงไปเมอผานการปรบปรงนาโลหะโดยการเตมโซเดยมกอนการเทลงแบบหลอหากตองการใหอะลมเนยม ผสมซลคอนสามารถชบแขงดวยวธการบมได เพยงเตมธาตผสมทเปนทองแดง แมกนเซยม หรอสงกะสเขาไปกจะทาใหอบชบไดจะเหนไดวาอะลมเนยมผสมหลอนนสามารถปรบปรงสมบตทางกลไดอยางมากมาย จงเปนทนยมใชเปนอยางมากในอตสาหกรรม



(ก) (ข) (ค)

รปท 5.5 สมบตทางกลของอะลมเนยม (ก) อะลมเนยมเกรด 433 ทหลอดวยแบบหลอทรายประกอบไปดวยซลคอนเกรนหยาบและสารมลทน (ข) หลอดวยแบบหลอถาวรทาใหไดเชลลของเดนไดรตทละเอยดและเซลล

ของซลคอนทละเอยด (ค) หลอดวยวธดายแคสตงจะไดเกรนทละเอยดขนอก


รปท 5.6 ความเคนแรงดงของโลหะผสมอะลมเนยม-ซลคอน หลอดวยแบบหลอทรายโดย การเตมโซเดยม และไมเตมโซเดยม


ความ

ตานท

านแร

งดง 1

,000

psi

เปอรเซนตซลคอน



5.2 การชบแขงโดยวธการบมหรอการตกตะกอน

การชบแขงโดยการบมหรอการชบแขงโดยการตกตะกอน (Age or Precipitation hardening) เปนกระบวนการทอาศยการเปลยนแปลงเฟสทเกดขนในสภาวะของแขงโดยมการเกดเฟสของแขงทเปนอนภาคขนาดเลกระดบนาโนเมตรทเกดขนจากการตกตะกอนและมแรงยดเหนยวกบแมฑรกซทมความออนเหนยวทาใหมความแขงแรงเพมขน การตกตะกอนแลวมแรงยดเหนยวกบแมทรกซหรอทเรยกวา โคเฮเรนตพรชพเตด (Coherent precipitate) นน จะเพมความแขงแรงไดโดยหากพจารณาทรป 5.7 (ก) จะเหนวาโครงสรางผลกของสารประกอบทเกดขนบรเวณศนยกลางของโครงสรางผลกของแมทรกซ เปนอสระจากกน หรอไมมแรงยดเหนยวระหวางโครงสรางผลก (Non-coherent) ทงสอง ดงนนขณะเกดการเลอน (Slip) กจะทาใหไมมแรงหรอระนาบทขดขวางการเกดดสโลเคชน ทาใหโลหะผสมมความแขงแรงนอย แตหากแมทรกชกบเฟสใหมทเกดจากการตกผลกมแรงยดเหนยวซงกนและกน ดงแสดงในรปท 5.7 (ข) เมอมแรงมากระทา แรงยดเหนยวระหวางโครงสรางทงสองจะทาหนาทขดขวางการเกดดสโลเคชนสงผลใหโลหะผสมมความแขงแรงขน

(ก) (ข)

รปท 5.7 โครงสรางของการตกตะกอน (ก) ไมมแรงยดเหนยวกบแมทรกซ (Non-coherent precipitation) (ข) มแรงยดเหนยวกบแมทรกช (Coherent precipitation)

(ทมา: H.K.Khaira, 2016)

5.2.1 วธการชบแขงโดยการบม

การชบแขงโดยวธการบมแบงออกเปน 3 ขนตอน โดยพจารณาจากแผนภาพเฟสของโลหะผสมอะลมเนยม - ทองแดง ซงมทองแดงผสมอย 4% วธการอบชบทง 3 ขนตอน มดงน

ขนท 1 การอบใหเปนสารละลายเนอเดยว (Solution Treatment) ขนตอนนโลหะผสมจะถกใหความรอนเหนออณหภมโซลวสและอบแชไวทอณหภมนจนเปนสารละลายเนอเดยวคอ α ในขนตอนน θ จะสลายตวเปน α ทงหมด การใหความรอนตองเหมาะสม คอ ไมใหอณหภมสงใกลเสนโซลดสมากนก เพราะอาจ



เกดการหลอมละลายบรเวณขอบเกรนขนไดขณะเดยวกนกไมควรตามากเกนไปจนใกลเสนโซลวส เพราะจะทาให θ สลายตวไมหมด สาหรบอณหภมของโลหะ ผสม 4% Cu ควรอยระหวาง 500 – 548 °C ซงเปนชวงทอยระหวางอณหภมโซลวสและยเทกตก

ขนท 2 การจมชบ (Quench) หลงจากผานการทาใหเปนสารละลายเนอเดยวแลว โลหะผสมทมเฟสเปน α จะถกจมชบลงในนาเพอใหเยนตวอยางรวดเรว ทาใหอะตอมไมมเวลามากพอทจะแพรออกมารวมตวกนเปนนวเคลยสของเฟส θ ดงนนโครงสรางทเกดขนทอณหภมหองจงเปนเฟส α ทมสภาพเปนสารละลายเกนจดอมตวแบบยงยวด (Super-saturated solid solution; αss) เพราะมปรมาณทองแดงทละลายอยสงถง 4% ทงทในความเปนจรง α จะมทองแดงละลายไดนอยมากทอณหภมหอง

ขนท 3 การบม (Aging) ขนตอนสดทาย คอ การบมโดยหากทงไวทอณหภมหองเปนเวลาหลายๆ วนจะมการตกตะกอนของเฟส θ ขนในแมฑรกซทเปน α โดยอาศยกลไกการแพรแตเนองจากการแพรเกดขนทอณหภมตาการเคลอนทจงเปนไปไตเพยงระยะทางสนๆ และตะกอนของ θ ทเกดขนมาใหมนจะยงคงมแรงยดเหนยวกบแมทรกซ (Coherent) ทาใหโลหะผสมมความแขงแรงขน การบมทอณหภมหองเปนการบมธรรมชาต (Natural aging) ตองใชเวลานานและความแขงแรงจะเกดขนอยางชาๆ หากตองการใหเกดความแขงแรงทเรวขน จะตองนาชนงานทผานการจมชบแลวไปอบใหความรอนทอณหภมตางๆ ซงถาอณหภมทใหตาเชน 120 °C กจะใชเวลาในการอบแชนานแตถาอบทอณหภมสงกจะใชเวลานอย การอบทอณหภมสงๆ หากใชเวลานานจะทาใหอนภาคของ θ ทเกดขนขาดการยดเหนยวกบแมทรกซ (Non-coherent) ทาใหความแขงแรงลดลง เรยกพฤตกรรมนวา การบมเกนขนาด (Overaging) การบมโดยใชวธการใหความรอนนเรยกวา การบมเทยม (Artificial aging) ซงเปนทนยมใชเพราะจะชวยลดเวลาในการบมใหสนลง

ขอกาหนดของการชบแขงโดยการบม มโลหะผสมบางชนดเทานนทสามารถชบแขงโดยการบมได ซงจะตอง ประกอบไปดวยคณลกษณะ 4 ประการ ตอไปน 1. โลหะผสมจะตองมพฤตกรรมทลดความสามารถในการละลายในสารละลายของแขงเมออณหภมลดลง หรออาจกลาววาโลหะผสมจะตองมเพยงเฟสเดยวหากใหความรอนเหนอเสนโซลวสและเมออณหภมลดลงกจะเปลยนเปน 2 เฟส 2. แมทรกซควรเปนโครงสรางทออนและเหนยวและการตกตะกอนจะตองเปนโครงสรางทแขงและเปราะซงในโลหะผสมทมความสามารถในการทาการอบชบแบบนโดยมากแลวจะมเฟสทแขงนเปนสารประกอบอนเตอรเมทลลก 3. โลหะผสมควรมความสามารถในการจมชบ โดยไมเกดการแตกราวหรอการบดงอเนองจากเกดความเคนตกคางและเพอเปนการลดปญหาดงกลาวอะลมเนยมผสมจะถกจมชบลงในนาทมอณหภม 80 °C 4. การตกตะกอนจะตองมแรงยดเหนยวกบแมทรกช



5.3 ทองแดงและทองแดงผสม

ทองแดงเปนโลหะทพบในสภาพบรสทธ บนพนโลกและสามารถแยกไดจากสนแรโดยใชกระบวนการทางความรอนทองแดงทอยในรปของสนแรจะมซลเฟอรเปนองคประกอบเรยกวา ทองแดงซลไฟดการผลตทองแดงจากสนแรทาไดโดย การเรมตนแตงแรและสกดเอาสงเจอปนตางๆ ออกเพอใหสนแรมความ บรสทธสงขนจากนนนาไปผานการโรสตง (Roasting) หรอการยางเพอใหทองแดงซลไฟดเปลยนไปเปนทองแดงออกไซด จากนนนาไปหลอมละลาย ซงจะมสวนประกอบของทองแดงซลไฟด-เหลกซลไฟดปนกนอยมซอเรยกวา ทองแดงเมตด (Copper matte) จากนนนาไปสกดใหทองแดงมความบรสทธขน โดยใชเตา คอนเวอรเตอร (Converter) และใชออกซเจนเปนตวเปาเขาไปในทองแดงเมตดเพอทาใหเหลกซลไฟด เปลยนเปนเหลกออกไซดกบกาชซลเฟอรไดออกไซดหนออกไป สวนเหลกออกไซดจะกลายเปนสแลกลอยอยบนผวหนาสามารถตกออกได จากนนนาทองแดงทไดไปเทเปนแทงซงเปนทองแดงทยงไมบรสทธมากนก เรยกทองแดงชนดนวา ทองแดงบลสเตอร (Blister copper) ซงจะถกนาไปทาใหบรสทธตอไปดวยกรรมวธ อเลกโทรไลต (Electrolytic refining) หรอโดยวธการใชความรอน (Fire refining) ทองแดงทไดจากการแยกดวยวธอเลกโทรไลตมซอเรยกวา ทองแดงทฟพตช (Tough- pitch copper) สามารถนาไปใชงานทวๆ ไป เชน รดเปนแผนทองแดงหรอทอทองแดง แตสมบตทางดานการนาไฟฟายงไมดพอจะใชทาลวดไฟฟา เพราะมออกซเจนปนอยเลกนอย ซงทาใหมความตานทานสง ดงนนหากตองการลดออกซเจน ตองนาทองแดงไปหลอมอกครงภายในเตาทควบคมบรรยากาศและกาจดออกซเจนใหเหลอไมเกน 0.03 % ทองแดงผสมมความหนาแนนกวาเหลกกลา คาความแขงแรง ณ จดครากของทองแดงผสมบางชนดมคาสง แตความแขงแรงจาเพาะจะตากวาอะลมเนยมและแมกนเซยมผสมทองแดงผสมจะมความตานทานการลาตวและการคบตวทดกวา รวมถงมความเหนยวสงทนทานการกดกรอนนาไฟฟาและความรอนด ทาการตอและขนรปไดงายทองแดงผสม ใชทาชนสวนทางงานไฟฟา ปม วาลว เปนตน สของทองแดงยงมความสวยงามและสามารถเปลยนแปลงสไดตามธาตผสม โดยปกตทองแดงจะมสแดงเมอเตมสงกะส จะทาใหกลายเปนสเหลอง และถาเตมนกเกล จะทาใหกลายเปนสเงน

5.3.1 การจ าแนกชนดของทองแดงและทองแดงผสม

ชนดของทองแดงจะอาศยธาตผสมทเตมเชาไปในทองแดงและกรรมวธการทาเทมเปอรเปนตวแบงกลม โดยทวๆ ไปแลวทองแดงจะจาแนกออกเปน 2 กลมใหญ คอ ทองแดงใชแรงขนรปและทองแดงหลอขนรป การกาหนดมาตรฐานระบบ UNS (Unified Numbering System) โดยระบบนจะประกอบไปดวยตวเลข 5 ตวตามหลงตวอกษร เชน Cxxxxx ตวเลข 3 ตวแรกจะถกกาหนดโดยสถาบน CDA (Copper Development Association) และตวเลข 2 ตวสดทาย จะเปนตวทใชปรบปรงตางๆ เชน ในระบบ UNS จะมการกาหนดโลหะผสมกลมนเปน C26000 และมตวปรบปรงโลหะผสมกลมนเปน C26001 หรอ C26010 เปนตนโลหะผสมกลมขนรปจะถกกาหนดเปน C10000 ถง C79999 และกลมโลหะผสมหลอจะกาหนดเปนกลม C80000 ถง C99999



ตารางท 5.3 แสดงชนดของทองแดงและทองแดงผสมบางชนด

ชอโลหะผสม (รหส UNS)

สวนผสมทางเคม wt%

สภาวะ ความตานทาน

แรงดง ความแขงแรง ณ

จดคราก % การ การใชงาน ksi MPa ksi MPa ยดตว

โลหะผสมใชแรงชนรป

ทองแดงบรสทธ อบออน 32 220 10 69 45 ตวนา (C10100) 99.99 Cu ขนรปเยน 50 345 45 310 6 ตวนา, ลวดทองแดง. ชนสวน

ทรานซสเตอร. สายเคเบล ทองแดงกระสนปน อบออน 47 325 15 105 62 แกนเรดเอเดอร, ตวจบยด (C26000) 70 Cu, 30 Zn ขนรปเยน 76 525 63 435 8 หลอดไฟ, กระสนปน,

อปกรณ ประปา ทองเหลอง อบออน 54 370 21 145 45 อปกรณตกแตงบาน, นดและ (C28000) 60 Cu, 40 Zn ขนรปเยน 70 485 50 345 10 โบลด, ลวดเชอม,

คอนเดนเซอร บรอนซอะลมเนยม อบออน 80 550 40 275 40 โบลต, นด, งานทนการกด

กรอน,(C61400) 95 Cu, 17 Al, 2 Fe

ขนรปเยน 89 615 60 415 32 ขนสวนโครงสราง, ระบบทอ, อปกรณเดนทะเล ทองแดง-นกเกล อบออน 55 380 18 125 36 รเลยสอสาร, ทอ

คอนเดนเซอร,(C28000) 70 Cu, 30 Ni ขนรปเยน 84 580 79 545 3 สปรงงานไฟฟา, ทอแลกเปลยน ความรอน, รซสเตอร

โลหะผสมหลอ ทองแดง สภาพหลอ 25 172 9 62 40 ตวนาไฟฟาและความรอน, (C80500) 99.75 Cu อปกรณทนการกดกรอน ทองเหลองผสมตะกว สภาพหลอ 37 255 17 117 30 วาลว, ทอฟตตง, อปกรณ (C83600) 85 Cu, 5 Sn,5 Pb

5Pb, ประปา, ปม, พลเลย, เฟอง

ขนาด 5 Zn เลก บรอนซซลคอน สภาพหลอ 55 379 25 172 30 แบรง, เขมขด, ขนสวนปม

วาลว,(C87200) 89 Cu, 4 Si, อปกรณเดนทะเล, ขนสวนทน การกดกรอน

บรอนซอะลมเนยม สภาพหลอ 55 586 35 242 18 แบรง, เฟอง, บช, วาลว

(C95400) 85 Cu, 4 Fe, 11 Al

อบชบ 105 75 54 373 8 ทองแดง-นกเกล สภาพหลอ 68 469 37 255 28 วาลว, โครงปม, ทอของอ (C96400) 69 Cu, 30 Ni, ทนนาทะเล

0.9 Fe



ทองแดงผสมทง 2 กลมยงจาแนกออกเปน 6 กลมยอยดงนคอ ทองแดง จะมปรมาณทองแดงอยไมตากวา 99% ทองแดงผสมสง ทองแดงกลมขนรปจะมทองแดงนอยกวา 99% แตไมตากวา 96% และไมจดเขากลม

ทองแดง ผสมกลมอน สาหรบกลมทองแดงผสมหลอจะมทองแดงอยมากกวา 94% และอาจมการเตมเงนลงไปดวยเพอเพมสมบตพเศษบางอยาง

ทองเหลอง เปนโลหะผสมทมสงกะสเปนธาตผสมหลก โดยไมมเหลก อะลมเนยม นกเกล และซลคอนผสมอย ทองเหลองขนรปจาแนกออกเปน 3 กลม คอ ทองเหลอง (Brass; Cu-Zn), ทองเหลองตะกว (Leaded brass; Cu-Zn-Pb), และทองเหลองดบก (Tin brass; Cu-Zn-Sn) สวนทองเหลองกลมหลอขนรปจาแนกเปน 4 กลมคอ ทองเหลองแดงและเหลอง (Red or yellow brass), บรอนซแมงกานส (High-strength yellow brass; Cu-Zn-Mn), ตะกวบรอนซแมงกานส (Leaded high-strength yellow brass; Cu-Pb-Mn) และทองเหลองซลคอนและบรอนซ (Silicon brass และ Bronze; Cu-Zn-Si)

บรอนซ เปนทองแดงทมธาตผสมหลกท ไมใชสงกะสและนกเกล ในอดตนนคาวา “บรอนซ(Bronze)”ใชเรยกโลหะ ผสมระหวางทองแดงกบดบก แตปจจบนใชเรยกชอโลหะผสมทองแดงกบธาตอนทไมใชสงกะส บรอนซกลมโลหะผสมขน รปแบงเปน 4 กลม คอ บรอนซดบกและบรอนซฟอสฟอรส (Tin และ Phosphor bronzes; Cu-Sn-P), บรอนซตะกวดบกและบรอนซฟอสฟอรส (Leaded tin และ Phosphor bronzed; Cu-Sn-Pb, P) บรอนซอะลมเนยม (Aluminium bronzes; Cu-AI) บรอนซซลคอน (Silicon bronzes; Cu + Si) สวนกลมบรอนซหลอขนรปกแบงเปน 4 กลมเชนกนคอ บรอนซ ดบก (Tin bronzes; Cu + Ni) บรอนซนกเกล-ดบก (Nickel Tin Bronzes; Cu-Sn-Ni) และบรอนซอะลมเนยม (Aluminum Bronzes; Cu-AI) สวนบรอนซแมงกานสทถกจดกลมอยในกลมทองเหลอง กเพราะวามธาตผสมหลกเปนสงกะสและม แมงกานส ดบก และตะกว เปนธาตผสมรองลงมา

ทองแดง-นกเกล รจกกนในนามของควโปรนกเกล (Cupronickel) โดยมนกเกลเปนธาตผสมหลกระหวาง 10 - 30% โดยไมมธาตอนผสมอก

โลหะผสมทองแดง-นกเกล-สงกะส รจกกนดในชอ “นกเกลซลเวอร (Nickel silver)” มสวนประกอบของสงกะสและนกเกลเปนธาตผสมหลกและไมมธาตอนผสมอก

5.3.2 การเปลยนแปลงเฟสของโลหะผสมทองแดง

ทองแดงผสมมธาตทใชผสมหลากหลายชนดมาก ทองแดงผสมสงกะสหรอทองเหลองนนหากมสงกะสนอยกวา 40% จะใหสารละลายของแขงเฟสเดยว โดยสมบตทางกลทางดานตางๆ จะเพมขนหากปรมาณสงกะสเพมขน ยกเวนเปอรเซนตการยดตว โลหะผสมชนดนสามารถขนรปเยนเปนชนงานรปรางซบชอนไดด อกทงยงมความทนทานการกดกรอนสงสวนโลหะผสมจาพวกบรอนซ เชน บรอนซ แมงกานส จะเปนโลหะผสมทมความแขงแรงสง บรอนซดบกจะมเฟสเดยวหากมดบกไมเกน 10% และจากแผนภาพเฟสเราจะเหนวาโลหะผสมอาจจะเกดเฟส ε (Cu3Sn) ซงเปนสารประกอบขนไดหากมการเยนตวชา ๆ โดยการเกดเฟส ε จะเกดจากการตกตะกอน (Precipitate) หากมการเยนตวทรวดเรวเฟสนอาจจะไมเกดขน



5.3.3 สมบตและการใชงานทองแดงและทองแดงผสม

ทองแดงเปนโลหะทนาไฟฟาไดดทสดในบรรดาโลหะทนามาใชงานทางดานเทคนค อกทงยงนาความรอนไดดและมสมบตเปนแคโทดก (Cathodic) ทาใหทนการกดกรอนไดด ดงนนเราจะพบการใชงานทองแดงทเปนหลกคองานทเปนตวนาและทนทานตอการกดกรอน สมบตรองลงมา คอ การขนรปทาไดหลายวธ และมความแขงแรงระดบปานกลาง ทองแดง สามารถปรบปรงสมบตไดหลากหลาย เชน การเตมตะกวและบสมทลงไปจะทาใหความสามารถในการกดแตงสงขนมากอกทงยงบดกร การแลนประสาน และเชอมไดงาย การเพมความแขงแรงสามารถทาไดดวยวธสารละลายของแขงการขนรปยนหรออบชบไดกบโลหะผสมบางชนด สของทองแดงมความสวยงาม เหมาะทจะใชทางานตกแตงดวย

ทองแดงบรสทธทองแดงบรสทธถกเลอกใชงานทางดานไฟฟาเปนอนดบแรก เพราะมความนาไฟฟาดมาก ความนาไฟฟาของทองแดงจะลดลงหากมสารมลทนเจอปนอยในเนอทองแดง ดงนนจงตองพยายามใหมอยนอยทสด แตสารมลทนบางชนดกมการเตมเขาไปบางสวนเพอชวยทาใหเกดคณลกษณะบางประการทตองการทองแดงบรสทธกลมทนยมใช คอ กลม C11000 ซงเรยกวา ทองแดงทฟพตข (Electrolytic Tough Pitch; ETP) ทองแดงชนดนจะมออกซเจนอยประมาณ 0.04% ซงอยในรปของ CuO ปรมาณของออกซเจนในระดบนไมสงผลตอความนาไฟฟาแตอยางใด แตจะสงผลทาใหความเหนยวลดลงเลกนอย ทองแดงกลมปราศจากออกซเจน (Oxygen free coppers) หรอกลม C10100 และ ว10200 ผลตจากการหลอมทองแดงภายใตสภาวะทไมเกดปฏกรยาออกซเดชน หรอใชวธการเตมธาตผสมทเปนตวลดออกซเจน เชน ฟอสฟอรสเขาไปขณะหลอมเหลว ทองแดงกลมนจะใชกบงานทตองการความนาไฟฟาทสงมากๆ ขณะเดยว กนกตองมความเหนยวดวย อกทงยงตองมความสามารถในการดดซมแกสทตา ไมเกดการแตกราวเนองจากไฮโดรเจน เละเพอปองกนไมใหมออกซเจนเหลออยเลยจงตองมการเตมฟอสฟอรสใหมสวนเกนอยบางบางสวน ทองแดงบรสทธอาจมการเตมธาตอนๆ ลงไปไดอกหลายชนดเพอทาใหสมบตบางประการเพมขน เชน ชลเฟอร เทลลเรยม ซลเนยม และ ตะกว เมอเตมลงไปจะชวยเพมความสามารถในการกดแตงใ หดขน โครเมยมจะชวยใหมความแขงแรง เงนจะละลายในทองแดงไดด และชวยใหคงความแขงแรงไดดทอณหภมสงโดยไมทาใหความนาไฟฟาลดลง ทองแดงชนดนใชเปนตวนาทอณหภมสงเรยกวา ทองแดงซลเวอร -แบรง (Silver-bearing copper) อยางไรกตามการเตมธาตผสมตางๆ ลงไปในทองแดงบรสทธจะเตมไดไมเกน 1% เทานน ทองแดงเบรลเลยม (Beryllium Copper) การเตมเบรลเลยมโนปรมาณเพยงนอยนดลงไปในทองแดงจะชวยทาใหทองแดงมความแขงแรงทสงมากโดยความแขงแรงทสงขนจะไดจากการอบชบโดยวธการบมหรอตกตะกอนทองแดงผสมทนยมทาการอบชบโดยการบมม 2 ชนด คอ ทองแดงผสมโครเมยมและทองแดงผสมเบรลเลยม รปท 5.8 แสดงแผนภาพเฟสสวนหนงของทองแดงผสมเบรลเลยมและวธการอบชบโดยการตกตะกอน ซงมวธเชนเดยวกนกบการอบชบอะลมเนยมผสมทองแดง คอ ใหความรอนโลหะผสมทองแดงทมเบรลเลยมผสมอย 2% ไปทอณหภมประมาณ 800 ๐C จะทาใหโลหะผสมมสภาวะเฟสเดยว คอ α จากนนจมชบลงนาเพอคงสภาพ α ทอณหภมหอง แลวนาไปใหความรอนท อณหภมประมาณ315 °C เพอทาใหเกดการตกตะกอนของเบรลเลยม ทาใหความแขงแรงเพมขนโลหะผสมชนดนไมพยงแตความแขงแรงเพมขนเทานน ความนาไฟฟากเพมขนดวยเชนกน



ทองเหลอง (Brass) เปนโลหะผสมระหวางทองแดงกบสงกะส มชอเรยกตามลกษณะของสของเนอทองเหลอง สมบตเดนททาใหทองเหลองนยมใชคอ มความแขงแรงทดมความสามารถการขนรปทด ทนการกดกรอนดมาก การเพมความแขงแรงใหกบทองเหลองทาได โดยการขนรปเยนและกระบวนการสารละลายของแขง สงกะสละลายในทองแดงไดสงสด 37% ทอณหภมหองเฟสทเปนสารละลายของแขงคอ α ซงมคณลกษณะพเศษ คอ สามารถเพมความ แขงแรงและความเหนยวไปพรอมกน และดวยสมบต ขอนทาใหทองแดง C26000 (30% Zn) ถกนามาขนรปโดยวธการขนรปแบบ กดลกเพอทาลกกระสนปน และถกเรยกชอเปน ทองเหลองกระสนปน (Cartridge brass) หากเตมตะกวลงไปในทองเหลอง จะทาใหการกดแตงงายขนมาก จนมชอเรยกวา ทองเหลองกดแตงไดงาย (Free cutting brass; C36000) ซงจะมตะกวผสมอย 3% ทองเหลองทมสงกะสผสมอยประมาณ 30% จะมสเหลอง จงนยมเรยกวา ทองเหลองเหลอง (Yellow brasses) สวนทองเหลองทมสงกะสอยประมาณ 15% จะมสแดงของทองแดงมาก จงเรยกวา ทองเหลองแดง (Red brasses) ดวยวาทองเหลองมความแขงแรงและทนการกดกรอนไดด จงถกนาไปใชเปนทอคอนเดนเซอรทองแดงทมสงกะส ผสมอย 40% จะเรยกวา มนชเมทล (Muntz metal) จะถกใชในระบบคอนเดนเซอรของระบบนาหลอเยน สาหรบงานทตองอยกบนาทะเลนยมใชทองเหลองดบก (Tin brasses) ซงมชอเรยกวา ทองเหลองทนนาทะเล (Inhibited admiralty brasses)

รปท 5.8 แผนภาพเฟสทองแดง – เบรลเลยมบางสวนและการทาการอบชบโดยวธการตกผลก

(ทมา: http://resource.npl.co.uk, 2016)



บรอนซ (Bronze) ความหมายเดมคอ ทองแดงผสมดบก แตปจจบนหมายถงทองแดงผสมธาตอนๆ ไมใชสงกะสเปนธาตผสมหลก เชน บรอนซดบก บรอนซอะลมเนยม บรอนซซลคอน เปน ตน บรอนซดบกจะมความแขงแรงเพมขนหากปรมาณของดบกเพมขน และจะถงจดทความแขงแรงลดลงอยางรวดเรวหากมดบกผสมอย 20% ดบก ละลายในทองแดงไดสงสดประมาณ 15% บรอนซดบกทมดบกผสมอยประมาณ 9.11% จะเรยกวา กนเมทล (Gun metals) เปนโลหะผสมท'ให'ความแขงแรงและทฟเนสสดทสด และมความเหนยวปานกลาง บรอนซดบกจะมความดานทานการกด กรอนดกวาทองเหลอง ในการผลตบรอนซดบกตองมการปองกนไมใหเกด SnO2 เพราะ SnO2 จะเปนตวททาไหผวของชนงานออนแอ และเปนสาเหตของการแตกราว วธการปองกน SnO2 ทาไดโดยการเตมฟอสฟอรสเขาไป เชนเดยวกบการผลตทองแดงบรสทธและเพอใหเกดความมนใจวาออกซเจนถกกาจดหมดไปจะตองเหลอปรมาณฟอสฟอรสไวจานวนหนง ซงกเปนผลดดวย เพราะชวยเพมความแขงแรงใหสงขน โลหะผสมทเรยกวาฟอสฟอรสบรอนซจะมฟอสฟอรสผสมอย 2% ซงจะ มความแขงแรงทสงมาก บรอนซฟอสฟอรส-6 (4.5% Sn และ 0.2%P) จะใชงานทดแทนไทเทเนยมและสแตนเลสทใชทาถงบรรจนาแปงคลอรนและแคลเซยมไฮโปคลอไรตทมคลอรนผสมอย 65% ไดด

บรอนซอะลมเนยม จะมอะลมเนยมผสมอยประมาณ 3 - 13% โดยการเตมอะลมเนยมอยางเดยวหรอจะเดมเหลก นกเกล ซลคอน หรอโคบอลตเขาไปรวมดวยโลหะผสมทมอะลมเนยมมากกวา 9% สามารถชบแขงโดยการจมชบจากเหนออณหภมวกฤตลงมา ซงจะทาใหไดโครงสรางมารเทนไซตซงมลกษณะเชนเดยวกบการชบแขงเหลกกลา บรอนซ อะลมเนยมทมนกเกลและสงกะสผสมอยจะทาใหมลกษณะการจารปของโลหะเกดขน ซงเรยกวา โลหะผสมจารป (Shape memory alloys) ทเปนเชนน เพราะเปนผลมาจากการเปลยนสสภาพเดมของโครงสรางมารเทนซตก

ความตานทานการกดกรอนของบรอนซอะลมเนยมจะดกวาบรอนซฟอสฟอรส ทงนเพราะการเกดออกซเดชนจะถกปองกนโดยอะลมเนยมทเตมเขาไป การปองกนการกดกรอนทเกดขนไดแก การกดกรอนจากคลอไรต สารละลาย โพแทสเซยม กรดจากธรรมชาตบางชนด เปนตน การใชงานไดแก ทาปมและอตสาหกรรมกระดาษ เพราะทนตอสภาพแวดลอมทเปนกรดและตางไดด บรอนซอะลมเนยมทเปนทอปม วาลว และอนๆ ถกใชงานในสภาพแวดลอมทเปนนาทะเลไดด

บรอนซซลคอน มปรมาณซลคอนถง 4% ชวยเพมความสามารถในการกดแตง การขนรป และทนทานการกด กรอน เหมาะกบงานเชอมทกประเภท ความทนทานการก ดกรอนจะคลายกบบรอนซอะลมเนยม ความสามารถในการ ขนรปจะเหมอนทองแดงบรสทธ การใชงานของบรอนซซลคอนไดแก ทอแลกเปลยนความรอน แผนแบรง แหวนลกสบ รเวท โบลต สกร เปนตน

ควโปรนกเกล (Cupronickels) เปนทองแดงผสมนกเกลประมาณ 20 - 30% โลหะผสมชนดนถกผลตขนมา เพอใชกบนาทะเลโดยเฉพาะ นกเกลละลายไดดในทองแดง มความเหนยว และเพมความแขงแรงโดยการขนรปเยน

นกเกลซลเวอร (Nickel Silvers) โลหะผสมชนดนประกอบไปดวยลงกะสประมาณ 10 - 29% และมนกเกล ระหวาง 10 - 18% มความแขงแรงและความเหนยวด ทาใหขนรปไดงายโดยกระบวนการปม รด และการกดลก เนองจากมสเงนและทนทานการกดกรอนด จงนยมใชทาภาชนะเครองครว อปกรณเครองดนตร และหากมปรมาณสงกะสมากขนจะใชทาสปรงไดด เพราะมความแขงแรงและสตฟเนสลสง



5.4 แมกนเซยมและเบรลเลยมผสม

แมกนเซยมผลตจากกระบวนการอเลกโทรไลตโดยการแยกแมกนเซยมคลอไรดจากนาทะเลแมกนเซยมนาหนกมากกวาอะลมเนยมโดยมความหนาแนน 1.74 g/cm3 มอณหภมหลอมเหลวตากวาอะลมเนยมเลกนอยมความตานทานการกดกรอนใกลเคยงกบอะลม เนยม แตจะไมทนความเคมหากอยในสภาพแวดลอมอยางนาทะเลจะทาใหผกรอนอยางรวดเรว แมกนเซยมผสมมความแขงแรงนอยกวาอะลมเนยมผสม สวนความแขงแรงจาเพาะนนพอจะเทยบกนได แมกนเชยมผสมใชงานทางดานยานอวกาศ เครองยนตรอบสง อปกรณการขนสงและถายวสด แมกนเซยมมมอดลสยดหยนตา (6.5x106psi) และตานทานการลาตวไมด รวมทงทนทานการคบตวและการเสยดทานกตา แมกนเซยมขณะทาการหลอมเหลวจะตดไฟและมอนตราย โดยรวมตวกบออกซเจนในบรรยากาศและการลกไหมกลายเปนกาซหายไป แมกนเซยมเปนโลหะททาการเพมความแขงแรงโดยกระบวนการตางๆ ไดไมดนก โครงสรางและสมบตของแมกนเซยม แมกนเซยมมโครงสรางผลกแบบ HCP มความเหนยวนอยกวาอะลมเนยมแตมธาตผสมบางตวทชวยเพมความเหนยวไดบาง การเพมความแขงแรงโดยวธการเปลยนรปหรอวธความเครยดแขงทาไดทอณหภมหอง แตสาหรบแมกนเซยมบรสทธ การเพมความแขงแรงโดยวธการเพมความแขงโดยสารละลายของแขง จะมผลนอยมาก เพราะแมกนเซยมมสมประสทธของการเพมความแขงโดยวธนตา แมกนเซยมผสมอะลมเนยมจะมขดจากดในการละลายทอณหภมหองตามากทาใหเพมความแขงแรงโดยวธสารละลายของแขงไดนอยแตหากอณหภมสงขนความสามารถในการละลายกจะสงขนดวย ดงแสดงในรปท 5.9 ซงเปนแผนภาพเฟสสวนหนงของโลหะผสมแมกนเซยม- อะลมเนยมลกษณะเชนนทาใหแมกนเซยมผสมสามารถเพมความแขงแรงจากการอบชบโดยวธการบมไดแมกนเซยมผสมทสามารถอบชบโดยการบมบางชนดทมสวนผสมของเซอรโคเนยม ทอเรยม เงน หรอซเรยม จะมความตานทานตอการบมเกนขนาดทอณหภมสงกวา 300 °C ได ตารางท 5.4 แสดงสมบต ทางกล สวนผสมทางเคมและการใชงานของแมกนเซยมผสมบางชนดแมกนเซยมผสมเกรดสงๆ นนจะมสารมลทนเจอปนนอยมากและมปรมาณของซเรยมผสมอยมากกวา 5% และ 'ธาตหายากบางชนดผสมอยดวย โลหะผสมกลมนจะม MgO ทเปนฟลมปกปองผว ทาใหทนทานการกดกรอนมากขนกระบวนการทาใหเกดการแขงตวอยางรวดเรวจะทาใหปรมาณธาตผสมละลายอยในแมกนเซยมไดปรมาณสง สงผลใหมความตานทานการกดกรอนสงขน อกทงความแขงแรงกสงขนดวย หากตองการใหมความแขงแรงทอณหภมสง สามารถทาไดโดยเตมอนภาคของเซรามกหรอเสนใยซลคอนคารไบตเขาไปในโลหะแมกนเซยม กจะชวยเพมสมบตทตองการได



รปท 5.9 แผนภาพเฟสสวนหนงของแมกนเซยม-อะลมเนยม

(ทมา: http://resource.npl.co.uk, 2016) ตารางท 5.4 สวนผสมทางเคม สมบตทางกล และการใชงานแมกนเซยมผสมบางชนด

ชอและรหส สวนผสมทางเคม, wt %

สภาวะ

ความตานทาน แรงดง

ความแขงแรง ณ จดคราก % การ

ยดตว การใชงาน

AI Mn Zn Zr อน ๆ psi MPa psi MPa

แมกนเซยมผสมหลอ

ดายแคสตง :

AM60B 6.0 0.13 F 32 220 19 131 8 ลอรถยนต AS41A 4.2 0.35 1.0 Si F 31 214 20 138 6 เครองยนตและ

ฝาครอบเครองจกร หลอทรายและแบบถาวร :

AM100A 10.0 0.1 T6 35 241 17 117 2 หลอโดยแบบหลอ ทรายอดแนนและ แบบหลอถาวร

AZ63A 6.0 0.15 3.0 T6 34 234 16 110 3 แบบหลอทราย ; ตองการความแขงงแรง ทอณหภมหอง

แมกนเซยมผสมใชแรงขนรป

AZ31B 3.0 0.20 1.0 0 32 220 15-18 103-124 2-9 ใชงานทวไป ZK60A 5.5 0.4 T5 43-46 296-317 31-38 213-262 4-6 งานตขนรป

ZK21A

1.0 2.0

F 33-35 207-241 22-23 152-158 8-20 ความแขงแรงสง

ดนขนรป



เบรลเลยม เปนโลหะทเบากวาอะลมเนยมมความหนาแนนเพยง 1.848 g/cm3 มมอดลสยดหยน 42x106 psi โลหะผสมเบรลเลยมมความแขงแรง ณ จดครากอยระหวาง 30,000 - 50,000 psi มความแขงแรงจาเพาะทสงมากและรกษาความแขงแรงและสตฟเนสสทอณหภมสงไดด เบรลเลยมเกรดเครองมอจะมการเปลยนแปลงรปในสภาพยดหยนทตามาก เกรดโครงสรางจะใชในการสรางยานอวกาศ และในอตสาหกรรมนวเคลยรจะใชงานเกยวกบอปกรณรงสแมเหลก ไฟฟา เบรลเลยมมราคาคอนขางแพงอกทงเปราะและเปนพษ กระบวนการผลตยงยากซบซอนทาใหการใชงานมขดจากด เบรลเลยมออกไซด (BeO) มสภาพเปนพษ ซงอยในรปของผงหรอฝนถกใชงานเปนเซรามก

5.5 นกเกลและโคบอลตผสม นกเกลและโคบอลตผสมใชในงานทตองการความทนทานการกดกรอนและงานทตองทนความรอนสง ทงนเพราะโลหะทงสองมจดหลอมเหลวและความแขงแรงทสง นกเกลมระบบผลกแบบ FCC ขนรปไดด สวนโคบอลตมสภาพอญรป โดยมผลกแบบ FCC ทอณหภมสงกวา 417 °C หากอณหภมตากวานจะมผลกแบบ HCP โลหะผสมโคบอลตพเศษจะถก นาไปใชทาเครองมอทางดานศลยกรรมของแพทย ดงแสดงในตารางท 5.5 นกเกลและโมเนล นกเกลและโลหะผสมนกเกลมความตานทานการกดกรอนดมาก หากเตมทองแดงเขาไปในนกเกลจะใหคาความแขงแรงสงสดเมอมปรมาณนกเกลประมาณ 60% โลหะผสมกลมนเรยกวา โลหะโมเนล (Monel) และโลหะผสมทมสวนผสมนจะใหความแขงแรงและทนการกดกรอนสงมากใชกบสภาพแวดลอมในนาทะเลและงานบรเวณอณหภมสงๆ ไดด โลหะโมเนลบางชนดทมปรมาณอะลมเนยมและไทเทเนยมบางสวน จะสามารถชบแขงโดยการบมไดโดยจะตกตะกอนเฟส γ´ (Ni3AI หรอ Ni3Ti) ซงทาใหความแขงแรงเพมขนเปนสองเทา การตกตะกอนจะตานทานการเกดการบมเกนขนาดไดทอณหภมถง 425 ๐C ดงแสดงในรปท 5.10 ซเปอรอลลอย (Superalloys) คอ โลหะนกเกล เหลก-นกเกล และโลหะผสมโคบอลตทมปรมาณธาตผสมปรมาณมาก เพอทาใหไดสมบตหลายอยางรวมกน อนไดแก การมความแขงแรงสงทอณหภมสง และทนการคบตวไดทอณหภมสงถง 1,000 °C ขณะเดยวกนกมความทนตอการกดกรอนดวย การใชงานของโลหะชนดนไดแก ทาใบพดของเครองยนต เทอรไบนและเครองยนตเลก อปกรณแลกเปลยนความรอน อปกรณบรรจสารเคม และอปกรณการอบชบโลหะ เปนตน การเพมความแขงแรงแบบสารละลาย การเตมธาตผสมจาพวกโครเมยม โมลบดนม ทงสเตนในปรมาณมาก และเพมแทนทาลม เซอรโคเนยม ไนโอเบยม และโบรอนบางสวน จะชวยทาใหเพมความแขงแรงโดยสารละลายได และมเสถยรภาพทสงทาใหทนการคบตวด การเพมความแขงโดยการกระจายของอนภาค โลหะผสมเกอบทกชนดจะมคารบอนผสมอยบางสวน ซงจะทาหนาทรวมตวกบธาตผสมชนดอนทาใหเกดคารไบตทมความละเอยด และเปนโครงขายโดยคารไบตเหลานจะเปนตวขดขวางการ เกดดสโลเคชนและปองกนการเกดการเคลอนทบรเวณขอบเกรนคารไบตตางๆ ทเกดขนไดแก TiC, BC, ZrC, TaC, Cr7C3, Cr23C6, MO6C และ W6C เปนตน โลหะสเตลไลต 6B (Stellite 6B) จะมความทนทานการเสยดสทอณหภมสงดมาก ทงนเนองจากอทธพลของคารไบตตางๆ



การอบชบโดยการบม นกเกล และนกเกล -เหลกซเปอรอลลอยหลายชนดจะมสวนผสมของอะลมเนยมและไทเทเนยมทจะชวยทาใหเกดการตกตะกอนของเฟส γ (Ni3AI หรอ Ni3Ti) ขณะทาการบมอนภาคของ γ (รปท 5.11) จะมโครงสรางผลกและแลตทชพารามเตอรคลายกบนกเกลทเปนแมทรกช ดงนนความคลายคลงกนนจะทาใหโลหะผสมมพลงงานพนผวทตาและเกดการบมเกนขนาดไดนอย ทาใหมความแขงแรงทด และตานทานการเกดการคบดแมอณหภมจะสงมากกตาม หากมการเปลยนแปลงอณหภมการบม จะทาใหการตกตะกอนมขนาดความโตแตกตางกน โดยอนภาคขนาดเลกจะเกดขนจากการบมทอณหภมตา สวนอนภาคขนาดใหญจะเกดทอณหภมสง ดงนนจงทาใหเปอรเซนตของปรมาตรของ γ´ มมากขน สงผลใหความแขงแรงสงขน (รปท 5.11 (ข)) ตารางท 5.5 สวนผสมทางเคม สมบตทางกล การใชงานนกเกลและโคบอลตผสม

วสด ความตานทาน แรงตง (psi)

ความแขงแรง m จดคราก

(psi) % การยดตว

กลไกการเพม ความแขงแรง การใชงาน

นกเกลบรสทธ (99.9% Ni)

50,000 16,000

45

อบออน

ทนการกดกรอน

Ni-Cu ผสม

95,000 90,000 4 ขนรปเยน ทนการกดกรอน

โมเนล 400 (Ni—31.5% Cu) 78,000 39,000 37 อบออน วาลว, ปม, อปกรณการ แลกเปลยนความรอน

โมเนล K-500 (Ni-29.5% Cu-2.7% AI-0.6% Ti Ni-ชเปอรอลลอย

150,000

110,000

30

บม

เพลา, สปรง

อนโคเนล 600 (Ni—15.5% Cr-8% Fe)

90,000 29,000 49 คารไบต อปกรณอบชบ

แฮสเทลลอย B-2 (Ni—28% 130,000 60,000 61 คารไบต ทนการกดกรอน

Mo) Ds-Ni (Ni—2% Th02) Fe-Ni ซเปอรอลลอย

71,000 48,000 14 กระจายตว แกสเทอรไบน

อนโคลอย 800 (Ni—46% Fe-21% Cr) Co ซเปอรอลลอย :

89,000 41,000 37 คารไบต อปกรณแลกเปลยน ความรอน

สเตอไลต 6B (60% Co-30% Cr-4.5% W)

177,000 103,000 4 คารไบต ทนการสกกรอนจาก การเสยดส



รปท 5.10 อทธพลของอณหภมทมตอความเคนแรงดงของนกเกลผสมชนดตางๆ


(ก) (ข)

รปท 5.11 โครงสรางจลภาคซเปอรอลลอย (ก) คารไบตเกดขนทขอบเกรนและอนภาค γ´ ฝงอยในแมทรกซ

(15,000x) (ข) การบมทอณหภม 2 อณหภมทาใหเกด γ ทมขนาดใหญและเลกปนกนอย (10,000x)


ความ

ตานท

านแร

งดง (

psi)

อณหภม (๐C)



5.6 สรป

1. โลหะนอกกลมเหลก ผลตเปนชนสวนโลหะไดงาย โดยวธการ Casting Shaping Machining เปนตน เนองจากโลหะนอกกลมเหลกมจดหลอมเหลวตา มความเหนยวสง นาหนกเบา และความแขงไมสงมาก

2. โลหะนอกกลมเหลก หลกๆ แลวแบงออกเปน 3 ชนด ดงน 2.1 กลมโลหะหนก ไดแก ทองแดง ดบก ตะกว และเงน 2.2 กลมโลหะเบา ไดแก อะลมเนยม เบรลเลยม แมกนเซยม 2.3 กลมโลหะผสม ไดแก ทองเหลอง บรอนด 3. กระบวนการทนยมเพอเพมแรงยดเหนยวใหมความออนเหนยว และเพมความแขงแรงใหกบโลหะนอก

กลมเหลก คอ การชบแขงโดยการบมหรอการชบแขงโดยการตกตะกอน (Age or Precipitation hardening) เปนกระบวนการทอาศยการเปลยนแปลงเฟสทเกดขนในสภาวะของแขงโดยมการเกดเฟสของแขงทเปนอนภาคขนาดเลกระดบนาโนเมตรทเกดขนจากการตกตะกอนมแรงยดเหนยวกบเมทรกซเรยกวา โคเฮเรนตพรชพเตด

4. คณสมบตของโลหะนอกกลมเหลก บางชนดทสาคญ มดงน 4.1 อะลมเนยม เปนโลหะทออนและเบาทมลกษณะไมเปนเงา เนองจากเกดการออกซเดชนชนบาง ๆ

ทเกดขนเรวเมอสมผสกบอากาศ โลหะอะลมเนยมไมเปนสารพษ ไมเปนแมเหลก และไมเกดประกายไฟ อะลมเนยมบรสทธมแรงตานการดงตา แตสามารถนาไปผสมกบธาตตางๆ ไดงาย เชน ทองแดง สงกะส แมกนเซยม แมงกานส ซลกอน เมอรวมกบกระบวนการทางความรอนโลหะผสมของอะลมเนยมมคณสมบตทางกลศาสตรทดขน โดยเปนสวนสาคญของเครองบนและจรวด เนองจากมอตราความแขงแรงตอนาหนกสง

4.2 ทองแดง เปนโลหะทนาไฟฟา นาความรอนไดด อกทงโลหะผสมทองแดงจะปองการการกดกรอนจากนา และไอนาได โลหะผสมทองแดงสามารถปองกนการกดกรอนในสภาพอากาศของชนบท ในทะเล และโรงงานอตสาหกรรมได ทองแดงสามารถปองกนนาเกลอ ดน แรธาตทไมเกดการออกซเดชน

4.3 แมกนเซยม เปนธาตทมมากทสดเปนอนดบ8 และเปนสวนประกอบของเปลอกโลกประมาณ 2% ของเปลอกโลกโดยนาหนก แมกนเซยมมอยมากในธรรมชาต และจะพบในแรธาตหนมาก เชน โดโลไมต แมเหลก มโครงสรางผลกแบบ HCP มความเหนยวนอยกวาอะลมเนยม แตมธาตผสมบางตวทชวยเพมความเหนยวไดบาง แมกนเชยมผสมใชงานทางดานยานอวกาศ เครองยนตรอบสง อปกรณการขนสงและถายวสด

4.4 นกเกล เปนโลหะทมความมนวาวสขาวเงน อยกลมเดยวกบเหลก มความแขงแตตเปนแผนได มระบบผลกแบบ FCC ขนรปไดด นาไปใชทาเครองมอทางดานศลยกรรมของแพทย เคลอบโลหะ (Electroplating) เพอปองกนสนม ทาเหรยญกษาปณ โดยในประเทศอเมรกาและแคนาดา ใชนเกลเปนสวนผสมในการผลตเหรยญ 5 เซนต เปนตน




1. ขอใดไมใชโลหะนอกกลมเหลก ก. ทอทองแดง ข. แจกนทองเหลอง ค. ชอนสเตนเลส ง. โคบอลต 60 2. ขอใดไมใชสญลกษณทใชในมาตรฐานอะลมเนยม ก. F (fabricate) ข. S (solution treat) ค. H (cold work) ง. T (age hardening) 3. ขอใดตอไปน เปนกรรมวธทางความรอนทใชในการอบชบเพมความแขงแรงใหกบโลหะนอกกลมเหลก ก. Annealing ข. Solution treatment ค. Precipitate hardening ง. Order hardening

4. อะลมเนยมผสมชนดใดทสามารถทาการชบแขงโดยการตกตะกอนได ก. อะลมเนยม-ซลคอน ข. อะลมเนยม-ทองแดง ค. อะลมเนยม-แมกนเซยม ง. อะลมเนยมบรสทธ 5. อณหภมทเหมาะสมในการอบใหเปนสารละลายเนอเดยว เพอทาการบมแขง (age hardening) สาหรบโลหะอะลมเนยมทมทองแดงผสมอย 4% คอขอใด ก. 330 ๐C ข. 430 ๐C ค. 530 ๐C ง. 630 ๐C 6. เพราะเหตใด ภาชนะหงตมและบรรจอาหารจงนยมทาดวยอะลมเนยม ก. ราคาถก ข. นาหนกเบา ค.ทนอณหภมสง ง. ไมเปนพษตอรางกายมนษย 7. ธาตชนดใดทนยมนามาผสมกบทองแดงดออกซไดซ ก. ฟอสฟอรส ข. สงกะส ค. ซลคอน ง. ตะกว 8. สารดหมายถงขอใด ก. ทองแดงผสมสงกะส ข. ทองแดงผสมดบก ค. ทองแดงผสมตะกว ง. ทองแดงผสมนกเกล



9. ทองเหลองเปนโลหะผสมระหวางทองแดงกบธาตใด ก. ฟอสฟอรส ข. ตะกว ค. ซลคอน ง. สงกะส 10. นกเกลซลเวอรหรอเงนเยอรมน เปนโลหะผสมทประกอบดวยธาตชนดใด ก. ทองแดง + สงกะส + ดบก ข. ทองแดง + สงกะส + นกเกล ค. ทองแดง + ดบก + นกเกล ง. ทองแดง + อะลมเนยม + นกเกล 11. ถาตองการใหไทเทเนยมมสมบตเปน “โลหะจารป” จะทาการเตมธาตใด ก. ไนโอเบยม ข. สตรอนเชยม ค. นกเกล ง. เบอรลเลยม 12. ถาตองการใชงานวสดททนการผกรอนและความรอนสง ควรเลอกใชโลหะผสมชนดใด ก. อะลมเนยมผสม ข. แมกนเซยมผสม ค.ไทเทเนยมผสม ง. นกเกลผสม 13. ถาตองการใชงานนกเกลผสมททนการผกรอนจากนาทะเลควรใชขอใด ก. Monel ข. Hastelloy ค. Inconal ง. Stellite 6B 14. โลหะผสมสงกลมซเปอรอลลอย เชน Nickel-based Superalloys มกนยมนาไปใชงานใดในปจจบน ก. ลกสบเครองยนต ข. มดกลง ค. ใบพดเครองกงหนกาชในเครองบนไอพน ง. อปกรณภายในคอมพวเตอร เชน ฮารดดสก 15. โลหะใดจดเปนโลหะมสกล (noble metal) ก. ทงสเตน ข.แพลตนม ค. ซลคอน ง. สเตนเลส 16. โลหะใดทไมควรนามาเปนภาชนะบรรจอาหาร ก. อะลมเนยม ข. เหลกกลาไรสนม ค. ดบก ง. ตะกว



17. บรอนซ คอโลหะผสมชนดใด ก. ทองแดงผสมดบก ข. อะลมเนยมผสมทองแดง ค. ดบกผสมตะกว ง.นกเกลผสมไทเทเนยม 18. โลหะใดตอไปนมจดหลอมเหลวตาทสด ก. ทองแดง ข. อะลมเนยมผสมทองแดง ค. ทองแดงผสมเหลก ง. ทองแดงผสมนกเกล 19. โลหะชนดใดตอไปนไมเกดสนม ก. เหลกกลาไรสนม ข. ทองแดง ค. อะลมเนยม ง. ถกทกขอ 20. โครงสรางงานหลอทองเหลอง (Zn + 20%Cu) โดยทวไป จะเปนดงในขอใด ก. สารละลายของแขงสวนผสมเทากนทกตาแหนง ข. สารละลายของแขง ลกษณะเปนเดนไดรด ค. สารประกอบสวนผสมเทากนทกตาแหนง ง. สารประกอบ ลกษณะเปนเดนไดรต




ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. H.K.Khaira. (2016). Precipitation Hardening. MSME MANIT, Bhopal.

https://www.slideshare.net. T.Markovits, J.Takács, A.Lovas, J.Belt. (2003). Laser brazing of aluminium. Journal of

Materials Processing Technology. Volumes 143–144, 20 December, Pages 651-655. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology


New York: John Wiley & Sons. https://www.ibchem.com/IB/ibnotes/full/ope_htm/hall_cell.htm http://resource.npl.co.uk/mtdata/binintro.htm http://resource.npl.co.uk/mtdata/phdiagrams/almg.htm

https://www.slideshare.net/

http://resource.npl.co.uk/mtdata/binintro.htm

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 6 โพลเมอร

หวขอเนอหา 6.1 กระบวนการโพลเมอรไรเซซน

6.2 โครงสรางของโพลเมอร 6.2.1 รปรางของโมเลกล 6.2.2 โครงสรางโมเลกล

6.3 การจ าแนกชนดของโพลเมอร 6.4 เทอรโมพลาสตก

6.4.1 ความสมพนธระหวางโครงสรางและสมบตของเทอรโมพลาสตก 6.4.2 อทธพลของความรอนทมตอเทอรโมพลาสตก 6.4.3 สมบตทางกลของเทอรโมพลาสตก

6.5 อลาสโตเมอร (ยาง) 6.5.1 จโอเมตรกไอโซเมอร (Geometric Isomer) 6.5.2 เทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอร

6.6 เทอรโมเซตตงโพลเมอร 6.7 สารปรงแตงส าหรบพลาสตก 6.8 กระบวนการผลตโพลเมอร

6.8.1 การขนรปของเทอรโมพลาสตก 6.8.2 การขนรปเทอรโมเซตตงพลาสตก

6.9 สรป แบบฝกหดทายบทท 6 เอกสารอางอง

วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอผเรยน เรยนจบบทนแลวผเรยนควรมความรและทกษะดงน

1. อธบายเกยวกบความหมาย ชนด โครงสรางทางเคม กระบวนผลต ของโพลเมอร 2. อธบายจ าแนกชนด เทอรโมพลาสตก อลาสโตเมอร และเทอรโมเซตตงโพลเมอร

3. สามารถเขาใจและประยกตใช สารปรงแตงเพมคณสมบตส าหรบพลาสตกโพลเมอร 4. สามารถเขาใจคณสมบตพนฐานความรอน และทางกล เพอเลอกใชงานตามชนดของวสดโพลเมอร

วธสอนและกจกรรม 1. ชแจงค าอธบายเกยวกบความหมาย ชนด โครงสรางทางเคม กระบวนผลต ของโพลเมอร การ

ประยกตใชในงานอตสาหกรรม และภาพรวมของบทท 6 2. น าเขาสบทเรยนโดยการบรรยายเนอหาในแตละหวขอ



3. แบงกลมผเรยนตามหวขอทเรยน พรอมทงอธบายอยางละเอยด 4. สอบถามผเรยนถาผเรยนมค าถามสงสย 5. มอบหมายใหผเรยนท าแบบฝกหดทายบทท 6 6. เสรมสรางคณธรรม และจรยธรรมใหกบนกศกษากอนเลกเรยน



1. สงเกตจากพฤตกรรมและบรรยากาศระหวางเรยน 2. ถามตอบระหวางเรยน 3. แบบฝกหดทมอบหมายใหในแตละครง การประเมนผล 1. จากการท ากจกรรมกลมเสรจตามเวลา 2. ท าแบบฝกหดถกตองไมนอยกวา 80%

บทท 6 โพลเมอร 189


บทท 6

โพลเมอร

ปจจบนโพลเมอรเปนวสดทมการใชงานกนอยางกวางขวางมาก ทงทเกยวของกบชวตประจ าวน เชน เสอผาและเครองใชภายในครวเรอน บรรจภณฑ หรอการใชงานในอสาหกรรมททนสมย เชน ชนสวนเครองใชไฟฟา ชนสวนรถยนต อปกรณการตดตอสอสารโทรคมนาคม ชนส วนคอมพวเตอรและอปกรณอเลกทรอนกส สมบตทวไปของโพลเมอร โดยมากมน าหนกเบา ทนกรดดางไดด มความแขงแรงต า ไมเหมาะทจะใชในททอณหภมสง และมราคาถก สวนโพลเมอรในงานวศวกรรมจะถกปรบปรงสมบตทางดานความแขงแรงและความสามารถในการใชงานทอณหภมสงใหดขนโพลเมอรกลมนมราคาแพง โพลเมอรยงสมบตทางกายภาพทเปนประโยชนหลายประการ เชน โปรงแสง เปนฉนวนไฟฟา ซงเปนสมบตพนฐานทท าใหสามารถประยกตใชงานไดอยางกวางขวาง

6.1 กระบวนการโพลเมอไรเซซน

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) โพลเมอรทมใชงานอยในอตสาหกรรมสวนมาก ไดจากการสงเคราะหโดยกระบวนการท าใหโมเลกลขนาดเลกมาเชอมตอกนเปนสายโซ ดวยพนธะโคเวเลนตจนเปนโมเลกลทมขนาดใหญและยาวขน โมเลกลขนาดเลกเปนตวเรมตนเรยก โมโนเมอร (Monomer) ซงมาจากค าสองค าทเปนภาษากรกคอ ค าวาโมโน (Mono) ทแปลวาหนงและ “เมรส (Merls)” แปลวา สวน (Part) รวมกนแลวจงมความหมายเปน สวนเดยว หนวยเดยว หรอหนวยยอย โมโนเมอรทมาตอกนเปนสายโซยาว เรยกวา โพลเมอร (Polymer) ซงมาจากภาษากรก คอ “โพลส (Polys)” ทแปลวามากและ “เมรอส (Meros)” ทแปลวา รวมกนแลวหมายถง หลายๆ สวนหรอหลายๆหนวยมาเชอมตอกนเมอรเปนหนวยยอยพนฐาน โดยมากจะเปนโมเลกลของสารไฮโดรคารบอน ซงประกอบดวยธาตพนฐาน คอ ไฮโดรเจนและคารบอนพนธะยดเหนยวระหวางคารบอนและไฮโดรเจน คอพนธะโคเวเลนตมทงทเปนพนธะเดยว (Single bond) และพนธะค (Double bond) ดงแสดงตารางท 6.1 ซงเปนโครงสรางของ โพลเมอร 10 ชนด ทเปนพนฐานของวสดโพลเมอร



ตารางท 6.1 โครงสรางของเมอรพนฐาน10 ชนดของวสดโพลเมอรตางๆ

โพลเมอร หนวยยอยของโครงสราง (mer)

โพลเอทลน (Polyethylene; PE)

H H

C C

H H

โพลไวนลคลอไรด (Polyvinyl chloride; PVC)

H H

C C

H CI

โพลเตตระฟลออโรเอทลน (Polytetrafluoroethylene; PTFE)

F F

C C

H CI

โพลโพรพลน (Polypropylene; PP)

H H

C C

H CH3

โพลสไตรรน (Polystyrene; PS)

H H

C C

H

โพลเมทลเมทาครเลต (Polrymethyl Methacrylate; PMMA)

H CH3

C C

H C O CH3

ฟนอล-ฟอรมลดไฮด, เบเคอไลต

(Phenol-formaldehyde, Bakelite)

OH

CH2 CH2

CH2



ตารางท 6.1 โครงสรางของเมอรพนฐาน10 ชนดของวสดโพลเมอรตางๆ (ตอ)

โพลเมอร หนวยยอยของโครงสราง (mer)

โพลเฮกชะเมทลนอะดเอไมต, ไนลอน 6,6 ( Polyhexamethylene Adipamide, Nylon 6,6)

H O H O

N C N C C C

N H 6 H H 4

โพลเอทลนเทราฟธาเลต

(Polyethylene Terephthalate;PET, a Polyester)

O b O H H

C C – O – C – C – O

H H

โพลคารบอเนต (Polycarbonate)

b CH3 O

O C O C

CH3

H C C H

สญลกษณแทนวงแหวนอะโรมาตก C C

C C

H H

กระบวนการทางเคมทท าใหเกดพนธะระหวางหนวยยอยหรอโมโนเมอรเรยกวา กระบวนการโพลเมอไรเซซน (Polymerization) หรอกระบวนการสงเคราะหโพลเมอร โดยแบงออกเปน 3 ประเภทใหญ คอ โพลเมอไรเซซนแบบรวมตว (Addition polymerization)หรอการรวมตวกนของโมโนเมอรทเปนปฏกรยาแบบสายโซ ประเภททสอง คอ โพลเมอไรเซวนแบบควบแนน (Condensation polymerization) เปนปฏกรยาควบแนนระหวางโมโนเมอรสองชนดขนไปทมหมฟงกชนตรงปลายทแตกตางกน และประเภททสาม คอ โพลเมอไรเซซนแบบผสม (Combination polymerization) เปนกระบวนการเกดโพลเมอไรเซซนทงแบบรวมตวและควบแนนรวมกน โพลเมอไรเซซนแบบรวมตว (Addition Polymerization) กระบวนการนเกดจากโมโนเมอรทไมอมตวท าปฏกรยาซงกนและกนกลายเปนสายโซยาว ในขณะเกดปฏกรยารวมกน จะท าใหเกดหนวยทมความไวตอการท าปฏกรยาหรอพนธะคในโมโนเมอรเปดออกเปนพนธะเดยวทมความไวตอการท าปฏกรยากบโมโนเมอรทมอยไปจนถงขนเกดเปนโพลเมอรกระบวนการแบบรวมตวนจะไมมผลพลอยได (By Product) หรอสงทหลงเหลอออกมาจากปฏกรยา นอกเสยจากโมเลกลของสายโซของโพลเมอรเทานน



กระบวนการโพลเมอไรเซซนแบบรวมตวอาจเกดขนได 3 ทาง ไดแก ทางแรก ปฏกรยาเกดขนจากการกระตนทางเคมภายนอกท าใหโมเลกลเกดการรวมตวกนขนเปนปฏกรยาแบบสายโซ ดงแสดงในรปท 6.1 (ก) เปนกระบวนการโพลเมอไรเซซนของเอทลนจากการรวมตวโดยวธน ทางทสอง คอการจดเรยงตวของอะตอมใหมภายใตวงแหวนของโมเลกลเกดการเปดขนและเชอมตอกบวงแหวนของโมเลกลอน ดงแสดงในรปท 6.1 (ค) 2CH2 =CH2 + R R 2R [ CH2 CH2 ]

ขนรเรม R [ CH2 CH2 ] + (n 1)CH2 =CH2

R [ CH2 CH2 ]n

ขนแผขยาย R [ CH2 CH2 ]n + R

R [ CH2 CH2 ]n R

ขนสนสดปฎกรยา (ก) nO=C=N R N=C= O + nH O R OH nH N (CH2 )5 C=O

H O H O

O=C=N [ R N C O R ] n OH [ N (CH2 ) 5 C ] n

(ข) (ค)

รปท 6.1 กระบวนการเกดโพลเมอไรเซซนแบบรวมตวโดยวธตางๆ (ก) การกระตนทางเคมจากภายนอกของ

เอทลน (ข) กลไกการจดเรยงตวใหมของโพลยรเทน (ค) กลไกการเปดการเปดวงแหวนของไนลอน


โพลเมอไรเซซนแบบรวมตวโดยมตวกระตนจะมขนตอนเกดปฎกรยา 3 ขนตอน ขนเรมตน (Initiation) เปนการเกดปฎกรยาเรมตนโดยมการใชตวกระตนหรอตวเรง (Catalyst) เขา

ไปในโมโนเมอรเพอท าใหเกดการแตกตวใหอนมลอสระ (Free-radical) ซงเปนกลมอะตอมทมอเลกตรอนขาดคหรออเลกตรอนอสระ จะเปนตวทเกดพนธะโคเวเลนตกบโมเลกลอนทขาดคเชนกน ดงตวอยางของโมโนเมอรของเอทลน (C2H4) ซงเขยนเปนพนธะเคมขางลาง และมตวกระตน R' ออรกานกเปอรออกไซด (Organic peroxide) หรอเบนโซอลเปอรออกไซด (Benzoyl peroxide) ท าใหเกดการสลายตวเปนอนมลอสระของโมโนเมอร ดงน



H H

C = C

H H

H H H H อเลกตรอนอสระ

R + C = C R C C

H H H H

ขนแผขยาย (Propagation) เปนกระบวนการทอนมลอสระของโมโนเมอร ทเกดขนเขาท าปฎกรยากบโมโนเมอรโมเลกลอนอยางตอเนอง โดยทหวทายของโมเลกลจะเปดออกเพอใหอเลกตรอนอสระเกดพนธะโคเวเลนตกบโมเลกลอนตอไป ดงน

H H H H H H H H

R C C+C= C R C C C C

H H H H H H H H

ขนสนสดปฏกรยา (Termination) เปนกระบวนการทท าใหกระบวนการโพลเมอไรเซซนสนสดลงโดยการเตมสารเทอรมเนชน (Termination) เพอหยดการเกดอเลกตรอนอสระ หรอาจใชวธท าใหอนมลอสระเกดการรวมตวกนหรออาจเตมสารเจอปน (Impurity) ลงไปเพอใหกระบวนการโพลเมอไรเซซนสนสดลง

โพลเมอไรเซซนแบบควบแนน (Condensation Polymerization) ปฏกรยาโพลเมอไรเซซนแบบนเกดจากการรวมตวของหมฟงกชนทอยในโมโนเมอร เพอขยายโมเลกลใหใหญขน และภายหลงเกดปฏกรยาจะมสารโมเลกลเลกๆเปนผลพลอยได (By product) ซงบางครงโมเลกลเหลานอาจเปนตวก าเนดโพลเมอไรเซซนในอนาคต หรอาจเปนเพยงสารมลทนทไมตองการปนอยในผลตภณฑโพลเมอรส าเรจ ตวอยางของปฏกรยาโพลเมอไรเซซนแบบควบแนน ดงแสดงในรป 6.2



OH OH

+ CH2 O CH2 OH

OH OH OH

n CH2 OH CH2 CH2 OH + (n – 1) H2 O

หรอ n ผลพลอยได

OH OH OH

n CH2 OH CH2 O CH2 + nH2 O

n

(ก) ปฎกรยาของฟนอล – แอลดไฮด ผลพลอยไดเปนน า

O

n HO ─ R ─ COOH HO R─ C ─ O ─ H +(n – 1) H2 O

หรอ n

O O O

n HO ─ R ─ COOH +nHOOC R ─ COOH HO─ R ─ O ─ C ─ R─ C ─ O H +(n – 1) H2 O

n

(ข) ปฎกรยาระหวางกรดอนทรยกบแอลกอฮอล ผลพลอยไดเปนน า CH3 CH3

O

n HO C OH +nCOCI2 O C O C +2nHCI

CH3 CH3

บสฟนอลA โพสจน โพลคารบอเนต ไฮโดรเจนคลอไรด

(ค) โพลคาบอเนต ผลพลอยไดเปนไฮโดรเจนคลอไรด

รปท 6.2 ตวอยางของปฎกรยาโพลเมอเซซนและผลพลอยได (ทมา: Mangonon, 1999)



โพลเมอไซซนแบบผสม (Combination Polymerization) กระบวนการโลเมอไรเซซนทรวมการเกดจากทงแบบรวมตวและแบบควบแนนอาจเกดขนได เชน กลไกการเกดของโพลเอสเตอรและโพลยรเทนในกระบวนการนจะเรมจากโพลเมอเซซนแบบควบแนนกอน ซงจะท าใหเกดโพลเมอรกลมเลกๆ มความสามารถทจะเกดปฎกรยาและท าใหเกดโพลเมอเซซนแบบรวมตวกบโมเลกลกลมอน เกดเปนโมเลกลของโพลเมอรกลมใหมทมขนาดใหญขน ดงแสดงรปท 6.3 ขนท 1 เกดปฎกรยาการควบแนนขน และยงมโพลเอสเตอรทยงแอกทฟอยเขาท าปฏกรยากบสไตรนเกดโพลเอสเตอร-สไตรน โค-โพลเมอร (Polyester-styrene Co-polymer)

ขนท 1 เกดปฎกรยาควบแนน H H O H H O

n HO R HO + n HOOC C = C COOH n HO R O C C = C C O H + n H2 O

ขนท 2 ปฎกรยารวมตว

O H H O O H H O

n HO R O C C = C C O H + n CH2 = CH6 H6 HO R O C C C C OH

CH2

CH

C6 H5 n

รปท 6.3 กระบวนการของโพลเมอไรเซซนแบบผสมของโพลเอสเตอร

ระดบการเกดโพลเมอไรเซซน (Degree of Polymerization) โพลเมอรมความแตกตางจาก

สารประกอบอนทรย และอนนทรยทวๆไป ตรงทจะมน าหนกโมเลกลทตายตวหรอมคาไมแนนอนตวไดตวหนง ตวอยางเชน โพลเอทลนจะมน าหนกโมเลกลอยชวงประมาณ 2,500 - 6 ลาน g/mol เปนตน ความยาวเฉลยของสายโซโพลเมอรจะแสดงอยในรปของระดบการเกดโพลเมอไรเซซน (Degree of Polymerization) โดยหาไดจากสตร ดงน

nn = nMm

(1)

nw = wMm

(2)



เมอ nn คอ จ านวนโดยเฉลยของระดบการเกดโพลเมอไรเซซน

nw คอ น าหนกโดยเฉลยของระดบการเกดโพลเมอไรเซซน nM คอ จ านวนโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล wM คอ น าหนกโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล m คอ น าหนกของโมเลกลเมอร

ส าหรบโคโพลเมอรทมเมอรมากกวาสองชนด สามารถหาคา m ไดจาก

m = j jf m (3)

เมอ fj คอ เศษสวนของเมอรชนด j

mj คอ น าหนกโมเลกลของเมอรชนด j

จ านวนโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล ( nM ) หาไดจากการแยกสายโซออกเปนแตละชวงความยาว จากนนหาเศษสวนของสายโซในแตละชวงความยาวนนๆ และหาน าหนกโมเลกลโดยเฉลยไดจากสมการดงตอไปน

nM = i ix M (4)

เมอ

Mi คอ คาเฉลยของน าหนกโมเลกลในแตละชวง Xi คอ เศษสวนของจ านวนสายโซทงหมดภายในแตละชวงทตอกน

สวนน าหนกโดยเฉลยของน าหนกโมเลกลหาไดจาก



0

0.1

0.2

0.3

5

10

15

20

25

30

35

40

เศษสวนของจ ำนวนโมเลกล

0

0.1

0.2

0.3

0.4

5

10

15

20

25

30

35

40

เศษสวนของจ ำนวนโมเลกล

wM = i if M (5)

เมอ

Mi คอ คาเฉลยของน าหนกโมเลกลในแตละชวง fi คอ เศษสวนน าหนกของโพลเมอรทมสายโซในชวงนน

ตวอยางท 1 สมมตวาน าหนกโมเลกลมการแจกแจงดงแสดงในรปท 6.4 ซงเปนโพลเมอรของไวนลคลอไรด จงค านวณหา (ก) จ านวนโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล (ข) จ านวนโดยเฉลยของระดบการเกดโพลเมอไรเซซน (ค) น าหนกโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล

น าหนกโมเลกล(103 g/mol) น าหนกโมเลกล (103 g/mol)

(ก) เศษสวนจ านวนโมเลกล (ข) เศษสวนของน าหนกโมเลกล

รปท 6.4 การแจกแจงขนาดโมเลกลไวนลคลอไรด




วธท า

(ก) จากขอมลในรปท 6.4 (ก) ท าใหเราไดขอมลชวงของน าหนกของโมเลกลและเศษสวนจ านวนโมเลกล น าขอมลมาเขยนลงตารางท 6.2 และสมการท (4) จะท าใหเราค านวณคา Xi Mi ไดและไดผลรวมของ nM ซงมคา 21,150 g/mol ตารางท 6.2 ขอมลการค านวณจ านวนโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล

ชวงน าหนกโมเลกล (g/mol)

คาเฉลย Mi

( g/mol) fi xi Mi

5,000-10,000 10,000 – 15,000 15,000 – 20,000 20,000 – 25,000 25,000 – 30,000 30,000 – 35,000 35,000 – 40,000

7500 12,500 17,500 22,500 27,500 32,500 37,500

0.05 0.16 0.22 0.27 0.20 0.08 0.02

375

2,000 3,850 6,075 5,500 2,600 750

nM = 21,150

(ข) การหาจ านวนโดยคาเฉลยของระดบการเกดโพลเมอไรเซซนใชจากสมการท (1) แตกอนอนเราตองค านวณหาน าหนกของเมอรเสยกอน โดย PVC ประกอบไปดวยเมอรของคารบอน 2 อะตอม ไฮโดรเจน 3 อะตอม และคลอลน 1 อะตอม (ตารางท 6.1) น าหนกอะตอมคารบอน ไฮโดรเจน และคลอรน มคา 12.01 1.01 และ 35.45 g/mol ตามล าดบ ดงนนส าหรบ PVC

m = 2(12.01) + 3(1.01) + 35.45 g/mol = 62.50 g/mol

nn = nM

m

21,150 g/mol=62.5 g/mol

= 338

และ



(ค) จากรปท 6.4 (ข) ขอมลน าหนกโมเลกลน ามาค านวณหาน าหนกโมเลกลโดยเฉลย ดงแสดงในตารางท 6.3 และผลรวมของ wM มคา 23,200 g/mol ตารางท 6.3 ขอมลการค านวณน าหนกโดยเฉลยของน าหนกโมเลกล

ชวงน าหนกโมเลกล (g/mol)

คาเฉลย Mi (g/mol)

fi fi Mi

5,000-10,000 10,000 – 15,000 15,000 – 20,000 20,000 – 25,000 25,000 – 30,000 30,000 – 35,000 35,000 – 40,000

7,500 12,500 17,500 22,500 27,500 32,500 37,500

0.02 0.10 0.18 0.29 0.26 0,13 0,02

150 1,200 3,150 6,525 7,150 4,225 750

wM = 23,200

6.2 โครงสรางของโพลเมอร

6.2.1 รปรางของโมเลกล

การเชอมตอกนของโมเลกลของเมอรแลวเกดเปนสายโซโพลเมอรจะมลกษณะทจดเรยงตวแบบซกแซก (Zigzag) ดงแสดงในรปท 6.5 ซงเปนสายโซโพลเมอรของโพลเอทลน มมของอะตอมคารบอนทเกดพนธะเดยวจะมคา 109.5 องศา และต าแหนงของอะตอมจะอยบรเวณใดกได แตจะยงรกษามมเอาไวท 109.5 องศา การตอกนของโมเลกลยาวขนเปนสายโซจะไมเปนเสนตรงตลอด แตจะมการโคงงอหรอเกดการบดเบยวเกดขนอนเนองมาจากอะตอมในสายโซเกดการหมนไปยงต าแหนงตางได ท าใหสายโซโพลเมอรทเกดขนมการจดเรยงตวทไมเปนระเบยบคลายเสนบะหม คณลกษณะแบบนท าใหโพลเมอรมการยดหยนตวไดสง



(ก) แบบจ าลองรปทรงตน 3 มต

(ข) แบบจ าลองรปทรง 3 มตแบบมชวงโมเลกล

(ค) แบบจ าลอง2 มตแบบพนฐาน

รปท 6.5 การจดเรยงตวของอะตอมโพลเอทลน

(ทมา: Askeland et al, 2003)

6.2.2 โครงสรางโมเลกล

คณลกษณะทางกายภาพของโพลเมอรไมไดขนอยกบน าหนกและรปรางของโมเลกลแตเพยงอยางเดยว หากยงอยกบลกษณะโครงสรางของโพลเมอรทแตกตางกนดวย ปจจบนกระบวนการสงเคราะหโพลเมอรททนสมยสามารถควบคมลกษณะโครงสรางโพลเมอรไดเปนอยางดลกษณะโครงสรางโมเลกลประกอบไปดวยโครงสรางแบบเสนแบบกงกาน แบบเชอมขวาง และแบบตาขาย รปท 6.6 แสดงลกษณะโครงสรางโมเลกลของโพลเมอรแบบตางๆ



1. โพลเมอรแบบเสน (Linear Polymer) หนวยยอยของแตละเมอรจะเชอมตอกนแบบปลายชนปลายในสายเสนเดยว สายโซยาวเหลานจะมความยดหยนและจะมเสนคลายสปาเกตต ลกษณะโครงสรางของโมเลกลแสดงในรปท 6.6 (ก) โดยทรงกลมของลกแทนหนวยยอยของเมอรส าหรบโพลเมอรแบบเสนอาจขนโดยพนธะแวนเดอรวาลหรอพนธะไฮโดรเจนเปนตวเชอมตอระหวางสายโซ โพลเมอร ไดแก โพลเอทลน โพลไวนลคลอไรด โพลสไตรน โพลเมทลเมทาครเลต ไนลอน และฟลออไรคารบอน เปนตน 2. โพลเมอรแบบกงกาน (Branched Polymer) โพลเมอรชนดนมลกษณะการตอกนของสายโซบรเวณดานขางของโซเสนหลก ดงแสดงในรปท 6.6 (ข) โดยกงกานของสายโซทดานขางจะเกดขนขณะท าการสงเคราะหโพลเมอรกงกานของโพลเมอรจะท าใหประสทธภาพการอดตวกนใหแนนลดลง โพลเมอรชนดนจงมความหนาแนนต าโพลเมอรชนดน ไดแก โพลเอทลนชนดความหนาแนนต า (Low Density Polythylene; LDPE)

3. โพลเมอรแบบเชอมขวาง (Closslink Polymer) เปนการเชอมตอกนระหวางสายโซโพลเมอรกบเสนอนโดยต าแหนงเชอมตอจะแตกตางกน การเชอมตอเกดขนจากพนธะโคเวเลนต ดงแสดงในรปท 6.6 (ค) กระบวนการเชอมขวางอาจเกดขณะท าการสงเคราะห หรอเกดจากปฎกรยาเคมแบบไมยอนกลบทมกเกดขนทอณหภมสง บอยครงทตวเชอมขวางจะเกดจากอะตอมหรอโมเลกลของสารทเตมเขาไปแลวท าใหเกดพนธะโคเวเลนตระหวางสายโซขน ยางจ านวนมากมลกษณะการเชอมขวางแบบน

4. โพลเมอรแบบตาขาย (Network Polymer) หนวยยอยของเมอรไตรฟงกชน (Trifunctional mer unit) มปฎกรยาพนธะโคเวเลนตขน 3 พนธะซงมลกษณะสามมตและเชอมโยงเปนตาขาย ดงแสดงในรปท 6.6(ง) บางครงโพลเมอรแบบเชอมขวางทมการเชอมตอปรมาณมากกจะจดอยในกลมตาขายไดเชนกน ท าใหโพลเมอรชนดนมสมบตทางกลและทางความรอนทเดนขน โพลเมอรกลมน ไดแก อพอกซ ฟนอลฟอรมลดไฮด เปนตน

(ก) (ข) (ค) (ง)

รปท 6.6 ลกษณะโครงสรางโมเลกล (ก) แบบเสน (ข) แบบกงกาน (ค) แบบเชอมขวาง (ง) แบบตาขาย




6.3 การจ าแนกชนดของโพลเมอร

วธการจ าแนกชนดของโพลเมอรแบงออกเปนหลายวธ ไมวาจะอาศยการจ าแนกโดยวธการสงเคราะหโมเลกล โดยอาศยโครงสรางโมเลกลหรออาศยลกษณะทางเคมของโพลเมอรแตละชนดเปนตวจ าแนก มวธการหนงทนยมใชจ าแนกโพลเมอร คออาศยโครงสรางหรอรปรางของโมเลกลซงแบงเปนโพลเมอรทมโมเลกลแบบเสนและโพลเมอรทมโมเลกลแบบกงกานจะมสายโซโมเลกลหลก ดงแสดงในรปท 6.7 โพลเมอรจะมแบบจะมสายโซของโมเลกลคลายเสนสปาเกตต สวนโพลเมอรแบบกงกานจะมสายโซโมเลกลหลก จากนนจะมสายโซรองแตกกงกานออกมาคลายกงไม โพลเมอรจ าแนกเปนกลมใหญๆ ไดแก เทอรโมพลาสตก เทอโมเซตตงพลาสตก และอลาสโตเมอร (ก) โพลเมอรแบบเสนสายโซไมเชอมตอกน (ข) โพลเมอรแบบกงกานทสายโซไมเชอมตอกน

(ค) เทอโมเซตตงโพลเมอรทสายโซเชอมตอกน (ง) เทอรโมเซตตงโพลเมอรแบบกงกานและสายโซเชอมตอกน โดยพนธะโคเวเลนต

รปท 6.7 ลกษณะรปรางของสายโซโพลเมอรแบบเสนและกงกาน

(ทมา: Askeland et al, 2003)



1. เทอรโมพลาสตก (Thermoplastic) ประกอบไปดวยสายโซโพลเมอรขนาดยาวซงเกดจากการเชอมตอเขากนของโมโนเมอร เปนพลาสตกทมความเหนยว สายโซอาจมกงกานหรอไมกได การเชอตอระหวางสายโซจะเกดจากพนธะแวนเดอรวาลทมพลงงานพนธะออนแอ เทอรโมพลาสตกอาจมระบบผลกหรอสภาพอสณฐานกได การเปลยนรปของเทอรโมพลาสตกจะขนอยกบความรอน โดยสามารถขนรปโดยการใหความรอนสง ๆ อกทงยงสามารถรไซเคลดวย

2. เทอรโมเซตตงพลาสตก (Thermosetting Plastic) เกดขนจากสายโซโมเลกลขนาดยาว ซงอาจเปนแบบหรอกงกานกได และเชอมตอกบสายโซแบบเชอมขวาง ท าใหเกดโครงสรางทเปนตาขาย 3 มต สงผลใหมความแขงเปราะกวาเทอรโมพลาสตก เทอรโมเซตตงจะเกดปฎกรยาโพลเมอรไรเซชนครงเดยว และไมสามารถหลอมใหมอกครงหรอไมสามารถรไซเคลไดนนเอง

3. อลาสโตเมอร (Elastomer) จะมการเปลยนรปในสภาวะยดหยนไดมากกวา 200% อาจมคณลกษณะแบบเดยวกบเทอรโมพลาสตหรอเปนแบบเชอมขวางแบบเทอรโมเซตตงกได ลกษณะของสายโซโพลเมอรจะเปนโมเลกลแบบขดซงสามารถยดตวออกไดเมอมแรงมากระท า

4. เทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอร (Thermoplastic Elastomer) เปนโพลเมอรกลมพเศษ มกระบวนการผลตเหมอนเทอรโมพลาสตก และมพฤตกรรมเหมอนอลาสโตเมอร

6.4 เทอรโมพลาสตก

จากตารางคณสมบตทางกล (ตารางท 6.4) ซงประกอบไปดวย ความเคนแรงดงสงสด เปอรเซนตการยดตว อลาสตก มอดลส ความหนาแนน และการรบแรงกระแทกของเทอรโมพลาสตกชนดตางๆ ในตารางท 6.5 แสดงหนวยยอยของโพลเมอร ชนดตางๆ และการใชงาน

โพลเมอรบางชนดจะมพนธะระหวางสายโซทแขงแรงมาก ท าใหการบดหรอการเลอนของสายโซไดยากขน สงผลใหมความแขงแรง ความเหนยวแนน และจดหลอมละลายทสงกวาโพลเมอรธรรมดา (ตารางท 6.4) ในบางกรณเทอรโมพลาสตกบางชนดยงมความทนทานตอแรงกระแทกไดดขนจากการทโพลเมอรมสายโซทซบซอน เชน โพลคารบอเนต ภายใตชอทางการคา LexanTM และ SparluxTM ซงใชท ากระจกกนกระสน แผนซดเกบขอมล เปนตน



ตารางท 6.4 สมบตทางกลไกของเทอรโมพลาสตก

ชนดโพลเมอร

ความตานทานแรงดง (psi)

% การยดตว

มอดลสยดหยน (psi)

ความหนาแนน (g/cm 3 )

แรงกระแทกไอซอด (ft.lb/in)

โพลเอทลน (PE): ความหนาแนนต า ความหนาแนนสง Ultrahgh Molecular Weight โพลไวนลคลอไรด (PVC) โพลไพรพลน โพลสไตรลน(PS) โพลอะครโลไนไตรล (PAN) โพลเมทลเมทาครเลต (PMMA) (อะคร,เพลกซกลาส) โพลคลอไรไตรฟลออโรเอทลน โพลเตตระฟลออโรเอทลน (PTFE, เทฟลอน) โพลออกซเมทลน (POM) (แอซทล) โพลเอไมด (PA) (ไนลอน) โพลเอสเตอร (PET) โพลคารบอเนต (PC) โพลไอไมด (PI) โพลอเทอรคโทน (PEEK) โพลฟนลนซลไฟด (PPS) โพลอเทอรซลโฟน (PES) โพลเอไมด-ไอไมด (PAI)

3,000 5500 7,000 9,000 6,000 8,000 9,000 12,000

6,000 7,000

12,000 12,000 10,500 11,000 17,000 10,200 9,500 12,200 27,000

800 130 350 100 700 60 4 5

250 400

75 300 300 130 10 150 2 80 15

40,000 180,000 100,000 600,000 220,000 450,000 580,000 450,000

300,000 80,000

520,000 500,000 600,000 400,000 300,000 550,000 480,000 350,000 730,000

0.92 0.96 0.934 1.40 0.90 1.06 1.15 1.22

2.15 2.17

1.42 1.14 1.36 1.20 1.39 1.31 1.30 1.37 1.39

9.0 4.0 30.0

1.0 0.4 4.8 0.5

2.6 3.0

2.3 2.1 0.6 16.0 1.5 1.6 0.5 1.6 4.0



ตารางท 6.5 หนวยยอยโพลเมอรและการใชงานของโพลเมอรบางชนด

โพลเมอร หนวยซ า (Repeat unit) การใชงาน

โพลเอทลน(PE)

H H

C C

H H

ฟลมบรรจภณฑ, ฉนวนหมสายไฟ, ขวด, ทอ, เครองใชภายในบาน

โพลไวนลคลอไรด (PVC)

F CI

C C

F F

ทอ, วาลว, สขภณฑ, แผนปพน, ฉนวนหมสายไฟ,หลงคารถ

โพลโพรพลน (PP)

H H

C C

H H C H

H

ถงน า,พรม, เชอก, บรรจภณฑ

โพลสไตรรน (PS)

H H

C C

H

โฟมบรรจภณฑและฉนวน,แผงหลอดไฟ, อปกรณไฟฟา

โพลอะคโลไนไตรล (PAN)

H H

C C

H C N

เสนใยสงทอ เสนใยตงตนเสนใยคารบอนถงบรรจอาหาร

โพลเมทลเมทาครเลต (PMMA)

H H

H C H

C C

H C O

O

H C H

H

หนาตาง,กระจกรถ/เรอ,วสดเคลอบแขง, เลนสสมผสชนดแขง,ไฟไซเลนต

โพลคลอโรไตรฟลออโรเอทลน (PTFE)

F F

C C

F F

ชนสวนวาลว,แหวนหรอปะเกน,ทอ,ฉนวนไฟฟา ซน, วาลว, วสดเคลอบ



6.4.1 ความสมพนธระหวางโครงสรางและสมบตของเทอรโมพลาสตก

ระดบการเกดโพลเมอไรเซซน โดยทวๆไปแลวสมบตของเทอรโมพลาสตกทประกอบไปดวยความตานทานแรงดงความตานทานการลาตว ความทนแรงกระแทก ความทนการเสยดส และอณหภมของเหลว จะเพมขนหากน าหนกโมเลกลโดยเฉลยของโพลเมอรเพมขน หรอระดบของการเกดโพลเมอไรเซซนเพมขน และการเพมขนของสมบตตางๆเหลานจะไมเปนในลกษณะเสนตรง หากน าหนกโมเลกลเฉลยเพมขนและท าใหจดหลอมเหลวของโพลเมอรเพมขนจะสงผลกระทบกระบวนการผลตนนเปนไปไดยากขนดวย อยางไรกตาม เราสามารถใชโมเลกลทมน าหนกโมเลกลต าและจดหลอมเหลวต าผสมกบโพลเมอรทมน าหนกโมเลกลมากเพอเพมความแขงได

อทธพลของกลมอะตอมดานขาง โพลเมอรทมอะตอมดานขางมากกวาหนงอะตอมหรอหนงกลมเชอมโยงกบสายโซหลกอย จะพบวาลกษณะการจดเรยงตวของอะตอมดานขางดงกลาวจะมอทธพลตอสมบตของโพลเมอรเปนอยางมากหากเราพจารณาหนวยยอยของเมอรตอไปน

H H

C C

H R

ในทน R แสดงอะตอมหรอกลมอะตอมดานขางทไมใชอะตอมไฮโดรเจน (เชน คลอรนหรอเมทล) การจดเรยงตวแบบหนงอาจเกดขนไดเมอกลมอะตอมดานขางทเปน R ถกเลอกเขาไปมพนธะอะตอมกบอะตอมของคารบอนดงน

H H H H

C C C C

H R H R

โครงสรางทเกดขนจะมลกษณะแบบหวตอหาง แตหากมการเกดพนธะอะตอมโดยกลมอะตอม R เตมเขาไปตดตอกนจะเรยกวา โครงสรางแบบตอหวดงน

H H H H

C C C C

H R R H



การเกดโครงสรางแบบตอหวตอหางมกเปนรปแบบทเกดขนมากกวาแบบหวตอหว อะตอมทมขนาดใหญ ดงเชนคลอรนหรอกลมอะตอมเมทล (CH3) และเบนซน จะท าใหสายโซโพลเมอรเกดการหมนยากขน ไมขดตวหรอมวนตวมากและเปลยนรปในลกษณะทเหนยวและหนดทความเคนมากกระท าอณหภมสงขน การเกดสภาวะอยางนจะท าใหความแขงแรง สตฟเนสส และอณหภมสงขน

การเกดผลกและการเปลยนรป การเกดผลกทเกดโพลเมอรจะสงผลตอสมบตทางกลและสมบตทางดานความโปรงใส การเกดผลกการเกดโพลเมอรอาจเกดขนจากการเปลยนแปลงอณหภมทเกดความเคนกบโพลเมอร ขณะกระบวนการผลต หากโพลเมอรมขอบเขตทเปนผลกมาก กจะท าใหเกดความโปรงใสขนในตวเองไดอกทงยงเพมความหนาแนนเพอตานสารเคม และมสมบตทางกลทอณหภมสงดขน การเปลยนรปของโพลเมอรกเปนอกวธหนงทใชในการเพมสมบตทางกลใหกบโพลเมอร ดงเชนการผลตเสนใยไนลอนทใหความเหนยวสง เปนตน

สเตรโอโเมอรซม (Sterioisomerism) หรอแทกตซต (Tacticitty) เปนสภาวะทอะตอมเชอมตอกบสายโซโพลเมอรบรเวณดานขางอยางเปนล าดบ และมโครงสรางทแตกตางกน 3 แบบ คอ แบบไอโซแทกตก (Isotactic) แบบชนไดโอแทกตก (Syndiotactic) และแบบอะแทกตก (Atactic) ดงตอไปน

ไอโซแทกตก

ชนไดโอแทกตก

อะแทกตก

โครงสรางแบบอะแทกตกเปนโครงสรางทมระเบยบนอยทสด จงมแนวโนมทจะท าใหการอดตวไมคอยด ความหนาแนนต า อกทงความแขงแรง สตฟเนสส ความตานทานความรอนและสารเคมกต าดวยเชนกน ตวอยางของโพลเมอรทมสภาวะสเตรโอโซเมอรซม ไดแก โพลโพพลน หากมสภาวะเปนอะแทกตก โพลโพรพลนจะมสภาพเปนผลก และนยมใชอยางกวางขวางในทางการคา



6.4.2 อทธพลของความรอนทมตอเทอรโมพลาสตก

อณหภมมผลตอการเปลยนแปลงสมบตของเทอรโมพลาสตกเปนอยางมาก และเพอชวยใหการออกแบบชนสวนทท าจากพลาสตกหรอกระบวนการผลตทมประสทธภาพ เราจงตองมความเขาใจตอการเปลยนแปลงสมบตของพลาสตกทมผลมาจากอณหภม ดงรปท 6.8 แสดงใหเหนถงอณหภมวกฤตทสมพนธกบโครงสรางของโพลเมอรตางๆ

รปท 6.8 อทธพลของอณหภมทมตอโครงสรางและพฤตกรรมของเทอรโมพลาสตก


อณหภม



เทอรโมพลาสตกอาจมโครงสรางในสภาพอญรปหรอมระบบผลกเมอผานการเยนตวลงมาต ากวาอณหภมหลอมเหลว (รปท 6.8) โดยทวไปแลวเทอรโมพลาสตกในงานวศวกรรมจะมโครงสรางทประกอบไปดวยทงสภาพอญรปและสภาพมผลก การท าใหเกดผลกขนในเทอรโมพลาสตกจะท าไดโดยการควบคมอณหภมการเยนตวอยางชาๆ หรออาจใชวธการใหความเคนกบพลาสตกเพอเปลยนแปลงสายโซโพลเมอรใหกลายเปนผลกกได การท าใหเกดโครงสรางผลกขนในเมทรกซทเปนสภาพอสณฐาน จะชวยเพมความแขงแรงใหกบโพลเมอรไดเชนเดยวกบกลไกการเพมความเเขงแรงโดยอนภาคขนาดเลกในวสดจ าพวกโลหะ โดยทวไปแลวเทอรโมพลาสตกจะมการเชอมตอกนระหวางสายโซโพลเมอรโดยพนธะโคเวเลนต แตขดของสายโซขนาดยาวจะยดเหนยวกบขดของสายโซอนๆ โดยพนธะแวนเดอรวาลทมพลงงานพนธะออนแอ หรออาจเกาะเกยวกนเนองจากการพนกนคลายดายทกองรวมกนอย ลกษณะเชนนเมอมความเคนมากระท าพนธะทออนแอระหวางโซโพลเมอรจะขาดลง และโซโพลเมอรจะเกดการหมนและเลอนไปเกดพนธะหรอสมพนธกบสายโซโพลเมอรตวอนๆ การเลอนของสายโซโพลเมอรจะงายหรอยากขนอยกบอณหภมและโครงสรางของโพลเมอร อทธพลของอณหภมทมผลตอมอดลสยดหยนของโพลสไตรนแบบอสณฐานแสดงดงรปท 6.9 ลกษณะของเสนโคงจะแบงออกเปนชวงตางๆ โดยทอณหภมต าจะเปนขอบเขตทเรยกว า ขอบเขตกลาสซ (Glassy region) ในชวงนวสดจะมความแขงและเปราะคลายแกว และชวงถดไปเมออณหภมเพมขน โพลเมอรจะเปลยนสภาพไปมลกษณะคลายหนง (Leathery) เรยกการเปลยนแปลงนวา กลาสแทรนซชน (Glass Transition) และเรยกอณหภมทท าใหเกดการเปลยนสภาพจากของแขงคลายแกวไปมสภาพคลายหนงวา อณหภมกลาสแทรนซชน (Glass Transition Temperature; Tg) และเมออณหภมสงขน โพลเมอรจะมสภาพออนตวมากขน มลกษณะคลายยาง (Rubbery) การเปลยนรปในชวงนจะท าไดงาย ขอบเขตชวงสดทายเปนชวงทโพลเมอรมสภาพเปนของเหลวและมสภาพไหลหนด (Viscous flow) คามอดลสจะลดลงอยางรวดเรวเมออณหภมเพมขน



รป 6.9 อทธพลของอณหภมทมตอมอดลสยดหยนของโพลสไตรนแบบอสณฐาน


อณหภมการสลายตว (Degration Temperature) ทอณหภมสง พนธะโคเวเลนตระหวางอะตอมของสายโซโพลเมอรจะถกท าลายลง ท าใหโพลเมอรเกดการไหมขนได โดยหากเปนเทอรโมพลาสตก การสลายตวของสายโซโพลเมอรจะเกดขนในสภาวะหลอมเหลว แตหากเปนเทอรโมเซตตง จะเกดขนในสภาวะของแขง อณหภมทท าใหเกดการสลายตว (Td ) ทเกดขนจะท าใหพลาสตกไหมเและเกดควนทเปนอนตราย วสดบางชนด เชน หนปน ทลก หรออะลมนาจะถกผสมเขาไปในเทอรโมพลาสตกเพอเพมการคงสภาพท อณหภมสงๆ ใหดขน สารยบยงการตดไฟบางชนด เชน ไฮเดรตอะลมนา สารประกอบแอนทโมน หรอสารประกอบฮาโลเจน (MgBr, PCI5) จะถกใชผสมเขาไปกบโพลเมอรเพอชวยปองกนการตดไฟ ยงมองคประกอบอนทท าใหโพลเมอรเกดการสลายตวไดแมจะอยในททอณหภมต ากตาม องคประกอบเหลานนไดแก ปฎกรยาทางเคมหรอพลงงานรปอน เชน ออกซเจน รงสอตราไวโอเลต หรอแบคทเรย เปนตน การเตมคารบอนแบลก (~3%) เปนวธการ



หนงทจะชวยเพมความตานทานรงสอลตราไวโอเลตใหกบพลาสตก โพลเมอรเหลว (Liquid Polymer) โดยทวไปแลวเทอรโมพลาสตกจะหลอมเหลวทอณหภมไมแนนอน โดยจะเปนชวงของการหลอมเหลวทอณหภมตางๆ ดงตารางท 6.6 แสดงขวงอณหภมหลอมเหลวของโพลเมอร ชนดตางๆ ทอณหภมหลอมเหลว (Tm ) หรอเหนอกวาอณหภมน พนธะระหวางสายโซโพลเมอรจะออนแอมาก หากมแรงมากกระท า กจะท าใหสายโซเกดการเลอนผานงายและเกดการไหลโดยปราศจากความเครยดในสภาวะยดหยน หรอในสภาวะน ความแขงแรงกบมอดลสยดหยนของโพลเมอรจะมคาใกลศนยมาก จงเหมาะทจะน าไปผานกระบวนการหลอมและขนรปตางๆ

ตารางท 6.6 ชวงอณหภมหลอมเหลวและอณหภมกลาสของเทอรโมพลาสตกและยางบางชนด

โพลเมอร อณหภมหลอมเหลว อณหภมกลาส (Tg ) อณหภมผลต

โพลเมอรแบบรวมตว โพลเอทลน ความหนาแนนต า โพลเอทลน ความหนาแนนสง โพลไวนลคลอไรด โพลโพพลน โพลสไตรน โพลอะครโลไนโตรล โพลเตตระฟลออโรเอทลน โพลคลอดรโตรฟลออโรเอทลน โพลเมทลเมทาครเลต อะครโลไนไตรลบวทาไดอนสไตรน

98 – 115

130 – 137 175 – 212 160 – 180

240 320 327 220

110 -125

-90 ถง -25

-110 87

-25 ถง -20 85 – 125

107 -

90 – 105 100

149 – 232 177 – 267

190 – 288

177 - 260

โพลเมอรแบบควบแนน แอซทล 6,6- ไนลอน เซลลโลสแอซเตต โพลคารบอเนต โพลเอสเตอร โพลเอทลนเทเรฟทาเลต

181

243 - 260 230 230 255

212 -265

-85 49

149 75

66 - 80

260 – 327

271 - 300

227 - 349

อลาสโตเมอร ซลโคน โพลบวทาไดอน โพลคลอโรพรน โพลไอโซพรน

120 80 30

-123 -90 -50 -73



สภาวะเปนยางหนง (Rubbery and Leathery State) อณหภมทต ากวาจดหลอมเหลวสายโซโพลเมอร จะยงคงมพนธะและเกาะเกยวกนอย และมพฤตกรรมเรยกวา สภาวะเปนยาง (Rubbery) โดยมความเคนมากระท าโพลเมอรจะเกดการเปลยนรปทงสภาวะยดหยนและสภาวะพลาสตกไปพรอมกน และเมอความเคนลดลง การเปลยนรปในสภาวะยดหยนจะคนรปอยางรวดเรว แตการเปลยนรปพลาสตกจะมการเคลอนทของสายโซโพลเมอรทอย สงผลใหเกดการยดตวอยางถาวรของโพลเมอรท าไดสงมาก ซงเปนผลดของการขนรปดวยกระบวนการตางๆ ทอณหภมต าลงมาพนธะของสายโซโพลเมอรจะมความแขงแรง ท าใหโพลเมอรมความแขงแรงมากขน และเกดสภาวะคลายหนง (Leathery) ขน โพลเมอรในการคาหลายชนด เชน โพลสไตรรน จะใชประโยชนการความแขงแรงในสภาวะน สภาวะแขงคลายแกว (Glass State) ทอณหภมต ากวาอณหภมกลาส (Glass temperature; Tg) โพลเมอรเสนตรงจะมสภาวะสณฐานจะมสภาพแขง เปราะ และคลายแกว (Glass like) โดยสภาวะนจะไมมอณหภมทตายตว แตจะเปนชวงอณหภม เชน อณหภมกลาสของโพลสไตรนจะอยระหวางชวงอณหภม 85 – 125 ๐C เปนตน เมอใดกตามทโพลเมอรเยนตวลงต ากวาอณหภมทกลาส จะท าใหโพลเมอรมสมบตบางอยางทเปลยนแปลง เชนความหนาแนน หรอมอดลสยดหยน ดงแสดงในรปท 6.10 โพลเมอรในสภาวะกลาสจะมสมบตทางดานความเหนยวและการขนรปทต า แตจะมความแขงแรงตานทานการคบตวไดด โพลเมอรทส าคญหลายชนด เชน โพลสไตรน และ PVC จะมอณหภมกลาสสงกวาอณหภมในหอง

รปท 6.10 ความสมพนธระหวางปรมาตรจ าเพาะและอณหภมของโพลเมอร

A

B

C

หลอมเหลว

กลาส

ของแขงกงผลก

ของแขงเปนผลก

อณหภม

ปรมา

ตรจ า

เพาะ

Tg Tm



6.4.3 สมบตทางกลของเทอรโมพลาสตก

เทอรโมพลาสตกสวนใหญทงสภาวะหลอมเหลวและของแขงจะมพฤตกรรมทเปนแบบนอน -นวโทเนยน (Non-newtonian) และวสโคอลาสตก (Viscoelastic) พฤตกรรมแบบนอน-นวโทเนยนคอ ความเคนและความเครยดจะไมมความสมพนธกนในลกษณะเสนตรงหากพจารณาจากเสนกราฟความเคน-ความเครยด สวนพฤตกรรมวสโคอลาสตก หมายถง เมอมแรงมากระท า โพลเมอรจะเกดการเปลยนรปแบบยดหยนและแบบพลาสตก (Viscous) ไปพรอมๆ กน การเปลยนรปของเทอรโมพลาสตกนนคอนขางซบซอน และกระบวนการเปลยนรปจะขนอยกบเวลาและอตราการใหแรงกระท าดวย ดงแสดงในตารางท 6.7 ตารางท 6.7 สมบตทางกลทอณหภมหองของโพลเมอรบางชนด

วสด ความ

ถวงจ าเพาะ มอดลส

(Mpa psi)

ความตานทานแรงดง

[Mpa (psi)]

ความแขงแรง ณ จดคราก [Mpa

(psi]

% การยดตวทจดคราก

โพลเอทลน

โพลเอทลน

โพลไวนลคลอไรด

โพลเดตระฟลออโรเอทลน

โพลไพรพลน

โพลสไตรน

โพลเมทลเมทาครเลต

ฟนอล – ฟอรมลดไฮด

ไนลอน 6.6

โพลเอสเตอร (PET)

โพลคารบอเนต

0.917-0.932

0.952-0.965

1.30-1.58

2.14-2.20

0.90-0.91

1.04-1.05

1.17-1.20

1.24-1.32

1.13-1.15

1.29-1.40

1.20

0.17-0.28 (25-41)

1.06-1.09 (155-158) 2.4-4.1

(350-600) 0.40-0.55 (58-80)

1.14-1.55 (165-225) 2.28-3.28 (330-475) 2.24-3.24 (325-470) 2.76-4.83 (400-700) 1.58-3.80 (2.30-550)

2.8-4.1 (400-600)

2.38 (345)

8.3-31.4 (1.2-4.55) 22.1-31.0 (3.2-4.5) 40.7-51.7 (5.9-7.5) 20.7-34.5 (3.0-5.0) 31-41.4 (4.5-60)

35.9-51.7 (5.2-7.5) 4.83-72.4 (7.0-10.5) 34.5-62.1 (5.0-9.0) 75.9-94.5 (11.0-13.7) 48.3-72.4 (7.0-10.5) 62.8-72.4 (9.1-10.5)

9.0-14.5 (1.3-2.1) 26.2-33.1 (3.8-4.8) 40.7-44.8 (5.9-6.5)

-

31.0-37.2 (4.5-5.4)

-

53.8-73.1 (7.8-10.6)

-

44.8-82.8 (6.5-12)

59.3 (8.6) 62.1 (9.0)

100-650

10-2,000

40-80

200-400

100-600

1.2-2.5

2.0-5.5

1.5-300

15-300

30-300

110-150



พฤตกรรมสภาวะยดหยน การเปลยนรปในสภาวะยดหยนของเทอรโมพลาสตกจะเกดจากกลไกสองแบบ โดยเมอมการใหความเคนแกโพลเมอร จะท าใหพนธะโคเวเลนตภายในสายโซโพลเมอรเกดการยดและบดเบยว ท าใหสายโซเกดการยดตวในสภาวะยดหยน และเมอลดความเคนลง การคนรปจากการบดเบยวจะเกดขนอยางทนททนใด พฤตกรรมดงกลาวนจะคลายกบการเปลยนรปของโลหะหรอเซรามกทมการเปลยนรปในสภาวะยดหยนโดยการยดออกของพนธะโลหะไอออนกหรอโคเวเลนต แตในสวนทเพมขนของโพลเมอรจะแตกตางตรงททกๆ สวนของสายโซโพลเมอรจะถกท าใหผดรปไปจากเดม และเมอปลอยความเคนออก แตละสวนทเกดการผดรปจะกลบเขาสสภาวะเดมไดตองอาศยเวลาเขาชวย ซงอาจเปนชวโมงหรอเปนเดอนๆ กได พฤตกรรมดงกลาวท าใหโพลเมอรมการเปลยนสภาพในสภาวะยดหยนทไมเปนแบบเสนตรง การเปลยนรปในสภาวะพลาสตกของเทอรโมพลาสตกทมโครงสรางกงผลก การเปลยนรปของโพลเมอรทมโครงสรางกงผลก ดงแสดงในรปท 6.11 พบวาการเปลยนรปของชนทดสอบกอนถงจดครากขนาดของชนทดสอบจะมขนาดลดลงอยางสม าเสมอตลอดความยาวและเมอถงจดครากจะเกดคอคอดขน โดยภายในคอคอดนสายโซโพลเมอรจะเรมมการจดเรยงตวใหม โดยยดออกและขนานกบทศทางของแนวแรงท าใหเกดแรงตานภายในขน การเปลยนรปจะเกดขนอยางสม าเสมอจากบรเวณคอคอดและยดออกไปไดอกพฤตกรรมนจะแตกตางจากการเกดคอคอดในโลหะเหนยว ซงเมอเกดคอคอดแลวกจะเกดการแตกหกในทสด

รปท 6.11 เสนกราฟความเคน-ความเครยดของโพลเมอรทมโครงสรางกงผลก




6.5 อลาสโตเมอร (ยาง)

อลาสโตเมอรถกสงเคราะหหรอเกดขนเองจากธรรมชาต จะมความสามารถในการเปลยนรปในสภาวะยดหยนไดมากกวา 200% ผลตภณฑทผลตจากอลาสโตเมอรไดแก ยางรถยนต แหวนโอรง สายรดยาง ถงมอยาง และฉนวนหมสายไฟบางชนด เปนตน

6.5.1 จโอเมตรกไอโซเมอร (Geometric Isomer)

โมโนเมอรทมโครงสรางแตกตางกน แตมสวนผสมทเหมอนกนจะถกเรยกวา จโอแมตรกโซเมอร ตวอยางเชน ไอโซพรนหรอยางธรรมชาต ดงรปท 6.12 โมโนเมอรประกอบไปดวยพนธะสองแบบทเชอมตอระหวางอะตอมคารบอน เราเรยกโมโนเมอรแบบนเรยกวา ไดอน (Diene) กระบวนการโพลเมอเรไรเซซน เกดขนโดยมการแยกพนธะคออกจากกนแลวสรางพนธะคขนมาใหมทบรเวณศนยกลางของโมเลกลและกระตนดานขางทปลายทงสอง

รปท 6.12 โครงสรางซสและทรานของไอโซพรน


ซส (Cis)

ทราน (Tran)



ในรปแบบของทราน (Trans) ของไอโซพรน อะตอมไฮโดรเจนและกลมเมทลทศนยกลางของหนวยซ า (Repeatunit) จะอยในต าแหนงตรงขามกนพนธะทเกดขนมาใหม การจดเรยงตวแบบนจะน าไปสการเกดสายโซทมความสมพนธกนเปนเสนตรง โพลเมอรทเกดผลกจะท าใหเกดโพลเมอรทมความแขงแกรง จะมชอเรอกวา กดตะเพอรชา (Gutta percha) โพลเมอรชนดทใชท าลกกอลฟและพนรองเทาในรปแบบของซส (Cis) อะตอมของไฮโดเจนและกลมเมทลจะอยในต าแหนงเดยวกบดานทเกดพนธะค การมโอเมตรกทแตกตางสงผลใหสายโซโพลเมอรสรางโครงสรางทมลกษณะเปนขดขนและท าใหเกดโครงสรางแบบอสณฐานมสภาพทออนนมและยดหยนสง เมอมความเคนมากระท ามากตอซส – ไอโซพรน (Cis-Isoprene) โพลเมอรกจะแสดงพฤตกรรมแบบวสโคอลาสตกออกมาทนท โดยสายโซทไมเปนขดจะท าใหเกดการเปลยนรปในสภาวะยดหยนโดยเกดการเลอนผานกนและกน ท าใหเกดสภาวะการเปลยนรปในสภาวะพลาสตกทไมคนสภาพเดมลกษณะเชนนจะท าใหเกดโพลเมอรมพฤตกรรมเหมอนเทอรโมพลาสตกมากกวาอลาสโตเมอร การเชอมขวาง (Cross-linking) เราสามารถปองกนการเปลยนรปแบบพลาสตกทเกดจากความหนดขณะทมการเปรยนรปแบบยดหยน โดยอาศยการเชอมขวางระหวางโพลเมอร กระบวนการวลคาไนเซซน (Vulcanization) เปนวธการท าใหเกดเชอมขวางระหวางสายโซโพลเมอรโดยอาศยอะตอมของซลเฟอรเปนตวชวย ดงแสดงในรปท 6.13 แสดงใหเหนวาซลเฟอรทเปนเสนสามารถเชอมตอสายโซโพลเมอรเขาดวยกนอยางไร กระบวนการดงกลาวเกดขนทอณหภมประมาณ 120-180 C ขนตอนในการเชอมขวางอาจมการจดเรยงอะตอมของไฮโดรเจนใหม และแทนพนธะเดยวหรอพนธะคหรอพนธะเดยว กระบวนการเชอมขวางจะไมสามารถเกดยอนกลบไปกลบมาได ดงนนจงท าใหอลาสโตเมอรท าการรไซเคลยาก

รปท 6.13 การเชอมขวางของสายโซโพลไอโซพรนทเกดขนจากอะตอมของซลเฟอรทเปนเสน




รปท 6.14 เสนกราฟความเคน-ความเครยดของอลาสโตเมอรทมการเปลยนรปในสภาวะยดหยนเทานน


เสนกราฟความเคน-ความเครยดของอลาสโตเมอรทแสดงในรปท 6.14 แสดงใหเหนวาตลอดความยาวของเสนโคงจะเปนการเปลยนแปลงในสภาพยดยนเทานน ซงเปนพฤตกรรมการเปลยนรปแบบยดหยนทไมเปนเสนตรงในชวงเรมตนคามอดลสยดหยนจะลดลง เนองจากสายโซทไมเปนขดเปนวง อยางไรกตามภายหลงทสายโซถกยดออก การเปลยนรปในสภาวะยดหยนจะเกดขนเนองจากการยดตวของพนธะ ท าใหมอดลสยดหยนทสงขนชนดของอลาสโตเมอร อลาสโตเมอรเปนโพลเมอรแบบ อสณฐานไมสามารถท าใหเกดโครงสรางผลกขนไดงายและมอณหภมทต ามาก สายโซสามารถเกดขนการเปลยนรปในสภาวะยดหยนไดงายเมอมแรงมากระท า โพลบวทาไดอนจะมลกษณะคลายกบโพลไอโซพรนแตหนวยซ าจะมอะตอมคารบอน 4 อะตอม ประกอบอยในหนงพนธะคโพลบวทาไดอนจะมราคาถก แตความดานทานตอตวท าละลายจะต า โพลบวทาไดอนนยมใชเพมความเหนยวใหกบยางชนดอนๆ ยางบวทาไดอน-สไตรน (BSR หรอ BS) เปนวสดทใชท าสวนประกอบของ ABS ทใชท ายางนอกของลอรถยนต ยางบทลจะมความแตกตางจากโพลบวทาไดอน การใชงานจะใชท ายางรถยนต ชนสวนปองกนการสนสะเทอน และประเกน เปนตน ยางซลโคนเปนอลาสโตเมอรอกชนดทมความส าคญโดยมสวนประกอบพนฐานของซลคอนกบออกซเจน ยางซลโคนจะมความตานทานทอณหภมสง ใชงานไดทอณหภมถง 315 ๐C



6.5.2 เทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอร

เทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอร (TPE) เปนโพลเมอรกลมทมความพเศษทไมตองอาศยการเชอมขวางเพอท าใหเกดการเปลยนรปในสภาวะยดหยนใหไดมาก ดงแสดงในรปท 6.15 แสดงโครงสรางของบลอกโคโพลเมอรสไตรน-บวทาไดอน ซงแสดงใหเหนหนวยซ าของสไตรนจะอยต าแหนงสดทายของสายโซเพยงอยางเดยว ประมาณ 25% ของสายโซโพลเมอรจะประกอบไปดวยสไตรน โดยสไตรนทบรเวณปลายของสายโซทกๆ อนจะท าใหเกดอาณาเขตทมรปรางกลม สไตรนจะมอณหภมสงกลาสทสง สงผลใหอาณาเขตบรเวณนนแขงแรงและแขงแกรง และยดสายโซเขาดวยกน พนททมสภาพเปนยางจะประกอบไปดวยหนวยซ าบวทาไดอนซงจะอยระหวางขอบเขตของสไตรนสดสวนทเกดขนระหวางโพลเมอรทงสองจะท าใหอณหภมกลาสทต ากวาอณหภมหอง และมลกษณะทออนและยดหยนสง การเปลยนรปในสภาวะยดหยนเกดจากการเคลอนทของสายโซทอณหภมจะถกปองกนโดยขอบเขตของสไตรน เมอเทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอรไดรบความรอน จะท าใหสไตรนมอณหภมสงกวาอณหภมกลาส ท าใหขอบเขตของสไตรนถกท าลายและโพลเมอรจะเปลยมรปเปนลกษณะหนด ท าใหขนรปไดงายคลายเทอรโมพลาสตกโดยทวไปและเมอปลอยตวใหเยนลง ขอบเขตของสไตรนกจะถกสรางขนอกและกลบสสภาวะอลาสโตเมอรอกครง ท าใหสามารถรไซเคลอลาสโตเมอรชนดนไดงายกวาอลาสโตเมอรทวๆไป การใชงาน TPE จะใชสภาพแวดลอมทอณหภมสงและทนการกดกรอน เชน ใชท าซล โอรง เปนตน

รปท 6.15 โครงสรางโคโพลเมอรของสไตรน-บวทาไดอน (SB) ในเทอรโมพลาสตกอลาสโตเมอร


สไตรน สไตรนโดเมน บวทาไดอน



6.6 เทอรโมเซตตงโพลเมอร

เทอรโมเซตตงจะเชอมตอขวางของสายโซโพลเมอรทสงมาก การเชอมกวางจะท าใหเกดโครงสรางทเปนโครงขายสามมต และเนองจากสายโซโพลเมอรแบบนจะไมสามารถหมนหรอเลอนไดงายๆจงท าใหเกดโพลเมอรมความแขงแรง และความแขงสง แตสมบตทางดานความเหนยว ความทนทานแรงกระแทกจะมนอยมาก และมอณหภมกลาสสง ในการทดสอบแรงดง เทอรโมเซตตงโพลเมอรจะแสดงพฤตกรรมคลายกบโลหะเปราะหรอเซรามก เทอรโมเซตตงโพลเมอรหลามชนดจะเรมตนทสายโซโพลเมอรเสนตรง ทงนขนอยกบชนดหนวยซ าและดกรโพลเมอรไรเซซนของโพลเมอรนนๆ โพลเมอรอาจผลตจากเรซนทเปนของเหลวหรอของแขง และมบางชนดทตองใชเรชนเหลวมากกวา 2 ชนด กาวอพอกซทม 2 หลอด และตองผสมกนกอนใช ตวทท าใหเกดการเชอมขวางของโพลเมอรอาจเปนความรอน ความดน หรอการผสมเรชนชนดตางๆ เขาดวยกน การเชอมขวางของโพลเมอรจะเกดขนไดเพยงครงเดยว ไมสามารถยอนกลบไปมาเหมอนเทอรโมอรพลาสตก เชนเทอรโมเซตตงจงไมสามารถน ากลบมารไซเคลได และดงตารางท 6.8

ตารางท 6.8 สมบตตางๆของเทอรโมเซตตงโพลเมอร

โพลเมอร ความตานทานแรงดง (psi)

% การยดตว

มอดลสยดหยน (psi)

ความหนาแนน (g/cm3 )

ฟนอลก เอมน

โพลเอสเตอร อพอกซ ยรเทน ชลโคน

9,000 10,000 13,000 15,000 10,000 4,000

2 1 3 6 6 0

1,300 1,600 650 500

- 1,200

1.27 1.50 1.28 1.25 1.30 1.55



ฟนอล (Phenols) เปนเทอรโมเซตทนยมใชมากทสด โดยใชเปนกาวสารเคลอบ ลามเนต และชนสวนอปกรณงานไฟฟา เบเกอไลด (Bakelite) เปนฟนอลเทอรดมเซตทรจกกนด ปฎกรยาทเกดขนระหวางโมเลกลฟนอลและฟอรมลดไฮดจะเปนตวก าเนดเรชนของฟนอลกทเปนเสนตรง อะตอมของออกซเจนในโมเลกลของฟอรมลดไฮจะท าปฎกรยากบอะตอมของไฮโดรเจนแตละตวทอยบนโมเลกลของฟนอลทงสอง และจะท าใหเกดสงหลงเหลอจากปฎกรยาทเปนน า โมเลกลของฟนอล 2 โมเลกล จะเชอมกบอะตอมของคารบอนทอยในฟอรมลดไฮด กระบวนการนจะเกดขนอยางตอเนองจนกระทงเกดเปนสายโซของฟนอลฟอรมลดไฮดทเปนเสนตรง

อยางไรกตาม เนองจากฟนอลจะมลกษณะไตรฟงกชน (Trifunctional) ดงนนหลงเกดสายโซขนแลว ต าแหนงทสามของวงแหวนฟนอลแตละตวจะท าใหเกดการเชอมขวางดานขางกบสายโซตวอนๆ เอมน (Amines) อะมโนเรชนผลตขนจากสวนประกอบของยเรยหรอเมรามนโมโนเมอรกบฟอรมลดไฮดทมลกษณะคลายฟอลกโมโนเมอรจะถกเชอมของฟอรมลดไฮดท าใหเกดสายโซเสนตรง ฟอรมลดไฮดสวนเกนจะท าเปนตวท าใหเกดเชอมขวางทกอใหเกดความแขงแรงและแขงแกรงกบโพลเมอร เหมาะส าหรบใชท ากาวลามเนต อปกรณเครองครวและเครองใชไฟฟา สวตช เปนตน ยรเทน จะมพฤตกรรมคลายเทอรโมเซตตง เทอรโมพลาสตกหรออลาสโตเมอรกได ทงนขนอยกบดกร ของการเชอมขวาง โพลเมอรกลมนจะใชงานอยางกวางขวาง เชน ไฟเบอร สารเคลอบ โฟมส าหรบเฟอรนเจอร ทนอน และฉนวนตางๆ โพลเอสเตอร เกดขนจากสายโซโมเลกลของกรดและแอลกอฮอลโดยปฎกรยาการควบแนนและมน าเปนสงทเหลอจากปฎกรยา สายโซทเกดขนนจะประกอบไปดวยพนธะทยงไมอมตว โดยมโมเลกลของสไตรนท าหนาทเปนตวเชอมขวางโพลเอสเตอรทขนรปดวยการหลอหรอพมพ การใชงานประกอบไปดวยงานทางไฟฟาใชเปนลามเนตเครองตกแตง ชนสวนเรอ และแมทรกชของวสดผสม เชน ไฟเบอรกลาส เปนตน อพอกซ เกดขนจากโมเลกลทเปนวงแหวน C – O – C ทมความแนนสง ขณะเกดกระบวนการโพลเมอรไรเซซน วงแหวนของ C – O – C จะเปดออกและมการจดพนธะใหมเพอเชอมตอโมเลกลอน อพอกซทรจกกนดจะมสวนประกอบพนฐานของไบฟนอล A ทจะท าหนาทเปนตวเตมหรอเพมเขาไปในอพอกไซต 2 หนวย โมเลกลเหลานจะเปนตวท าใหเกดสายโซโพลเมอรและเกดปฏกรยาทเกดการเชอมขวางขน อพอกซท าใหกาว ชนสวนในงานไฟฟา เครองยนต แผงวงจร อปกรณกฬา และเมทรกซส าหรบวสดผสมทตองการสมรรถนะสงทใชงานของอากาศยาน โพลไอไมด โครงสรางวงแหวนของโพลไอไมดประกอบไปดวยอะตอมไนโตรเจน โพลไอไมดชนดพเศษทมชอวาบสเมสไอไมด (Bismaleimides; BMI) เปนโพลเมอรทส าคญมาก ใชในงานอตสาหกรรมการบนและยานอาวกาศ โดยสามารถใชงานอยางตอเนองทอณหภม ถง 175 ๐C และจะไมสลายตวจนอณหภมถง 460 ๐C



6.7 สารปรงแตงส าหรบพลาสตก

พลาสตกจ านานมากประกอบไปดวยสารทชวยปรบปรงคณลกษณะพเศษทสอดคลองกบการใชงานในสภาวะตางๆสารปรงแตงดงกลาวประกอบไปดวย สารเตม (Fillers) เปนตวทใชเตมเขาไปในโพลเมอรเพอวตถประสงคหลายๆอยาง เชนผงคารบอนทเตมเขาไปในยางเพอความแขงแรงและทนทานการเสยดสของยางรถยนต และยงช วยปองกนรงสอลตราไวโอเลตอกดวยสารเตมบางชนดทเสนใยขนาดสนๆ ของวสดอนนทรย เชน CaCO และ Sio2 จะชวยเพมสมบตทางกลใหกบโพลเมอรไดอยางด ยางรถยนตแตละเสนจะประกอบไปดวยผงของเซลกาทมขนาดเลกขนาดนาโนเมตรดวยปรมาณครงปอนด เพอเพมสตฟเนสสใหกบอลาสโตเมอร สารเตมทเรยกวา เอกซเทนเดอร (Extenders) เปนตวเพมปรมาณใหกบโพลเมอร เพอรถปรมาณเรชนใหใชนอยลง สงผลใหตนทนต า สารเหลานไดแก แคลเซยมคารบอเนต ชลกา ทลก และดนเหนยว เปนตน เมดส (Pigment) ชวยท าใหโพลเมอรเกดสสนขนสวนมากเปนผงละเอยดของวสดบางชนด เชน TiO2 เมอผสมลงไปในโพลเมอรแลวจะกระจายตวท าใหเกดสขน สารเพมเสถยรภาพ (Stabilizer) เปนตวปองกนการเสอมสภาพของโพลเมอรจากผลของสภาพแวดลอมเชน การผลตโพลไวนลคลอไรดจะตองมวสดเตมวสดเพมเสถยรภาพชนดทนความรอนเขาไป ไมเชนนนแลวอะตอมของไฮโดรเจนหรอคลอรนจะถกเปลยนไปเปนกรดไฮโดรคลอรก ท าใหเกดโพลเมอรเกดความเปราะ สารเพมเสถยรภาพยงชวยปองกนการเสอมสภาพจากรงสอลตราไวโอเลตอกดวย สารตอตานไฟฟาสถต (Antistaic Agent) โพลเมอรสวนใหญจะเปนตวน าทไมด ดงนนจงท าใหเกดไฟฟาสถตขนได สารตอตอนไฟฟาสถตจะชวยทานความชนจากบรรยากาศทจะเกดกบผวของโพลเมอร ท าใหทผวมความน าไฟฟาเกดขนบาง และลดการเกบประจได สารลดการตดไฟ เนองจากโพลเมอรเปนวสดอนทรย ดงนนจงตดไฟได การเตมสารบางชนด เชน คลอรนโบรมน ฟอสฟอรส และเกลอโลหะ จะชวยลดการตดไฟของโพลเมอรลงได สารชวยไหล (Plasticizer) โมเลกลหรอสายโซโพลเมอรทมน าหนกโมเลกลต า จะเรยกวา พลาสตกไซเซอรเปนตวชวยลดอณหภมกลาส และเพมการหลอลนขนภายใน ท าใหเกดโพลเมอรขนรปไดงายขน สารชวยไหลจะมความส าคญตอ PVC มาก เพราะชวยท าใหอณหภมกลาสสงขนกวาอณหภมหอง วสดเสรมแรง ความแขงแรงและความแขงแกรงของโพลเมอรสามารถเพมขนไดดวยการใสแกว โพลเมอร และเสนใยคารบอนทท าหนาทเปนตวเสรมแรง เชน ไฟเบอรกลาส จะประกอบไปดวยเสนใยแกวทฝงตวอยในเมทรกซของโพลเมอร ตวเรง (Catalyst) ในการผลตอกลาสโตเมอรจะมการใช ZnO เปนตวเรงกระบวนการวลคาไนเซซนของการผลตยางโดย ZnO จะเปนตวเรงกระบวนการเชอมขวาง แตจะไมเขาไปรวมกบการเกดการเชอมขวางแตอยางใด



6.8 กระบวนการผลตโพลเมอร

กรรมวธขนรปโพลเมอรนนมอยมากมาย การทจะเลอกใชกรรมวธใดขนอยกบธรรมชาตของโพลเมอรวาเปนเทอรโมพลาสตกหรอเทอรโมเซตตง วธการผลตเทอรโมพลาสตกนนมหลากหลายวธ โดยมากจะอาศยความรอนท าใหโพลเมอรอยในสภาวะออนตวหรอหลอมเหลวแลวจงท าใหขนรป อลาสโตเมอรกมวธคลายๆกน สวนเทอรโมเซตตงนนมวธการขนรปหลากหลายนก ทงนกเพราะจ ากดเรองของกระบวนการเกดการเชอมขวางของโพลเมอรทจะเกดขนไดเพยงครงเดยว

6.8.1 การขนรปของเทอรโมพลาสตก

1. การขนรปโดยแมพมพฉด (Injection Molding) รปท 6.16 แสดงการขนรปโดยแมพมพฉด เมด เทอรโมพลาสตกทบรรจอยในถงจะถกปอนเขาไปในสวนใหความรอนจนหลอมละลาย จากนนจากนนสกรจะท าหนาทดนพลาสตกเหลวเขาไปในแมพมพ และคงแรงดนไวชวงเวลาหนงจนกวาพลาสตกเหลวจะแขงตว จากนนแมพมพจะเปดออกและชนงานจะถกดนออกมา และถกจบออกหรอตกลงกลองบรรจ จากนนแมพมพจะปดกลบคนเพอเรมตนการฉดใหม วธการนเปนทนยมในการผลตพลาสตกรปรางตางๆ มากตงแตขนาดเลกๆ อยางเฟอง แหวน จนถงชนงานขนาดใหญๆ อยางโตะหรอเกาอ เปนตน

รปท 6.16 การขนรปโดยแมพมพฉด




2. การขนรปโดยการเปา (Blow Molding) กระบวนการจะมลกษณะทกลวงภายในและมปลายทปดและอยในสภาวะออนตวเนองจากความรอน แทงแพรสนจะถกปดภายในของแมพมพทมรปรางตามลกษณะทเราตองการ ดงแสดงในรป 6.17 ขณะเปาลมเขาภายในแพรสน จะท าใหเกดการขยายตวออกไปสมผสกบแมพมพและเกดเปนรปรางตามทตองการ เปนวธทนยมผลตขวดพลาสตกหรอชนงานทมลกษณะกลวงภายในหรอถงขนาดใหญกได

รปท 6.17 แสดงการเปาขนรปขวดพลาสตกโดยการเปาลมเขาไปในแทงแพรสน (Parison)


3. การขนรปเทอรโมฟอรมง (Thermoforming) เรมตนน าแผนพลาสตกมาใหความรานโดยหลอดไฟหรขดลวดความรอน จนแผนพลาสตกเกดการออนตวและหยอนตวลงมาจากนนท าการดดอากาศออกจากแมพมพซงเจาะรไวทวบรเวณแมพมพ ดงแสดงในรป 6.18 การดดอากาศออกจะท าใหเกดสภาวะสญญากาศ ท าใหแผนพลาสตกถกดดแนบตดกบแมพมพเกดเปนรปรางทตองการ ปลอยตวใหเยนลงกจะไดชนงานออกมา การขนรปโดยวธนนยมขนรปผลตภณฑทเปนบรรจภณฑตางๆ เปนตน



รปท 6.18 การขนรปโดยวธเทอรโมฟอรมมง


6.8.2 การขนรปเทอรโมเซตตงพลาสตก

1. การขนรปโดยการจดเขาแบบ (Compression Molding) เรมจากการใสเรซนทเปนผงหรอเปนเมดลงไปในแมพมพทรอน จากนนใชแรงดนแมพมพบบเขาหากนและอดใหเนอเรซนแนน และความรอนของแมพมพจะท าใหเรซนหลอมตวเกดปฎกรยาโพลเมอรไรเซซน ดงแสดงในรป 6.19 จากนนปลอยใหแมพมพเยนตวลงโดยการหลอเยน ท าใหเกดโพลเมอรแขงตว จะไดชนงานออกมาผลตภณฑทขนรปโดยวธ นมมากมาย เชนชนสวนรถยนต ชนสวนงานไฟฟาและอเลกทรอนกส เปนตน

รปท 6.19 การขนรปโดยอดเขาแบบ




2. การขนรปโดยการฉดเขาแบบ (Injection Molding) เทอรโมเซตตงสามารถขนรปโดยวธการฉด ซงใหอดตราการผลตสงมาก หากเปรยบเทยบแบบอดแลว วธนอาจมความเรวมากกวา 2 – 3 เทา วธการฉดนเหมอนกบการฉดเทอรดมพลาสตก คอโพลเมอรจะถกฉดเขาแมพมพในสภาวะหลอมเหลวและปลอยใหเซตตวจากนนจงน าชนงานออกมา การฉดโพลเมอรหลอมเหลวนน ชวงแรกความหนดของโพลเมอรจะลดลงเมอไดรบความรอน แตเมอเวลาผานไปความหนดจะเพมขนเนองจากโพลเมอรเกดการเชอมขวาง ดงแสดงในรป 6.20 ดงนนการฉดโพลเมอรเขาแมพมพจะตองฉดในสภาวะทความหนดยงต าอย และขณะทโพลเมอรอยในแมพมพ กตองมเวลามากพอทจะท าใหการเชอมขวางของสายโซโพลเมอรสมบรณจนกระทงเกดการแขงตว

รปท 6.20 การขนรปโดยอดเขาแบบ


6.9 สรป โพลเมอรมทงทเกดเองในธรรมชาต (Natural polymer) ไดแก แปง เซลลโลส โปรตน กรดนวคลอก

และยางธรรมชาต สวนโพลเมอรสงเคราะห (Synthetic polymer เชน พลาสตก เสนใย โฟม และกาว โดยชนดของโพลเมอรเมอพจารณาการเชอมโยงระหวางสายโซโมเลกล (Crosslinking) เราสามารถแบงชนดของโพลเมอรไดเปน 3 ชนด ดงน

1. Thermoplastic polymers เปนโพลเมอรสายตรงหรอกง ไมมการเชอมโยงระหวางสายโซโมเลกล สงผลใหสายโซโมเลกลขยบตวงายเมอไดรบแรงหรอความรอน สามารถหลอมและไหลไดเมอไดรบความรอน เปนสวนประกอบในพลาสตกออน เชน Polyethylene ในถงพลาสตก

2. Elastomers เปนโพลเมอรทมการเชอมโยงระหวางสายโซโมเลกลเลกนอย ซงท าหนาทดงสายโซโมเลกลกลบมาใหอยในสภาพเดม เมอปลอยแรงกระท า

3. Thermosetting polymers เปนโพลเมอรทมการเชอมโยงระหวางสายโซโมเลกลอยางหนาแนน สงผลใหสายโซโมเลกลขยบตวยากเมอไดรบแรงหรอความรอน วสดทมโพลเมอรนดนเปนองคประกอบหลก จงรบแรงไดด และไมหลอมเหลวเมอไดรบความรอน โพลเมอรชนดนเปนสวนประกอบหลกในพลาสตกแขง เชน ถวยชามเมลามน หลงคาไฟเบอร (Thermosets เสรมใยแกว)




1. ขอใดไมใชสมบตทวไปของโพลเมอร

ก. ราคาถก ข. น าหนกเบา

ค. ทนกรดดางไดด ง. เหมาะกบการใชงานอณหภมสง

2. เทอรโมพลาสตกชนดใดมความทนทานตอแรงกระแทกและทนตอกรด ซงนยมน าไปใชท าเปลอกแบตเตอร

ก. โพลอะครโลไนไทรล (polyacrylonitrile) ข. โพลเอทลน (polyethylene)

ค. โพลโพรพลน (polypropylene: PP) ง. ABS

3.อณหภมกลาสเซซน (Glass Transition Temperature) คอขอใด

ก. ชวงทวสดมความแขงและเปราะคลายแกว

ข. การเปลยนสภาพจากของแขงคลายแกวไปมสภาพคลายหนง

ค. ลกษณะของเสนโคงจะแบงเปนชวงตางๆ โดยทอณหภมต าเปนขอบเขต

ง. ถกหมดทกขอ

4.ขอใดเปรยบเทยบของเทอรโมเซตตงพลาสตกในการประยกตการใชงานทางดานวศวกรรมขอใดถกตองทสด

ก. ทนความรอนสง, คงรปไดด, หลอลนไดในตว

ข. ทนตอการกดกรอน, น าหนกเบา, เปาขนรปไดงาย

ค. ทนตอการกดกรอน, น าไฟฟาไดด, มความแขงสง

ง. จดหลอมเหลวสง, ทนตอกรด, เสยรปงาย



5.ขอใดไมใชขอดของเทอรโมเซตตงโพลเมอร

ก. ความแขงสง ข. ทนความรอนสง

ค. ทนทานแรงกระแทก ง. สามารถน ามารไซเคลได

6. LDPE เปนชอของโพลเมอรชนดใด

ก. โพลไวนลคลอไรด (polyethylene) ข. โพลเอไมด (polyamide)

ค. โพลเอทลน (polythylene) ง. โพลโพรพลน (polypropylene)

7. PVC เปนชอของโพลเมอรชนดใด

ก. โพลโพลน (polypropylene) ข. โพลเอด (polyamide)

ค. โพลเอทลน (polyethylene) ง. โพลไวนลคลอไรด (polyviny choride)

8. วสโคอลาสตก (Viscoelastic) หมายถงพฤตกรรมในขอใด

ก. โพลเมอรเกดการเปลยนรปแบบยดหยนและแบบพลาสตก ไปพรอมกน

ข. โพลเมอรเกดการเปลยนรปแบบยดหยนและแบบพลาสตก ไมพรอมกน

ค. ความเคนและความเครยดโพลเมอร ม สมพนธกนแบบเสนตรง

ง. ความเคนและความเครยดโพลเมอร ไมม สมพนธกนแบบเสนตรง

9. ขอใดกลาวถงสมบตเบองตนของเทอรโมเซตตงไมถกตอง

ก. สามารถใชงานไดในเกณฑอณหภมสงทสด

ข. ใยแกวทผสมจะท าใหความแขงแรงสงขน

ค. มความเปนฉนวนความรอนสง

ง. โดยทวไปมความหนาแนนมากกวาเทอรโมพลาสตก



10. ขอใดไมใชชนดของเทอรโมเซตตง

ก.โพลไอไมด ข.ฟนอลก

ค. อพอกซ ง. เมลามน

11. ผลตภณฑประเภทจาน ชาม หรอถวยกาแฟทผลตดวยพลาสตกประเภทเมลามน ใชกรรมวธการขนรป

ในขอใด

ก. การฉดขนรป ข. การเปาขนรป

ค. เทอรโมฟอรมง ง. การอดเขากบแบบ

12. วธใดเหมาะสมส าหรบการขนรปขวดพลาสตกท าจากโพลเอทลน

ก.การฉดขนรป ข.การเปาขนรป


13. การขนรปกลองพลาสตกทมลกษณะใสทใชบรรจขนมเบเกอร ใชกรรมวธในขอใด

ก. การฉดขนรป ข.การเปาขนรป


14. วสดโพลเมอรใดตอไปนเปนเทอรโมพลาสตก

ก. PVC ข.อพอกซเรซน (epoxy resins)

ค. โพลเอสเตอร (polyester) ง. เมลามน (melamine)



15. ขอใดเปนสมบตของโพลเมอรแบบเทอรโมพลาสตก

ก. ออนตวเมอถกความรอน แตกลบแขงตวเมอลดอณหภม

ข. แขงตวเมอถกความรอน และออนตวเมอลดอณหภม

ค. แขงตวเมอถกความรอน และไมสามารถท าใหออนตวไดอก

ง. แขงตวเมอถกความรอน แตสามารถท าใหออนตวเมอลดอณหภม

16. ยางรถยนตทใชอยในชวตประจ าวนของเรามสด าเนองจากสาเหตใด

ก. เนองจากตองสมผสกบถนนซงมความสกปรก จงผสมสด าลงไป

ข. เนองจากตองการใหมความแขงแรงขน จงใสสารเสรมแรงชนดหนงซงมสด าลงไป

ค. เพอใหยางมความยดหยนสง จงเตมสารผสมสด าเขาไป

ง. ถกทกขอ

17. ขอใดตอไปนไมใชลกษณะหรอสมบตของพลาสตกชนดเทอรโมเซตตง

ก. มโครงสรางตาขาย

ข. น ามาขนรปใหมไมได

ค. ทนแรงกระแทกไดด

ง. ทนความรอนไดด

18. ABS เปนชอยอของโคโพลเมอรชนดหนงซงเกดจากโมโนเมอรสามชนดใดตอไปน

ก. Acrylonirtile-Butadiene-Sulfide

ข. Acrylonitrile-Butadiene-Styrene

ค. Acrylic-Butadiene-Styrene

ง. Acylic-Butadiene-Sulfide



19. ปรมาณความเปนผลกของโพลเมอรมผลตอความหนาแนนของโพลเมอรชนดนนอยางไร

ก. ปรมาณผลกทมากขนเปนหนงขนท าใหความหนาแนนเพมขน

ข. ปรมาณผลกทมากขนท าใหความหนาแนนลดลง

ค. ปรมาณผลกไมมผลตอความหนาแนน

ง. ปรมาณผลกทมากขนอาจท าใหความหนาแนนเพมขนหรอลดลงกได

20. ทอพลาสตกเปนผลตภณฑทไดจากการขนรปแบบใด

ก. การฉดขนรป (injection molding)

ข. การเปาขนรป (blow molding)

ค. การอดรด (extrusion)

ง. การอดเขากบแบบ (compression molding)




ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. Askeland, Donald R., and Phule, Pradeep P., The Science and Engineering of Materials.

(4th ed), Thomson Learning, Inc., USA, 2003. Mangonon, Pat L.. The Principles of Materials Selection for Engineering Design. Prentice-

Hall, Inc., USA, 1999. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology



แผนบรหารการสอนประจ าบทท 7 เซรามกและแกว

หวขอเนอหา 7.1 โครงสรางผลกของเซรามก

7.1.1 โครงสรางผลกชนด AX 7.1.2 โครงสรางผลกชนด AmXp 7.1.3 โครงสรางผลกชนด AmBnXp

7.2 แผนภาพเฟสของเซรามก 7.2.1 แผนภาพเฟสระหวาง AI2O3 - Cr2O3 7.2.2 แผนภาพเฟสระหวาง MgO - AL2O3 7.2.3 แผนภาพเฟสระหวาง ZrO2 – CaO

7.3 สมบตของเซรามก 7.3.1 สมบตทางกลของเซรามก

7.3.2 สมบตทางความรอนของเซรามก 7.3.3 สมบตทางไฟฟาของเซรามก

7.4 กระบวนการผลตเซรามก 7.4.1 การเตรยมผงวตถดบ 7.4.2 การขนรปเซรามก 7.4.3 การอบแหงและซนเทอรง (Dring and Sintering)

7.5 การใชงานเซรามก 7.6 โครงสรางของแกว 7.7 สมบตของแกว

7.7.1 ความหนด-จดหลอมเหลว และอณหภมแทรนซซน 7.7.2 สมบตทางกลของแกว

7.8 กระบวนการการผลตและการใชงานของแกว 7.8.1 กระบวนการผลตแกว 7.8.2 การใชงานและองคประกอบของแกว

7.9 สรป





1. อธบายเกยวกบโครงสราง แผนภาพเฟส คณสมบต กระบวนการผลต และการใชงานของเซรามก

2. อธบายเกยวกบโครงสราง คณสมบต กระบวนการผลต และการใชงานของแกว

3. สามารถเขาใจคณสมบตพนฐาน เพอเลอกใชงานตามชนดของวสดเซรามคและแกว วธสอนและกจกรรม

1. ทบทวนเนอหาในบทท 6 และเฉลยการบานในบทท 6

2. น าเขาสบทเรยนโดยการบรรยายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน

3. แบงกลมท ารายงาน และยกตวอยางกรณศกษาการผลตและการใชงานเซรามกและแกวในปจจบน

4. มอบหมายใหผเรยนท าแบบฝกหดทายบท 5. เสรมสรางคณธรรม และจรยธรรมใหกบนกศกษากอนเลกเรยน




บทท 7 เซรามกและแกว 235


บทท 7 เซรามกและแกว

การใชงานวสดเซรามกในทางวศวกรรมมความหลากหลาย เชน วสดทนไฟในอตสาหกรรมหลอมโลหะและการอบชบ การเคลอบผวแขงและทนความรอนของยานอวกาศและเครองบน วสดทนไฟสารแมเหลก อปกรณอเลกทรอนกสไฟเบอร เนองจากเซรามกมการยดเหนยวของอะตอมแบบไอออนกและโคเวเลนต ประกอบไปดวยธาตโลหะและอโลหะรวมกนเชน และลมนา (AI2O3) จดหลอมตวสงมาก และน าไฟฟากบความรอนต า จงท าใหเซรามกนนทนความรอน และการกดกรอนจากสารเคมไดด

เซรามกในปจจบนอาจจ าแนกเปน 2 ประเภท คอ แบบท 1 เซรามกดงเดม (Traditional Ceramic) ประกอบไปดวย ดน (Clay) ซลกา (Silica) และเฟลตสปาร (Teldspar) ผลตภณฑของเซรามกกลมนไดแก วสดทนไฟ ซเมนต เครองสขภณฑกระเบอง อฐ ถวยชาม เปนตน สวนแบบท 2 เซรามกในงานวศวกรรม (Engineering Ceramic) เปนเซรามกทเปนสารประกอบทมความบรสทธสง ไดแก คารไบต (SiC, BC) อะลมนา (Alumina) เซอรโคเนย (Zirconia) เบรลเลย (Beryllia) แมกเนตกเซรามก (Magnetic Ceramic) และซเปอรคอนดกเตอรเซรามก (Superconductor Ceramic) ใชท าเครองยนตเทอรไบนและเสนใยเสรมแรงในวสดผสม หรอใชเปนวสดฉนวนของหวเทยน เปนตน

7.1 โครงสรางผลกของเซรามก

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) โครงสรางผลกของเซรามกจะเปนอยางไรนนขนอยกบอตราของรศมไอออนกและการรกษาความเปนกลางทางไฟฟาไวได รศมไอออนกใชหาการอดตวของไอออนทเปนประจลและบวกหาแรงดงดดสงสดและแรงผลกต าสดระหวางไอออน ปรากฏการณเหลานเกดขนเนองจากไอออนบวกหรอแคตไอออน (Cation) ถกลอมรอบโดยไอออนลบหรอแอนไอออน (Anion) การอธบายโครงสรางผลกดวยวธพนฐานจะสมมตวาไอออนขนาดใหญ (แอนไอออน) เปนตวก าเนดโครงสรางหนวยเซลลขนมากอน จากนนไอออนขนาดเลก (แดตไออน) จะไปแทรกตวอยภายในหรอระหวางแลตทชของโครงสรางหนวยเซลลนนๆ การเกดพนธะของอะตอมในวสดเซรามกเปนพนธะผสมระหวางพนธะไอออนกและพนธะโคเวเลนด ดกรของไอออนกคาแรกเตอร (Ionic Character) จะขนอยกบคาอเลกโทรเนกาตวต (Electronegativity) ซงหมายถงความสามารถในการดงดดอเลกตรอนของธาตตางๆ ในโมเลกลของสารประกอบทยดเหนยวกนดวยพนธะโคเวเลนด ตารางท 7.1 แสดงเปอรเซนตไออนกคาแรกเตอรของวสดเซรามกพนฐานตางๆ โดยคาในตารางหาไดจากสมการท (1) % ไอออนกคาแรกเตอร = (1-e x)(4/1( A x B

2) ) x 100 (1)

% โควาเลนดคาแรกเตอร = 100 - % ไอออนกคาแรกเตอร (2)

เมอ

X คอ คาอเลกโทรเนกาตวตของธาต A และ B



ตารางท 7.1 เปอรเซนตคาแรกเตอรของไอออนกและโคเวเลนตของเซรามกบางชนด

สารประกอบเซรามก พนธะระหวาง

อะตอม ความแตกตางของ อเลกโทรเนกาตวต

ไอออนก คาแรกเตอร

โคเวเลนด คาแรกเตอร

MGO

AL O

SIO

SI N

SIC

Mg-o

Aio

Si-o

Si-n

Si-c

2.3

2.2

1.7

1.2

0.7

73

63

51

30

11

27

37

49

70

89

ตวอยางท 1 จงหา % ไอออนกคาแรกเตอร และ % โคเวเลนดคาแรกเตอรของ MGO ซงมคาอเลกโทรเนกาตวตของ MG = 1.2 และ O = 3.65 (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555)

วธท า

จาก % ไอออนกคาแรกเตอร = (1-e x)(4/1( A x B2) ) x 100

= (1-e2)5.32.1)(4/1( ) x 100 =73

% โคเวเลนดคาแรกเตอร = 100 -73 = 27

วสดเซรามกทเกดพนธะไอออนกระหวางอะตอมจะเกดการใหและรบอเลกตรอนเกดขน อะตอมทให อเลกตอรนจะมประจเปนบวกหรอแคตไอออน สวนอะตอมทรบอเลกตรอนจะเปนประจลบหรอแอนไอออน อะตอมทใหอเลกตรอนจะเปนไอออนโลหะ (metallic ion) ทใหเวเลนซอเลกตรอนแกไอออนโลหะ(Nonmetallic Ion) จงท าใหเกดประจบวก ปจจยทมผลตอโครงสรางของของแขงไอออนกประกอบไปดวย

1. ขนาดของแคตไอออนและแอนไอออน 2. ประจในของแขงไอออนจะตองเปนกลาง เนองจากประจในของแขงไอออนจะตองเปนกลาง ดงนนประจของของแคดไอออนและแอนไอออน

จะตองมคาทสมดลกน สตรเคมของสารประกอบจะเปนตวแสดงอตราสวนระหวางของแคดไอออนและแอนไอออน เชน แคลเซยมฟลออไรตจะประกอบไปดวย ไอออนของแคลเซยมทมประจ +2(Ca) รวมตวกบไอออนฟลออไรตทมประจเดยวเปนลบ ดงนนเพอใหเกดความสมดลการรวมตวของ F และ Ca จะตองใช F จ านวน 2 ไอออน ท าใหสตรทางเคมเปน CaF



A

B C

ปจจยทเกยวของกบขนาดความโตหรอรศมของไอออนระหวางแคตไอออนและแอนไอออน โดยใช เปนสญลกษณแทนนน โดยมากธาตทเปนโลหะจะเปนตวใหอเลกตรอนเมอเกดไอออไนซ ท าใหแคตไอออนมขนาดเลกกวาแอนไอออน ดงนนอตราสวนระหวาง rC/rA จงมคานอยกวา 1

โครงสรางเซรามกทมเสถยรภาพจะตองมแอนไอออนลอมรอบแคตไอออนและเกดการสมผสกบแคตไอออนอยางพอด จงจะท าใหเกดความเสถยร ดงแสดงในรปท 7.1 จ านวนของแอนไอออนทอยรอบแคตไอออนเรยกวา เลขโคออรดเนชน (Coordination Number: CN) ซงมความสมพนธกบอตราสวนระหวางรศมของแคตไอออนและแอนไอออน อตราสวนทพอดจะเรยกวา อตราสวนของรศมวกฤต (Critical หรอ Minimum: rC/rA)

เสถยร เสถยร ไมเสถยร

รปท 7.1 การจดเรยงตวระหวางแคตไอออนและแอนไอออนทมความเสถยรและไมเสถยร

ตวอยางท 2 จงแสดงใหเหนวาอตราสวนรศมต าสดของแคตไอออนตอแอนไอออนมคาเทากบ 0.155 เมอคา CN = 3 (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555)

วธท า จากรปท 7.2 การเกดโคออรดเนตเกดจากแคตไอออนมแอนไอออนลอมรอบ 3 ลก และเมอลากเสนจากจลศนยกลางของแอนไอออนทง 3 จะไดสามเหลยมดานเทา ABC และจดศนยกลางของไอออนทงสจะอยบนระนาบเดยวกน

แอตไอออน

แอนไอออน

รปท 7.2 โคออรดเนตของแคตไอออนและแอนไอออน

rC

rA P

O

α



จากรปสามเหลยม APO จะมความสมพนธของรศม rA และ r c

โดย AP = rA

AO = rA + r c

อตราสวนระหวาง AP/AO เปนฟงกชนของมม โดย

AOAP = cos α

เนองจาก α = 30

ดงนน โดย AO

AP =CA

A

rr

r

= COS 30 =

23

A

C

r

r= 155.0

2/32/31

คา CN และอตราสวน rC/rA ดงแสดงในตารางท 7.2 ส าหรบคาอตราสวน rC/rA ทนอยกวา 0.155 จะเกดจากแคตไอออนทมขนาดเลกมาก เกดพนธะกบแอนไอออน 2 ลกในลกษณะเสนตรง ถาคา rC/rA อยระหวาง0.155 และ 0.225 คา CN ส าหรบแคตไอออนคอ 3 นนหมายความวา แคตไอออนแตละลกจะถกลอมรอบดวยแอนไอออน 3 ลกทมลกษณะเปนระนาบของสามเหลยมดานเทา โดยมแคตไอออนอยทศนยกลาง คา CN จะเทากบ 4 ส าหรบ rC/rA ระหวาง 0.225 และ 0.414 และ 0.732 แคตไอออนจะอยทศนยกลางของรปทรงทม 8 ระนาบ หรอออกตระฮตรอน โดยลอมรอบดวยแอนไอออนจ านวน 6 ลก สวน CN = 8 ส าหรบ rC/rA ระหวาง 0.732 และ 1.0 จะมแอนไอออนทมมทกมมของรปทรงลกบาศก และมแคตไอออนอยศนยกลาง โดยปกตแลว คา CN ของวสดเซรามกโดยทวไปจะอยท 4, 6 และ 8 ตารางท 7.3 แสดงคารศมของแอนไอออนและแคตไอออนของวสดเซรามกตางๆ



ตารางท 7.2 เลขโคออรดเนชนของอตราสวนรศมแคตไอออนตอแอนไอออนคาตางๆ

เลขโคออรดเนชน

(CN)

อตราสวนรศม แคตไอออน-แอนไอออน (rC/rA)

2

3

4

6

8

0.155

0.155-0.225

0.225-0.414

0.414-0.732

0.732-1.0

ตารางท 7.3 คารศมของแอนไอออนและแคตไอออนของวสดเซรามกตางๆ (CN = 6)

แคตไอออน รศมไอออนก(nm) แอนไอออน รศมไอออนก(nm)

3AI

2Ba

2Ca

Cs

2Fe

3Fe

K 2Mg

2Mn

Na

2Ni

4Si

4Ti

0.053

0.136

0.100

0.170

0.077

0.069

0.138

0.072

0.067

0.102

0.069

0.040

0.061

Br

CI

F

I

2O

2S

0.196

0.181

0.133

0.200

0.140

0.184



7.1.1 โครงสรางผลกชนด AX

เซรามกบางชนดจะมจ านวนของแคตไอออนและแอนไอออนกเทากน ซงจะถกจดใหเปนสารประกอบชนด AX-Type โดย A คอแอตไอออน และ X คอ แอนไอออน โครงสรางผลกของสารประกอบกลมนมความแตกตางและเรยกชอกนตามธาตทเขามารวมกนเปนสารประกอบ ซงมดงตอไปน

โครงสรางผลกเกลอหน (Rock Salt Structure) โครงสรางผลกชนด AX พนฐานคอ โซเดยมคลอไรต (NaCl) หรอเกลอหน มคา CN = 6 และอตราสวน rC/rA อยระหวาง0.414 และ 0.732 หนวยเซลลของโครงสรางผลกชนดนแสดงในรปท 7.3 (ก) ซงมการจดเรยงตวแบบ FCC ใน 1 หนวยเซลลประกอบไปดวยแคตไอออน 1 ลก อยทศนยกลางหนวยเซลล และแทรกอยระหวางชองวางของแคนไอออนทอยตรงมมทกมมของหนวยเซลล รวมทงหมด 12 ลก วสดเซรามกทมโครงสรางผลกแบบนไดแก NaCI, MgS, LiF และ FeO เปนตน

โครงสรางผลกซเซยมคลอไรต (Cesium Chloride Structure) หนวยเซลลของโครงสรางผลกของซเซยมคลอไรตแสดงในรปท 7.3 (ข) คาเลขโคออรดเนตคอ 4 ต าแหนงของแอนไอออนจะอยทมมของหนวยเซลล และทศนยกลางของหนวยเซลลจะเปนต าแหนงของแคตไอออนเพยง 1 ลก การมแคตไอออนของซเซยมอยตรงกลางแอนไอออนของคลอไรดท าใหการจดตวแนนขน สารประกอบทไดจะยดเหนยวกนดวยพนธะไอออนก ของแขงไอออนกทมโครงสรางผลกแบบนไดแก CsBr, TiCl และ TiBr เปนตน

โครงสรางผลกซงคเบลนด (Zinc Biende Structure) โครงสรางผลกแบบซงคเบลนดหรอ ZnS แสดงในรปท 7.3 (ค) โดยมคาโคออรดเนตนมเบอร คอ 4 ซงไอออนทกตวจะมการโคออรดเนตกนเปนลกษณะสามเหลยมทมดานทงสเทากน โครงสรางแบบนบางครงเรยกวา สฟาเลไรต (Sphalerite) หรอเรยกชอตามสนแรวา ซงคซลไฟต (Zinc Suitide) ในหนงหนวยเซลล ทกๆ มมและทกๆดานจะเปนต าแหนงของอะตอมซลเฟอรและอะตอมของสงกะส จะแทรกอยภายในของรปทรงสามเหลยม และหากอะตอมของซลเฟอรและสงกะสมการเปลยนต าแหนงกน โครงสรางผลกกจะเปนลกษณะเดม ดงนนอะตอมของสงกะสแตละตวกจะยดเหนยวกบอะตอมของซลเฟอรสตว และหากมการเปลยนต าแหนงกน อะตอมของซลเฟอรแตละตวกจะยดเหนยวกบอะตอมของสงกะสสตวเชนกน การยดเหนยวกนของอะตอมโดยมากเปนแบบโคเวเลนด และสารประกอบทมโครงสรางผลกแบบน ไดแก ZnS ZnTe และ SiC เปนตน



(ก) (ข) (ค)

รปท 7.3 หนวยเซลลของโครงสรางผลกแบบ (ก) เกลอหนหรอโซเดยมคลอไรต (NaCl)

(ข) ซเซยมคลอไรต (CsCl) (ค) ซงคเบลนด (ZnS)


7.1.2 โครงสรางผลกชนด AmXp

ในกรณทประจของแคตไอออนและแอนไอออนไมเทากน สารประกอบทางเคมทเกดขนจะมสตรเปน AmXp เมอ m หรอ p ≠ 1 ตวอยางของสารประกอบแบบนไดแก AX2 ซงโครงสรางผลกพนฐานทพบคอ แคลเซยมฟลออไรต (CaF2) อตราสวนของรศม rC/rA ส าหรบ CaF2 มคาประมาณ 0.8 โดยคาเลขโคออรดเนตมคา 8 ไอออนของแคลเซยมจะอยในต าแหนงศนยกลางของหนวยเซลล โดยมไอออนของฟลออไรตอยทมมทงหมด จากสตรทางเคม แสดงใหเหนวาทกๆครงหนงของไอออน Ca2+ จะอยในไอออนของ F- ดงนนโครงสรางผลกจะมลกษณะคลาย CaCl (รปท 7.3 (ข) ยกเวนแตละครงหนงของศนยกลางของลกบาศกจะถกครอบครองโดยไอออนของ Ca2+ หนงหนวยเซลลประกอบไปดวย 8 ลกบาศกดงแสดงในรปท 7.4 (ก) สารประกอบทมโครงสรางผลกแบบนไดแก UO2 , PuO2 และ ThO2 เปนตน



(ก) (ข)

รปท 7.4 หนวยเซลลของโครงสรางผลกของ (ก) ฟลออไรต (CaF2 ) (ข) เพอรอฟสไกต (Perovskite)


7.1.3 โครงสรางผลกชนด AmBnXp

สารประกอบเซรามกบางกลมจะมแคตไอออนมากกวาหนงชนดในตวเอง โดยแคตไอออนทมสองชนดใชสญลกษณ A และ B แทนสตรทางเคม และจะมสวนทเพมขนคอ Xp ซงสามารถเขยนไดเปน AmBnXp เชน แบเรยมไททาแนต (Batio) Ba2+ และ Ti4+ วสดเหลานจะมโครงสรางผลกแบบเพอรอฟสไกด (Perovskite

Crystal Structure) ทอณหภมเหนอ 120๐ (248 ๐F) โครงสรางผลกจะเปนลกบาศก หนวยเซลลของโครงสรางนแสดงในรปท 7.4 (ข) ไอออนของ Ba2+ จะอยทมมทง 8 ของลกบาศก และไอออนหนงตวของ Ti4+ จะอยทศนยกลางโดยจะมไอออน O2- อยในต าแหนงศนยกลางของดานทง 6 ดาน

ตวอยางท 3 จงหาวาโครงสรางผลกของ FeO เปนโครงสรางผลกชนด AX–Type โดยอาศยรศมของไอออนเปนตวคาดการณ

วธท า หาอตราสวนของรศมแคตไอออนและแอนไอออน จากขอมลในตารางท 7.3 จะได

2+

2-

Fe

O

r 0.077nm=r 0.14nm

= 0.550



คาทไดอยระหวาง 0.414 และ 0.732 ดงนนจากตารางท 11.2 คา CN ส าหรบไอออน Fe2+ คอ 6 และคา CN กเปนของ O2- เชนกน และเนองจากคาแคตไอออนและแอนไอออนมคาเทากน ดงนนโครงสรางผลกควรจะเปนชนดเกลอหนซงเปนชนด AX–Type โดยม CN เทากบ6 สวนโครงสรางผลกของวสดเซรามก ชนดอน ดงแสดงในตารางท 7.4

ตารางท 7.4 โครงสรางผลกของวสดเซรามกพนฐานบางชนด

ชอโครงสราง ชนด

โครงสราง

ระบบผลก


เลขโคออรดเนต

ตวอยาง แคต

ไอออน


เกลอหน(โซเดยมคลอไรด)

ซเซยมคลอไรต

ซงคเบลนด (สฟาเลอไรต)

ฟลออไรต

เพอรอฟสไกด

สปเนล

AX

AX

AX

AX 2

ABX 3

ABX 4

FCC

ซมเปลควบก

FCC

ซมเปลควบก

FCC

FCC

6

8

4

8

12 (A)

6 (B)

4 (A)

6 (B)

6

8

4

4

6

4

NacI, MgO, FeO

CsCl

ZnS SiC

CaF 2 UO 2 THO 2

BaTIO 3 SrZrO 3

SrSnO 3

MgAl 2 O 4 FeAl 2

O 4

โครงสรางซลเกต (Silicate Structure) โครงสรางซลเกตประกอบดวยอะตอมพนฐานระหวางซลคอนกบออกซเจน ซงเกดขนตามธรรมชาตบนพนโลกในรปของหน ดน และทราย หนวยเซลลของโครงสรางผลกจะจดเรยงตวเปนลกษณะสามเหลยม ดงแสดงในรปท 7.5 อะตอมของซลคอนแตละตวจะยดเหนยวกบออกซเจน 4 อะตอม ซงจะอยในต าแหนงทเปนมมของรปทรงสามเหลยมทงสมม และมซลคอนอยทศนยกลางหนวยเซลลพนฐานของซลเกตนจะมประจเปนลบ



โครงสรางซลเกตเกดจากพนธะไอออนกและโคเวเลนดซงมทศทางการเกดพนธะทตรงและแขงแรง เนองจากการเกดพนธะระหวางซลคอนและออกซเจนจะท าใหเกดประจลบ 4 ประจของออกซเจน ดงนนโครงสรางผลกเมอรวมกบธาตอนๆ จงมโอกาสเกดขนไดหลายลกษณะ โดย SiO สามารถรวมตวกบอะตอมธาตอนและจดเรยงตวไดในหนง สอง หรอ สามทศทาง

รปท 7.5 หนวยเซลลของโครงสรางซลคอน- ออกซเจน


โครงสรางซลกา (Silica Structure) ซลกาหรอซลคอนไดออกไซต (SiO2 ) มโครงสรางผลกทเปนโครงขายสามมตทเกดจากทกมมของสามเหลยมทมออกซเจนอย จะเชอมโยงกบโครงสรางผลกสามเหลยมของตวอน สงผลใหเกดเปนวสดทมความเปนกลางของไฟฟา และมอตราสวนระหวางอะตอมของซลคอนตออกซเจนเปน 1:2 ดงเชนทเขยนในสตรทางเคม หากโครงสรางสามเหลยมนมการจดเรยงตวอยางเปนระเบยบ กจะเกดเปนโครงสรางผลกขน ดงเชนโครงสรางของควอตซ (Quartz) ครสโตแบไลต (Cristobalite) ดงแสดงในรปท 7.6 (ก) และไทรดไมต (Tridymite) โครงสรางของวสดเหลานคอนขางซบซอนและคอนขางจะมลกษณะเปดมากกวาปด หมายความวาอะตอมตางๆ ทเกดพนธะกนจะไมคอยรวมตวอดกนในหนวยเซลล ท าใหโครงสรางผลกซลกามความหนาแนนนอย เชน ทอณหภมหองควอตซจะมความหนาแนนเพยง 2.65 g/cm3 อยางไรกตามพนธะระหวางซลคอนและออกซเจนจะมความแขงแรงและท าใหมจดหลอมเหลวทสงถง 1,710 ๐C

โครงสรางของเพชร ในวสดเซรามกทมการเกดพนธะแบบโคเวเลนดนน อะตอมจะมการใชอเลกตรอนรวมกบอะตอมขางเคยง โครงสรางของเพชรเปนโครงสรางทเกดจากพนธะโคเวเลนซซงมความแขงมาก ในอตสาหกรรมใชเปนเครองมอตดและวสดขดถ รปท 7.6 (ข) เปนโครงสรางผลกของเพชรทมระบบ FCC และเรยกโครงสรางนวา โครงสรางลกบาศกเพชร (Diamond Cubic Structure)



(ก) (ข)

รปท 7.6 การจดเรยงตวของอะตอม (ก) ซลคอนและออกซเจน ในหนวยเซลลของวสดครสโตแบไลดซงเปนโครงสรางผลกของ SiO2 แบบหนง (ข) โครงสรางผลกลกบาศกเพชร (Diamond Cubic: DC)


โครงสรางผลกแกรไฟต รปท 7.7 เปนโครงสรางผลกของแกรไฟต ซงประกอบไปดวยชนของอะตอมของคารบอนทเรยงตวกนเปนรปหกเหลยม ในแตละชนอะตอมทกๆ สามตวจะเกดพนธะกบอะตอมของหนวยเซลลอนทอยในระนาบเดยวกนอก

อะตอมโดยพนธะโคเวเลนด สวนพนธะระหวางชนแตละชนจะเกดพนธะแวนเดอรวาล (Vander

Waals) ซงเปนพนธะอยางออน ท าใหถกเฉอนไดงาย

รปท 7.7 โครงสรางผลกของแกรไฟต

(ทมา: http://www.satriwit3.ac.th/external_newsblog.php?links=1721)



7.2 แผนภาพเฟสของเซรามก

แผนภาพเฟสของวสดเซรามกถกน ามาใชเปนแนวทางในกระบวนการผลตเซรามก เชนเดยวกบแผนภาพเฟสของโลหะผสม โดยทวไปแผนภาพเฟสของเซรามกจะมความซบซอนมากกวาแผนภาพเฟสระบบสองธาตของโลหะ โดยมากแลว สวนผสมสองชนดในแผนภาพเฟสของเซรามกจะเปนสารประกอบทมธาตพนฐานคลายกน

7.2.1 แผนภาพเฟสระหวาง AI2O3 - Cr2O3

แผนภาพเฟสของการผสมกนระหวางอะลมเนยมออกไซตและโครเมยมออกไซต AI2O3 - Cr2O3 เปนแบบไอโซมอรฟส โดยเซรามกทงสองชนดสามารถละลายเขากนไดอยางสมบรณทงในสภาวะของเหลวและของแขง (รปท 7.8) สารละลายของแขง AI2O3 - Cr2O3 เปนสารละลายแบบแทนท โดยไอออนของ AI3+ จะเขาไปแทนทไอออนของ Cr3+ ไอออนทงสองมประจเหมอนกน และสารประกอบ AI2O3 - Cr2O3 จะมโครงสรางผลกทเหมอนกนดวย

รปท 7.8 แผนภาพเฟสของอะลมเนยมออกไซตและโครเมยมออกไซต




7.2.2 แผนภาพเฟสระหวาง MgO - AL2O3

แผนภาพเฟสของแมกนเซยมออกไชตและอะลมเนยมออกไซต (MgO - AL2O3) ดงแสดงในรปท 7.9 จะมอนเตอรมเดยตเฟส (Intermediate Phase) อยดวย โดยมสภาพเปนสารประกอบซงเรยกวา สปเนล (Spinel) มสตรทางเคม คอ MgAl2O4 (หรอ MgO - AL2O3) สปเนลเปนสารประกอบทมชวงของสวนผสมทจะท าใหเกดสารประกอบทมเสถยรภาพของสปเนล AL2O3 จะมขดจ ากดการละลายใน MgO ทอณหภมต ากวา 1,400 ๐C ซงดไดจากแผนภาพเฟสดานซายมอสวน MgO ไมสามารถละลายใน AL2O3 ไดเลย ในแผนภาพเฟสจะมจดยเทกตกอย 2 จด ซงอยสองขางของพนทของเฟสสปเนล

รปท 7.9 แผนภาพเฟสของแมกนเซยมออกไซตและอะลมเนยมออกไซต (SS หมายถง Solid Solution)




7.2.3 แผนภาพเฟสระหวาง ZrO2 – CaO

แผนภาพเฟสของเซอรโคเนย (ZrO2) และแคลเซยมออกไซต (CaO) แสดงในรปท 7.10 เซอรโคเนยจะมโครงสรางผลกเปนอญรป ประกอบดวย โมโนคลนก (Monoclinic) เดตระโกนอล (Tetragonai) และลกบาศกหรอควบก (Cubic) สญลกษณ “SS” หมายถงสารละลายของแขง (Solid Solution) แผนภาพเฟสนแสดงใหเหนปฏกรยายเทกตกทอณหภม 2,250 ๐C ทสวนผสม 23% CaO และปฏกรยายเทกตอยดสองปฏกรยาทสวนผสม 2.5% CaO และ 7.5% CaO ทอณหภม 1,000 ๐C และ 850 ๐C ตามล าดบ

รปท 7.10 สวนหนงของแผนภาพเฟสของเซอรโคเนยและแคลโซ (Calcia)




7.3 สมบตของเซรามก

เซรามกมสมบตเฉพาะตวหลายอยางทโดดเดน เชน มจดหลอมเหลวทสงมากและมการขยายตวเนองจากความรอนทต า ดวยเหตนเซรามกจงถกน าไปใชงานเปนวสดทนความรอนไมวาจะในอตสาหกรรมหลอมโลหะหรองานอบชบดวยความรอน สมบตทางกลทเซรามกมอย คอ มความแขงและเปราะ ซงท าใหเกดการแตกราวไดงาย ความทนทานตอแรงดงคอนขางต า แตความแขงแรงเมอรบแรงอดนนมสงมาก เมอเทยบกบความตานทานแรงดงแลว อาจมคาสงกวาถง 5-10 เทาตว สมบตทางไฟฟาทส าคญของเซรามกคอ มความน าไฟฟาทต า ดงนนเซรามกหลายชนดจงถกน าไปใชงานเปนฉนวนไฟฟาและตวเกบประจตางๆ ทมขนาดเลก

7.3.1 สมบตทางกลของเซรามก

วสดเซรามกโดยทวๆ ไป จะแขงและเปราะ มความตานทานแรงดงต า แตมความตานทานแรงอดทสง และมความตานทานการแตกหกเนองจากมรอยแตกราวหรอแฟรกเจอรทฟเนสส (Fracture Toughness) ทต า ดงแสดงในตารางท 7.5 แสดงสมบตทางกลของวสดเซรามกทางวศวกรรมบางชนดไว ซงประกอบไปดวยความตานทานแรงดง ความตานทานแรงอดและแฟรกเจอรทฟเนสส ตารางท 7.5 สมบตทางกลของวสดเซรามกวศวกรรม

ชนดเซรามก

ความ

หนาแนน

(g/cm)


(psi)

ความ แขงแรงแตกหก

(psi)

ความตานทานแรงอด

(psi)

มอดลส ของยง

(psi)

แฟรกเจอร ทฟเนสส

(psi)

Al 2 O 3

Sic (ซนเทอรง)

Si 3 N 4 (รแอกซนบอนด)

Si 3 N 4 (อดรอน)

ไซลอน (Sialon)

ZrO 2 (พารเซยสสเตปไลซ)

ZrO 2 (ทรานสฟอรมเมชนทฟเทน)

3.98

3.1

2.5

3.2

3.24

5.8

5.8

30,000

25,000

20,000

80,000

60,000

65,000

50,000

80,000

80,000

35,000

130,000

140,000

100,000

115,000

400,000

560,000

150,000

500,000

500,000

270,000

250,000

56 x 10 6

60 x 10 6

30 x10 6

45 x 10 6

45 x 10 6

30 x 10 6

29 x 10 6

5,000

4,000

3,000

5,000

9,000

10,000

11,000



ปจจยทมผลตอสมบตทางกลของเซรามกประกอบไปดวย การเชอมตอกนระหวางขอบเกรน สงเจอปนในเนอเซรามก และโพรงอากาศหรอชองวางทมอยภายในเนอเซรามก รปท 7.11 แสดงใหเหนลกษณะของเกรนและขอบเกรนเซรามกทมผลอยางมากในการท าใหเกดจดบกพรองทบรเวณผวของเซรามกได ปกตแลวเกรนทมขนาดเลกจะใหความแขงแรงทดกวาเกรนขนาดใหญ ทงนเนองจากเกรนขนาดเลกจะชวยลดความเคนบรเวณชอบเกรนทเกดขนขณะมการขยายตวหรอหดตวเนองจากแรงกระท าแบบไรทศทางไดด เกรนขนาดเลกจะไดจากกระบวนการผลตทเตรยมวตถดบทมความละเอยดสง

รปท 7.11 โครงสรางเกรนของ LLZT (Lead-Lanthanum-Zirconium-Titanate)

ทใชเปนวสดเซรามกตวรบร (Sensor Ceramic)


ความพรนตวหรอชองวางในเนอเซรามกกเปนปจจยส าคญทมผลตอสมบตทางกลของเซรามก ซงจะมากนอยเพยงใดขนอยกบปรมาณ ขนาด การกระจายตว และความตอเนองของชองวางดงกลาว ความพรนตวและชองวางจะมทงลกษณะทปรากฏใหเหนและไมปรากฏใหเหน ความพรนปรากฏ (Apparent Porosity)

หรอรพรนทมการเชอมตอกนของโพรงอากาศขนาดเลกๆ จะหาไดจากสมการท (3) คอ

ความพรนปรากฏ = sw

dw

WW

WW

x 100 (3)



เมอ

W w คอ น าหนกเซรามกเมอเอาน าออก

W d คอ น าหนกเซรามกแหง

W s คอ น าหนกเซรามกเมอแขวนลอยในน า

ปรมาตรของความพรนทงหมดหาไดจากผลรวมปรมาตรของทงความพรนปรากฏและความพรนแบบปดรวมกน ซงหาไดจากสมการท (4)

ความพรนรวม = T

BT

)( (4)

เมอ

T คอ ความหนาแนนจรงของเซรามก

B คอ ความหนาแนนรวม (Bulk density) หรอน าหนกของเซรามกหารดวยปรมาตร เมอ

B = d

w s

WW -W

(5)

โดยปกตแลว ความพรนจะมผลตอสมบตทางกลและทางเคมของเซรามกอยางมาก ดงนนเราจงตองการใหมความพรนนอยทสดหากตองการใหสมบตทงสองประการดขน อยางไรกตามหากเราใชเซรามกเปนฉนวนไฟฟา จ านวนของความพรนทมมากจะชวยท าใหความเปนฉนวนดขน และยงท าใหเซรามกมน าหนกเบาอกดวย สมบตทงสองประการเปนสงทตองการมากส าหรบโครงสรางของยานอวกาศของนาซา มชอวา อฐพอรสซลกา (Porous Silica Brick) ท าหนาทเปนตวปองกนความรอนใหกบโครงสราง (Thermal

Protection Structure: TPS) ในสวนทตองโดนความรอนสง การเพมความพรนในเนอเซรามกอาจท าไดโดยผสมสารทเผาไหมไดงายเขาไปในเนอเซรามก เชน ผงขเลอย หรอสารระเหยทเปนของแขง แนฟทาลน หรออาจจะใชการเดมฟองอากาศเขาไปในเนอเซรามกขณะเปยก หรอวธการเตมสารเคมทใหปฏกรยาแลวเกดฟองกาซขณะผสมเซรามกกได



ตวอยางท 4 เซรามกอะลมนาทมน าหนก 325 g ขณะแหง และเมอแขวนลอยในน ามน าหนก 235 g น าหนกเมอเปยกเทากบ 335 g ความหนาแนนจรงของอะลมนาคอ 3.97 g/cm3 จงค านวณหาความหนาแนนรวมและความพรนรวมและสดสวนของความพรนเปด

วธท า

จาก B =

sw

d

WW

W

ดงนน B = 325335-235

=3.25 g/cm 3

ความพรนรวม = %1810097.3

25.397.3100)(

T

BT

ความพรนเปด = %10100235335325335100

sw

dw

WW

WW

สดสวนของความพรนเปด = 1.18101.18 = 0.45

การแตกหกทางกลของเซรามก วสดเซรามกไมวาจะมโครงสรางผลกทเปนระเบยบหรอไมกตาม ตางกมความเปราะสง ทงทอณหภมต าและอณหภมสง ปญหาของการแตกหกของวสดเปราะอยางเซรามกนเรมตนจากรอยแตกราวขนาดเลกๆ ขนาด รปราง และทศทางรอยต าหนหรอรอยแตกราวขนาดเลกๆ จะเปนตวจ ากดความสามารถของเซรามกในการรบความแคนแรงดง ทงนเนองจากรอยแตกราวขนาดเลก (Griffith

Flaw) จะเปนจดศนยรวมของความเคนทมความเขมสงรปท 7.12 แสดงใหเหนรอยแตกราวขนาดเลกทมความยาว a และมรศม r เมอมความเคนดง Q กระท าทวสด จะเกดความเคนจรงขนทปลายของรอยแตกดงสมการ

(6)

จรง ≅ r

a (6)



ส าหรบรอยแตกราวขนาดเลกทมรศม r นอย แตมความยาว a มาก จะท าใหอตราสวนของสงไปดวยหรอความเคนจะมก าลงขยายมากขนนนเอง และเมอก าลงขยายของความเคนมสงถงความเคน ณ จดคราก รอยราวขนาดเลกจะขยายตวใหญขนและเกดการแตกหกในทสด ถงแมวาคาของความเคนทกระท าหรอ q จะมคานอยกตาม

รปท 7.12 ลกษณะรอยแตกราวขนาดเลกทเกดกบเซรามก

ความเคนทเกดขนกบรอยแตกราวยงมความเกยวเนองกบความเครยดในสภาวะยดหยนหรอมอดลสของความยดหยน (E) โดยเมอรอยราวเกดการขยายตวหรอคกคามเกดขน พลงงานความเครยดจะลดลง ในขณะนนจะเกดพนผวขนมาใหม 2 พนผวทเกดจากการขยายตวของรอยแตกราว และท าใหพลงงานทมความเกยวของกบพนผวเกดการเพมขน จากการสมดลพลงงานความเครยดและพลงงานพนผว เราพบวาความเคนวกฤตทจะท าใหเกดการลกลามหรอการขยายตวของรอยแตกราวจะเปนไปตามสมการกรฟฟท (Griffith

equation) ดงน

จรงa

E

2 (7)

เมอ

a คอ ความยาวของรอยแตก (1/2 ของความยาวรอยแตกภายใน)

Y คอ พลงงานพนผวจ าเพาะ (ตอหนวยพนท)

σ

รศม r

a



จากสมการท (7) เราสามารถจดสมการใหมและอธบายความสมพนธของความเคนทมตอแฟกเตอรความเขมของความเคน (K) ไดดงสมการ

af

K

(8)

สมการแตละสมการจะแสดงใหเหนความเกยวของของรอยแตกราวกบสมบตทางกลของเซรามก ดงนนเพอเปนการเพมความแขงแรงใหกบเซรามก การหาวธการผลตทท าใหเกดรอยแตกราวขนาดเลกทสดจะชวยเพมความแรงกบเซรามกได

ตวอยางท 5 เซรามกในงานวศวกรรมทมชอวาไซลอน (Sialon) (Sialon ยอมาจาก Silicon Aluminium

Oxynitride) ถกรบความเคนแรงดงท 60,000 psi โดยมรอยแตกขนาดเลกทตรวจพบกอนการทดสอบมความยาว 0.01 in หากเซรามกนไมตองการใหเกดการแตกหกกอนความเคนท 500 psi จงประมาณคารศมของปลายรอบแตกราว

วธท า การแตกหกเกดขนเนองจากความเคนทให 500 psi และขยายตวโดยความเขมของความเคนทบรเวณปลายของรอยแตก ซงจะท าใหเกดความเคนจรงทเทากบความเคนดงทให ดงนนจากสมการท (6) จะได

จรง r

a2

60,000 Psi = 2x500 Psir

in01.0

6001.0 r

600,301.0 r

r = 2.8 x 10-6 in = 7.1 x 10 6 cm



เราสามารถวดรศมของรอยแตกราวไดดวยกรรมวธการตรวจสอบแบบไมท าลายสภาพ ดงนนสมการท (6) จะชวยใหเราทราบถงปจจยทมผลตอการขยายตวของรอยแตกราวในวตถเปราะ แตไมไดชวยในการหาคาความแขงแรงทแทจรงของวสดเซรามกโดยตรง

7.3.2 สมบตทางความรอนของเซรามก

โดยปกตแลวเซรามกจะมความน าไฟฟาทต า เนองจากมพนธะไอออนนกโคเวเลนดทแขงแรงและมความเปนฉนวนทางความรอน รปท 7.13 เปรยบเทยบความน าความรอนของเซรามกชนดตางๆ ทเปนฟงกชนกบอณหภม และดวยสาเหตทเซรามกมความตานทานความรอนสง จงถกน าไปใชงานเปนวสดทนไฟ (Refractory) ทมความตานทานตอสภาพแวดลอมทมอณหภมสงทงสภาวะของเหลวและกาซ วสดทนไฟมการน าไปใชงานอยางกวางขวางในอตสาหกรรมโลหะ เคม เซรามก และแกว

รปท 7.13 ความน าความรอนของวสดเซรามกทชวงอณหภมตางๆ


ปกตแลววสดทนไฟจะประกอบไปดวยอนภาคออกไซตอยางหยาบ เกดพนธะกบวสดทนไฟทมขนาดเลกละเอยดวสดทนไฟทละเอยดจะเกดการหลอมเหลวขณะทไดรบความรอนและเยนตวเชอมประสานอนภาคขนาดใหญใหตดกนในบางครงอฐทนไฟอาจตองท าใหเกดความพรน 20-25% เพอเพมความเปนฉนวนทางความรอนใหมากขน วสดทนไฟปกตแลวจะแบงออกเปน 3 กลมคอ ชนดกรด ดาง และกลาง ทงนขนอยกบสวนผสม ดงแสดงในตารางท 7.6



ตารางท 7.6 สวนผสมทางเคมของวสดทนไฟชนดตางๆ

วสดทนไฟ SIO AL O MGO FE O GR O

กรด

ซลกา

อฐทนไฟซเปอรควต

(Superduty fire brick)

อฐทนไฟอะลมนาผสมสง

(High-alumine fire brick)

ดาง

แมกนไซต

โอลรน

กลาง

โครไมต

โครไมต แมกนไซต

95-97

51-53

10-46

43

3-13

2-8

43-44

50-80

12-30

20-24

83-93

57

10-20

30-30

2-7

12-25

9-12

30-50

30-50

วสดทนไฟชนดกรด ปกตแลววสดทนไฟชนดกรดจะประกอบไปดวย ซลกา อะลมนา และดนทนไฟ (Fireclay) ซลกาบรสทธบางครงใชบรรจน าโลหะเหลวในบางครงซลกาใชประสานกบโบรอนออกไซตในปรมาณทนอยๆ เพอท าหนาทหลอมละลายและเปนตวประสานใหกบเซรามก

หากมการผสมอะลมนาบางสวนลงไปในซลกา จะท าใหวสดทนไฟนนมจดหลอมละลายทลดต าลง เนองจากจะใหสวนผสมทเปนยเทกตก (รปท 7.3 (ก)) และไมเหมาะทจะใชงานทอณหภมสงกวา 1,600 ๐C แตหากปรมาณของอะลมนามมากขน จะท าใหปรมาณของมลไลต (Mullite: 3Al2O3 2SiO2) มมากขนและอณหภมหลอมเหลวกจะสงขนดวยเชนกน



วสดทนไฟชนดดาง สวนผสมพนฐานของวสดทนไฟชนดนคอ แมกนเซย (MgO) ซงในสภาพบรสทธจะมจดหลอมเหลมทสงมาก มสมบตความเปนวสดทนไฟทด โดยเฉพาะในสภาพแวดลอมทเปนดางในกระบวนการผลตเหลกกลา วสดทนไฟอกชนดคอ โอลวน (Olivine) ซงมสวนประกอบของฟอรสเตอไรต (forsterite) หรอ Mg2SiO4 กจะมจดหลอมเหลวทสงเชนกน วสดทนไฟแมกนเซยชนดอนอาจผสม CaO หรอคารบอนบางบางสวน เพอชวยเพมสมบตบางอยางใหดขน ปกตแลวราคาของวสดทนไฟชนดตางจะมราคาสงกวาชนดกรด

วสดทนไฟชนดกลาง มสวนประกอบของโครไมตและโครไมตแมกนเซย น าไปใชเพอเปนตวกนระหวางวสดทนไฟชนดกรดและดางไมใหสมผสกนได

7.3.3 สมบตทางไฟฟาของเซรามก

เซรามกปกตแลวจะเปนฉนวนทางไฟฟาและมความน าไฟฟาทต า ทงนเนองจากพนธะโคเวเลนตหรอไอออนกทแขงแรง อยางไรกตาม มเซรามกบางประเภททน าไฟฟาไดด เชน แกรไฟตหรอซลคอนคารไบต ทน าไฟฟาได ขณะเดยวกนกมความตานทานไฟฟาทตวเองทสง จงถกน ามาใชเปนตวใหความรอนแบบความตานทาน วสดกงตวน า (Semiconductor) กเปนเซรามกกลมหนงทมสภาวะทเปนไดทงตวน าและตวตานทานเมออยในสภาวะทแตกตางกน

การน าเซรามกมาใชเปนฉนวนไฟฟาจะตองทราบถงความตานทานไฟฟาของเซรามกแตละชนดวามมากนอยเพยงใด เซรามกทมความตานทานสงยอมใชเปนฉนวนทด การวดสภาพตานทานจะวดเปนสภาพตานทานเชงปรมาตร (Volume Resistivity) โดยการใหความตางศกยผานชนทดสอบททราบปรมาตรและวดความตานทานเปนโอหม คาสภาพตานทานเชงปรมาตรจะมคาเทากบความตานทานคณพนทหารดวยความหนา ดงสมการท (9) โดยมหนวยเปนโอหมคณความยาว

สภาพตานทานเชงปรมาตร = 2RΩ x A(cm )

t (cm) (9)

ความเปนฉนวนของเซรามกมมากนอยเพยงใดจะขนอยกบคาของความคงทนไดอเลกทรก (Dielectric Strength) ซงเปนการวดปรมาณของแรงดนสงทสดทวสดจะคงความเปนฉนวนไวได หากเปรยบเทยบไดอเลกทรกของเซรามกกบพลาสตกแลว พลาสตกจะมคาดงกลาวทสงกวา ทงนเนองจากการดดซบความชน สารมลทน และองคประกอบอนๆ ท าใหเซรามกมใดอเลกทรกทต ากวา



คาคงทไดอเลกทรก (Dielectric strength) หรอความสามารถในการเกบประจไฟฟาของวสด เปนการวดความสามารถในการเกบพลงงานไฟฟาของวสด พลงงานทถกเกบสะสมไวในตวเกบประจยงมปรมาณมาก กจะท าใหเกดความตางศกยมาก สามารถน าไปใชผลตเปนตวเกบประจทมขนาดเลกๆ ไดถาวสดมคาคงทไดอเลกทรกทสง ตารางท 7.7 แสดงสมบตทางไฟฟาของวสดเซรามกบางชนดทใชเปนฉนวน

ตารางท 7.7 สมบตทางไฟฟาของเซรามกทใชท าฉนวนไฟฟา

วสด ความคงทนไดอเลก ทรก คาคงทไดอเลกทรก (k) แฟคเตอรการสญเสย

V/MIT KV/MM 60 Hz 10 Hz 60 Hz 10 Hz

ฉนวนไฟฟา

พอรชเลน

ฉนวนสตไทต

ฉนวนฟอรสเทอไรต

ฉนวนอะลมนา

แกว โซดา-ไลย

ฟวซซลกา

65-300

145-280

250

250

…

8

2-12

6-11

9.8

9.8

...

...

6

6

...

...

...

...

....

6

6

9

7.2

3.8

0.06

0.008-0.090

0.007-0.025

0.001-0.002

0.0008-0.009

0.009

0.00004

วสดเซรามกทใชท าฉนวนไฟฟาประกอบไปดวย ลกถวยไฟฟาพอรซเลน (Electrical porcelain) ทมสวนผสมของดนเหนยว 50% ซลกา 25% และเฟลตสปาร เซรามกชนดนราคาต า แตมคาแฟกเตอรการสญเสย (Loss factor) สง ตวถดมาคอ สตไทต (Steatite) เปนฉนวนทางไฟฟาทมแฟกเตอรการสญเสยต า ไมดดความชน ใชในอตสาหกรรมไฟฟาและอเลกทรอนกสอยางกวางขวาง องคประกอบทส าคญประกอบไปดวย ทลก 90% และดนเหนยว 10% เซรามกทมความตานทานสงและมการสญเสยพลงงานต ากวาสตไทตเมออณหภมสงขนคอ ฟอรลเทอไรต (Forsterite) เซรามกทใชงานทางดานอเลกทรอนกสมากคอ อะลมนา เนองจากความคงทนไดอเลกทรกสงและการสญเสยไดอเลกทรกทต า



7.4 กระบวนการผลตเซรามก

เนองจากเซรามกมจดหลอมเหลวทสงมาก ดงนนการทจะน าเซรามกมาหลอมและขนรปเหมอนโลหะนนจะท าใหยากมาก จงใชวธการน าวตถดบทเปนผงเซรามกมาผสมกนแลวขนรป จากนนจงใชความรอนท าใหผงเซรามกเกดการประสานกนเกดขน เทคนคทใชคอ ซนเทอรง (Sintering) หรอกระบวนการวสดผง (Powder Processing) กรรมวธการผลตเซรามกประกอบไปดวย การเตรยมผงวตถดบ การขนรป และการเผา

7.4.1 การเตรยมผงวตถดบ

กรณผงวตถดบของเซรามกแบบธรรมดาจะเตรยมไดจากแรทเกดขนจากธรรมชาต โดยน ามาท าการแยกสารมลทนออกไป จากนนน ามารอนเพอใหไดขนาดความละเอยดทสม าเสมอ วตถดบเซรามกกลมนประกอบไปดวย ซลกา ดนเหนยวฟลกซ และวสดทนไฟ ซลกาทเกดขนในธรรมชาตจะอยในรปของควอตซทเปนหนหรอทราย สวนดนเหนยวกจะมสองชนดคอ เคโอลน (Kaolin: Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ H2O) และทลค (talc:

3MgO ∙ 4SiO2 ∙ H2O) ดนเหนยวจะถกใชเปนสวนผสมส าหรบเซรามกแบบธรรมดาเพอท าใหเซรามกเกดความเหนยวและออนตว ยดหยนไดเมอผสมน าเขาไป สวนฟลกซและแรบางชนดทใช เชน เฟลตสปาร ทมสวนประกอบของแอลคาไลออกไซตทจะท าหนาทในการประสานผงซลกาและอะลมนาใหตดกนขณะท าการเผาโดยความรอน สวนวสดทนไฟทมอยอาจประกอบไปดวยออกไซตคารไบต และวตถตวอนทจะชวยใหเซรามกมความทนทานทอณหภมสง

ส าหรบเซรามกในงานวศวกรรมผงวตถดบจะตองมความบรสทธสง ไดแก อะลมนาออกไซต เซอรโคเนยมออกไซต ซลคอนคารไบต ซลคอนไนไตรต และอะลมเนยมไนไตรต เปนตน กรรมวธการผลตผงวตถดบประกอบไปดวยขนตอนดงนคอ

การบด (Crusting) เปนการลดขนาดใหแรทใชท าผงเซรามกมความละเอยด ซงมอยหลายวธทใชได ไมวาจะเปนการบดโดยใชโรตาร ลกกลง หรอคอนบด แรทบดแลวจะน าไปแยกขนาดและสงปนเปอนทไมตองการอกครง



การบดละเอยดโดยวธบอลมลลง (Ball milling) เปนขนตอนทลดขนาดของแรทผานการบดหยาบมาใหมความละเอยดโดยใชลกบดทมลกษณะกลมเหมอนลกบอล ซงอาจจะท าจากเหลกกลา อะลมนา หรอเซอรโคเนย ขนตอนนจะมการผสมสวนผสมของผงเซรามกชนดอนทตองการเขาไปดวย การกระทบกนของลกกลงจะท าใหเซรามกแตกและมความละเอยดขน จากนนกจะน าไปผานกระบวนการแยกแรหรอโลหะทไมตองการอกครงโดยใชกรดหรอดางบางชนด

การอบโดยความรอนเพอแยกน าหรอสารละลายใหเหลอเฉพาะผงเซรามกทแหง และเซรามกบางชนดกจะมการเปลยนแปลงสวนผสมทางเคมในขนตอนนดวย เชน การใหความรอนแกคารบอเนตจะท าให CO2 หลดออกไปและท าใหเกด CaO หรอการใหความรอน BaCO3 และ TiO2 ทอณหภมประมาณ 1,000 ๐C จะท าใหได BaTiO3 เปนตน

วธการผลตผงเซรามกวธอนยงมอกหลายวธ เชน การผลตอะลมเนยมออกไซต (Al2O3) จากสนแรบอกไซต (Bauxite) โดยวธเบยอร (Bayer Process) ท าโดยการผสม NaOH เขาไปกบสนแรเพอแยกสงสกปรกออก แลวน าไปกรองเอาสงสกปรกออก จากนนเตมแรบางชนดทมผลกทละเอยดมากเขาไป ซงเปนตวชวยใหเกดนวเคลยสเทยมและเกดการตกตะกอนของอะลมเนยมขนไปในสารละลาย จากนนน าตะกอนทไดไปลางโซเดยมออกแลวน าไปอบทอณหภมประมาณ 1,100-1,200 ๐C จะท าใหไดผง Al2O3

การผลตซลคอนคารไบต (SiC) โดยวธอะเซซน (Acheson) ท าโดยการน าถานโคกและซลกาไปใหความรอนโดยอเลกโทรต (Electrode) ทอณหภมประมาณ 2,200 ๐C จะท าใหเกด Sic เกดขน

การผลตไทเทเนยมไดออกไซต (TiO2) ไทเทเนยมผลตไดจากวธการใชคลอไรตและซลเฟต วธการท าโดยใชกรดซลฟรกในแรอลเมไนต (ilmenite: FeTiO3) ซงจะท าใหเกดปฏกรยาทางเคมและเกดสารละลายไทเทเนยมไดออกซซลเฟต (TiOSO4) จากนนน าไปผานกระบวนการไฮโดรไลซ (Hydrolyzed) เพอท าใหเกดไทเทเนยมไดออกไซต(TiO(OH)2) จากนนน าไปอบท 1,100 ๐C เพอใหได TiO2 สวนประกอบการคลอไรต สนแรไทเทเนยมจะถกเปลยนเปนไทเทเนยมเดตระคลอไรต (TiCl4) จากนนน าไปเปลยนเปน TiO2 อกครง

การผลตซงคออกไซต (ZnO) ผง ZnO บรสทธทใชในอตสาหกรรมผลตยางและอปกรณปองกนคลนรบกวน ผลตขนมาจากกระบวนการออกซเดชนของโลหะสงกะสหลอมเหลว

การผลตเซอรโคเนยมออกไซต (ZrO2) แรเซอรคอน (ZrSiO4) จะถกละลายโดย NaOH และไดเปนโซเดยมเซอรโคเนต จากนนน าไปเปลยนเปนเซอรโคเนยม หรออาจน าแรเซอรคอนไปเปลยนเปนเซอรโคเนยมออกซคลอไรต (ZrOCl2 ) หรอเซอรโคเนยมซลเฟตกอนแลวจงน ามาเปลยนเปนเซอรโคเนยภายหลง

การเตรยมผงวตถดบเซรามกอาจท าไดทงแบบเปยกและแบบแหง กรณการผสมแบบเปยก ผงเซรามก ตวประสานและสารหลอลน จะผสมรวมกนในน าและน าไปขนรปได แตเซรามกบางชนดอาจน าผงเซรามกและตวประสานบดรวมกนในลกษณะแหงแลวนไปขนรป หรอบางครงอาจใชทงแบบเปยกและแบบแหงรวมกน



โดยน าผงเซรามกผสมกบตวประสานจ าพวกไขและน า ท าใหเกดเปนสารละลายทมลกษณะขน (Slurry) จากนนน าไปท าใหแหงโดยวธฉดพน (Spray) ในสภาวะทมการอบแหงหรออากาศรอน จะท าใหไดผงเซรามกทมการเคลอบตวประสานทอยในสภาวะแหงพรอมใชงานได

7.4.2 การขนรปเซรามก

กระบวนการขนรปเซรามกและความเหมาะสมของกระบวนการทจะใชขนรปเซรามกตองค านงถงขนาด รปรางและปรมาณของผลตภณฑเซรามก ดงแสดงในตารางท 7.8 ตารางท 7.8 กระบวนการขนรปเซรามก

กระบวนการขนรป ขนาดชนงาน รปทรงชนงาน ปรมาณชนงาน

การเทแบบ

หลอแบแผนบาง

การอดรด

แมพมพฉด

อดรอน

ขนาดใหญ

แผนบาง

ขนาดยาว

ขนาดเลก

ขนาดเลกและกลาง

ซบซอน

งายๆ

หนาตดคงท

ซบซอน

งายๆ

นอย

มาก

มาก

มาก

มาก

กระบวนการการเทแบบ (Slip Casting) รปท 7.14 แสดงกระบวนการการเทแบบทมทงแบบเปลอกบาง (Drain casting) และแบบแทงตน (Solid casting) วธการหลอแบบเปลอกบาง ประกอบไปดวยการผสมผงเซรามกใหมลกษณะขนเหลว (Slurry) จากนนเทลงในโพรงแบบหลอทท าจากพลาสเตอรหรอวสดอนทสามารถกระบวนความชนออกมาได เพอไดเกดการแขงตวเปนชนบางๆ ทผวโพรงแบบ เมอทงไวนานจนความหนาของชนเซรามกเพยงพอแลว กจะเทเซรามกเหลวทเหลอออก (Drain) ใหเหลออยเฉพาะชนความหนาทตองการแลวทงใหเซตตว จงเปดแมพมพและน าชนงานออกมาตกแตงรอยตะเขบเลกนอยและรอใหแหง เพอน าไปเผาตอไป



รปท 7.14 การหลอเซรามกโดยการเทแบบ (Slip Casting) แบบเปลอกบาง (Drain casting)


กระบวนการหลอแผนบาง (Tape Casting) ใชผลตเซรามกทมลกษณะเปนฟลมบางๆ (ประมาณ 3-100 UM) รปท 7.15 แสดงเครองจกรทใชในการหลอแผนบาง การขนรปโดยวธน เซรามกเหลวทประกอบไปดวยผงเซรามก น าและสารอนทรยบางชนด คอ เมทลเอทลคโตน (Methyl Ethyl Ketone) จะถกเทลงบนแผนพลาสตกบางๆ และมตวปาดใหมความหนาสม าเสมอ จากนนปอนเขาสการอบแหงโดยลมรอน สดทายจะน าแผนเซรามกไปเผาในกระบวนการซนเทอรง วธการนใชผลตอปกรณอเลกทรอนกสทท าจากอะลมนา เซรามก หรอตวคาพาซเตอร ท าจากแบเรยมไทเทเนต เปนตน

รปท 7.15 การหลอเซรามกแผนบาง (Tape Casting Machine)




7.4.3 การอบแหงและซนเทอรง (Dring and Sintering)

หลงจากการขนรปเซรามก และไดชนงานซงเรยกวา กรนเซรามก (Green Ceramic) หรอเซรามก ขนมาแลวจะน าไปท าการอบแหง (Drying) เพอท าการไลความชนและตวประสานบางชนดออกไป การเผาไฟทอณหภมสงจะท าใหตวประสานเกดการเยมตวและเชอมประสานกน ซงเรยกวา ซนเทอรง (Sintering) และท าใหอนภาคของผงเซรามกยดเหนยวกนได ดงแสดงในตารางท 7.9 เปนตวอยางผลของความรอนทเกดขนกบการเผาเซรามกทมดนเหนยวเปนสวนผสมพนฐานในชวงอณหภมตางๆ เตาเผาเซรามกบางชนดสามารถตงโปรแกรมในการเผาได

ตารางท 7.9 ปฏกรยาทเกดขนระหวางกระบวนการเผาไฟของเซรามกทมดนเหนยวเปนสวนผสมพนฐาน

ชวงอณหภม (๐C) ปฏกรยา

≤100

100-200

200-450

400-700

573

700-950

950-1,100

1,100-1,200

> 1,200

ความชนอสระระเหยออกไป

ความชนทเปนองคประกอบทางเคมบางชนดแยกออกไป

เกดโครงสรางผลกของแรดนเหนยว โดยการหลดออกไปของ OH บางกลม ไพโรฟลไลต (Pyrophyllite) เกดการขยายตว

สารอนทรยทอยในรปของลกไนตเกดปฏกรยากบออกซเจน ไพโรฟลไลตขยายตวตอไป

ควอตซเปลยนโครงสรางผลกเปนรปแบบใหมทอณหภมสง

ไพโรฟลไลตขยายตวถงจดสงสด เมตะเคโอลน (meta kaolin)เปลยนเปนสปเนล (Spinel) หรอกลมแรทประกอบดวยออกไซตเกดขนในดนเหนยว

โครงสรางไมกา (Mica) ถกท าลาย ทลท (Talc) เปลยนสภาพเปนโพรโทเอนสเทไทต(Protoenstattirte) และแกว เกดมลไลตจากสปเนล ไพโรฟลไลตเปลยนเปนมลไลตและแกว

เฟลตสปารหลอมละลาย ดนเหนยวและครสโตแบไลต เกดการละลาย การเยมตวเรมขน รพรนลดลงการหดตวสงขน

โพรโทเอนสเทไทต (Protoenstatite) จากทลกเปลยนเปนคลโนเอนสเทไทต (Clinoenstatite)

ไมกาแตกตวเปนอะลมนาและแกว ปรมาณแกวเพมขน มลไลตแบบเขมโตขน รพรนแบบปดหลงเหลออย



การเผาไฟในขนสดทายเพอใหผวของอนภาคเซรามกเกดการเยมตวเปนแกวหลอมเหลวและประสานยดเหนยวกบอนภาคอนๆ ซงเรยกวาการเกดซนเทอรง อาจเกดขนไดทงในสภาวะเฟสของเหลว (Liquid

phase sintering) และสภาวะเฟสของแขง (Solid-phase sintering) ขนตอนการเกดซนเทอรงในเฟสของแขง โดยเรมจากผงเซรามกทมผวสมผสกนไดรบความรอนและเรมตนเกดพนธะซงกนและกน กระบวนการทท าใหความหนาแนนทเพมขน คอ กระบวนการแพร ซงประกอบไปดวย การแพรพนผว (Surface diffusion) การแพรปรมาตร (Volume diffusion) และการแพรขอบเกรน (Grain boundary

diffusion) กลไกการแพรขณะเกดการซนเทอรงบรเวณผวของอนภาคจะเกดการเยมตว และเมอมการแพร กจะท าใหผวทเยมตวเกดการไหล (Plastic flow) ท าใหอนภาคเซรามกเกดการประสานและยดตดกนในทสด ฟองอากาศบรเวณรอยตอจะเกดการควบแนนกลายเปนไอ

ซนเทอรงในสภาวะหลอมเหลว (Liquid phase sintering) จะประกอบไปดวย การเกดฟลมของเหลวทเกดจากสารผสมบางชนดทมจดหลอมตวต า ฟลมของเหลวจะละลายผวบางสวนของอนภาคเซรามกและท าใหเกดการแพรของอะตอมไดอยางรวดเรว ความดงผวของฟลมของเหลวจะท าหนาทคลายกบความเคนจากภายนอกทมแรงดนต า ท าใหเกดการไหลของของเหลวและการเรยงตวของอนภาคทท าใหความหนาแนนดขน ปกตแลวความหนาแนนของซนเทอรงในสภาวะหลอมเหลวจะมมากกวาในสภาวะเฟสของแขง โครงสรางจลภาคของเซรามกจะประกอบไปดวยอนภาคของของแขงฝงตวอยในเมทรกซทมาจากเฟสของเหลว

7.5 การใชงานเซรามก

วสดเซรามกมใชงานอยางกวางขวาง เชน วสดทนไฟ หวเทยน ฉนวนในตวเกบประจ ตวรบร วสดขดถ เปนตน กระสวยอวกาศใชกระเบองเซรามกในการปองกนโครงสรางยานทเปนอะลมเนยมจากความรอนทเกดขนขณะบนกลบเขาสบรรยากาศโลก กระเบองทใชนท าจากเสนใยซลกาบรสทธสง และคอลลอยตซลกาทเคลอบผวดวยแกวโบโรซลเกต (Borosilicate grass) เซรามกทปรากฏในธรรมชาตจะอยในรปของออกไซต และในวสดธรรมชาตดงเชน กระดกและฟนของมนษย เซรามกยงใชเปนวสดในการเคลอบผวทดดงเชน วสดเคลอบเงา (Graze) ทใชเคลอบผว เซรามกหรอดนาเมลทใชเคลอบผวโลหะกเปนเซรามกอกชนดเชนกน ดงแสดงในตารางท 7.10 เปนการจ าแนกชนดของเซรามกและหนาทการใชงานตางๆ

อะลมนา (Al2O3) ใชส าหรบเปนเบารบน าโลหะ หรองานทมอณหภมสงและตองการความแขงแรง ใชเปนวสดท าฉนวนส าหรบท าฐานของอปกรณอเลกทรอนกสหรอแผงวงจรขนาดเลก ฉนวนหวเทยน งานทางดานแพทยและทนตกรรม



อะลมเนยมไนไตรด (AIN) เปนฉนวนไฟฟาทด แตมความน าความรอนสง มสมประสทธการน าความรอนคลายซลคอน AIN เหมาะทจะใชเปนวสดทดแทน Al2O3 ส าหรบท าแผนวงจรรวมกระแส มการแตกราวนอย และมความเปนฉนวน สามารถระบายความรอนในแผงวงจรอเลกทรอนกสไดรวดเรว ใชกบงานวงจรไฟฟาทมความสงไดด

แบเรยมโทเทเนต (BaTiO3) ใชมากในงานอเลกทรอนกส โดยเฉพาะอยางยงตวคาพาซเตอรหรอตวเกบประจมความเปนฉนวนไฟฟาทสงมาก ท าใหสามารถสรางเปนตวเกบประจขนาดเลกมากๆ ได

โบรอนคารไบต (B4C) มความแขงสงเปนอนดบท 3 รองจากเพชร ควบกโบรอนไนไตรด (CBN) ใชในการท าตวปองกนนวเคลยร งานทตองการความทนทานการเสยดส เปนสวนประกอบของเกราะกนกระสน แตทอณหภมสงใชงานไมคอยดนก

เพชร (C) มความแขงสง ใชเปนวสดขดถส าหรบการเจยระไนและขดเงา ใชเคลอบผวแขงโดยวธ CVD (Chemical Vapor Deposition) ส าหรบงานทตองการความทนการเสยดส เชน เครองมอดด

เลดเซอรโคเนยมไทเทเนต (Lead Zirconium Titanate: PZT) ใชเปนวสดเพยโซอเลกทรก (piezoelectric material) โดยทความดนหรอความเคนจะท าใหเกดแรงเคลอนไฟฟากบวสดชนดน หรอแรงเคลอนไฟฟาจะท าใหเกดความเครยด (Strain) กบวสดชนดน จงถกประยกตใชเปนตวตรวจวดส าหรบเรอด าน า ตวจดเผาไหมแกสและอลตราซาวดอมเมจ (Ultrasound imaging)

ซลกา (SiO2) เปนวสดพนฐานในงานเซรามกและแกว ฉนวนความรอน วสดทนไฟ วสดขดถ วสดผสมเสนใยเสรมแรง อปกรณทดลองในหองทดลอง เสนใยน าแสงในงานสอสาร ผงซลกาใชเปนสวนผสมของยางรถยนต ส เปนตน

ซลคอนคารไบต (SiC) ตานทานตอการเกดออกซเตชนทอณหภมเหนอจดหลอมเหลวของเหลกกลา ใชเคลอบผวโลหะและวสดประเภทคารบอน คารบอนและเซรามกอน เพอปองกนออกซเตขนทอณหภมสง ซลคอนคารไบตยงถกใชเปนวสดขดถในหนเจยระไน และอนภาคหรอเสนใยเสรมแรงส าหรบวสดผสมทมแมทรกซเปนโลหะ และเซรามกใชเปนตวใหความรอนในเตาอบชบ ใชเปนวสดกงตวน าในงานอเลกทรอนกสทอณหภมสงๆ

ซลคอนไนไตรต (Si3N4 ) มสมบตทคลายซลคอนคารไบต แตมความแขงแรงและตานทานการเกดออกซเตชนทอณหภมต ากวา ทงซลคอนไนไตรตและซลคอนคารไบตถกใชในงานชนสวนเครองยนตและแกสเทอรไบนทมการท างานในอณหภมสง ชวยใหการใชเชอเพลงมประสทธภาพดกวาการใชโลหะมาก

ยเรเนยมไดออกไซต (UO2) ใชในงานเชอเพลงปฏกรณปรมาณ เนองจากมเสถยรภาพในการรกษาขนาด

ซงคออกไซต (ZnO) ใชเปนตวแรงในกระบวนการวดคาไนซของยางทผลตยางรถยนต ใชผสมส อปกรณปองกนคลนรบกวน และสวนผสมของแปงทาตวและขผงทาผว



ตารางท 7.10 หนาทการใชงานของเซรามกชนดตางๆ

หนาท การประยกตใช ตวอยางเซรามกทใชงาน

น าแสง ไฟเบอรออปตก

แกว

เลเซอร ไลตตง (Lighting)

SiO2

Al2O3

แกว

ยานยนต ตวรบรออกซเจน เซลลเชอเพลง หวเทยน

ยาง กระจก

ZrO2

Al2O3

เครองกล/โครงสราง เครองมอดด

วสดผสม

วสดขดถ

Al2O3

SiC

เสนใยแกวซลกา ไบโอเมตคล

(biomedical)

สงทฝงเขาไปในรางกาย

ทนตกรรม

อลตราซาวตอมเมจ (Ultrasound imaging)

Al2O3

กอสรางอนๆ อาคาร อปกรณปองกนอาวธ

ตวรบร นวเคลยร กระบวนการผลตโลหะ

คอนกรต

แกว วสดภณฑ

SnO2

UO2

เคม สารเปลอกอตราการเกดปฏกรยา ตวกรองอากาศ ของเหลว

ตวรบร ส ยาง

ออกไซตตางๆ

เครองใชภายในบาน สขภณฑ เครองแกว

เครองปนดนเผา ศลปะ

เครองประดบ

ดนเหนยว อะลมนา แกว-เซรามก เพชร พลอย



7.6 โครงสรางของแกว

การศกษาโครงสรางของแกวจะเรมตนจากโครงสรางซลเกต ทงนเนองจากโครงสรางซลเกตเปนพนฐานทจะประกอบเปนโครงสรางของแกวชนดตางๆ โครงสรางซลเกตคอ รปทรงสหนา (Tetrahedron) ของ (SiO4)

-4 โดยมซลคอนอยศนยกลางของไอออนของออกซเจนทมการจดเรยงตวอยางสมมาตร (SiO4)-4

หนงหนวยอาจเชอมตอกบแคตไอออนหรอไอออนของออกซเจนตวอนและเกดเปนซลเกตชนดตางๆ ซงจ าแนกตามทศทางการเชอมตอของรปทรงสหนาดงน คอ

กลมทมโครงสรางมากกวา (SiO4)-4 รปทรงสหนา กลมนถกแยกออกมาตางหากเนองจากมการ

เชอมโยงกนของ (SiO4)-4 รปทรงสหนามากกวาสองกลมทบรเวณมมตางๆ ซงท าใหเกดเปนกลม (Si2O7)

6- กลมวงแหวน (Si3O9)

6- , (Si4O12)8- และ (Si6O18)

12- ดงแสดงในรปท 7.16 ดงนนกลมนจงถกแยกออกมารวมกนเปนกลมเฉพาะอกกลม โครงสรงวงแหวนของ (Si4O12)

8- ประกอบไปดวยซโอไลต (Zeolite) ทใชเปนวสดแคตาไลตในอตสาหกรรมปโตรเลยม

(ก) (ข) (ค)

รปท 7.16 โครงสรางกลมซลเกต (ก) เชอมตอกน 2 หนวย (ข) วงแหวน 3 หนวย (ค) วงแหวน 6 หนวย


โครงสรางแบบแผน (Sheet Structure) โครงสรางทเกดขนจากการแชรของไอออนออกซเจนสามตวของแตละ (SiO4 )-4 รปทรงสหนา ดงแสดงในรปท 7.17 สงผลท าใหเกดสวนผสมทเปนชนๆ ซงเชอมเปนสมการ n2 (Si2O5)

2- วสดทเปนดนเหนยวสวนมาก เชน เคโอลไนต (Kaolinite) จะมโครงสรางทเปนแผนแบบน และสงผลตอพฤตกรรมการเกดการแขวนลอยและสมบตทางกล เนองจากดานทงสองของโครงสรางแบบแผนจะมขวทตรงกนขาม คอ ประจบวกดานหนงและประจลบดานหนง จากลกษณะของขวทตรงขามแบบน ท าใหเกดปฏกรยากบน าไดงาย และท าใหมสภาพเปนพลาสตก คอ ออน เหนยว ผวของโครงสรางแบบแผนทอยตดกนจะเกดการเลอนผานกนไดงาย



รปท 7.17 โครงสรางซลเกตแบบแผน


7.7 สมบตของแกว

7.7.1 ความหนด-จดหลอมเหลว และอณหภมแทรนซซน

การเดมสารบางชนดเขาไปในแกว กเพอเพมความสามารถในการขนรปของแกวใหดขน โดยสารทเพมเขาไปนนจะชวยใหจดหลอมเหลวต าลง และลดลงหนดในการไหลใหนอยลงท าใหไหลตวดขน ปกตแลวแกวจะมความหนดทอณหภมเหนออณหภมแทรนซซน (Transition Temperature) ทงนเนองจากพนธะระหวางอะตอมสามารถตานทานการเปลยนรปของแกวทอณหภม เหนออณหภมแทรนซซน และเมออณหภมสงขน ความหนดกจะลดลง

7.7.2 สมบตทางกลของแกว

แกวเปนวสดเปราะ ดงนนความแขงแรงของแกวจงขนอยกบขนาดของรอยแตกราวระดบไมโคร ปรมาตร สภาพแวดลอม และแฟรกเจอรทฟเนสส ตารางท 7.11 แสดงสมบตทางกลของแกวชนดตางๆ จะเหนไดวาแกวชนดตางๆ มคาแฟรกเจอรทฟเนสสทต ามาก



ตารางท 7.11 สมบตทางกลของแกวชนดตางๆ

แกว

มอดลสของยง อตราสวน ปวสซอง

พลงงานพนผว แฟรกเจอรทพเนสส

GPa 10 psl N/m Lbf/tt MPa m Ksi in

SIO

GeO

B O

Se

As Se

Ge As Se

Ge As Se

PbO – 4B O

อะลมโนซลเกต(Aluminosilicate)

โบโรซลเกต (Borosilicate)

โซดา-ไลม-ซลกา

(Soda-lime-silica)

20Ls O – 30Al O -50 SiO

37.5 Y O – 8.6 AIO

37.55 Si N -6.4 SiO

73

43

17

10

17

29

18

60

75

60

66

100

183

10.6

6.2

2.5

1.5

2.5

4.2

2.6

8.7

10.8

8.7

9.6

14.5

26.5

0.17

0.21

0.26

0.33

0.29

0.26

...

0.26

...

...

...

...

0.26

4.4

...

...

...

...

...

4.0

4.6

3.9

...

...

0.30

...

...

...

...

...

0.27

0.31

0.26

...

...

0.79

…

…

….

….

….

0.25

…

0.91

0.77

0.75

…

…

0.72

…

…

…

…

…

0.23

…

083

0.70

0.68

…

…



7.8 กระบวนการการผลตและการใชงานของแกว

แกวเปนวสดทมโครงสรางอสณฐานหรอไมมผลก ดงนนการแขงตวของแกวจงแตกตางจากการแขงตวของวสดทมผลกอยางโลหะ โลหะบรสทธจะเกดขนทจดแขงตว โดยจะเกดผลกขนในโลหะหลอมเหลวและขยายตวเปนเกรน ขณะแขงตวปรมาตรจะลดลงอยางรวดเรวและเกดขนทอณหภมคงทแตส าหรบแกวแลว เมอเกดการลดลงของอณหภมและเกดการแขงตว ปรมาตรจะคอยๆ ลดลง โดยความชนจะมากหรอนอยขนอยกบอตราการเยนตวชาหรอเรว ขณะแขงตวของแขงจะมความหนดมากขนจดทเสนกราฟเรมเปลยนความชนเราเรยกวา อณหภมเปลยนแปลงสภาพเปนแกว (Glass Transition Temperature: Tg)

7.8.1 กระบวนการผลตแกว

กระบวนการผลตแกว เรมแรกคอ การหลอมวตถดบ จากนนจงน าไปขนรปตามวธตางๆ จดหลอมเหลวของซลกาบรสทธทใชหลอมเปนแกวจะอยทประมาณ 1,700 ๐C การเตมหนปนหรอไลม (Lime) และโซดาแอช (Soda ash) เขาไปจะชวยท าใหจดหลอมเหลวลดต าลง ทงหนปน (CaO) และโซดาแอช (Na2O) ท าหนาทเปนฟลกซของซลกาและลดอณหภมการหลอมเหลวลง ดงนนการเตรยมวตถดบใหมน าหนกสอดคลองกบสวนผสมจงเปนเรองจ าเปนอยางยง

การผลตขวดแกวเรมจากการผลตแกวทมลกษณะเปนกอน (Gob) ทอยในสภาวะพลาสตกหรอออนตวเนองจากความรอน จากนนกอนดงกลาวจะถกน าไปใสลงในแมพมพเพอขนรปเปนแพรสน (รปท 7.18) โดยปลายของแมพมพสวนลางมหวทปทมปลายแหลมเพอท าใหเกดชองวางทเปนปากทางเขาของอากาศ จากนนอดอากาศเขาไปท าใหเกดการขยายตวออกจนเตมแมพมพ กจะไดขวดแกวตามทตองการ

รปท 7.18 การขนรปขวดแกวโดยวธการเปาลม


1. ใสกอนแกวลงในแมพมพ

2. กอนแกวในแมพมพ

3. ลมเปาเขาในแมพมพ

4. แมพมพกลบดาน 5. รอการขนรปเปนขวดแกวตอไป



7.8.2. การใชงานและองคประกอบของแกว

ในการใชงานของแกวนนจะมและสวนผสมทางเคมของออกไซตชนดตางๆ ของแกว ซงจะมความแตกตางกน และขนอยกบชนด องคประกอบของแกว ดงแสดงในตารางท 7.12

ตารางท 7.12 สวนประกอบทางเคมของแกวชนดตางๆ

แกว SIO2 AI2 O3 CaO Na2 O B2O3 MgO PbO อนๆ

ฟวซซลกา (Fused sillica)

ไวเตอร (Vycor)

ไพเรกซ (Pyrex)

ภาชนะบรรจของเหลว

กระจกหนาตาง กระจกแผน

หลอดไฟ

เสนใยแกว

เทอรโมมเตอร แกวตะกว (lead glass)

เสนใยอกลาส (E glass)

เสนใยเอสกลาส (S glass)

99

96

81

74

72

73

74

64

73

67

55

65

2

1

1

1

1

14

8

15

26

5

10

13

5

16

20

4

15

14

13

16

10

6

4

12

10

10

10

4

2

4

10

17

10%K2O

แกวฟวซซลกา (Fused Silica) เปนแกวทมองคประกอบชนดเดยว ราคาแพง ขนรปยาก ใชท าหน า ต า งกระสวยอวกาศ เน อ ง จ ากแส งผ าน ได ด แ ละ ใช ท า อปก รณ ส เปก โทร โฟ โต ม เ ตอ ร (Spectrophotometer) แกวโซดา-ไลม (Soda-Lime) เปนแกวทพบทวไป เปนชนดทธรรมดาทสด มสวนประกอบของ SiO2 71-73% NA2O 12-14% และ CaO 10-12% การเตม AI2O3 0.5-1.5% จะชวยเพมความแขงแรงขน แกวชนดนจะใชท าแผนกระจก ภาชนะบรรจ ถวยชาม และผลตภณฑทางการแพทยหรออปกรณทตองทนสารเคมทวไป แกวโบโรซลเกต (Borositicate) การผลตจะใช B2O3 แทน Na2O แทน K2O ใสลงไปในแกวซลกา ท าใหจดออนตวลดลงและขยายตวนอย แกวชนดนบางครงเรยกวา แกวโพเรกซ (Pyrex glass) ใชท าอปกรณในหองทดลองวทยาศาสตรและทอแกว เปนตน แกวตะกว (Lead Glass) การผลตจะใชตะกวออกไซต (PbO) เปนตวปรบปรงเตมลงไปในแกวซลกา แกวชนดนจะมจดหลอมเหลวทต า ใชท าหลอดภาพ หลอดฟลออเรสเซนต ใชท าเลนดหรอออปตคอลกลาส (Optical glass) เนองจากมการหกเหแสงทสง



7.9 สรป

1. วสดเซรามกมประโยชนหลายอยางเนองจากจดหลอมเหลวทสงมาก และมการขยายตวเนองจากความรอนทต า เชน เปนวสดทนไฟในอตสาหกรรมหลอมโลหะ ทนความรอนของยานอวกาศและเครองบน ใชในชนสวนอปกรณอเลกทรอนกสไฟ โดยเซรามกแบงเปน 2 ประเภท คอ

แบบท 1 เซรามกดงเดม (Traditional Ceramic) ประกอบไปดวย ดน ซลกา ซเมนต กระเบอง อฐ ถวยชาม เปนตน

แบบท 2 เซรามกในงานวศวกรรม (Engineering Ceramic) เปนเซรามกทเปนสารประกอบทมความบรสทธสง ไดแก อะลมนา เซอรโคเนย ใชท าเครองยนต เสนใยเสรมแรง ใชเปนวสดฉนวนของหวเทยน เปนตน 2. กระบวนการผลตเซรามก จะน าเซรามกมาหลอมและขนรปเหมอนโลหะนนจะท าใหยากมาก จงใชวธการน าวตถดบทเปนผงเซรามกมาผสมกนแลวขนรป จากนนจงใชความรอนท าใหผงเซรามกเกดการประสานกนเกดขน คอ ซนเทอรง (Sintering) หรอกระบวนการวสดผง (Powder Processing) กรรมวธการผลตเซรามกประกอบไปดวย การเตรยมผงวตถดบ การขนรป และการเผา

3. การประยกตใชงานเซรามค ตวอยางเชน เพชร (C) มความแขงสง ใชเปนวสดขดถส าหรบการเจยระไนและขดเงา ใชเคลอบผวแขงโดย

วธ CVD (Chemical Vapor Deposition) ส าหรบงานทตองการความทนการเสยดส เชน เครองมอดด โบรอนคารไบต (B4C) มความแขงสงเปนอนดบท 3 รองจากเพชร ควบกโบรอนไนไตรด

(CBN) ใชในการท าตวปองกนนวเคลยร งานทตองการความทนทานการเสยดส เปนสวนประกอบของเกราะกนกระสน แตทอณหภมสงใชงานไมคอยดนก

4. แกวเปนวสดแขงทมรปลกษณะอยตว และเปนเนอเดยว โดยปกตแลวเกดจากการเยนตวลงอยางฉบพลนของวสดหลอมหนด คณสมบตของแกวนสามารถเปลยนแปลงไดงายดวยการผสมสารอนลงในเนอแกว หรอการปรบสภาพดวยการใชความรอน เชน การเปาลมรอน

5. การประยกตการใชงานแกว แกวฟวซซลกา (Fused Silica) เปนแกวทมองคประกอบชนดเดยว ราคาแพง ขนรปยาก ใช

ท าหนาตางกระสวยอวกาศ แกวโซดา-ไลม (Soda-Lime) เปนแกวทพบทวไป เปนชนดทธรรมดาใชท าแผนกระจก ภาชนะบรรจ ถวยชาม และผลตภณฑทางการแพทย แกวโบโรซลเกต (Borosilicate) แกวชนดนบางครงเรยกวา แกวโพเรกซ (Pyrex glass) ใชท าอปกรณในหองทดลองวทยาศาสตรและทอแกว เปนตน




1. พนธะใดทพบมากในวสดเซรามก

ก. ไอออนก (ionic)

ข. โคเวเลนด (covalent)

ค. เมทอลลก (metallic)

ง. ก และ ข

2. เลขโคออดเนชน (coordination number : CN) ของวสดเซรามกหมายถงอะไร

ก. จ านวนแคตไอออนทลอมรอบแอนไอออน

ข. จ านวนแอนไอออนทลอมรอบดวยแคตไอออน

ค. จ านวนอเลกตรอนของแคตไอออน

ง. จ านวนอเลกตรอนของแอนไอออน

3. ผลกเกลอหน (rock salt) เปนโครงสรางผลกชนดใด

ก. AX2 ข. ABX3

ค. AX ง. แกรไฟต (graphite)

4. ในเฟสไดอะแกรมของเซรามก ปรากฏการณฟลกซง (fluxing) หมายถงอะไร

ก. การลดอณหภมหลอมเหลว

ข. การท าใหเกดการตกผลก

ค. การเพมความหนด

ง. การเพมความบรสทธใหแกเซรามก



5. การขนรปโดยใหความดนอดผงเซรามกอยางสม าเสมอทกทศทกทาง เปนการขนรปแบบใด

ก. สลบแคสตง (slip casting)

ข. ดรายเพรสซง (dry pressing)

ค. ฮอดเพรสซง (hot pressing)

ง. ไอโซสแตตก เพรสซง (isostatic pressing)

6. ฉนวนหวเทยนในรถยนตใชวสดชนดใดในการผลต

ก. อะลมนา (AI2O3)

ข. คอรเดยไรต (cordierite, 2MgO-2Al2O3 -5SiO3)

ค. แบเรยมไทเทเนต (BaTIO3)

ง. เลดเซอรโคเนยมไทเทเนต (Lead zirconium titanate: PZT)

7. งานชนสวนคาพาซเตอรหรอตวเกบประจ ใชวสดชนดใด

ก. อะลนมา (AI2O3)

ข. คอรเดยไรต (cordierite, 2MgO-2Al2O3 -5SiO3)

ค. แบเรยมไทเทเนต (BaTIO3)

ง. เลดเซอรโคเนยมไทเทเนต (Lead zirconium titanate: PZT)

8. เซรามกไมเหมาะกบงานประเภทใด

ก. ทนการกดกรอน

ข. ทนแรงกระแทก

ค. ทนการเสยดส

ง. ทนความรอน



9. ขอใดไมใชหลกการเพมแฟรกเจอรทฟเนสส (fracture toughness)

ก. การเปลยนสภาพเฟส

ข. การเสรมเสนใยเสรมแรง

ค. การท าใหเมทรกซ (matrix) ออนทงชนงาน

ง. การท าใหเฟสเสถยรภาพบางสวน

10. แกวชนดใดมคาดชนการหกเหสง และนยมน าไปท าเปนหลอดฟลออเรสเซนซ (fluorescence)

ก. เลดกลาส (lead glass)

ข. แกวโซดา-ไลม (soda-lime glass)

ค. แกวโบโรซลเกต (borosilicate glass)

ง. แกวฟวสซลกา (fused silica glass)

11. กระบวนการใดเหมาะส าหรบการผลตขวดแกวมากทสด

ก. กระบวนการลอยตว

ข. กระบวนการกดลากขนรป

ค. กระบวนการเปาขนรป

ง. กระบวนการดงขนรป

12. ภาชนะบรรจถวยชามผลตจากแกวชนดใด

ก. เลดกลาส (lead glass)

ข. แกวโซดา-ไลม (soda-lime glass)

ค. แกวโบโรซลเกต (borosilicate glass)

ง. แกวฟวสซลกา (fused silica glass)



13. ขอใดไมใขเซรามกวศวกรรม (engineering ceramic)

ก. พอรซเลน (porcelain)

ข. อะลมนา (alumine)

ค. ซลคอนไนไตรด (silicon nitride)

ง. เซอรโคเนย (zirconia)

14. การเพมความแขงแรงใหกบแกวโดยวธเทมเปอร (temper) มหลกการอยางไร

ก. ท าใหเกดความเคนแรงอดในเนอแกว

ข. ท าใหเกดความเคนแรงดงในเนอแกว

ค. ท าใหเกดความเคนแรงดงทผวและความเคนแรงอดภายในเนอแกว

ง. ท าใหเกดความเคนแรงอดทผวและความเคนแรงดงภายในเนอแกว

15. เพยโซอเลกทรกเซรามก (piezoelectric ceramic) เชน แบเรยมไทเทเนต มสมบตเดนในดานใด

ก. มทฟเนสสสง

ข. มความแขงแรงสง

ค. มสมบตดานคงทนตอการเปลยนแปลงความรอน

ง. สามารถเปลยนสมบตทางกลใหเปนสมบตทางไฟฟาและในทางกลบกนได

16. เซรามกสามารถรบแรงชนดใดไดดทสด

ก. ดง (tension)

ข. อด (compression)

ค. บด (torsion)

ง. กระแทก (impact)



17. สารประกอบออกไซตประเภทใดทชวยท าใหความหนดของแกวต าลง

ก. Na2O ข. Al2O

ค. SiO2 ง. TiO2

18. ขอใดไมถกตองเมอกลาวถงโครงสรางของแกว

ก. แกวมโครงสรางแบบไมเปนผลก

ข. โครงสรางของแกวเกดจากการยดกนของ (SiO4 )4-

ค. พนธะโครงสรางของแกวยดกนดวยพนธะไอออนก

ง. แกวมโครงสรางเปนตาขาย (network structure) ซงทมทศทางไมแนนอน

19. ถาตองการขนรปทอเซรามกทมความยาวและมหนาตดเหมอนกนตลอดความยาวชนงาน 1 เมตร

ควรขนรปดวยวธใด

ก. การอด (pressing)

ข. การอดรด (extrusion)

ค. การฉด (injection)

ง. การเปา (blowing)

20. ในการบดผสมวสดดบส าหรบผลตเซรามก ท าไมจงตองมการควบคมการกระจายขนาดอนภาค

(Particle size distribution)

ก. เพอใหวตถดบหลอมตวไดด

ข. เพอใหวตถดบไมเกดการหดตวหลงใหความรอน

ค. เพอใหวตถดบผสมกนไดดยงขน

ง. เพอใหวตถดบสามารถอดตวกนเพอใหมชองวางนอยทสด






New York: John Wiley & Sons. http://www.satriwit3.ac.th/external_newsblog.php?links=1721

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 8 วสดผสม

หวขอเนอหา 8.1 วสดผสมทเสรมแรงโดยอนภาคและวสดทเปนเมดผง

8.1.1 วสดผสมทเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาค 8.1.2 วสดผสมรปรางเปนเมดผง

8.2 วสดผสมเสนใยเสรมแรง (Fiber Reinforced Composite) 8.2.1 เสนใย (Fiber) 8.2.2 วสดเมทรกซ (Matrix) 8.2.3 การยดเหนยวและการแตกหก

8.3 ไม (Wood) 8.3.1 องคประกอบและโครงสรางของไม 8.3.2 ไมเนอออนและไมเนอแขง 8.3.3 ปรมาณความชนและความหนาแนนของเนอไม 8.3.4 สมบตทางกลของไม 8.3.5 การยดและหดตวของไม

8.4 คอนกรตและยางมะตอย 8.4.1 สมบตของคอนกรต 8.4.2 คอนกรตเสรมแรงและคอนกรตพรสเตรส (Pre stressed Concrete) 8.4.3 ยางมะตอย

8.5 สรป



1. อธบายเกยวกบหลกการวสดผสม

2. อธบายเกยวกบกฎของของผสมและการค านวณ 3. สามารถค านวณหาปรมาณความชนและความหนาแนนของเนอไม ชนดและปรมาณของวสดแอก

กรเกต 4. อธบายเกยวกบวสดผสมทเสรมแรงโดยอนภาค วสดผสมเสนใยเสรมแรง ไม คอนกรตและยางมะ

ตอย



วธสอนและกจกรรม 1. ทบทวนเนอหาในบทท 7 และเฉลยการบานในบทท 7

2. อธบายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน

3. แบงกลมท าแบบฝกหดทายบทท 8 หรอทดสอบยอย และตรวจสอบค าตอบของผเรยน 4. สอบถามผเรยนถาผเรยนมค าถามสงสย 5. สรปเนอหา



1. สงเกตจากพฤตกรรมและบรรยากาศระหวางเรยน 2. ถามตอบระหวางเรยน 3. แบบฝกหดทมอบหมายใหในแตละครง การประเมนผล 1. ท าแบบฝกหดมความถกตองไมนอยกวา 80%

บทท 8 วสดผสม 281


บทท 8 วสดผสม

ในปจจบนวสดผสมหรอวสดคอมโพสต (Composite Materials) มบทบาทตอชวตประจ าวนอยาง

มาก เนองจากวสดผสมนนเปนวสดทรวมคณสมบตเดนของแตละวสดเขาดวยกน เชน วสดประเภทพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย จะมสมบตดานความแขงแรงด ขณะเดยวกนวสดทมรปรางเปนอนภาคหรอเปนเมดผง (Particulate) มน าหนกเบาและทนการกดกรอนได อกทงเปนฉนวนทางไฟฟาไดด ดงแสดงในรปท 8.1

ดงนนวสดผสม หมายถง วสดทเกดจากการน าวสดมากกวาสองชนดทมองคประกอบทางเคมทแตกตางกนมาผสมหรอมารวมกน (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555) แลวเกดเปนวสดใหมทมสมบตแตกตางไปจากวสดเดม การผสมการผสมกนของวสดสองชนดนนจะมตงแตระดบเลกเปนนาโนคอมโพสต (Nano Composite) จนถงระดบทตามองเหนไดขนาดแมคโครโพสต (Macro composite) เหตผลของของการท าวสดผสมขนมา กเพอทจะสรางสมบตบางอยางทวสดเดมมขดจ ากดอย เชน ความแขงแกรง ความแขงแรง น าหนก สมรรถนะทอณหภมสง ความตานทานกดกรอน ความแขงและน าไฟฟา เปนตน

(ก) วสดผสมประเภทพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย (ข) วสดทมรปรางเปนอนภาคหรอเมดผง (ไมอด)

รปท 8.1 วสดผสมหรอวสดคอมโพสต

(ทมา: http://www.survivalworld.com/science/composite-material.html#.W256ZOgzbIU)



8.1 วสดผสมทเสรมแรงโดยอนภาคและวสดทเปนเมดผง

ณรงคศกด ธรรมโชต (2555) วสดผสมทเสรมแรงโดยอนภาคหรอวสดเปนเมดผง (Particle Reinforce Composite) อาจจ าแนกออกเปน 2 กลม โดยกลมท 1 คอกลมทเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาค และกลมท 2 คอวสดผสมรปรางเปนเมดผง วสดผสมทง 2 กลมจะมความแตกตางตรงกลไกลการท าให เกดความแขงแรง โดยกลมแรกจะเปนการเพมความแขงแรงในระดบอะตอมหรอโมเลกล ขนาดของอนภาคจะเลกมาก สวนกลมท 2 วสดผสมจะเปนเมดขนาดใหญ การเพมความแขงแรงจะอาศยการถายเทความเคนระหวางเมดของวสดผสมกบแมทรกซ

8.1.1 วสดผสมทเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาค

วสดผสมทเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาค (Dispersion-Strengthened Composites) น อนภาคจะมขนาดเลกมาก โดยขนาดเสนผานศนยกลางจะอยท 10 – 250 nm อนภาคทเพมความแขงแรงเหลานปกตแลวจะเปนโลหะออกไซด (Metallic oxide) ทกระจายตวอยในเมทรกซ (Matrix) หรอเฟสของวสดหลก โดยอนภาคทกระจายตวจะไมมการยดเหนยวหรอเชอมโยงกบแมทรกซแตอยางใด อนภาคทกระจายตวอยจะท าหนาทในการขดขวางการเคลอนทของดสโลเคชน ซงจะท าใหวสดมความแขงแรงเพมขน ความแขงแรงของวสดผสมประเภทนจะมนอยกวาโลหะผสมทผานการอบชบแบบตะกอน (Precipitation Hardening) กรณใชงานทอณหภมหอง อยางไรกตามปญหาเรองการใชงานทอณหภมสงแลวความแขงแรงจะลดลงนน มนอยกวาโลหะผสมทท าการอบชบมา ทงนเพราะโลหะทผานการอบชบมาจะมปญหาเกยวกบการบมเกนขนาด (Overaging) การท าเทมเปอรทอณหภมสงเกน (Overtempering) และเกรนโตเกนขนาด (Grain growth) สงส าคญของวสดผสมกลมนคอ อนภาคทผสมอยควรมความสามารถในการละลายเขากบแมทรกซนอยทสดและไมควรท าปฏกรยาเคมกบแมทรกซ ดงเชน ทองแดงออกไซด (CU2O) จะละลายเขากบเนอของทองแดงทอณหภมสงดงนนวสดผสมระหวาง CU2O – CU ความแขงแรงจงไมเพมขนจากอทธพลของ CU2O ตางจาก AI 2O3 ซงจะไมละลายในวสดผสมระหวาง AI 2O3 –AI จงท าให AI 2O 3 สงผลตอความแขงแรงของวสดผสมชนดนใหสงขน ดงแสดงในตารางท 1 แสดงตวอยางและการใชงานของวสดผสมประเภทน ตามกรรมวธการผลตวสดผสมโดยการกระจายอนภาคมหลายวธ เชน วสดผสม SAP จะมเนออลมเนยมเปนเมทรกซและอนภาคของ AI 2O3 กระจายตวอย 14% การขนรปจะอาศยหลกการของโลหะผงวทยา (Powder Metallurgy) โดยอาจใชวธการผสมผงอะลมเนยมและผง AI 2O3 เขาดวยกนแลวอดดวยแรงดนสงๆ จากนนน าไปผาน กระบวนการเผาซนเทอร (Sintering)



ตารางท 8.1 ตวอยางวสดผสมประเภททเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาคและการใชงาน

ชนดของวสดผสม การใชงาน

Ag - CdO AI - AI 2O3 Be - BeO

Co – ThO2, Y2O3

Ni – 20%Cr – ThO2

Pb - PbO Pt – ThO2

W – ThO2, ZrO2

วสดหนาสมผสทางไฟฟา ใชในงานเตาปฏกรณปรมาณ

ยานอวกาศและเตาปฏกรณปรมาณ วสดแมเหลกตานทานการลาตว สวนประกอบกงหนเทอรไบน

แผนแบตเตอร ลวดตวน าและชนสวนทางไฟฟา ลวดตวน าและขดลวดความรอน

8.1.2 วสดผสมรปรางเปนเมดผง

วสดผสมทเปนเมดผง (Particle Composite) จะประกอบไปดวยอนภาคขนาดใหญทไมมผลตอการเกดดสโลเคชนหรอการเลอนผานเหมอนกลมแรก แตจะมการเพมหรอท าใหเกดสมบตใหมขน โดยอาศยสมบตรวมระหวางวสดทมาผสมกนท าใหเกดความแขงแรงหรอสมบตอนๆ ทเราตองการ วธการท าวสดผสมชนดนกระท าโดยการเพมเมดผงของวสดทมความแขงแรงผสมเขากบแมทรกซทโดยมากจะออนท าใหไดสมบตทงสองอยางขนมา วสดผสมกลมนไดแก ซเมนตคารไบด วสดขดถ เปนตน กฎของของผสม สมบตของวสดผสมจะเปนอยางไรนนขนอยกบสมบตเฉพาะของวสดแตละขนดทเราน ามาผสมกนเราสามารถคาดการณสมบตของวสดผสมไดจากกฎของของผสม เชน ความหนาแนนของวสดผสมสามารถหาไดจากสมการท 1

Pc = ∑ (fipi) = f1 p1 + f2 p2 + …..+fn pn (1)

เมอ

Pc คอ ความหนาแนนของวสดผสม

P1, P 2, …., Pn คอ ความหนาแนนของวสดผสมแตละชนดทน ามาผสม

f1, f 2, …., fn คอ เศษสวนปรมาตร (Volume Fraction) ของแตละสวนประกอบ



ตวอยางท 8.1 ใบมดซเมนตคารไบดทใชในงานกดแตงประกอบไปดวย WC 75wt%, Tic 15wt%, TaC

5wt%, และ Co 5wt% จงประมาณคาความหนาแนนของวสดผสมชนดน

วธท า ความหนาแนของแตละวสดคอ Pwc =15.77 g/cm3 ,PTiC = 4.94 g/cm3 , PTaC =14.5

g/cm3 pco = 8.90 g/cm3 ตามล าดบ ค านวณหาเศษสวนปรมารตจากเปอรเซนตของน าหนกของวสดแตละชนด จะได

Fwc = 75 /15.77

75 /15.77 15 / 4.94 5 /14.5 5 / 8.9 =

70.8

76.4 = 0.547

fTiC = 70.8

94.4/15 = 0.39

fTaC = 70.8

5.14/5 = 0.040

fco = 70.8

90.8/5 = 0.064

จากกฎของของผสม ความหนาแนนของวสดผสม คอ

Pc = )( fipi = (0.547)(15.77)+(0.349)(4.94)+(0.040)(14.5)+(0.064)(8.9)

= 11.50 g/cm3

ซเมนตคารไบด (Cement Carbide) หรอเซอรเมต (Cermet) เปนวสดผสมทประกอบไปดวยอนภาคหรอเมดของเซรามกซชนดแขงกระจายตวอยในแมทรกซทเปนโลหะ ตวอยางวสดผสมกลมน ไดแก ทงสเตนคารบด ทใชท าเครองมอคมตดในงานกดแตงตางๆ ซงมสมบตทแขงและจดหลอมเหลวสงและหากตองการเพมความเหนยวใหกบทงสเตนคารไบด จะใชวธการน าผงของทงสเตนคารไบดผสมกบผงของโคบอลตและอดดวยแรงดนสงใหเปนรปทรงทตองการ จากนนใหความรอนโคบอลตหลอมละลายใหกลายเปนแมทรกซทยดเหนยวเมดของทงสเตนคารไบด และเมอปลอยใหแขงตวโคบอลตจะชวยใหมสมบตตานทานแรงกระแทกไดดขน วสดขดถ หนเจยระไนและไฟเบอรส าหรบตดโลหะเปนวสดผสมทขนรปจากอะลมนา (AI 2O3 ) ชลคอนคารไบด (SiC) และควบกโบรอนไนไตรด (CBN) และเพอเพมความเหนยว วสดผงขดเหลานจะถกจบยดโดยแกวหรอโพลเมอรทเปนแมทรกซ ขณะเปนการใชงาน เมดวสดแขงทเกดการเสยดสจะเกดการแตกหรอหลดออกจากแมทรกซไปท าใหวสดคมตดตวใหมโผลขนมาทดแทน หนาสมผสทางไฟฟา (Electrical Contact) วสดทใชเปนหนาสมผสทางไฟฟาจะตองมสมบตทดความตานทานการเสยดสและความน าไฟฟา ไมเชนนนแลวหนาสมผสจะเกดการสกกรอนไดงาย วสดผสมทประกอบไปดวยทงสเตนทมความแขงแรงและมเงนเปนวสดผสมทใหสมบตของวสดหนาสมผสทางไฟฟาไดด การผลตจะใชผงทงสเตนอดใหเปนรปทรง ดงแสดงในรปท 8.2 การอดจะท าใหไดวสดเปนแทงทมรพรนอย



ทวไป จากนนน าเงนหลอมเหลวมาอดเขาไปในสภาวะสญญากาศ เงนหลอมเหลวจะไปเตมเตมในชองวางและเปนตวยดเหนยวในชองวางและเปนของทงสเตนตดกน วสดผสมดงกลาวจะมความน าไฟฟาทดของเงน และความแขงแรงของทงสเตนจะชวยใหทนการเสยดสดขน

(ก) (ข) (ค)

รปท 8.2 ขนตอนการผลตวสดผสมทางไฟฟา เงน – ทงสเตน (ก) ผงทงสเตนถกอด (ข) ผงทงสเตนทถกอดจะ

ม รพรน (ค) เงนหลอมเหลวถกเตมเขาไปยงชองวางของทงสเตน

โพลเมอร ตวอยางของวสดผสมทเปนอนภาคผสมกบโพลเมอรดงเชน ผงคารบอนในยางวลคารไนซทใชผลตยางรถยนต ผงคารบอนทใชจะมลกษณะกลม และเลกเพยง 5 – 500 nm เตมลงไปเพอเพมความแขงแรง ทฟเนสส ความแขง ความตานทานการเสยดส ตานทานตอการเสอมเนองจากรงสอลตราไวโอเลต และทนตอความรอนสงขน รปท 8.3 (ก) แสดงโครงสรางจลภาคยางรถยนตทมผงคารบอนดผสมเปนตวชวยเพมความแขงแรง ตวอยางอนๆ ของวสดผงทใชรวมกบโพลเมอร เชน ตะกว เขาไปในโพลเมอรเพอเพมความสามารถในการดด กลนรงสทเกดจากปฏกรยานวเคลยร เปนตน ผงโลหะผสมหลอ อะลมเนยมทมผงของ SiC ผสมอยนยมใชในอตสาหกรรมยานยนต เชน ลกสบ เปนวสดผสม ทผลตจากกรรมวธพเศษ โดยใสผงของ SiC ลงไปในอะลมเนยมหลอมเหลว SiC จะไมเกดการหลอมละลายและกระจายตวอยในเนอของอะลมเนยม ดงแสดงในรปท 8.3 (ข) ผงของ SiC จะมความแขงแรงกระจายตวอยในเมทรกซทออนอยางอะลมเนยม

ชองวาง

W

W

AG



(ก) (ข)

รปท 8.3 โครงสรางจลภาค (ก) ยางรถยนตทมอนภาคคารบอนดสด าบนแมทรกซยางสงเคราะห (ข) อะลมเนยมหลอเสรมแรงดวยผงชลคอนคารไบด


8.2 วสดผสมเสนใยเสรมแรง (Fiber Reinforced Composite)

เสนใยเสรมแรงจะชวยเพมความแขงแรง ความตานทานการลาตว มอดล สของยง และอตราสวนตอน าหนกของวสดผสมใหสงขน สมบตตางๆ เหลานเกดขนรวมกนระหวางความแขงแรง ความเหนยวของเสนใยประสานกบความออนเหนยวของเมทรกซ วสดทเปนเมทรกซจะท าหนาทในการถายแรงทกระท าสเสนใยท าใหสามารถรบแรงไดทงหมดโดยไมเสยหาย ความแขงแรงของวสดผสมอาจมไดทงอณหภมสงเปนวสดผสมอะลมเนยมเสรมแรงดวยเสนใยบอรสค (Borsic) วสดเสรมรงนนมมากมายหลายชนดและถกใชมาเปนเวลานาน ดงเชนการใชหญาหรอฟางขาวผสมลงไปเพอเพมความแขงแรงใหกบอฐทท าจากดนเหนยวเมอหลายรอยปกอน หรอการใชเหลกเสนเสรมแรงในคอนกรตเพอท าโครงสราง การใชใยแกวเสรมแรงในเมทรกซทเปนพลาสตกกใชในงานทางดานการขนสงหรอยานอวกาศอยางแพรหลาย เสนใยเสรมแรงทใชผลตจากโบรอน คารบอน โพลเมอร และเซรามก ซงท าหนาทในการเสรมแรง สวนวสดทท าเมทรกซไดแก โพลเมอร โลหะ เซรามก และสารประกอบโลหะบางชนด 8.2.1 เสนใย (Fiber)

วสดทใชเปนเสนใยเสรมแรงนน ประกอบดวยเสนใยแกว เสนใยคารบอน เสนใยแกรไฟต เสนใยอะรามด (Aramid) หรอ อะโรเมตกโพลเอไมด (Aromatic Polyamide) หรอรจกในชอ เคฟลาร (Kevlar) เสนใยโบรอน และเสนใยชลคอนคารไบด เสนใยแกว (Fiber glass) ผลตจากทรายชลกาทผสมสารออกไซดบางชนดเพอลดอณหภมหลอมเหลว และความหนดขณะทรายแกวหลอมเหลว เสนใยแกวแบงออกเปน 4 ชนด แตละชนดมสวนผสมตางๆ ดงแสดงในตารางท 2 ใยแกวชนด A-กลาส (A-glass) เปนเกรดแอลคาไรดสงทมสวนผสมของโซดา-ไลม-ชลกา ใชในงานทตองการทนสารเคม ใยแกวชนด E- กลาส (E-glass) หรอเกรดทางไฟฟา จะมสวนผสมของอะลมโน-โบโรชลเกต มสมบตทางไฟฟาทดและทนทานมาก ใยแกวชนด ECR- กลาส (ECR-glass) มกใชในงานท



ตองการสมบตทางไฟฟาควบคกบความตานทานทางเคมไปพรอมกน สวนใยแกวชนด S- กลาส (S-glass) จะมสวนผสมของแมกนเซยมอะลมโนซลเกต ซงจะไมมโบรอนออกไซดและใชในงานทตองการความแขงแรงทสงมากๆ คงสภาพไดทอณหภมสงๆ แตราคาของ S- กลาส จะแพงกวากลมอน เสนใยแกวนยมใชในการผลตเครองบนและยานอวกาศ หากเปรยบเทยบอายความทนทานตอความชนแลวเสนใย ECR และ S- กลาสจะดกวา A-กลาสมาก เสนใย E- กลาส นยมใชท าแผงวงจรอเลกทรอนกสมาก ทงนเพราะสมบตทางไฟฟาของ E- กลาส นนดมาก อกทงยงรกษาขนาดและรปทรงไดด ทนทานตอความชน และมราคาต า ตารางท 8.2 ชนด สวนผสม และสมบตของเสนใยแกวชนดตางๆ

ชนดแกว

วสด, wt%

ชลกา

อะลมนา

แคลเซยม ออกไซด

แมกนเซยม

โบรอน ออกไซด

โซดา

แคลเซยม ฟลออไรด

ผลรวม ไมเนอร ออกไซด

E- กลาส A- กลาส ECR- กลาส S- กลาส

54 72 61 64

14 1 11 25

20.5 8 22 ……

0.5 4 3 10

8 … … …

1 14 0.6 0.3

1 … … …

1 1

2.4 0.7

สมบตของเสนใยแกว

ชนดแกว

ความ

ถวงจ าเพาะ


มอดลสแรงดง

สมประสทธการขยายตว 106 k

คาคงทไดอเลก

ตรก (a)

อณหภม หลอมเหลว

MPa

psi

GPa

106psi

๐C

๐F

E- กลาส A- กลาส ECR- กลาส S- กลาส

2.58 2.50 2.62 2.48

3450 3040 3625 4590

500 440 525 665

500 440 525 665

10.5 10.0 10.5 12.5

5.0 8.6 5.0 5.6

6.3 6.9 6.5 5.1

1065 996 1204 1454

1950 1825 2200 2650

เสนใยอะรามด (Aramid) หรอมชอเรยกวา เคฟลาร (Kevlar) เปนเสนใยทผลตจากโรเมนตกโพลเอไมด โพลเมอร (Aromatic Polyamide Polymer) ซงมการเพมความแขงแรงโดยการเสรมวงแหวนของเบนซน (รปท 8.4) เขาไปเชอมตอสายโซโพลเมอร ขณะเกดกระบวนการโพลเมอรไรเชชน ลกษณะของสายโซ



ทเกดขนจะมลกษณะยาวคลายเสนลวด สงผลใหเสนใยมความแขงแรงตามแนวยาวทสงมาก ดงจะเหนไดจากการเรยงตวของแนวสายโซโพลเมอร (รปท 8.5)

รปท 8.4 โครงสรางทางเคมของเสนใยเคฟลาร


รปท 8.5 ภาคหนาตดของไมเทนนสโครงสรางทเปนระเบยบเคฟลาร


เคฟลารทนยมใชม 3 ชนด โดยสมบตทางกล ดงแสดงในตารางท 3 เคฟลาร 29 มความหนาแนนต า แตมความแขงแรงสง นยมใชท าอปกรณปองกนกระสนปนและขปนาวธ ใชท าเชอกและสายเคเบล สวนเคฟลาร 49 มความหนาแนนต า แตมความแขงแรงและมอดลสสง นยมใชท าเสนใยเสรมแรงของวสดผสมส าหรบผลตยานอวกาศและเครองบน



ตารางท 8.3 สมบตของเสนใยเคฟลารชนดตางๆ

วสด

ความ

หนาแนน (g/cm3)

เสนผานศนยกลางเสนใย

มอดลสแรงดง ความตานทานแรงดง % การยด

ตว m

m

GPa

106psi

GPa

106psi

เคฟลาร 29 (ทฟเนสสสง) เคฟลาร 49 (มอดลสสง) เคฟลาร149 (มอดลสสงมาก)

1.44 1.44 1.47

12 12 12

470 470 470

83 131 186

12 19 27

3.6 3.6-4.1

3.4

0.53 0.53-0.60

0.500

4.0 2.8 2.0

เสนใยโบรอน เปนวสดทใชท าวสดผสมเสนใยเสรมแรงทมโลหะเปนเมทรกซ (Metal Matrix

Composite: MMC) วธการผลตเสนใยโบรอนจะใชวธการเรยกวา CVD (Chemical Vapor Deposition ) ซงเปนการท าใหโบรอนกลายเปนไอแลววงไปเกาะทลวดทงสเตน แลวเกดการตกตะกอนขนทผวลวดทงสเตน หารผลตเสนใย SiC กจะอาศยวธการเดยวกน โดยเสนใยคารบอนจะถกไอระเหยของชลคอนคารไบดเคลอบทบรเวณผว

เสนใยวสเกอร (Whiskers) ลกษณะของเสนใยไมตอเนองหรอมลกษณะคลายเขมโยมเสนผานศนยกลางประมาณ 1-3 ไมครอน และยาวเพยง 50-200 ไมครอน เปนเสนใยทมความแขงแรงและทนอณหภมสง ดงแสดงในตารางท 8.4



ตารางท 8.4 แสดงสมบตของเสนใยชนดตางๆ

วสด

ความหนาแนน (g/cm3)

ความตานทานแรงดง (psi)

มอดลสยดหยน

(×106psi)

อณหภมหลอมเหลว

(๐C)

มอดลสจ าเพาะ (×107 in)

ความแขงจ าเพาะ (×106in)

โพลเมอร เคฟลาร ไนลอน โพลเอทลน

1.44 1.14 0.97

650 120 480

18.0 0.4 25.0

500 249 147

34.7 1.0 7.1

10.1 2.9 13.7

โลหะ เบรลเลยม โบรอน ทงสเตน

1.83 2.36 19.40

185 500 580

44.0 55.0 59.0

1277 2030 3410

77.5 64.7 8.5

2.8 4.7 0.8

แกว E- กลาส S - กลาส

2.55 2.50

500 650

10.5 12.6

‹1725 ‹1725

11.4 14.0

5.6 7.2

คารบอน HS (ความแขงแรงสง) HM (มอดลสสง)

1.75 1.90

820 270

40.0 77.0

3700 3700

63.5 112.0

13.0 3.9

เซรามก Al2O3 B4C SIC

Zro2

3.95 2.36 3.00 4.84

300 330 570 300

55.0 70.0 70.0 50.0

2015 1450 2700 2677

38.0 82.4 47.3 28.6

2.1 3.9 5.3 1.7

เสนใยวสเกอร Al2O3 โครเมยม แกรไฟต SIC Si3N4

3.96 7.20 1.66 3.18 3.18

3000 1290 3000 3000 2000

62.0 35.0

102.070.0 55.0

1982 1890 3700 2700

43.4 13.4 170.0 60.8 47.8

21.0 4.9 50.2 26.2 17.5



8.2.2 วสดเมทรกซ (Matrix)

เมทรกซจะท าหนาทเปนตวรองรบและยดเหนยวเสนใยใหอยในต าแหนงทเหมาะสม ท าหนาทในการถายโอนแรงไปยงเสนใยทแขงแรง ปองกนการเสยหายของเสนใยจากกระบวนการผลตและการใชวสดผสม อกทงยงปองกนการรกรามของรอยแตกราวทเกดขนกบเสนใยอกดวย

โพลเมอร เปนวสดทนยมน ามาใชเปนเมทรกซของวสดผสมทงกลมทเปนเทอรโมเซตตง และเทอรโมพลาสตกวสดผสมทนยมใชโพลเมอรเปนเมทรกซมากทสดคอวสดเสนใยแกวเสรมแรง การขนรปท าไดหลายวธ ซงจะกลาวถงรายละเอยดในหวขอตอไปน ขอจ ากดของโพล เมอรจะอยทตรงใชงานไดดทอณหภมต าเทานน แมจะมโพลเมอรบางตวอยาง ชนดอะโรเมตกโพลเอไมดทถกใชงานกบอณหภมสงบาง แตยงคงมขดจ ากดอยเมอเทยบกบกลมแมทรกทเปนโลหะและเซรามกซ โลหะ ประกอบดวย อะลมเนยม แมกนเซยม ทองแดง นกเกล และโลหะผสมประเภทสารประกอบ ใชเสรมแรงรวมกบเสนใยทเปนโลหะและเซรามก นยมใชกบชนสวนอวกาศและชนสวนยานยนตทรจกมานามของวสดผสมแมทรกซโลหะ (MMC) สมบตทดของ MMC คอ การใชงานไดดทอณหภมสงๆ แตกระบวนการผลตนนคอนขางยากและมราคาแพง โดยเฉพาะเมอเทยบกบวสดผสมเมทรกซโพลเมอร เซรามก เปนอกกลมหนงทใชงานไดดมากทอณหภมสง และมน าหนกเบากวากลมโลหะ แตขอจ ากดของเซรามก คอ มความเปราะมาก ซงจะกลาวถงรายละเอยดในการเพมความเหนยวใหกบวสดผสมเมทรกซเซรามก (Ceramic Matrix Composite: CMC ) ตอไป

8.2.3 การยดเหนยวและการแตกหก

การยดเหนยวกนระหวางเมทรกซและเสนใยเปนสงทส าคญมาก เพราะหากการยดเหนยวไมด จะท าใหการถายแรงจากเมทรกซไปสเสนใยนนไมด อกทงความเสยหายอาจเกดขนไดงาย ดงแสดงในรปท 8.6 บางครงเพอเพมการยดเหนยวใหดขน อาจมการเคลอบสารบางชนดไสทผวของเสนใย ดงเชน ใยแกวจะมการเคลอบสารไซแลน ไวทผวเพอเพมการยดเหนยวและตานทานความชน หรอเสนใยคารบอนจะมการเคลอบสารอนทรยทผวเพอเพมการยดเหนยวเชนกน เสนใยโบรอนจะถกเคลอบผวเชนกน เสนใยโบรอนจะถกเคลอบผวโดยชลคอน คารไบดหรอโบรอนในไตดเพอเพมการยดเหนยวกบแมทรกซอะลมเนยมดงนนชอของเสนใยชนดนจงถกเรยกวา เสนใยบอรสค (Borsic Fiber) เพอใหคลองกบสารเคลอบทเปนชลคอนคารไบด ( Sic)



รปท 8.6 ผวหนาทเกดการแตกหกของวสดผสมไฟเบอรกลาสอพอกซ (เสนผาศนยกลางของหนาตด 10 ไมโครเมตร)


สมบตอกประการทส าคญเมอมการรวมกนระหวางเสนใยกบแมทรกซคอ สมประสทธการขยายตวเนองจากความรอนของวสดทงสองชนด หากเสนใยและเมทรกซมความแตกตางของการขยายตว เนองจากความรอนทสงมากจะเปนสาเหตของการแตกหกของเสนใยหรอการยดเหนยวอาจเกดการแยกออกจากกนได

8.3 ไม (Wood) ไมเปนวสดทนยมใชในงานกอสรางมานาน โดยเฉพาะอาคารบานเรอน เฟอรนเจอรตางๆ จดเดนของไมคอ ความสวยงามทเกดจากลวดลายไมตามธรรมชาคต อกทงความแขงแรงน าหนกเบา กเปนขอดทท าใหไมยงคงความนยมในอตสาหกรรมกอสราง ไมจดเปนกลมของวสดผสมประเภทวสดผสมเสนใยเสรมแรงแบบซบซอน โดยจะประกอบไปดวยเซลลของโพลเมอรทมลกษณะเปนทอขนาดเลกเรยงกนในแนวยาว แลวประสานดวยเมทรกซทเปนโพลเมอร นอกจากนทอโพลเมอรยงประกอบไปดวยเสนใยเซลลโลสทมโครงสรางผนกทเปนระเบยบบางสวน เรยงเปนแนวเดยวกนทบรเวณมมของแกนของทอโพลเมอร การจดเรยงตวในลกษณะนท าใหไมมความทนทานตอแรงดงดดในทศทางตามแนวยาวสงมาก



8.3.1 องคประกอบและโครงสรางของไม

ไมประกอบดวยองคประกอบหลกๆ 4 อยาง ไดแก เสนใยเซลลโลส (Cellulose) ประมาณ 40 – 50%

ซงเปนโพลเมอรประเภทเทอรโมพลาสตกทเกดขนตามธรรมชาต มดกรของโพลเมอรไรเซซนประมาณ 10,000

โครงสรางทางเคมของเซลลโลส ดงแสดงในรปท 8.7 องคประกอบสวนทสองไดแก สารกงเซลลโลส ซ งเปนเซลลโลสทมดกรของโพลเมอรไรเซซนประมาณ 200 และสารกงเซลลโลสเปนองคประกอบในไมประมาณ 20 – 30%

รปท 8.7 โครงสรางเสนใยเซลลโลสในไม (Cellulose)

(ทมา: http://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/0612/)

องคประกอบทสามคอ ลกนน ประมาณ 20 – 30% มน าหนกโมเลกลทต าและจดเปนซเมนตทเกดจากธรรมชาตท าใหเชอมประสานองคประกอบอนๆ ใหอยรวมกน องคประกอบตวสดทาย คอ สารสกดทเกดจากธรรมชาต ไดแก น ามนทท าใหเกดจากสเนอไมหรอเปนสารทปองกนศตรจากธรรมชาต จากนนยงมองคประกอบทเปนสารทไมใชธรรมชาต เชน ซลกา องคประกอบสดทายมเปอรเซนตประมาณ 10 %

ชนของโครงสรางเนอไมแบงออกเปน 3 ระดบ โดยชนแรกจะเปนโครงสรางเสนใย ชนทสองเปนโครงสรางเซลล และสดทายเปนโครงสรางมหภาคหรอโครงสรางขนาดใหญ

โครงสรางของเสนใย องคประกอบของไมคอเซลลโลส C6H10O5 มการเรยงตวแบบสายโซโพลเมอรและท าใหเกดเปนเสนใยทมความยาว โครงสรางของไฟเบอรสวนใหญจะมระบบผลกทมระเบยบและมตวแยกขอบเขตของโครงสรางผลกทเปนเซลลโลสทเปนผลกไรระเบยบ กลมของลกโซเซลลโลสจะถกหอหมไวโดยชนของลกโซกงเซลลโลส ซงจะมการจดเรยงแบบสม (Random) หรอไมเปนระเบยบแนนอน สดทาย ลกโซกง



เซลลโลสจะถกหมอกครงโดยลกนน กลมของเสนใยประกอบดวย ลกโซเซลลโลส ลกโซกงเซลลโลสและลกนน จะเรยกรวมกนวา ไมโครไฟบรล (Microfibrill)

โครงสรางเซลล ไมประกอบดวยเซลลทมลกษณะยาว ซงปกตแลวจะมอตราสวนอยระหวาง 100 หรอมากกวา และเปนองคประกอบทเปนของแขงในเนอไมถง 95% เซลลทมลกษณะกลวงจะประกอบไปดวยชนของไมโครเวฟบรลหลายๆชนรวมกน ผนงชนแรกของเซลลประกอบไปดวยไมโครเวฟบรลทเรยงไมเปนระเบยบ สวนผนงชนทสองจะมความหนามากกวา และประกอบไปดวยชนตางๆ ถง 3 ชน โดยชนนอกและชนในสดจะประกอบไปดวยไมโครเวฟบรลทมการเรยงตว 2 ทศทางทไมขนานเซลล ชนกลางซงเปนชนทหนาทสดจะประกอบไปดวยไมโครเวฟบรลทมทศทางการเรยงตวทศทางเดยวและไมขนานกบแกนของเซลล

โครงสรางมหภาคหรอโครงสรางใหญๆของไม จะประกอบไปดวยชนนอกสดคอเปลอกไม (Bark) ท าหนาทปกปองเนอภายใน ถดมาเปนชนเนอเยอไม (Cambium) ทอยใตเปลอกไม ประกอบไปดวยเซลลของเนอไมทเจรญเตบโตขนมาใหม ถดมา คอ กระพไม (Sapwood) ประกอบดวยเซลลทตายแลงและเปนสวนทใหความแขงแรงกบตนไม

การเจรญเตบโตของเซลลนนมความแตกตางกนไปตามฤดกาล โดยในชวงตนฤด การเจรญเตบโตเซลลจะมการเจรญเตบโตทรวดเรวและมขนาดใหญ จากนนเซลลจะเลกลงเรอยๆ และมความหนาแนนสงเมอเขาสปลายฤดจากความแตกตางของเซลลตนฤดกบปลายฤด ท าใหเราสามารถส ารวจหรอศกษาวงชนปของการเจรญเตบโตได

8.3.2 ไมเนอออนและไมเนอแขง

ไมเนอออน เชน ไมสนใบเลก (Spruce) เฟอร เฮมลอค (Hemlock) และซดาร (Cedar) สวนของไทยไดแก ไมฉ าฉา ไมยาง มะมวง เปนตน ลกษณะของเซลลไมเนอออนจะคอนยาวกวาไมเนอแขง ทงนเพราะเปอรเซนตชองวางของเนอไมมนอยกวาไมเนอแขง (รปท 8.8 (ก))

ไมเนอแขง เชน ไมประด มะคา ไมสก ชงชง ไมเตงรง ทเปนไมไทย หรอไมเนอแขงของสหรฐ ไดแก ไมโอก (Oak) แอช (Ash) เอลม (Elm) บช (Beech) เบรช (Birch) เมเปล (Maple) เปนตน ไมเนอแขงเหลานจะมเซลลแนวยาวทสนประมาณ 1 mmความโตนอยกวา 0.1 mm ภายในเนอไมประกอบดวยทอล าเลยงในแนวยาว ซงท าหนาทสงผานน าภายในเนอไม (รปท 8.8 (ข))



(ก) ไมเนอออน (ข) ไมเนอแขง

รปท 8.8 โครงสรางเซลลของเนอไม โดยไมเนอออนจะมเซลลทใหญกวาและยาวกวาไมเนอแขง


8.3.3 ปรมาณความชนและความหนาแนนของเนอไม

ความหนาแนนของเนอไมปกตแลวจะขนอยกบชนดหรอพนธไม โดยทวไปไมทแหงสนทมกมความหนาแนนอยระหวาง 0.3 - 0.8 g/cm3 โดยไมเนอแขงจะมความหนาแนนสงกวาไมเนอออน อยางไรกตามการวดความหนาแนนปกตแลวจะมคาทสงหากปรมาณน าในเนอไมมมาก เราสามารถหาเปอรเซน ตของน าในเนอไมไดจากสมการ

% น า = น าหนกน าในไมน าหนกไมแหง

× 100 (2)

ปรมาณของน าอาจมมากกวา 100 % ซงจะถกเกบไวภายในเซลลและทอล าเลยง ปรมาณน าทมมากสวนใหญจะเปนไมสด และเปอรเซนตจะมมากนอยเพยงใดขนอยกบปรมาณความชมช นของพนทดวยเชนกน ความหนาแนนของไมทมความชน 12% และคามอดลสของความยดหยนของไมบางชนด ดงแสดงในตารางท 8.5



ตารางท 8.5 สมบตของไมบางชนด

ชนดไม ความหนาแนน (12%)

(g/cm3) มอดลสของความยดหยน

(psi)

ซดาร (Cedar) ไพน (Pine) เฟอร (Fir)

เมเปล (Maple) เบรช (Birch) โอก (Oak)

0.32 0.35 0.48 0.48 0.62 0.68

1,100,000 1,200,000 2,000,000 1,500,000 2,000,000 1,800,000

ตวอยางท 2 ไมสดชนดหนงมความหนาแนน 0.86 g/cm3 และปรมาณน า 175% จงค านวณหาความหนาแนนของไมภายหลงการอบแหง

วธท า

ไมปรมาณ 100 cm3 มน าหนก 86 g จากสมการท 2

% น า = น าหนกน าในไมน าหนกไมแหง

× 100 = 175

= น าหนกผลไม น าหนกไมแหง

น าหนกไมแหง × 100 = 175

น าหนกของไมแหง = ( )(น าหนกของไมสด)

= 3.31275

)86)(100(

ความหนาแนนของไมแหง = 313.0100

3.313

cm

g g/cm3



8.3.4 สมบตทางกลของไม

ความแขงแรงของไมขนอยกบความหนาแนนของเนอไม ซงความหนาแนนกจะขนอยกบปรมาณน าและชนดของไม การท าใหไมแหงในชวงแรก น าจากทอล าเลยงจะหมดไปกอน จากนนในชวงทสอง น าทอยภายในเซลลจงจะแหงหลงจากน าในทอล าเลยงหมดไปการททอน าล าเลยงแหงไปนน ในทางปฏบตแลวจะไมสงผลตอความแขงแรง หรอทฟเนสสของไมแตอยางใด อยางไรกตามหากท าใหไมแหงตอไปจนปรมาณน านอยกวา 30% โดยน าทอยภายในผนงเซลลจะระเหยออกมา จะสงผลใหเสนใยของเซลลหดตวเขามาชดกนมากขน และท าใหการยดเหนยวระหวางเสนใยมมากขนอก อกทงความหนาแนนของเนอไมกจะเพมขนเชนกน ดงนนจงสงผลใหไมมความแขงแรงและเหนยวแนนมากขน

สมบตทางกลของไมจะไมมความสม าเสมอทกทศทาง โดยทศทางในแนวยาว (Longitudinal) จะรบแรงไดสงมาก โดยเมอมแรงมากระท า แรงทมากระท าจะขนานกบไมโครไฟบรลและลกโซเซลลโลสในสวนกลางของผนงเซลลชนทสอง โดยลกโซเหลานจะมความแขงแรงและมผลกทเปนระเบยบ ท าใหสามารถรบแรงไดสงมาก ดงแสดงในรปท 8.9 สวนทศทางทตงฉากกบวงปของตนไม (Radial) และทศทางทขนานกบวงปของตนไม (Tangential) จะรบแรงดงไดนอย เพราะการยดเหนยวของไมโครไฟบรลและเสนใยเซลลโลสมนอยและออนแอ ดงนนทอนไมขนาดใหญจงมกถกผาเปนชนๆ ในแนวยาวเพอใชในสมบตของความแขงแรงในแนวยาวใหเปนประโยชน

รปท 8.9 ทศทางตางๆ ของการรบรองในเนอไมซงสงผลตอการรบแรงทไมสม าเสมอ


ขนานกบวงป

ตงฉากกบวงป

ทศทางแนวยาว

ตดขนานและตามแนวยาวกบวงป

ตดตงฉากและตามแนวยาวกบวงป



ไมจะมความสามารถในการรบแรงกดและแรงอดไมคอยดนก โดยในการรบแรงอด เสนใยในเซลลจะมสมบตคลายเขมทมปลายแหลม ท าใหเกดการเปลยนรปหรอแตกหกไดงายเมอรบแรงกด คาความตานทานรงดงและความแขงแรงกดในทศทางตามแนวยาวและแนวตงฉากกบวงปของไมตางๆ ดงแสดงในตารางท 8.6

ตารางท 8.6 พฤตกรรมการรบแรงไมเทากนในแตละทศทางของไมชนดตางๆ (ความชน 12%)

ชนดไม

ความตานทานแรงดง (แนวยาว) (psi)

ความตานทานแรงดง (แนวรศม) (psi)

ความแขงแรงอด (แนวยาว) (psi)

ความแขงแรงอด (แนวรศม) (psi)

บช (Beech) เอลม (Elm)

เมเปล (Maple) โอก (Oak)

ซดาร (Cedar) เฟอร (Fir) ไพน (Pine)

สปรซ (Spruce)

12,500 17,500 15,700 11,300 6,600 11,300 10,600 8,600

1,010 6601 1,100 940 320 390 310 370

7,300 5,520 7,830 6,200 6,020 5,460 4,800 5,610

1,010 690

1,470 810 920 610 440 580

8.3.5 การยดและหดตวของไม

ไมมการเปลยนแปลงขนาดไดเหมอนวสดทวๆไป เมอไดรบความรอนหรอความเยน การเปลยนขนาดในทศทางตามแนวยาวของไมมนอยมาก โดยเฉพาะเมอเปรยบเทยบกบโลหะ โพลเมอร และเซรามก อยางไรกตาม การเปลยนขนาดตามแนวรศมและแทนเจนตจะมมากกวาวสดอน

การเปลยนขนาดของไมขนอยกบการเปลยนแปลงของอณหภมและปรมาณความชน ซงทศทางมการเปลยนแปลงมากกจะเปนตามแนวรศมและแทนเจนด ดงแสดงในตารางท 8.7 แสดงคาสมประสทธขนาดไมตางๆ ในทศทางรศมและแทนเจนดปรมาณความชนจะสงผลตอระยะหางระหวางลกโซเซลลโลสในไมโครไฟ บรล การเปลยนขนาดในไมในทศทางแนวรศมและแทนเจนตสามารถหาไดจากสมการท 3

∆x = x0 [c(Mf - Mi )] (3)

x0 คอ ขนาดเดม

Mi คอ ปรมาณน าเดม

Mf คอ ปรมาณน าลาสด

C คอ สมประสทธการเปลยนแปลงขนาด



ตารางท 8.7 สมประสทธขนาดไม C (in/in % H2 O) ของไมชนดตางๆ

ไม รศม แทนเจนต (Tangential)

บช (Beech) เอลม (Elm)

เมเปล (Maple) โอก (Oak)

ซดาร (Cedar) เฟอร (Fir)

ไพน (Spruce)

0.00190 0.00144 0.00165 0.00183 0.00111 0.00155 0.00141 0.00148

0.00431 0.00338 0.00353 0.00462 0.00234 0.00278 0.00259 0.00263

ขณะทไมเรมเกดการแหงตวจะมการเปลยนขนาดในทศทางทตงฉากกบเซลลตามไปดวย ซงจะสงผลใหเกดการบดงอและแตกราวกบเนอไมขนได และในกรณทมการใชงานอยปรมาณความชนในไมอาจเกดการเปลยนแปลงได ซงขนอยกบความชนในสภาพแวดลอมทไมถกใชงาน และเมอความชนเพมขนหรอลดลงกจะท าใหไมเกดการหดตวหรอยดตวได โดยหากความชนเพมขนจะท าใหไมขยายตวและเกดการโคงงอได แตถาความชนนอยท าใหไมเกดการหดตวและเกดชองวางขนระหวารอยตอของไมได

8.4 คอนกรตและยางมะตอย

วสดแอกกรเกต (Aggregrate) หรอวสดมวลรวม หมายถงวสดทประกอบดวยหนหลายขนาด ไดแก หนลกรง ทราย หนบด หรอสแลก โมทาร ประกอบไปดวย ปนซเมนต น า อากาศ และวสดแอกกรเกตชนดละเอยด คอนกรต ประกอบดวย สวนประกอบระหวางโมทารและวสดแอกกรเกตชนดหยาบ ซเมนต คอ วสดอนนทรยทมการขยายตวหรอแขงตวเมอผสมกบน า คอนกรตเปนวสดประเภทประกอบไปดวยอนภาคแบบเมดและแมทรกซเปนวสดเซรามก ภายในเนอของคอนกรต ทราย และหนหยาบ จะถกยดเหนยวใหตดกนโดยแมทรกซของซเมนตพอรตแลนด ปฏกรยาการเกดซเมนตระหวางน าและแรในซเมนตจะท าใหเกดแมทรกซทแขงแรง และยดเหนยวหนและทรายไวอยางแนนหนา ท าใหมความแขงแรงอดไดด

ซเมนตอาจจ าแนกออกเปนชนดทแขงตวในน า (Hydraulic cement) และชนดทไมแขงตวในน า แตอาศยอากาศในการแขงตว (Non- hydraulic cement) ปนซเมนตพอลตแลนดเปนปนทนยมใชกนอยางกวางขวาง ไฮดรอลกซเมนตประกอบไปดวยแคลเซยมซลเกต ซงมสวนประกอบโดยประมาณของ CaO

(60-65%) SiO2 (20-25%) และเหลกออกไซดกบอะลมนา (7-12%) ตวประสานซเมนตซงมขนาดทละเอยดมากจะประกอบดวยอตราสวนตางๆ ของ 3CaO.Al2O3, 2CaO.SiO2, และ 3CaO.SiO2, 4CaO.Al2O3.Fe2O3

และแรอนๆ โดยศพทเฉพาะเรยก CaO, SiO2, Al2O3 และ Fe2O3 จะใชอกษร C, S, A และ F ในการเรยก



ดงนน C3S จงหมายถง 3CaO-SiO เปนตน เมอน าถกผสมเขาไปกบซเมนตปฏกรยาทเกดจากการผสมกบน าหรอไฮโดรชน (hydration) จะเกดขนและใหก าเนดเจลของแขง (รปท 8.10) ทท าหนาทยดเหนยวอนภาคของทรายและหนใหตดกน ปฏกรยาทเกดขนอาจเขยน ดงน

3CaO.Al2O3 + 6H2O — Ca3Al2(OH)12 + ความรอน (4)

2CaO.SiO2 + xH2O — Ca2 SiO4 xH2O + ความรอน (5)

3CaO + SiO2 + (x + 1) H2O — Ca2 SiO4 xH2O + Ca(OH) + ความรอน (6)

(ก) (ข)

รปท 8.10 (ก) กลไกลการเซตตวและการแขงตวของคอนกรต (ข) กลองอเลกตรอนถายภาพซเมนตทบมตว 12 ชวโมง ซงแสดงใหเหนเจลของ CSH รอบๆ เกรนสด าของซเมนต


ภายหลงปฏกรยาไฮเดรชน ซเมนตจะท าใหเกดการเชอมประสานอนภาคของทรายและหน ดงนนหากตองการเชอมประสานทด จะตองมปรมาณซเมนตมากพอทจะหมผวของอนภาคของหนและทรายไดหมด ปกตแลวซเมนตจะใชปรมาณ 15% โดยปรมาตรของของแขงในคอนกรต

สวนผสมของซเมนตสามารถชวยหาอตราการบมตวของคอนกรตและสมบตขนสดทายได ตวอยางเชน สวนผสมของ 3CaO.Al2O3 และ 2CaO.SiO2 จะใหอตรา เซตตวทเรว แตความแขงแรงต า สวน 2CaO.Al2O3 จะเกดปฏกยาชาแตความแขงแรงจะสงกวา ปกตแลวการบมคอนกรตทใหความแขงแรงทดจะใชเวลาประมาณ 28 วน

เกรนซเมนต น า เจล



ชนดของปนซเมนตทใชโดยทวไป ดงแสดงในตารางท 8 โดยในงานโครงสรางขนาดใหญ เชน เขอนกกเกบน าการบมตวจะตองชามากๆ เพอปองกนความรอนทตองเกดจากปฏกรยาไฮเดรชน ซเมนตกลมนจะประกอบดวย 3CaO.SiO2 เปอรเซนตต า เชน กลม Type IV ทมสวนผสมของ 3CaO.SiO2 ปรมาณนอย

ตารางท 8.8 ชนดของซเมนต

สวนผสมโดยประมาณ 3C•S 2C•S 3C•A 4C•A•F คณลกษณะ Type I Type II Type III Type iV Type V

55 45 65 25 40

20 30 10 50 35

12 7 12 5 3

9 12 8 13 14

ใชงานโดยทวๆ ไป อตราการเกดความรอนต า ตานทานซลเฟตปานกลาง

เซตตวเรว ใหอตราการเกดความรอนต ามาก

ตานทานซลเฟตดมาก

สวนผสมของซเมนตจะมผลตอความตานทานทมผลตอสภาพแวดลอมเชนกน เชน ซลเฟตในดน จะท าการกดกรอนคอนกรตใหเกดการกดกรอน แตมวธการแกโดยใชซเมนตชนด Type V ทมอตราสวนของ 4CaO.Al2O3 • Fe2O3 และ 2CaO.SiO2 สง ซงจะตอตานซลเฟตในดนได

ทราย (Sand) ทรายเปนแรขนาดเลกทมความโตประมาณ 0.001 cm และปกตจะมน าดดซมอยดวยบางสวน ดงนนเวลาทท าการผสมคอนกรตจะตองบวกน าสวนนเขาไปดวย หนาทของทรายคอ ตวเตมเตมในชองวางขนาดเลก ๆ ระหวางหนขนาดใหญ ซงจะมคาแฟกเตอรอดตวทสง ลดชองวางในเนอคอนกรตลง และชวยลดปญหาการไมรวมตวกนของคอนกรตขณะเกดการแขงตว

วสดแอกกรเกต (Aggregate) วสดแอกกรเกตชนดหยาบประกอบไปดวยหนลกลงและกอนหน ซงจะตองมความสะอาด แขง และทนทาน หนมมมแหลมจะใหความแขงแรงทดกวาหนทมความกลม ทงนเพราะกลไกลการเกยวหรอขดกนภายในจะดกวา ขอเสยคอ จะท าใหชองวางของผวสมผสปรมาณมาก และอาจจะเปนสาเหตของการแตกราว ดงนนขนาดความโตของวสด วสดแอกกรเกตจะตองมขนาดทเหมาะสมกบขนาดโครงสราง ซงปกตแลวความโตของวสดแอกกรเกตไมควรโตเกนกวา 20% ของความหนาของโครงสราง



วสดแอกกรเกตชนดพเศษทใชผลตคอนกรตทมน าหนกเบา ไดแก สแลก (Slag) ทไดจากกระบวนการผลตเหลกกลา คอนกรตชนดนจะมความเปนฉนวนความรอนสงขน สวนคอนกรตชนดหนกอาจจะผสมแรทมความหนาแนนสงๆ หรออาจผสมเมดโลหะเขาไปดวย การใชงานคอนกรตชนดน ไดแก อาคารทมเครองก าเนดปฏกรยานวเคลยร คอนกรตประเภทนจะดดซบรงสใหออนลงได ความหนาแนนของวสดแอกกรเกตชนดตางๆ ดงแสดงในตารางท 8.9

ตารางท 8.9 คณลกษณะของคอนกรต

วสด ความหนาแนน (Ib/ft3)

ซเมนต ทราย วสดแอกกรเกต น า

190 160 170 80 30 280 390 62.4

1 กระสอบ = 94 Ib ปกต สแลกน าหนกเบา แรหนทรายน าหนกเบา Fe3O4 ชนดหนก เฟอรโรฟอสฟอรสชนดหนก 7.48 แกลลอน/ft3

8.4.1 สมบตของคอนกรต

องคประกอบทมอทธพลตอสมบตของคอนกรตประกอบดวย อตราสวนน ากบซเมนต ปรมาณฟองอากาศและชนดของวสดแอกกรเกต อตราสวนน ากบซเมนตมผลตอพฤตกรรมของคอนกรตในดานตางๆ ดงน

1. ปรมาณน าทมนอยทสดทเตมลงในซเมนต จะตองมากพอทจะท าใหเกดปฏกรยาไฮเดรชน หากน านอยเกนไปจะท าใหความแขงแรงของคอนกรตต า

2. อตราสวนของน ากบซเมนตทสง จะชวยเพมความสามารถในการท างานของคอนกรตใหสงขน นนคอคอนกรตจะเตมเขาไปในชองวางตางๆ ไดงาย เพราะมความเหลวมาก หากคอนกรตทผสมมความสามารถในการท างานทต า กจะเปนสาเหตของการเกดโพรงอากาศในเนอคอนกรตได ความสามารถในการท างานของคอนกรตสามารถวดไดจากการทดสอบยบตว (Slum) ตวอยางเชน คอนกรตทยงเปยกอยถกหลอเปนรปทรงตางๆ ดงแสดงในรปท 8.11 มความสง 12 inch และหลงจากดงแบบหลอออกแลวปลอยใหคอนกรตตงอยโดยรบน าหนกของตวเอง



รปท 8.11 การทดสอบการยบตวของคอนกรต การเปลยนรปรางของคอนกรตทเกดจากน าหนกของตวเอง

เมอเวลาผานไประยะหนง รปทรงของคอนกรตจะมการเปลยนแปลงเกดขน โดยความสงจะลดลงเนองจากน าหนกของตวเอง สวนสงทลดลงเราเรยกวา การยบตว (Slum) ซงใชวดความสามารถการท างานของคอนกรตได อตราสวนระหวางน ากบซเมนตต าสดประมาณ 0.4 โดยน าหนก จะท าใหความสามารถในการท างานด หากคอนกรตมอตราสวนของน ากบซเมนตสง กจะท าใหการยบตวมาก แสดงใหเหนวาความสามารถในการท างานนนสง คาของการยบตวปกตจะใชอยระหวาง 1 - 6 inch โดยงานทตองการคากบการยบตวสงๆ ไดแก งานทรปรางซบซอนตองการการไหลตวทดของคอนกรตเหลว สวนงานทตองการการยบตวต าๆ ไดแก งานโครงสรางขนาดใหญ เชน เขอน เปนตน

3. การเพมอตราสวนน าตอซเมนตสงขน จะท าใหความแขงแรงอดของคอนกรตลดลงแสดงใหเหนผลของปรมาณน าตอซเมนตทมผลตอความแขงแรงของคอนกรต

4. อตราสวนของน ากบซเมนตสงจะท าใหเกดการหดตวของคอนกรตสง ขณะบมตว ผลของการหดตวสงจะท าใหเกดการแตกราวในคอนกรตได เนองจากความแตกตางของอตราสวนระหว างปรมาณน ากบซเมนตมผลตอความตานทานแรงอด ความสามารถในการท างาน และการหดตว ดงนนอตราสวนทเหมาะสมจะอยท 0.45 – 0.55 บางครงเพอเพมความสามารถในการท างานทด อาจตองมการเตมสารอนทรยทเปนตวพลาส ดไซเซอร บางชนดลงไปในสวนผสมของคอนกรต โดยสารดงกลาวจะไมมผลตอความแขงแรงของคอนกรตแตอยางใด

ฟองอากาศในคอนกรต ฟองอากาศในเนอคอนกรตอาจเกดขนไดท าการเทคอนกรตเหลว ในคอนกรตทมวสดแอกกรเกตชนดหยาบทมขนาดโตประมาณ 1.5 in จะมอากาศปนอยประมาณ 1% โดยปรมาตร สวนกรณชนดละเอยดทโตประมาณ 0.5 in จะมอากาศประมาณ 25% โดยปรมาตร บางครงเพอเปนการเพมความสามารถในการท างานใหมากขน จงมการเตมอากาศเขาไปผสมกบคอนกรต อกทงยงชวยแกปญหาเรองการหดตวของคอนกรตไดดวย แตอากาศทเตมเขาไปจะท าใหความแขงรงของคอนกรตลดลง

คอนกรต

ยบตว

แทงกรวย

12”

8”

4”



ชนดและปรมาณของวสดแอกกรเกต ขนาดความโตของวสดวสดแอกกรเกตมผลตอสวนผสมคอนกรต โดยหากขนาดของวสดแอกกรเกตมความโตมาก ปรมาณน าทผสมกจะใชนอย แตหากขนาดของวสดแอกกรเกตมขนาดเลก กจะตองใชปรมาณน าทมากขน หรอเพมความสามารถในการท างานมากขน อตราสวนของปรมาตรของวสดแอกกรเกตในคอนกรตจะขนอยกบความหนาแนนสวนใหญของวสดแอกกรเกต ซงจะมคาประมาณ 60% ของความหนาแนนจรง (จากตารางท 8.9)

ตวอยางท 3 จงหาปรมาตรของน า ซเมนต ทราย และวสดแอกกรเกต ทผสมรวมกนเปนคอนกรต 135 ft3

หากสมมตใหอตราสวนตอซเมนต 0.4 (โดยน าหนก) และอตราสวนของซเมนต : ทราย : วสดแอกกรเกตเปน 1 : 2.5 : 4 (โดยน าหนก) โดยวสดแอกกรเกตทใชมน าอย 1% ทรายมอย 4%

วธท า ในการหาสวนผสมของคอนกรต จะใชปรมาตรจรงของสวนผสมตางๆ ในการค านวณหาสวนผสม และทกๆ สวนผสมจะค านวณโดยเทยบกบน าหนกของปนซเมนต 1 ถง ซงหนก 101 lb ดงนนปนหนงถงจะใชปรมาณวสดตางๆ ดงน

ปนซเมนต = ถง = 0.532 ft3

ทราย = (ซเมนต) = 1.58 ft3

หน = (ซเมนต) = 2.377 ft3

น า = (ซเมนต) = 0.647 ft3

ดงนน ปรมาตรทงหมดของคอนกรตเทากบ 5.136 ft3/ถง

สวนผสมตางๆ ของคอนกรต 135 ft3 ประกอบไปดวย

ซเมนต = ถง

= 27 ถง

ทราย = (27ถง)(101 lb/ถง)(2.5 ทราย/ซเมนต) = 6,818 lb

หน = (27ถง)(101 lb/ถง)(4 หน/ซเมนต) = 10,908 lb

น า = (27ถง)(101 lb/ถง)(0.4 น า/ซเมนต) = 1,091 lb



แตภายในทรายมน าอย 4% หนมน าอย 1% ดงนนน าหนกของน าทอยในทรายและหนคอ

ทราย = (6,818 lb (ทรายแหง))(1.04) = 7,091 lb และน า = 273 lb

หน = (10,908 lb (หนแหง))(1.01) = 11,017 lb และน า = 109 lb

ดงนนปรมาณน าทเราเตมลงไปสทธ

น า = 1,019 lb – 273 lb – 109 lb = 709 lb

= ( )( ) = 85แกลลอน

สรปไดวา สวนผสมตางๆ ทตองใชประกอบไปดวย ปนซเมนต 27 กระสอบ ทราย 6,818 lb หน 10,908 lb และน าหนก 85 แกลลอน

8.4.2 คอนกรตเสรมแรงและคอนกรตพรสเตรส (Pre stressed Concrete)

คอนกรตมสมบตคลายเซรามก คอ มความตานทานแรงอดทด และชองวางทเกดจากฟองอากาศและการเชอมตอกท าใหมโครงสรางทเปราะและความตานทานแรงดงต า ดงนนเพอเปนการเพมความสามารถในการรบแรงดงเพมขน จงมการหาวธการตางๆ เขามาชวยดงน คอนกรตเสรมแรง เหลกเสนขนาดตางๆ ไดถกน ามาเสรมเขาไปในเนอคอนกรตเพอเพมความตานทานแรงดงและแรงอดใหสงขน โดยความเคนแรงดงทเกดขนในเนอคอนกรตจะถกถายไปยงเหลกเสนซงทนแรงไดด คอนกรตพรสเตรส เปนคอนกรตเสรมเหลกเสนทมการท าใหเกดความเคนอดตกคางอยภายใน โดยวธการท าจะเรมจากการดงเหลกเสนใหยดออก (รปท 8.12) จากนนเทคอนกรตลงไปและบมใหแขงตวตามเวลาทก าหนด จากนนปลอยแรงดงออก จะท าใหเหลกหดและเกดความเคนอดเกดขน (รปท 8.12 (ค)) ทงนเนองจากการขดขวางของเนอคอนกรตทไมยอมใหเหลกเสนหดกลบสสภาวะปกตได ดงนน คอนกรตพรสเตรสจงสามารถรบความเคนดงและความเคนอดไดมากขน ปกตแลวซเมนตทใชกบคอนกรตชนดนคอ Type III



รปท 8.12 การผลตคอนกรตพรสเตรส (ก) ใหความเคนดงกบเหลกเสน (ข) เทคอนกรตลงไปแลวบมใหแขงตว

(ค) ปลอยความเคนดงทกระท าออกจะท าใหเหลกเสนหดกลบและเกดความเคนอดขนทคอนกรต

คอนกรตโพสตเตรส (Post stressed concrete) วธการนเปนการท าใหคอนกรตอยในสภาวะรบแรงอดเชนกนกบคอนกรตพรสเตรส โดยวธการจะฝงทอกลวงขนาดเลกไวในเนอคอนกรต ภายในทอเหลกกลวงจะใสเสนลวดขนาดเลกทอาจเปนแบบพนเกลยว หรอกลมลวดเรยงขนานกน จากนนเทคอนกรตลงหมทอเหลกและบมไวจนคอนกรตแขงพอสมควร จากนนใหแรงดงกบเหลกเสนทใสอยในทอเหลกและอดปนซเมนตเขาไปในทอกลวงดวยแรงอดทสง ปนทอดเขาไปเมอเซตตวแลวจะท าใหคอนกรตรบแรงกดและท าใหคานโคงงอมากไดมากขน

8.4.3 ยางมะตอย

ยางมะตอย (Asphalt) เปนวสดผสมระหวางหนยอยกบบทเมน (bitumen) ซงเปนโพลเมอรชนดเทอรโมพลาสตกทไดจากการปโตรเลยม ยางยางมะตอยสวนมากจะใชในการท าถนน คณลกษณะของยางมะตอยจะขนอยกบสมบตหนยอยและตวประสาน ดงนนหนยอยควรมความสะอาดและรปรางเปนมมเหลยม และมความโตทกระจายตวดเพอเพมสมบตการอดตวทด และจะตองมสมบตการเกาะเกยวภายใน ( Interlocking) ระหวางเกรนของหนทด (รปท 8.13) ตวประสานจะประกอบไปดวยสายโซเทอรโมพลาสตกยดเหนยวกบเกรนของหนยอย ตวประสานจะมจดหลอมเหลวทต าและเปราะทอณหภมต ากวาศนยองศาเซลเซยส ตวประสาน

(ก)

(ข)

(ค)

ลวดเหลกกลา

คอนกรต



พเศษบางตว เชน แกสโซลนหรอคโรซน อาจผสมลงไปชวยใหเกดการเหลวตวทดขน และชวยใหบมตวไดเรวขน

อตราสวนระหวางตวประสานและหนยอยเปนสงทส าคญ โดยตวประสานตองมมากพอทจะเคลอบเกรนหนยอยไดหมด และจะตองมชองวางระหวางหนใหนอยทสด ปกตแลวบทเมนทใชอยระหวาง 5 – 10% และชองวางทเกดขนเมอผสมกบหนยอยแลวจะอยระหวาง 2 – 5% ชองวางจะชวยใหมความยดหยนเกดขนในยางมะตอยเมอรบแรงกด แตอยางไรกตาม หากมชองวางมากเกนไป กจะเกดทวางส าหรบน าเขาไปอยปรมาณมาก ท าใหยางมะตอยเสอมคณภาพเรวและท าใหเกดรอยแตกราวได

(ก) (ข)

รปท 8.13 ภาพจ าลองโครงสรางของยางมะตอย (ก) ลกษณะเกรนของหนยอยทมรปรางเปนมมทเหลยม ซงใหการขดทด (ข) เกรนของหนยอยทมรปทรงกลมจะใหการขดกนทไมดท าใหความแขงแรงต า


8.5 สรป

1. วสดผสม คอ วสดทเกดจากการน าวสดมากกวาสองชนดทมองคประกอบทางเคมทแตกตางกนมาผสมหรอมารวมกน แลวเกดเปนวสดใหมทมสมบตแตกตางไปจากวสดเดมใหมคณสมบตตามตองการ หรอเพมขดความสามารถในการใชงาน 2. วสดผสมทเสรมแรงโดยอนภาคหรอวสดเปนเมดผง จ าแนกออกเปน 2 กลม โดยกลมท 1 คอกลมทเพมความแขงแรงโดยการกระจายอนภาค และกลมท 2 คอวสดผสมรปรางเปนเมดผง วสดผสมทง 2 กลมจะมความแตกตางตรงกลไกลการท าใหเกดความแขงแรง 3. วสดทใชเปนเสนใยเสรมแรง ประกอบดวย

3.1 เสนใยแกว โดยเสนใยแกวแบงออกเปน 4 ชนด แตละชนดมสวนผสมตางๆ ไดแก ใยแกวชนด A-กลาส (A-glass) ใชในงานทตองการทนสารเคม ใยแกวชนด E-กลาส (E-glass) หรอเกรดทางไฟฟา



ใยแกวชนด ECR- กลาส (ECR-glass) มกใชในงานทตองการสมบตทางไฟฟาควบคกบความตานทานทางเคมไปพรอมกน สวนใยแกวชนด S- กลาส (S-glass) ใชในงานทตองการความแขงแรงทสงมากๆ 3.2 เสนใยอะรามด (Aramid) เปนเสนใยทเกดกระบวนการโพลเมอรไรเชชน ลกษณะของสายโซทเกดขนจะมลกษณะยาวคลายเสนลวด สงผลใหเสนใยมความแขงแรงตามแนวยาวทสงมาก

4. ไมจดเปนกลมของวสดผสมประเภทเสนใยเสรมแรงแบบซบซอน โดยจะมเซลลของโพลเมอรทมลกษณะเปนทอขนาดเลกเรยงกนในแนวยาว และเปนวสดทนยมใชในงานประเภทอาคารบานเรอน เฟอรนเจอร

5. คอนกรตเปนวสดแอกกรเกต (Aggregate) หรอวสดทประกอบดวยหนหลายขนาด ประกอบดวย หนลกรง ทราย หนบด โมทาร (ปนซเมนต น า อากาศ) นยมใชในงานโครงสราง อาคารบานเรอน เสา สะพาน ถนน เปนตน

6. ยางมะตอย (Asphalt) เปนวสดผสมระหวางหนยอยกบบทเมน (bitumen) ซงเปนโพลเมอรชนดเทอรโมพลาสตกทไดจากการปโตรเลยม ยางยางมะตอยสวนมากจะใชในการท าถนน พนทาง เปนตวประสานในสวนผสมตางๆตามเฉพาะงาน เปนตน




1. ขอใดคอค าจ ากดความของวสดผสมถกตอง ก. วสดผสมเกดจากการน าวสดมากกวา 2 ชนดทเหมอนกนมาผสมกน เกดเปนวสดใหมทไมรวมเปน

เนอเดยวกน

ข. วสดผสมเกดจากการน าวสดมากกวา 2 ชนดทเหมอนกนมาผสมกน เกดเปนวสดใหมทรวมเปนเนอเดยวกน

ค. วสดผสมเกดจากการน าวสดมากกวา 2 ชนดทแตกตางกนกนมาผสมกน เกดเปนวสดใหมทรวมเปนเนอเดยวกน

ง. วสดผสมเกดจากการน าวสดมากกวา 2 ชนดทแตกตางกนมาผสมกน เกดเปนวสดใหมทไมรวมเปนเนอเดยวกน

2. วสดผสมชนดใดเสรมแรงโดยการขดขวางการเกดดสโลเคชน

ก. วสดผสมเปนเมด ค. วสดผสมเปนอนภาค

ข. วสดผสมเปนเสนใย ง. วสดผสมเปนชน

3. แผนหนเจยระไน จดเปนวสดผสมในกลมใด ก. วสดผสมเปนชน ค. วสดผสมเปนอนภาค

ข. วสดผสมเปนเสนใย ง. วสดผสมเปนเมด

4. ไฟเบอรกลาส (Fiberglass) เปนวสดชนดใด ก. เปนแกวทน ามาขนรปเปนใย ค. เปนวสดผสมทมเซรามกเปนโครงสรางพน

ค. เปนวสดผสมทมเทอรโมเซตตงเปนโครงสรางพน ง. เปนวสดผสมทมเทอรโมพลาสตกเปน

5. เสนใยขอดคอเสนใยโพลเมอร ก. Fiber glass ค. Carbon fiber

ค. Boron fiber ง. Kevlar fiber

6. เสนใยทมชอวา เคฟลาร (Kevla) คอเสนใยขอใด

ก. เสนใยคารบอน ค. เสนใยแกว

ข. เสนใยอะรามด ง. เสนใยแกรไฟต



7. เสอกนกระสนผลตจากวสดผสมใด

ก. เสนใยคารบอน ข. เสนใยแกว

ค. เสนใยอะรามด ง. เสนใยแกรไฟต

8. ขอใดคอการหาคาความแขงแรงจ าเพาะ

ก. P

G ข. P

TS

ค. p

ง. P

E

9. วสดผสมเสนใยเซรามกทมเซรามกเปนโครงสรางพนคอขอใด ก. PVC ข. CDV ค. MMC ง. CMC

10. ทศทางการเรยงตวของเสนใยทศทางใด รบแรงดงไดด ก. ทศทางท ามม 45 กบเสนใย ข. ทศทางท ามม 90 กบเสนใย ค. ทศทางขนานกบเสนใย ง. ทศทางตงฉากกบเสนใย

11. คอนกรตจดเปนวสดผสมชนดใด ก. Particle reinforce ข. Dispersion-strengthened ค. Lamina reinforce ง. Fiber reinforce

12. การผลตวสดผสมเสนใยเสรมแรงทเปนชนสวนเครองบนและยานอวกาศ โดยการอบในเตาพรอมกระบวนการสญญากาศคอขอใด

ก. กระบวนการปนเสนใย ข. กระบวนการสญญากาศ ค. กระบวนการพนเสนใย ง. กระบวนการออโตเครฟ

13. การขนรปวสดผสมเสนใยเสรมแรงทเปนทอขนาดใหญโดยการปนคอขอใด ก. กระบวนการปนเสนใย ข. กระบวนการสญญากาศ ค. กระบวนการพนเสนใย ง. กระบวนการออโตเครฟ



14. การผลตวสดผสมแบบเปนชน โดยน าโลหะ 2 ชนด มาตดกนโดยการระเบดคอขอใด ก. Rolling ข. Brassing ค. Compression ง. Explosive 15. ลงกระดาษทภายในเปนลอนลกฟกและเปดผวหนาดวยแผนเรยบ เปนลกษณะวสดผสมโครงสรางแบบใด ก. โครงสรางโลหะหมผว ข. โครงสรางโลหะค ค. โครงสรางแซนดวช ง. โครงสรางไมโครลามเนต 16. ขอใดเปนองคประกอบทส าคญของโครงสรางเนอไม ก. ลกนน ข. น ามน ค. สารกงเซลลโลส ง. เสนใยเซลลโลส 17. ไมรบแรงดงไดดในทศทางใดของเสนใยในเนอไม ก. ทศทางในแนวยาว ข. ทศทางขนานกบวงป ค. ทศทางตงฉากกบวงป ง. ถกทง ข.และ ค. 18. ขอใดคอแมทรกซของคอนกรต ก. หนลกรง ข. ซเมนต ค. ทราย ง. น า 19. คอนกรตในขอใดผลตจากการท าใหเกดความเคนอดขนภายใน เพอรบแรงกดและการโคงงอไดดขน ก. คอนกรตโพสตเตรส ข. คอนกรตเสรมแรง ค. คอนกรตพรสเตรส ง. ขอ ก. ค. 20. ขอใดเปนสวนประกอบหลกของยางมะตอย (asphalt) ก. ธาตคารบอน (C) และไนโตรเจน (N) ข. ธาตคารบอน (C) และไฮรโดรเจน (H)

ค. ธาตคารบอน (C) และซลเฟอร ง. ธาตคารบอน (C) และออกซเจน (O)






New York: John Wiley & Sons. http://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/0612/

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 9 กระบวนการผลตและขนรป

หวขอเนอหา 9.1 กรรมวธการหลอ (Casting Processes)

9.1.1 สวนประกอบของแบบหลอและชนงานหลอ (Components of sand Mold and Casting)

9.1.2 การหลอดวยแบบหลอทนากลบมาหลอซาไมได (Non – reusable Mold Casting) 9.1.3 การหลอดวยแบบหลอทนากลบมาหลอซาได (Reusable Mold Casting)

9.2 กรรมวธการขนรป (Forming Processes) 9.3 กรรมวธการกดแตง (Machining Processes) 9.4 กรรมวธการตอ (Joining Processes)

9.4.1 การเชอมโดยการหลอมรวม (Fusion Welding) 9.4.2 การแลนประสาน (Brazing) 9.4.3 การบดกร (Soldering)

9.5 การเลอกใชวสด (Material Selection) 9.6 สรป แบบฝกหดทายบทท 9 เอกสารอางอง


1. อธบายเกยวกบกรรมวธการผลตชนดตางๆ วธการ อปกรณและสวนประกอบในการผลต

2. อธบายเกยวกบวธการขนรป อปกรณ ชนด กรรมวธ และลกษณะของผลตภณฑทไดจากการขนรป 3. อธบายเกยวกบกรรมวธการขนรปแบบตามลกษณะของผใช เชน กระบวนการกดแตง การเชอม

เปนตน

4. สามารถเลอกใชกรรมวธการผลต และเขาใจ มองเหนภาพรวมปจจยตางๆ ทเกยวของในการผลตผลตภณฑ

วธสอนและกจกรรม 1. ทบทวนเนอหาในบทท 8 2. นาเขาสบทเรยนโดยการบรรยายกระบวนการผลตและขนรป ประกอบรปภาพใน Power point 3. อธบายเนอหาทละหวขอแลวเปดโอกาสใหผเรยนถามในแตละหวขอกอนขามหวขอนน

4. สอบถามผเรยนถาผเรยนมคาถามสงสย 5. สรปเนอหา และภาพรวมของวสดวศวกรรม





1. สงเกตจากพฤตกรรมและบรรยากาศระหวางเรยน 2. ถามตอบระหวางเรยน 3. แบบฝกหดทมอบหมายใหในแตละครง การประเมนผล 1. จากการทากจกรรมกลมเสรจตามเวลา 2. ทาแบบฝกหดมความถกตองไมนอยกวา 80%

บทท 9 กระบวนการผลตและขนรป 315


บทท 9 กระบวนการผลตและขนรป

กรรมวธการผลตและการเลอกใชวสดในงานวศวกรรม เปนสงทสาคญซงจะตองมความรและเขาใจ

ทงนเพอใหสามารถทจะเลอกกรรมวธการผลตทมอยมากมายมาใชในการขนรปหรอผลตวตถดบใหเปนผลตภณฑตามทตองการ การเลอกกรรมวธการผลตทถกตองหรอเหมาะสมจะทาใหไดรบสมบตของวสดตรงตามความตองการใชงาน ทงนเนองจากกรรมวธการผลตหรอขนรปวสดจะทาใหโครงสรางเกดการเปลยนแปลงไป เมอโครงสรางเปลยนแปลงยอมสงผลตอสมบตทเปลยนแปลงไปดวย ดงนนเราจงจาเปนตองพจารณากรรมวธใหมความเหมาะสม

9.1 กรรมวธการหลอ (Casting Processes) หมายถง การเทโลหะหลอมเหลวเขาไปในโพรงแบบหลอแลวปลอยใหแขงตวตามรปรางทตองการ

หรอหากจะใหความหมายทครอบคลมมากยงขน จะหมายถง เรมตนจากการใหความรอนเพอหลอมโลหะใหมสภาพเปนของเหลว (Melting) จากนนทาการปรบปรงนาโลหะใหมสวนผสมทางเคมตามทตองการแลวทาการเท (Pouring) นาโลหะหลอมเหลวลงโพรงแบบหลอ (Mold cavity) ทมรปรางตามชนงานทเราตองการปลอยใหนาโลหะเยนตวลงและเกดการแขงตว (Solidify) จะไดชนงานตามตองการ

9.1.1 สวนประกอบของแบบหลอและชนงานหลอ (Components of sand Mold and Casting)

สวนประกอบและชอเรยกตางๆ ของแบบหลอทรายดงแสดงในรปท 9.1 (ก) สาหรบสวนประกอบของชนงานหลอภายหลงการหลอเสรจและรอออกจากแบบหลอเรยบรอยแลว ดงแสดงในรปท 9.1 (ข) โดยสวนประกอบตางๆ มหนาท ดงน

(ก) (ข)

รปท 9.1 แบบหลอชนงาน (ก) สวนประกอบของแบบหลอ (ข) สวนประกอบของชนงานหลอ




โพรงแบบ (Mold cavity ) หมายถง ชองวางทมรปรางเหมอนชนงานทเราตองการ เกดขนจากการใชแบบหลอ (Pattern) ในการขนรปในกระบวนการปนแบบ หบหลอ (Flask) ทาหนาทในการบรรจและจบยดวสดทใชทาแบบหลอใหมความแขงแรง หบหลออาจทาจากโลหะหรอไม หบหลอสวนบน เรยกวา โคป (Cope) หบหลอสวนลางเรยกวา แดรก (Drag) เสนแบงระหวางหบบนและหบลางเรยกวา แนวตอระหวางแบบ หรอ พารตงไลน (Parting line)

รเท (Sprue) หมายถงสวนททาหนาทใหนาโลหะผานมาสทางวงทางวง (Runner) หมายถงสวนททาหนาทนาพาโลหะหลอมเหลวไหลสทางเขา

แองรเท (Pouring cup, Basin) หมายถง สวนททาหนาทรบโลหะหลอมเหลวจากเบาเท (Ladle) บาไสแบบ (Core print) หมายถง บรเวณทใชในการจบยดไสแบบ

รลน (Riser) หมายถงสวนเพมเตมในแบบหลอททาหนาทเกบโลหะหลอมเหลวไวปอนเตม ใหกบชนงานหลอ ขณะเกดการหดตว (Shrinkage) เมอโลหะเปลยนสภาวะจากของเหลวไปเปนของแขง (Solidification)

ทางเขา (Gate) หมายถงสวนททาหนาทปอนเตมและควบคมการไหลของนาโลหะเขาสโพรงแบบหลอ ระบบปอนเตม (Gating system) หมายถง สวนประกอบททาหนาทในการรบนาโลหะจากการเท

และนาพานาโลหะเขาสโพรงแบบหลอ สวนประกอบของระบบปอนเตมประกอบดวย แองรเท (Pouring basin) รเท (Sprue) ทางวง (Runner) และทางเขานาโลหะ (Gate)

9.1.2 การหลอดวยแบบหลอทนากลบมาหลอซาไมได (Non – reusable Mold Casting) 1. การหลอดวยแบบหลอทราย (Sand Casting) การหลอโดยแบบหลอทราย เปนวธการทมใชมา

นานอยางแพรหลาย สามารถผลตชนงานหลอตงแตขนาดเลก จนถงขนาดใหญทมนาหนกหลายรอยกโลกรม ชนงานหลอทผลตโดยแบบหลอทรายอาจประกอบไปดวย เครองยนต ใบพดเทอรไบน เปลอกมอเตอร ตลอดจนอปกรณทางการเกษตรอกหลายชนด แบบหลอทรายสามารถใชหลอโลหะไดหลายชนดแบบหลอทรายสามารถใชหลอโลหะไดหลายชนดไมวาจะเปนเหลกหลอ เหลกกลา อะลมเนยมผสม ทองแดงผสม ตลอดจนนกเกล หรอไทเทเนยม เปนตน

วสดในการทาแบบหลอทราย ประกอบไปดวยเมดทรายททาหนาทเปนวสดทนไฟ ผสมรวมกบตวประสานทเปน ดนเหนยวและมนาผสมเขาไปเปนตวชวยใหดนเหนยวจบยดเมดทรายได บางครงอาจมการเตมตวประสานชนดพเศษ ลงไปอกเพอเพมสมบตบางอยางของทรายแบบหลอใหดขน เมดทรายทใชทาแบบหลอนนมหลายชนด เชน ทรายเซอรคอน ทรายโอลวน ทรายโครไมต เปนตน แตทนยมใชมากทสดคอทรายซลกา สาหรบดนเหนยวทนยมใชคอ ดนเบนโทไนต (Bentonite)

กรรมวธการทาแบบหลอทรายชนนนแสดงในรปท 9.2 โดยเรมจากการวางกระสวนสวนลางลงในหบหลอ ดงแสดงในรปท 9.2 (ก) จากนนผสมทรายกบดนเหนยวและนาใหเขากนแลวนามาเทลงในหบหลอ ตาทรายใหแนนจากนนปาดทรายใหเรยบ ดงแสดงในรปท 9.2 (ข) พลกหบหลอขนดานบนวางหบหลอชนบน แลววางกระสวนสวนบนประกอบกบกระสวนสวนลาง พรอมกบวางรเทและรลนในตาแหนงทกาหนด ดงแสดงในรปท 9.2 (ค) แลวทาการเททรายแบบหลอลงไป ตาทรายแบบใหแนนแลวปาดทรายใหเรยบ ดงแสดงในรป



ท 9.2 (ง) แยกหบหลอชนบนและชนลางออกจากกน และถอดกระสวนออกจากทรายแบบหลอ ดงแสดงในรปท 9.2 (จ) และ (ฉ) ทาทางวงของนาโลหะ ดงแสดงในรปท 9.2 (จ) หากชนงานหลอมรหรอโพรงขางใน ไสแบบจะถกวางประกอบเขาไปในแบบหลอขนตอนน เสรจแลวใหปดหบหลอบนและลางพรอมกบทาแองรเท ดงแสดงในรปท 9.2 (ช) เปนอนเสรจขนตอนการทาแบบหลอทรายชน และพรอมทจะเทนาโลหะได ภายหลงการเทนาโลหะและปลอยใหนาโลหะแขงตว และรอทรายแบบหลอออกจะไดชนงานหลอทมสวนประกอบของชนงานหลอ ทางเขานาโลหะ รลน และรเท ดงแสดงในรปท 9.2 (ซ)

รปท 9.2 ขนตอนในการทาแบบหลอทรายชน

(ทมา: สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ, 2548)

2. การหลอดวยแบบหลอเปลอกบาง (Shell Mold Casting) แบบหลอเปลอกบางเปนวธทาแบบทไดรบความนยม ทงนเพราะชนงานทหลอดวยวธน จะมผวทเรยบ ขนาดใกลเคยงกบชนงานจรง และราคาประหยดเพราะใชทรายเพยงเปลอกบางๆ เพยง 5-10 มลลเมตร เทานน ชนงานหลอทผลตจากรรมวนไดแก ชนสวนเครองจกรกลขนาดเลกทตองการความเทยงตรงของขนาดสงๆ เชน ฝาครอบชดเฟองเกยร และขอตอชนสวนตางๆ กรรมวธนยงนยมใชทาไสแบบอกดวย วธการทาแบบจะยงคงใชทรายซลกาทมความละเอยดสงในการทาวสดทนไฟ ผสมรวมกบตวประสานทเปนผงของเทอร โมเซตตงเรซน เชน ฟนอล-ฟอรมลดไฮดดวยปรมาณ 2.5 – 4% ปจจบนทรายทผสมกบเรซนแลวมจาหนายอยทวไป ขนตอนการทาแบบหลอเปลอกบาง ดงแสดงในรปท 9.3 โดยเรมจากการใหความรอนกระสวนโลหะแบบผาซกทตดอยกบแผนเพลตพรอมรเทและรลนทอณหภมระหวาง 175-370 ๐C จากนนพนเคลอบผวกระสวนดวยซลโคนเหลวเพอใหสามารถแกะแบบทรายออกไดงาย ควาแบบหลอปดกลองทบรรจทรายผสมเรซนไวแลว ดงแสดงในรปท 9.3 (ก) พลกกลบดานใหทรายลงมาคลมแบบหลอโลหะทรอนอย ดงแสดงในรปท 9.3 (ข) และ (ค) ทงไวใหตวประสานหลอมและจบเมดทรายแลวแขงตวดวยระยะเวลาหนง (ประมาณ 10 วนาท) จากนนพลกกลองทรายกลบลงมา ดงแสดงใน



รปท 9.3 (ง) ทรายสวนทไมแขงตวจะลวงลงมา เหลอเพยงสวนทแขงตวตดอยกบแบบหลอ จากนนถอดแบบเปลอกบางออกโดยหมดยงทตดอยกบโลหะ เปนอนเสรจขนตอนการทาแบบหนงซก การทาแบบหลอเปลอกบางตองทา 2 ซก แลวนามาประกบกน ดงแสดงในรปท 9.3 (จ) (ฉ) จากนนจงเทนาโลหะและปลอยใหแขงตวจงรอแบบออก

รปท 9.3 ขนตอนการทาแบบหลอเปลอกบาง


3. การหลออนเวสเมนต (Investment Casting) การหลออนเวสเมนต หรอเรยกอกอยางวา กระบวนการหลอขผงหาย (Lost-wax-process) เปนกระบวนการทใชกนมานาน ตงแตชวง 4,000-3,000 BC ใชหลอชนงานทมขนาดเลกตงแตนาหนกไมกกรม อยางเชนเครองประดบทเปนแหวน ตางห จ ไปจนถงชนงานขนาดใหญๆ ทใชในอตสาหกรรม อยางเชน ใบพดเทอรไบนของเครองยนตเจต เฟอง ลกเบยว วาลว รวมถงงานทนาหนกมากกวา 1,000 กโลกรม

ขนตอนในการทาแบบหลออนเวสเมนต ดงแสดงในรปท 9.4 โดยเรมจากการฉดขผงเขาแมพมพเพอขนรปกระสวน จากนนแกะกระสวนขผงออกมาแลวตดเขากบรเท ททาจากขผงเชนกน เมอตดเสรจจะมลกษณะเปนตนขผงทมกระสวนตดอย เรยกวา ตนขผง (Tree wax) จากนนนาไปจมลงในสารเคลอบผวทเปนวสดทนไฟทมความละเอยดสงมาก ทาใหผวแบบหลอมความเรยบสง ผวทเคลอบชนนจะมความบาง ดงนนตองนาไปเคลอบผวดวยวสดทนไฟในขนตอไป ซงอาจเปนผงเซรามกผสมทรายซลกาและตวประสานอนๆ เพอใหแบบหลอมความหนาและแขงแรงขนอก จากนนปลอยใหแหง แลวนาไปเผาใหข ผงละลายออกใหหมด ทอณหภม 90-175 ๐C ขผงทละลายออกทาใหเกดชองวางทเปนโพรงแบบหลอ หลงจากนนทาการเผาแบบหลอดวยอณหภมสงขนไปอก ระหวางอณหภม 650-1,050 ๐C เพอใหวสดทาแบบหลอเกดการประสานตว



และจบยดกนจนเกดความแขงแรงขน จากนนจงนาแบบหลอมาเทนาโลหะหลอมเหลวลงในโพรงแบบหลอปลอยใหโลหะแขงตวและรอแบบหลอออกจะไดชนงานทมผวเรยบดมากและขนาดมความเทยงตรงสง

รปท 9.4 ขนตอนการหลอโดยกรรมวธอนเวสเมนต


9.1.3 การหลอดวยแบบหลอทนากลบมาหลอซาได (Reusable Mold Casting)

1. การหลอดวยแบบหลอถาวร (Permanent Mold Casting) แบบหลอถาวร โดยมากทาจากเหลกหลอสเทา เหลกกลา บรอนซ หรอแกรไฟต ชนสวนทผลตมาจากแบบหลอถาวรอาจเปนแบบงายๆ ทมระบบการทางานดวยมอ ดงแสดงในรปท 9.5 ทมลกษณะการทางานเหมอน ปด-เปดหนงสอ หรออาจเปนแบบทมการทางานทซบซอน โดยสามารถปด-เปดแบบไดบนฐานรองทออกแบบกลไกใหเลอนเขา – ออก ไดสะดวก โดยมการควบคมการทางานดวยระบบไฮดรอลกหรอนวเมตกส เปนตน

รปท 9.5 ขนตอนการหลอโดยแบบหลอถาวร




2. การหลอแมพมพถาวร (Die Casting) การหลอขนรปดวยแมพมพถาวรหรอการหลอดายคาสตง ถกพฒนาขนจากกรรมวธการหลอดวยแบบหลอถาวร ชนงานหลอทผลตจากกรรมวน ไดแก เสอสบรถมอเตอรไซค เครองยนตชนสวนเครองจกรกล เครองมอ ตลอดจนถงตกตาของเลนตางๆ เปนตน ชนงานหลอทผลตจากกรรมวธการนนาหนกจะอยในชวง 90 กรม ถง 25 กโลกรม อปกรณและเครองจกรโดยเฉพาะอยางยงคอ แมพมพทใชหลอในกรรมวธจะมราคาคอนขางสงแตจะใชแรงงานในกระบวนการหลอนอยกวากรรมวธอน เพราะขนตอนการผลตนนจะมการทางานแบบกงอตโนมต ดงนนการหลอดวยแมพมพถาวรจงเหมาะกบการผลตชนงานหลอทมปรมาณการผลตสง กรรมวธการหลอแมพมพถาวรมขดความสามารถในการผลตทคอนขางสง ผลตชนงานไดรวดเรว ชนงานหลอมความแขงแรงและสามารถผลตงานทความบาง 0.38 มลลเมตร และรปรางซบซอนไดดทงน เพราะแรงดนนาโลหะจะชวยเพมความเรวในการปอนเตมนาโลหะเขาสโพรงแบบทซบซอนไดดขน อกทงแรงอดนาโลหะยงชวยอดใหเนอโลหะมความแนนทาใหมสมบตทางกลทดขน โลหะกลมอะลมเนยม ทองเหลอง แมกนเซยม และสงกะส นยมผลตจากการหลอแมพมพถาวรน การหลอแมพมพถาวรแบงเปน 2 วธ ดงน

2.1 กรรมวธฮอตแชมเบอร (Hot – chamber process) ลกษณะของอปกรณการหลอแบบ

ฮอตแชมเบอร ดงแสดงในรปท 9.6 (ก) วธนชดอดฉดนาโลหะจะถกจมอยในอางโลหะหลอมเหลว นาโลหะทอยในกระบอกอดแรงดนจะถกอดใหไหลผานทอลาเลยงทมลกษณะคลายคอหาน (Gooseneck) ไปยงหวฉด (Nozzle) เพอฉดเขาแมพมพดวยแรงดนทอาจสงถง 40 MPa แตโดยปกตจะใชแรงดนเฉลยอยประมาณ 15 MPa โลหะหลอมเหลวทฉดเขาโพรงแบบในแมพมพจะถกทงไวระยะเวลาหนงเพอใหเกดการแขงตว และเพอเพมความเรวในการแขงตวของนาโลหะใหเรวขน จะมการใชนาหลอเยนใหไหลผานภายในแมพมพเพอระบายความรอนออกมาใหเรวขน ปกตแลวโลหะทนยมหลอดวยกรรมวธนจะมจดหลอมเหลวทตา เชน สงกะส แมกนเซยม ดบก และตะกว เปนตน ความเรวของการฉดจะอยระหวาง 200-300 ครงตอชวโมง สาหรบโลหะสงกะส อยางไรกตาม หากเปนชนงานทมขนาดเลกๆ อาจทาการฉดไวเรวถง 18,000 ครงตอชวโมง

2.2 กรรมวธโคลดแชมเบอร (Cold – chamber process) การหลอแบบโคลด-แชมเบอร ม

ลกษณะและขนตอนดงแสดงในรปท 9.6 (ข) วธนอปกรณในการอดฉดนาโลหะจะไมตองแชอยในอางโลหะหลอมเหลว แตจะใชวธการตกนาโลหะออกมาเทใสชดอดนาโลหะแลวอดดวยแรงดนระหวาง 20 - 70 MPa (บางครงอาจสงถง 150 MPa) ลกษณะการทางานของเครองอดฉดอาจมแบบททาการอดในแนวนอนหรอแนวตง วธการนสามารถหลอโลหะทมจดหลอมเหลวสงกวาแบบฮอตแชมเบอร เชน อะลมเนยม แมกนเซยม และทองแดงผสม หรอแมกระทงเหลกกลาทมจดหลอมเหลวสงๆ กสามารถหลอดวยวธนไดเชนกน



(ก) (ข)

รปท 9.6 ขนตอนการหลอการหลอกรรมวธฮอตแชมเบอร และโคลดแชมเบอร


3. การหลอเหวยง (Centrifugal Casting) การหลอเหวยง อาศยแรงภายในทเกดขนจากการหมนผลกดน นาโลหะหลอมเหลวเขาสโพรงแบบหลอ การหลอแบบนใชขนรปชนงานหลอทมรปทรงกระบอก เชน ทอ บช เปลอก แบรง เปนตน ลกษณะการทางานของการหลอเหวยงแบบน ดงแสดงในรปท 9.7 นาโลหะหลอมเหลวจะถกเทเขาไปในแบบหลอทรงกระบอกทหมนอยบนลกกลงทวางในแนวขนานกบพน แบบหลออาจทาจากเหลกกลา เหลกหลอ หรอแกรไฟต และเคลอบผวภายในโพรงแบบหลอดวยวสดทนไฟเพอยดอายของแบบหลอใหนานขน ผวภายในของแบบหลอจะเปนรกลวงโดยไมตองอาศยไสแบบและความหนาของชนงานหลอสมาเสมอเพราะแรงเหวยง ขนาดของชนงานหลอทหลอดวยกรรมวธนอาจมขนาดเลกๆ ตงแต 13 มลลเมตร จนถงขนาดใหญทมความโตถง 3 เมตร และยาวถง 16 เมตร ทความหนาระหวาง 6-125 มลลเมตร แรงเหวยงของของวธการนจะสงมากทาใหเนอโลหะมความแนน คณภาพด ผวเรยบ ขนาดเทยงตรง ไมมจดบกพรองทเกดจากการหดตว และไมตองใชรลน

รปท 9.7 ลกษณะการทางานของการหลอเหวยง




9.2 กรรมวธการขนรป (Forming Processes)

สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ (2548) การทารปโลหะ เปนกรรมวธในการทาใหโลหะเกดการเปลยนรปในสภาวะพลาสตก (Plastic deformation) โดยอาศยแรงกระทา โลหะทถกขนรปจะอยในสภาวะของแขง (Solid state ) ไมตองทาการหลอมใหเปนของเหลวเหมอนกรรมวธหลอ การขนรปสามารถทาไดไมวาจะเปนการขนรปรอนหรอการขนรปเยน จะเลอกใชกรรมวธการใดนนขนอยกบความเหมาะสมของชนด รปทรง คณสมบตของโลหะทตองการ ตลอดจนคาใชจายในการลงทนอปกรณและเครองมอในการผลต 1. การรดขนรป (Rolling) การรดเปนกระบวนการลดขนาดหรอเปลยนแปลงรปรางหนาตดของชนงาน โดยใชแรงแรงอดผานลกรด การรดขนรปสามารถทาใหเกดรปทรงไดหลายแบบ ดงแสดงในรปท 9.8 ชนงานเรมตน อาจจาแนกได 3 ชนด ดวยกน คอ บลม (Bloom) บลเลต (Billet) และ สแลบ (Slab)

รปท 9.8 การรดขนรปเหลกกลารปทรงตางๆ


การรดนนมหลายลกษณะหากพจารณาตามรปทรงของชนงาน โดยแบบแรกเปนการรดแผนเรยบธรรมดาชนงาน ทไดออกมาจะเปนแผนหนาขนาดใหญ หรอเปนแผนบางทมความยาวมากๆ แลวมวนเปนรปทรงกระบอกเพอสะดวกในการขนยายหรอรดเปนแผนแลวนาไปทาเปนทอมตะเขบ เปนตน การรดถดมาคอ การรดขนรปเปนรปทรงตางๆ เชน การรดขนรปตวไอ (I-beam) ซงเปนการรดขนรปแบบตอเนองโดยการลดขนาดนนตองมหลายขนตอน การรดสามารถทาไดทงการรดรอนและการรดเยน การรดทง 2 แบบ นมขอดขอเสยตางกน การรดรอนจะใชพลงงานในการรดนอยกวาการรดเยน เพราะเนอโลหะมความนมเนองจากถกใหความรอนทอณหภมสงกวาอณหภมเกดผลกใหม เกรนทผานการรดทแบนและยดออกจะสามารถคนรปกลบคนมาสเกรนทมรปทรงสมมาตรไดเพราะอณหภมสงทาใหเนอโลหะไมเกดความเคนตกคาง โลหะจงมความออนเหนยว แตขอจากดของการรดรอน คอ ควบคมขนาดของชนงานใหเทยงตรงไดยากเพราะโลหะทอณหภมสงจะขายตว เมอ



อณหภมลดลงจะเกดการหดตวทาใหควบคมขนาดไดยาก สวนการรดเยนนนสามารถควบคมขนาดทเทยงตรงไดดกวาการรดรอนมาก จะมขอจากดเพยงเกรนทผานการรดเยนจะเกดการแบนและยดตวออก และเนองจากอณหภมการรดตากวาอณหภมเกดผลกใหมเกรนทแบนจงไมสามารถกลบสรปทรงทสมมาตรไดทาใหเกดความเคนตกคางชนงานรดเยนจงมความแขงสงกวาชนงานรดรอน

2. การตขนรป (Forging) การต เปนวธการขนรปโลหะขนพนฐานทใชแรงตหรออดผานแมพมพหรอเครองมอเพอใหไดรปทรงชนงานตามความตองการ การตมใชงานมานานมากตงแตสมยอดตทใชขนรปเครองประดบ เครองใช มด หอก หรออาวธลาสตว พฒนามาเปนอาวธในการทาสงคราม ปจจบนใชผลตกานสบ ใบพดเทอรไบด ตลอดจนชนสวนยายยนตตางๆ การตมขอดตรงทเนอของโลหะทถกตจะอดแนนทาใหมความแขงแรงมากขน (ณรงคศกด ธรรมโชต, 2555) การตอาจแบงตามลกษณะของแมพมพในการขนรปเปน 2 ประเภทใหญๆ คอ การตแมพมพแบบเปด และการตแมพมพแบบปด การตขนรปชนงานอาจใชการขนรปเยนหรอการขนรปรอนกได แตโดยมากทนยมจะเปนการขนรปรอน เพราะเนอโลหะจะนมใชแรงขนรปนอยและอายการใชงานของแมพมพจะยาวนานกวาดวย การตโดยแมพมพแบบเปด จะใชในการขนรปชนงานทมรปทรงงายๆ ดงแสดงในรปท 9.9 โดยอาจเปนรปทรงแบน ทรงกลม ตลอดจนรปทรงทเปนวงแหวนกสามารถทาได ขนาดของชนงานทถกขนรปจะมตงแตขนาดเลกทมนาหนกไมกกโลกรม ไปจนถงขนาดใหญทอาจจะมนาหนกเปน 100 ตน

รปท 9.9 ลกษณะการตขนรปแมพมพแบบเปด

(ทมา: Kalpakjian and Schmid, 2006) การตขนรปแมพมพแบบปด ชนงานจะถกแรงตอดใหมรปทรงตามโพรงของแมพมพ ดงแสดงในรปท

9.10 การตขนรปดวยวนชนงานจะมรปทรงเหมอนงานสาเรจมากทสด จะมเพยงขอบงานทเปนสวนเกนทจะตองตดออกในขนตอนสดทาย การตขนรปการสบทมหลายขนตอน เพราะการตขนรปครงเดยวนนไมสามารถกระทาไดเพราะเนอโลหะอาจเกดการฉกขาด ตลอดจนแรงทใชตจะสงมากและการตขนรปกานสบนจะเปนการขนรปรอน



รปท 9.10 ลกษณะแมพมพ ตาแหนง และลาดบขนตอนการตขนรปกานสบ


3. การอดรดขนรป (Extrusion) เปนการขนรปชนงานโลหะดวยการใชแรงอดดนใหโลหะเกดการไหลผานแมพมพเพอใหไดรปรางตามทตองการ โดยมากโลหะจะถกขนรปทอณหภมสง การขนรปชนงานแสดงในรปท 9.11 (ก) โดยเรมจากแทงบลเลตกลม จะถกบรรจเขาไปในกระบอกอดดวยแรงอดสงทาใหเนอโลหะไหลผานรแมพมพทมรปทรงไดหลายแบบ ชนงานทอดรดโดยมากจะมขนาดยาวและพนทหนาตดคงท รปทรงของพนทหนาตดของชนงานจะเปลยนไดหลากหลายขนอยกบรปทรงของแมพมพ รปท 9.11 (ข) แสดงลกษณะของชนงานทผานการขนรปจากการอดรด (ก) (ข)

รปท 9.11 การอดรดขนรป (ก) สวนประกอบของแมพมพอดรด (ข) รปทรงของชนงานทขนดวยกรรมวธอดรด




4. การดงขนรป (Drawing) การดงขนรป เปนการขนรปโลหะโดยการดงใหโลหะผานแมพมพ ชนงานทขนรปโดยการดงมกมขนาดยาวเชนลวด หรอทอขนาดยาว ลกษณะการขนรป ดงแสดงในรปท 9.12 ขอแตกตางระหวางการขนรปโดยการอดรดและการดง คอ แรงทใชทาใหโลหะเปลยนรปโดยการดงจะใชแรงดง สวนการอดรดจะใชแรงอดชนงานผานแมพมพ

รปท 9.12 การดงขนรปทอ


5. การขนรปโลหะแผน (Sheet Metal Forming) โลหะแผนมใชงานใหพบเหนกนทวไปในงานอตสาหกรรมขนาดใหญ เชน ตวถงรถยนต ถงนามนเครองบน คอนเทนเนอรรถบรรทก มาจนถงอปกรณหรอผลตภณฑขนาดเลกอยางเชน กระปองบรรจอาหารและเครองดม อปกรณเครองสขภณฑอยางอางลางจาน เปนตน การขนรปโลหะแผนมหลายวธประกอบดวย การตด การพบ การปม การมวน การเขาตะเขบ เปนตน

5.1 การตดเฉอน (Shearing) การตดเฉอนเปนการใชแรงทางกลในการตดโลหะแผนใหมรปทรงตามทเราตองการ การตดเฉอนนนตองมใบมดในการตด ลกษณะการตดเฉอนหากชนงานทมแนวตดเฉอนเปนเสนตรง จะเรยกการตดเฉอนแบบนวา การเฉอน (Shearing) หากรอยตดของชนงานมรปทรงโคง ชอเรยกจะแตกตางกนไป ไดแก แบลงกง (Blanking) เพยรซง (Piercing) นอตซง (Notching) และ ทรมมง (Trimming) เปนตน รปแบบการตดเฉอนพนฐาน แสดงในรปท 9.13 (ก) และตวอยางผลตภณฑทขนรปโดยการตดเฉอนในรปท 9.13 (ข) การตดเฉอนโลหะแผนจะมใบมดทใชตดหรอเจาะใหเกดร ประกอบไปดวย 2 สวน คอ พนซ (Punch) หรอแมพมพตวผกบดาย (Die) หรอแมพมพตวเมย พนซจะเปนใบมดสวนบนและดายจะเปนใบมดสวนลาง



(ก) (ข)

รปท 9.13 การตดเฉอนโลหะแผน (ก) ชอเรยกสวนประกอบของการตดเฉอนโลหะแผน (ข) ตวอยางงานทขนรปโดยการตดเฉอน


5.2 การพบขนรป (Bending) การพบขนรปจะทากบโลหะแผนใหเกดมมและรปรางไดหลายรปแบบ ดงแสดงในรปท 9.14 โดยการขนรปจะใชเครองเพลส (Press) ขนาดแรงกดดนหลายตน สงแรงกดผานแมพมพทมทงสวนบนและสวนลาง รปทรงของชนงานพบจะเปนลกษณะใดขนอยกบรปทรงของแมพมพ การพบโดยมากรปทรงชนงานจะเปนเหลยมหรอมมมทองศาตางๆ อยางไรกตามสาหรบการพบชนงานทมลกษณะกลมกสามารถทาไดดวยเชนกน

รปท 9.14 รปแบบและลกษณะของงานทพบขนรป




9.3 กรรมวธการกดแตง (Machining Processes) การกดแตง เปนการขนรปชนงานโดยอาศยการตดเฉอนเนอวสดออกเพอใหเกดรปรางตามตองการ การกดแตงนนมหลายวธดวยกนแตละวธจะเหมาะกบงานทแตกตางกน ขนอยกบรปทรงและผวสาเรจของงานในขนสดทาย รวมถงเวลาและคาใชจายทเกดขนดวยเนองจากการกดแตงนนมหลายวธ ดงนนในทนจะกลาวถงเฉพาะการกดแตงท เปนวธพนฐาน ดงน

1. การกลง (Turning) การกลงเปนการกดแตงผวงาน รปทรงกระบอกทผวนอกหรอรภายใน การกลงสามารถกดแตงชนงานไดหลายลกษณะ ดงแสดงในรปท 9.15 ไมวาจะเปนการกลงปลอกผวใหขนาดเลกลง การกลงปาดหนา การกลงเรยว การควานร การเซาะรอง การกลงเกลยว และการขนลายทผวงาน เปนตน

รปท 9.15 ลกษณะรปทรงของการกลงชนงานแบบตางๆ


2. การกด (Milling) การกดเปนการขนรปชนงานทใชเครองมอตดทมคมตดหลายคม ดงแสดงในรปท 9.16 ในการตดขนรปอาจใชคมตดดานขางหรอทปลายคมตด การกดสามารถกดไดทงแบบผวหนาเรยบ การกดเซาะรอง หรอกาสรกดผวโคก การทางานของเครองในการปอนชนงานใหใบมดกด กาหนดความลก หรอความเรวในการกด มทงแบบททางานดวยการควบคมโดยคนและควบคมดวยเคร องคอมพวเตอร (CNC) ชนงานทขนรปโดยการกดมตงแตขนาดเลกนาหนกเพยงไมกกโลกรม จนถงนาหนกหลายตน



(ก) (ข) (ค)

รปท 9.16 ลกษณะพนฐานการกดขนรปชนงาน (ก) การกดแนวนอน (ข) การกดแนวตง (ค) การกดรอง


3. การเจาะ (Drilling) การเจาะเปนการทาใหเกดรในชนงานโดยการใชดอกสวานทมคมตดตงแต 2 จดขนไป การเจาะนนสามารถทากบเครองจกรไดหลายประเภท โดยอาจเปนเครองเจาะโดยตรงหรออาจใชดอกสวานเพอเจาะกบเครองกลงหรอเครองกด ทงนเครองจกรแตละชนดมหวจบทสามารถจบดอกสวานเพอเจาะชนงานได

4. การเจยระไน (Grinding) การเจยระไนเปนการกดแตงในขนตอนสดทาย เพอใหงานไดขนาดและความเรยบตามตองการ จะเจยระไนจะใชหนเจยระไนททาจากวสดทมความแขงสง เชน ซลคอนคารไบด อะลมเนยมออกไซด หรอเพชร เปนตน เปนตวขดถผวและตดเฉอนชนงานใหสกหรอหรอฉกขาดออกไปทละนอย ดวยคมของเมดวสดทใชทาหนเจยระไน หนเจยระไนนนมหลายชนด แตละชนดมการใชทแตกตางกนออกไป การเจยระไนนนมหลายรปแบบทง การเจยระไนผวเรยบ เจยระไนงานกลมหรอการเจยระไนตามรปทรงตางๆ รปท 9.17 (ก) และ (ข) แสดงลกษณะการเจยระไนงานกลม การเจยระไนผวงานแบบระนาบ หรอผวเรยบธรรมดาและการเจยระไนแบบรอง (ก) (ข)

รปท 9.17 การเจยระไน (ก) งานกลม (ข) ผวในแนวราบและรอง




9.4 กรรมวธการตอ (Joining Processes) การตอโลหะเปนกระบวนการนาโลหะมาตอเขาดวยกน เพอใหเกดเปนผลตภณฑทจะนาไปใชงาน การตอโลหะนนจาแนกออกเปน 3 ประเภท ดวยกน คอ การเชอม (Welding) การใชสารยดตด (Adhesive bonding) และการยดตดดวยแรงทางกล (Mechanical Fastening ) การเชอมยงจาแนกออกตามสภาวะของการเชอมตดกนของโลหะอกเปน 3 ประเภท คอ การเชอมโดยการหลอมรวม (Fusion Welding) การบดกรและการแลนประสาน (Brazing and Soldering) และการเชอมในสภาวะของแขง (Solid state welding)

9.4.1 การเชอมโดยการหลอมรวม (Fusion Welding)

กระบวนการเชอมโดยการหลอมรวมเปนการทาใหโลหะเชอมตอกนในสภาวะหลอมเหลวโดยอาศยความรอนเขาชวย ความรอนทใชนอาจมาจากอารกของกระแสไฟฟาหรอการเผาไหมจากแกส กระบวนการนอาจใชลวดเชอมชวยเตมเนอโลหะในแนวเชอมหรอไมใชกได กรรมวธการเชอมโดยการหลอมรวมสามารถใชไดกบโลหะหลายชนด เชน เหลกกลา เหลกหลอ อะลมเนยม สแตนเลส เปนตน การเชอมตอโลหะอาจเลอกรปแบบการตอใหเหมาะสมกบลกษณะของงานโดยในรปท 9.18 แสดงลกษณะของการเชอมตอแบบพนฐาน ซงประกอบไปดวยการเชอมทมการหลอมละลายเฉพาะผวหนา การหลอมละลายทซมลก การเชอมมมและการเชอมจด สวนลกษณะของการตอโลหะเขาดวยกน อาจแบงเปนการตอชน การเกย ตอตวท ตอมม และตอขอบ เปนตน

รปท 9.18 ลกษณะการเชอมตอโลหะแบบพนฐาน


1. การเชอมโดยเปลวไฟแกส (Oxyfuel Gas Welding: OFW) การเชอมโดยเปลวไฟแกสเปนกระบวนการทอาศยความรอนจากการเผาไหมของแกสเชอเพลงผสมกบออกซเจน ทาใหเกดเปลวไฟทมความรอนสงถง 3300 ๐C แกสทนยมใชสวนมากจะเปนแกสอะเซทลน (Acetylene) รปท 9.19 (ก) แสดงลกษณะของการเชอมโดยเปลวไฟแกส โดยแกสจะถกปลอยออกจากถงมาผสมกนทหองผสมในหวทอรช (Torch) แลว



ปลอยออกมาเผาไหมเปนเปลวไฟทหวทป (Tip) เปลวไฟทไดเมอนาไปเปาทผวของโลหะจะทาใหเกดการหลอมละลายจากนนนาลวดเชอมทเปนเสน ปอนเตมเขาไปเพอชวยใหเกดแนวเชอมขน

2. การเชอมอารกดวยลวดเชอมหมฟลกซ (Shielded Metal Arc Welding : SMAW) การเชอมอารกเปนวธทนยมใชมานาน วธนอาศยความรอนจากกระแสไฟฟาทเกดการอารกระหวาง ขวบวกและขวลบ ความรอนทไดจากวธนสงถง 30,000 ๐C ซงสงกวาการเชอมดวยเปลวไฟแกสมาก ในการเชอมนนชนงานจะถกตอเขากบสายกราวด (Ground) และธปเชอมวจะถกจบดวยหวเชอม เมอธปเชอมเขาใกลชนงานจะเกดการอารกเกดขน ทาใหเกดบอหลอมละลายทชนงาน (รปท 9.19 (ข)) และลวดเชอมจะเกดการหลอมละลายละปอนเตมลงในบอหลอมละลายแลวกลายเปนแนวเชอมในทสด ฟลกซทหมลวดเชอมจะถกเผาไหมกลายเปนแกสปกคลมแนวเชอม และอกสวนจะหลอมละลายกลายเปนแสลกปกคลมแนวเชอม

(ก) (ข)

รปท 9.19 การเชอม (ก) โดยเปลวไฟแกส (ข) อารกดวยลวดเชอมหมฟลกซ


3. การเชอมใตฟลกซ (Submerged Arc Welding: SAW) การเชอมใตฟลกซเปนการเชอมอารกชนดหนง นยมใชเชอมงานทมขนาดใหญและความหนามากๆ ใชเชอมไดทงชนงานในแนวราบและชนงานโคงอยางเชน ทอขนาดใหญ รปท 9.20 (ก) แสดงหลกการทางานของการเชอมใตฟลกซ การเชอมโดยวธนอาศยฟลกซเปนตวปกคลมแนวเชอม โดยฟลกซทใชมลกษณะเปนเมดขนาดเลกถกปลอยออกมาจากทอนาหนาลวดเชอมขณะอารก ฟลกซทปลอยออกมาจะมปรมาณมากและปกคลมบอหลอมละลายขณะอารก

4. การเชอมมก (Metal Inert Gas Welding: MIG) การเชอมมกเปนการเชอมอารกทไมตองใชฟลกซปกคลมแนวเชอมแตอาศยแกสเฉอยเปนตวปกคลม แกสทนยมใช คอ แกส Ar และ CO2 การเชอม MIG ลวดเชอมจะมขนาดเลกและถกปอนผานหวเชอม (รปท 9.20 (ข)) ลงมาอารกกบชนงานอยางตอเนอง ทาใหเชอมงานไดนาน หรอเชอมงานขนาดยาวไดอยางตอเนองไมเหมอนกบการเชอมดวยลวดเชอมหมฟลกซทตองเปลยนลวดเชอมบอยๆ ทาใหเชอมงานไดปรมาณมาก และสนเปลองลวดเชอมนอยกวาการเชอมดวยลวดเชอมหมฟลกซ



(ก) (ข)

รปท 9.20 การเชอมภายใตองคประกอบ 1 (ก) การเชอมใตฟลกซ (ข) การเชอมมก


5. การเชอมทก (Tungsten Inert Gas: TIG) การเชอมทกเปนการเชอมทไมอาศยลวดเชอมเปนตวอารกแตจะใชแทงทงสเตนเปนตวอารก ทงสเตนมจดหลอมเหลวสงขณะอารกจงไมเกดการหลอมละลาย การเชอมทกจะใชแกสเฉอยเปนปกคลมแนวเชอม เชน แกสอารกอน เปนตน การเชอมแบบนตองใชลวดเชอมในการปอนเตม โลหะทนยมเชอมดวยกรรมวธนไดแก สแตนเลส อะลมเนยม และเหลกกลา เปนตน รปท 9.21 (ก) แสดงองคประกอบของการเชอมทก

6. การเชอมพลาสมา (Plasma Arc Welding : PAW) การเชอมพลาสมาเปนการเชอมทไมอาศยการอารกจากลวดเชอม แตอาศยการอารกจากแทงอเลกโทรดทเปนทงสเตนกบชนงาน (รปท 9.21 (ข)) หรอแทงทงสเตนกบหวเชอม และมการปลอยแกสผานบรเวณทเกดการอารกทาใหอณหภมของแกสเพมสงขนจนเกดสภาวะพลาสมาทมอณหภมสงมากถง 16,500 ๐C และถกเปาออกมาจากแรงดนแกสทาใหเปนลาของความรอนทสามารถหลอมละลายโลหะได และอาศยการเตมลวดเชอมชวยใหเกดแนวเชอม ขณะอารกจะมการปลอยแกสเฉอยออกมาชวยปกคลมบรเวณดานนอกอกชนหนง ลาดบความรอนของพลาสมาจะมขนาดเลกและความรอนสง จงทาใหแนวเชอมมขนาดเลกและซมลกทาการเชอมไดเรว ซงงานมการบดงอนอย



(ก) (ข)

รปท 9.21 การเชอมภายใตองคประกอบ 2 (ก) องคประกอบการเชอมทก (ข) ลกษณะการทางานของการเชอมพลาสมา


9.4.2 การแลนประสาน (Brazing)

การแลนประสาน เปนการเชอมโดยชนงานและโลหะประสานรอยเชอมเกดการหลอมเปนเนอเดยวกนนอยมากหรอหลอมเฉพาะบรเวณผว อณหภมทใชจะสงกวา 450 °C แตจะไมสงจนถงจดหลอมละลายของโลหะททาการเชอมตอกน การแลนประสานสามารถทาตอโลหะตางชนดทมจดหลอมละลายตางกนตดเขาดวยกนได โลหะผสมทใชเปนตวเชอมประสานของกรรมวธนไดแก ทองเหลอง เงนผสม นกเกลผสม เปนตน และการแลนประสานจะตองมฟลกซชวยปองกนออกไซดดวย ความรอนทใชในการแลนประสานนโดยมากจะใชเปลวไฟแกส ชนงานทเชอมดวยวธแลนประสานประกอบดวยงานทางอเลกทรอนกส ทอแอร หรอหมอนารถยนต เปนตน

9.4.3 การบดกร (Soldering)

การบดกรเปนการเชอมทชนงานและโลหะประสานไมมการหลอมตดกนแตจะยดตดกนดวยพนธะทางกล กระบวนการบดกรมลกษณะเหมอนกบการแลนประสาน แตใชอณหภมตากวา คอไมเกน 450 °C งานบดกรทพบงายคอ แผงวงจรอเลกทรอนกส การตอโลหะแผนบาง เชน สงกะสทใชทาถงหรอบวรดนา เปนตน การบดกรโดยมากจะใชตะกวเปนตวประสานใหโลหะยดเกาะตดกน เพราะราคาถก หางาย ความรอนทใชหลอมละลายตะกว อาจมาจากเปลวไฟแกส หวแรงบดกรทงทเปนแบบหวแรงไฟฟาและหวแรงโลหะเผาไฟ ในการบดกรจะตองมฟลกซเปนตวชวยกาจดออกไซด โลหะทเปนตวประสานนน ยงมอกหลายชนด โดยมากแลวจะเปนโลหะผสมทมจดหลอมละลายตา อยางเชน บสมท อนเดยม แคดเมยม เงน และทอง เปนตน



9.5 การเลอกใชวสด (Material Selection)

การเลอกใชวสดนนมขอบเขตทคอนขางกวางมาก หากจะกลาวใหครอบคลมทกประเดนในการเลอกใชคงเปนเรองยาก ทงนเนองจากหนาทการใชงานของผลตภณฑหรอชนสวนทจะผลตขนมาใชนนมความแตกตางกน ทาใหการเลอกใชวสดมขอจากดทแตกตางกนตามไปดวย อยางไรกตาม สาหรบการพจารณาในเบองตนนน การเลอกใชวสดในงานวศวกรรมอาจพจารณาตามหวขอตางๆ ดงน

1. สมบตของวสด โดยทวไปแลวหากตองการทาการเลอกวสดเพอใชในการผลตผลตภณฑ สงแรกทวศวกรพจารณาคอ คณสมบตของวสดทตอบสนองตอหนาทการใชงานของผลตภณฑทจะทาการผลต โดยสมบตทจะพจารณาประกอบไปดวย

1.1 สมบตทางกล มกเปนประเดนแรกทเราพจารณา ซงประกอบไปดวยความแขงแรง ความเหนยว ความแขง ความยดหยน ความลา ความคบทอณหภมสง สมบตทางกลทนามาพจารณานนจะตองมความสอดคลองกบหนาทการใชงานและสมรรถนะของผลตภณฑนน

1.2 สมบตทางกายภาพ ประกอบไปดวย ความหนาแนน ความรอนจาเพาะ การขยายตวเนองจากความรอน ความนาความรอน จดหลอมเหลว สมบตทางไฟฟาและทางแมเหลก เปนตน สมบตรวมระหวางสมบตทางกลและทางกายภาพนนกมเชนกน คอ ความแขงแรงตอนาหนก เปนตน สมบตในขอนเปนสงทมความสาคญอยางมากตอวสดทนามาใชในการผลตชนสวนเครองบนและยวดยานพาหนะตางๆ และรวมถงอปกรณทางการกฬาดวย ตวอยางเชน อะลมเนยม ไทเทเนยม และพลาสตกเสรมแรง จะมอตราสวนของความแขงแรงตอนาหนกสงกวาเหลกกลาและเหลกหลอ เปนตน

1.3 สมบตทางเคม เปนอกปจจยหนงทมบทบาทในการเลอกใชวสดทงทางดานหนาทการใชงานและผลทจะเกดกบสงแวดลอม การเกดออกซเดชน การกดกรอน การเสอสภาพ ความเปนพษและการตดไฟของวสด เหลานลวนเปนสมบตทางเคมทตองทาการพจารณาอยางรอบคอบ

1.4 สมบตทางการผลต เปนสมบตทสาคญอกประการหนงทจะตองพจารณา วสดทจะถกเลอกใชนนจะตองพจารณาถงความสามารถในการผลต ดงเชน การหลอ การกดแตง การเชอมตอ และการอบชบความรอน ดงแสดงในตารางท 9.1 วธการเลอกใชในการผลตวสดนนจะมอทธพลโดยตรงตอสมรรถนะของวสด อายการใชงานและตนทนของผลตภณฑดวย

2. ราคาและความยากงายในการจดหา ราคาและความยากงายในการหาซอวตถดบเปนประเดนสาคญทจะตองนามาพจารณาในการเลอกวสด หากวตถดบทจะใชไมสามารถหาไดในทองตลาด ซงอาจจะไมมรปราง ขนาดและปรมาณตามทตองการ ดงนนเพอใหไดวสดตามทตองการ เราจะตองหาวธการทมความจาเพาะเจาะจงในการผลตชนสวนดงกลาวขนมา ซงจะสงผลใหคาใชจายนนเพมขนตามไปดวย ถดมาคอ ความเชอมนของรานคาหรอบรษททจาหนายวสดเปนอกปจจยหนงทมความสาคญตอการเลอกใชวสดและการจดสงตามระยะเวลาทกาหนด จะชวยใหเราเลอกวสดทตรงตามความตองการในการผลตและเปนไปตามแผนการผลตดวย



3. สสน อายการบรการ และการนากลบมาใชใหม ประเดนนเกยวของกบความพงพอใจของผบรโภคผลตภณฑทจะทาการผลต สสนของวสดทเรามองเหนภายหลงการผลตเปนผลตภณฑแลวจะมผลตออารมณและความรสกของผซอ และจะสงผลตอการตดสนใจซอผลตภณฑดงกลาว อายของการบรการหรอดแลผลตภณฑเปนอกปจจยมผลตอการเลอกวสด หากวสดทเราเลอกมสมบตเรองการทนการเสยดส ความลา ความคบ และการเปลยนแปลงขนาดทไมด จะสงผลตอสมรรถนะของผลตภณฑทลกคาซอไปใช โดยอาจมอายการใชงานทสนหรอเกดความเสยหายไดงายทาใหตองมการบรการหลงการขายทมากขน สดทายเปนเรองของผลกระทบตอสงแวดลอมทเกดขนจากวสดทเลอกใช การนากลบมาใชไดใหมเปนสงสาคญในการประหยดวตถดบจากธรรมชาต เพราะวสดหลายอยางทมอยบนพนโลกนนมจานวนจากด หากไมสามารถนากลบมาใชใหมได ยอมสงผลตอจานวนทไมเพยงพอตอการใชงานในอนาคต

ตารางท 9.1 คณลกษณะทวไปของกรรมวธการผลตโลหะผสมชนดตางๆ

โลหะผสม ความสามารถในการหลอ ความสามารถในการเชอม ความสามารถในการกดแตง

อะลมเนยม E F E-G ทองแดง G-F F G-F เหลกหลอสเทา E D G เหลกหลอสขาว G VP VP นกเกล F F F เหลกกลา F E F สงกะส E D E

หมายเหต : E = ดเยยม, G = ด, F = พอใช, D = ยาก, VP = แยมาก

9.6 สรป

1. กรรมวธการผลต สามารถแบงไดเปน 2 แบบ คอ 1.1 กรรมวธการผลตแบบขนรปรอน (Hot Working) เชน การหลอ การรด การต การดง

การอบ เปนตน เพอใหวสดเกดการเปลยนรปอยางถาวร (Plastic Deformation) โดยทวไปจะกระทาทอณหภมสงกวาอณหภมตกผลกใหม แตตากวาจดหลอมเหลวของโลหะนนๆ

1.2 กรรมวธการผลตแบบขนรปเยน (Cold Working) เชน การตด การพบ การดง การอด สวนมากจะทาทอณหภมตาหรอแปรรปทอณหภมหอง และไมทาใหเกดผลกใหม

2. กรรมวธการขนรปแบบอเนกประสงคหรอลกษณะงานตามทตองการ เชน การกดแตง การตอ การเชอม เปนตน

3. ผลตภณฑทใชในงานวศวกรรม ไมเพยงแตพจารณาเฉพาะกรรมวธการผลต แตควรจะพจารณาจากหลายๆ ปจจยดวย เชน รปราง และความซบซอนของชนงาน ความแขงแรง และราคา เปนตน




1. หากตองการรดโลหะแผน ควรใชโลหะหนาตดชนดใด

ก. Bloom ข. Sheet Metal

ค. Slap ง. Billet

2. ขอใดตอไปนถอเปนจดเดนของงานหลอเมอเปรยบเทยบกบการขนรปดวยกรรมวธการอน

ก. ขนรปโลหะทกชนดไดโดยงาย ข. ใหผวชนงานเรยบทสด

ค. ใหความตานทานแรงกระแทกดทสด ง. ผลตชนงานรปรางซบซอนและจานวนมากชน

3. ขอใดทาหนาทเกบโลหะหลอมเหลวไวปอนใหกบชนงานหลอขณะเกดการหดตว

ก. รลน (Riser) ข. รเท (Sprue)

ค. ทางวง (Runner) ง. ทางเขา (Gate)

4. กรรมวธการหลอแบบใดทตองใหความรอนแกกระสวน (Pattern) เสยกอน

ก. แบบหลอทรายฟราน ข. แบบหลอทรายชน

ค. แบบหลอเปลอกบาง ง. แบบหลอเซรามก

5. ถาตองการหลอทอเหลกหลอขนาดใหญจานวนมากๆ ควรใชกรรมวธการใด

ก. การหลอเหวยง ข. การหลอไดคาสตง ค. การหลอแบบสญญากาศ ง. การหลอแบบเซรามก

6. วธการใดททาใหหนาตดของงานลดลง แตมความยาวเพมขน

ก. Forging ข. Spinning

ค. Piercing ง. Rolling

7. เสนลวดสาหรบรดของ เปนผลตภณฑทไดจากกรรมวธการขนรปใด

ก. การรดรอน (Hot Rolling) ข. การอดขนรป (Extrusion)

ค. การดงขนรป (Drawing) ง. การรดเยน (Cold Rolling)

8. ชนงานเพลากลม หากตองการทาเกลยวควรเลอกใชการกดแตง (Machining) ดวยวธใด

ก. Lathe Machine ข. Milling Machine

ค. Drilling Machine ง. Boring Machine



9. การเชอม MIG คอขอใด

ก. Electrogas Welding ข. Flux – Cored Arc Welding

ค. Shielded Metal-arc welding ง. Gas Metal Arc Welding

10. กรรมวธการเชอมดวยธปเชอม มชอทางสากลวาอะไร

ก. Shield Metal Arc Welding ข. Arc Welding

ค. Gas Metal Arc Welding ง. Electrode Arc Welding

11. ทอพลาสตก เปนผลตภณฑทไดจากการขนรปแบบใด

ก. การฉดขนรป (Injection Molding) ข. การเปาขนรป (Blow Molding)

ค. การอดรดขนรป (Extrusion) ง. การอดเขากนแบบ (Compression

Molding)

12. ขวดพลาสตก เปนผลตภณฑทไดจากการขนรปแบบใด

ก. การฉดขนรป (Injection Molding) ข. การเปาขนรป (Blow Molding)

ค. การอดรดขนรป (Extrusion) ง. การอดเขากนแบบ (Compression

Molding)

13. การเชอมพลาสมามอณหภมประมาณเทาใด

ก. 10,000 oC ข. 16,500 oC

ค. 18,500 oC ง. 20,000 oC

14. ขอใดเปนโลหะผสานในการบดกร ก. บสมส ข. ทองแดง ค. ทงสเตน ง. ไมมขอใดถก

15. ขอใดเปนปจจยแรกในการเลอกใชวสดในงานวศวกรรม

ก. ราคาของวสด ข. สมบตของวสด ค. สสนความสวยงาม ง. การนากลบมาใชใหม




ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ. (2548). วสดศาสตรและวศวกรรมวสดพนฐาน (Materials Science

and Engineering), กรงเทพฯ: สานกพมพ ทอป. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology

(5 th ed). NJ: Pearson Education. William D Callister. (2007). An Introduction Material Science and Engineering (7th ed).


บรรณานกรม ณรงคศกด ธรรมโชต. (2555). วสดวศวกรรม. กรงเทพมหานคร: ซเอดยเคชน. สวนชย พงษสกจวฒน และคณะ. (2548). วสดศาสตรและวศวกรรมวสดพนฐาน (Materials Science

and Engineering), กรงเทพฯ: ส านกพมพ ทอป. สนตรฐ นนสะอาง. (2559). Engineering metallurgy. http://eu.lib.kmutt.ac.th. Askeland, Donald R., and Phule, Pradeep P., The Science and Engineering of Materials.

(4th ed), Thomson Learning, Inc., USA, 2003. H.K.Khaira. (2016). Precipitation Hardening. MSME MANIT, Bhopal. https://www.slideshare.net. Mangonon, Pat L.. The Principles of Materials Selection for Engineering Design. Prentice-

Hall, Inc., USA, 1999. Moniz B.J.. Metallurgy. (2nd ed), American Technical Publishers, Inc., USA, 1994. Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid. (2006). Manufacturing, Engineering & Technology

(5th ed). NJ: Pearson Education. Timings, R.L.. Engineering Materials (Volume 1).(2nd ed), Addison Wesley Longman

Limited, Singapore, 1998. T.Markovits, J.Takács, A.Lovas, J.Belt. (2003). Laser brazing of aluminium. Journal of Materials

Processing Technology. Volumes 143–144, 20 December, Pages 651-655. William D Callister. (2007). An Introduction Material Science and Engineering (7th ed).

New York: John Wiley & Sons. http://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/0612/ http://itc.gsw.edu/faculty/speavy/spclass/chemistry/atoms.htm https://preen55agun.wordpress.com/2013/01/ http://reelatscience.blogspot.com/2015/03/stress-strain.html http://www.satriwit3.ac.th/external_newsblog.php?links=1721 https://www.ibchem.com/IB/ibnotes/full/ope_htm/hall_cell.htm http://resource.npl.co.uk/mtdata/binintro.htm http://resource.npl.co.uk/mtdata/phdiagrams/almg.htm

http://resource.npl.co.uk/mtdata/binintro.htm

ภาคผนวก

500 การควบคมคณภาพ

ภาคผนวก ก

เฉลยแบบฝกหด

344 การควบคมคณภาพ

เฉลยแบบฝกหดทายบท 345


เฉลยแบบฝกหดทายบท

บทท 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ขอท

1 ค ง ข ค ค ง ง ง ค

2 ก ข ก ง ข ค ข ข ก

3 ข ค ค ค ค ข ค ง ก

4 ค ค ข ข ข ก ก ก ค

5 ข ง ง ง ค ง ง ง ก

6 ค ข ก ข ง ค ก ค ง 7 ง ง ค ค ก ง ค ง ค

8 ข ง ก ก ข ก ข ข ข

9 ค ค ง ข ง ข ค ง ง 10 ง ก ค ง ข ก ก ค ง 11 ก ก ข ค ง ค ก ค

12 ข ข ง ง ข ข ง ก

13 ค ก ก ก ค ก ก ข

14 ข ค ข ค ก ค ง ก

15 ค ง ง ข ก ง ค ข

16 ค ค ข ง ข ข ง

17 ข ง ง ก ค ก ก

18 ง ข ก ข ข ค ข

19 ง ก ข ง ก ข ง

20 ค ข ค ข ค ง ข

Documents

อกสารประกอบการสอน༛portal5.udru.ac.th/ebook/pdf/upload/18z37K73yr37zf77f953.pdfของว สด ครงสร างของอะตอม