วัสดุวิศวกรรม

วัสดุวิศวกรรม (Engineering Materials)

วัสดุ (Materials) หมายถึง สสารตามธรรม หรือประกอบทำขึ้นมาเพื่อใช้งานด้านต่างๆ ตามความต้องการ ในปัจจุบันไม่ว่าวิศวกร นักวิทยาศาสตร์ หรือนักประดิษฐ์ ล้วนเกี่ยวข้องกับวัสดุอยู่ตลอดเวลา ทั้งในเชิงผู้ใช้วัสดุ ผู้ผลิต

• การแบ่งกลุ่มวัสดุวิศวกรรม

• ความสัมพันธ์ของ 4P

• ประเภทของวัสดุและการใช้งาน

• สมบัติ และการเลือกใช้วัสดุ

• สรุป

วัสดุวิศวกรรม (Engineering Materials) คือการใช้ความรู้พื้นฐานของวัสดุตั้งแต่ระดับอะตอมโครงสร้างภายใน และประยุกต์ความรู้ของวัสดุ เพื่อปรับปรุงพัฒนาคุณสมบัติของวัสดุ แล้วนำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่นำมาใช้ให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์ และความต้องการของสังคมโดยรวม

การแบ่งกลุ่มวัสดุวิศวกรรม

วัสดุโดยทั่วไปแบ่งเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ได้ 4 ประเภท คือ โพลิเมอร์ เซรามิก วัสดุผสม และโลหะและโลหะผสม วัสดุแต่ละประเภทมีความแตกต่างกันทั้งทางด้านโครงสร้างและสมบัติอื่นๆ โดยโลหะและโลหะผสมจะมีความแข็งแรงตั้งแต่สูงสุด จนถึงค่าต่ำ นั่นหมายความว่าโลหะมีสมบัติค่อนข้างกว้าง จึงสามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย

1.โลหะ (Metal)

โลหะและโลหะผสม เช่น เหล็กกล้า อะลูมิเนียม แมงกานีส สังกะสี เหล็กหล่อ ไทเทเนียม ทองแดง และนิกเกิล สมบัติโดยทั่วไป คือ นำไฟฟ้าและความร้อนดี มีความแข็งแรงสูง แข็งแกร่งสูง ทนต่อแรงกระแทก และสามารถขึ้นรูปได้ดี การใช้งานส่วนมากเป็นการใช้งานโครงสร้างหรืองานที่ต้องรับแรงต่างๆ โลหะมักมีการใช้งานในลักษณะโลหะผสมมากกว่า ทั้งนี้เพราะโลหะผสมมีคุณสมบัติที่หลากหลาย สามารถปรับปรุงสมบัติได้ตามต้องการใช้งาน เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ผสมโคบอลด์ เหมาะกับการทำใบมีดสำหรับกลึง

2.เซรามิก (Ceramic)

วัสดุประเภทเซรามิก แก้ว เป็นวัสดุโครงสร้างผลึกอนินทรีย์ เช่น ทรายธรรมชาติ หรือหินต่าง ๆ มีการพัฒนาการนำเอาเซรามิกธรรมชาติมาทำการสังเคราะห์เพื่อให้ได้สมบัติตามต้องการส่วนมากมีสมบัติที่แข็ง และเปราะ เป็นฉนวนไฟฟ้า ทนความร้อน ด้วยกรรมวิธีการผลิตที่ทันสมัยสามารถผลิตเซรามิกที่มีความแข็งสูงไม่แตกร้าวได้ง่าย จึงสามารถนำเซรามิกไปใช้ได้หลากหลาย เช่น ฐานเตาปฏิกรณ์ สุขภัณฑ์ วัสดุที่ใช้งานที่อุณหภูมิสูง วัสดุที่มีการขัดสีสูง เป็นต้น

3.โพลิเมอร์ (Polymer)

โพลิเมอร์เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง ประกอบด้วยโมเลกุล
ซ้ำๆ ต่อกันเป็นโมเลกุลสายยาวๆ กระบวนการสังเคราะห์ เรียกว่าโพลิเมอไรเซซัน (Polymerization) วัสดุประเภทโพลิเมอร์แบ่งเป็นสองกลุ่มคือ กลุ่มที่1คือพลาสติก ประกอบไปด้วยเทอร์โมพลาสติกและเทอร์โมเซทติ้ง กลุ่มที่ 2 คือ ยาง อีลาสโตเมอร์ และกาวต่าง ๆ โพลิเมอร์ประเภทเทอร์โมพลาสติกเป็นโพลิเมอร์ที่มีโมเลกุลเป็นสายโซ่ยาวๆ มีการเชื่อมต่อของโมเลกุลที่ไม่แข็งแรงนัก และสามารถขึ้นรูปได้ง่าย ส่วนกลุ่มโพลิเมอร์แบบเทอร์โมเซตติ้งจะมีความแข็งแรง และเปราะกว่ากลุ่มเทอร์โมพลาสติก เพราะสายโซ่โมเลกุลจะมีลักษณะเป็นโครงตาข่าย พอลิเมอร์มีสมบัติเป็นฉนวน และต้านทานความร้อนได้ดี การใช้งานวัสดุประเภทโพลิเมอร์ค่อนข้างกวางขวาง เช่น บรรจุภัณฑ์ ฉนวนหุ้มสายไฟฟ้า ท่อน้ำ ตลอดจนชิ้นส่วนยานยนต์ และใช้เป็นวัสดุทางวิศวกรรม เป็นต้น

4.วัสดุผสม (Composite Material)

วัสดุผสมเป็นวัสดุที่ได้จากการนำวัสดุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป ที่มีสมบัติแตกต่างกันมาผสมกันเพื่อให้ได้สมบัติที่ดีของวัสดุขึ้นมาใหม่ ตัวอย่างของวัสดุผสม เช่น โพลีเมอร์ใยแก้วเสริมแรง สมบัติใหม่ที่ได้จากการทำวัสดุผสม คือ นำหนักเบาขึ้น แข็งแรงขึ้น เหนียวขึ้น ทนอุณหภูมิได้มากกว่า เป็นต้น ตัวอย่างของงานที่ผลิตจากวัสดุผสม คือ ชิ้นส่วนของเครื่องบินที่ทำจากวัสดุผสม ต่างๆ มากมายในส่วนต่างๆ ของเครื่องบิน เพื่อให้ได้ตามที่วิศวกรได้ออกแบบไว้ วัสดุผสมเพื่อให้ได้น้ำหนักเบา เช่น ไม้กอล์ฟ โครงจักรยาน ไม้แบต เป็นต้น

 

ความสัมพันธ์ของ สมบัติ โครงสร้าง กระบวนการผลิต และสมรรถนะ

1.สมบัติ (Properties)

สมบัติของวัสดุประกอบไปด้วย สมบัติทางกายภาพ สมบัติทางเคมี และสมบัติทางกล โดยสมบัติทางกลหมายถึงอาการหรือสิ่งที่วัสดุแสดงออกเมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ ซึ่งประกอบไปด้วย ความแข็ง ความแข็งแรง ความเหนียว เป็นต้น สมบัติทางกายภาพได้แก่ สมบัติทางไฟฟ้า แม่เหล็ก แสง ความร้อน เป็นต้น เราจะพบว่า หากมีการขึ้นรูปวัสดุแล้วโครงสร้างภายในเกิดการเปลี่ยนแปลง จะส่งผลให้วัสดุมีสมบัติทางกล และกายภาพเปลี่ยนแปลงไป และจะส่งผลกระทบต่อสมรรถนะการใช้งานด้วย

2.โครงสร้าง (Structure)

โครงสร้างแบ่งออกเป็นระดับต่างๆ โดยโครงสร้างเล็กสุด คือ โครงสร้างอะตอมโดยจะมีผลต่อสมบัติทางไฟฟ้า แม่เหล็ก ความร้อน และแสง โครงสร้างการเรียงตัวของอะตอม โดยแบ่งเป็นเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ และไม่เป็นระเบียบ การจัดเรียงตัวเป็นระเบียบ เช่น โลหะจะมีความแข็งแรงและนำไฟฟ้าได้ดี ส่วนวัสดุที่มีการเรียงตัวแบบไม่เป็นระเบียบ เช่น โพลิเมอร์ จะเป็นฉนวนทางไฟฟ้าและทนต่อความชื้น เป็นต้น การขึ้นรูปวัสดุด้วยเครื่องมือกล จะทำให้โครงสร้างวัสดุเปลี่ยนแปลงด้วย ซึ่งจะทำให้สมบัติทางกล และทางกายถาพเปลี่ยนแปลงไปด้วยเช่นกัน

3.กรรมวิธีการผลิต (Processing)

การผลิตวัสดุให้ได้รูปตามที่ต้องการอาจใช้กรรมวิธีการหล่อ การเชื่อม การรีด การอัด การฉีด การอบชุบ หรือกรรมวิธีโลหะผง กรรมวิธีขึ้นรูปส่งผลต่อลักษณะโครงสร้างของวัสดุโดยตรง เช่น การหล่อขึ้นรูปจะได้โครงสร้างที่แตกต่างกันตามลักษณะการเย็นตัว การรีดจะทำให้โครงสร้างเกิดการบิดเบี้ยว และแบนลง กระบวนการอบชุบจะทำให้โครงสร้างวัสดุกลับคืนสู่สภาพเดิม หรือใกล้เคียงเดิม

4.สมรรถนะการใช้งาน (Performance)

สมรรถนะการใช้งาน คือระดับความสามารถในการใช้งานที่เหมาะสมกับเงื่อนไขของวัสดุต่างๆ เช่น ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่ทำจากโลหะจะมีความทนทานและแข็งแรงกว่าพลาสติก แต่ในสภาวะที่มีความเค็ม พลาสติกจะทนได้ดีกว่า เป็นต้น

ประเภทของวัสดุและการใช้งาน

สมบัติ และการเลือกใช้วัสดุ
การเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับประเภทงานนั้น จำเป็นต้องศึกษาหรือพิจารณาจากสมบัติของวัสดุนั้นให้ตรงกับงานที่ออกแบบ หรือที่ต้องการทำจากวัสดุต่างๆ ซึ่งมีอยู่มากมายหลายชนิด สมบัติที่สำคัญที่ใช้ในการพิจารณาเลือกใช้วัสดุ ดังนี้

1.สมบัติทางเคมี (Chemical Properties)

เป็นสมบัติที่สำคัญของวัสดุซึ่งจะบอกลักษณะเฉพาะที่เกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบของธาตุต่างๆ ที่เป็นวัสดุนั้น ตามปกติสมบัตินี้จะทราบได้จากการทดลองในห้องปฏิบัติการ โดยเครื่องมือเฉพาะเท่านั้น

2.สมบัติทางกายภาพ (Physical Properties)

เป็นสมบัติเฉพาะของวัสดุที่เกี่ยวกับการเกิดอันตรกิริยาของวัสดุนั้นกับพลังงานในรูปต่างๆ กัน เช่น ลักษณะของสี ความหนาแน่น การหลอมเหลว ปรากฏการณ์ที่เกิดกับสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า เป็นต้น การทดสอบสมบัตินี้จะไม่มีการทำให้วัสดุนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือถูกทำลาย 3.สมบัติทางกล (Mechanical Properties) เป็นสมบัติเฉพาะของวัสดุที่ถูกกระทำด้วยแรง โดยทั่วไปจะเกี่ยวกับการยืดและหดตัวของวัสดุ (Elastic and Inelastic Properties) ความแข็ง ความสามารถในการรับภาระ ความสึกหรอ และความสามารถในการดูดกลืนพลังงาน เป็นต้น

4.สมบัติเชิงมิติ (Dimensional Properties)

เป็นสมบัติที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งที่จะต้องพิจารณาในการเลือกใช้วัสดุ เช่น ขนาด รูปร่าง ความคงทน ตลอดจนลักษณะของผิวว่าหยาบ ละเอียด หรือเรียบ เป็นต้น

สรุป

หลักพื้นฐานที่สำคัญของวัสดุวิศวกรรม ประกอบด้วย สมบัติ โครงสร้าง กระบวนการผลิต และสมรรถนะ ที่ต่างกัน ย่อมมีผลต่อการเลือกใช้วัสดุ โดยปัจจุบันวัสดุชนิดหลักๆ ได้แก่ โลหะ โพลิเมอร์ เซรามิค วัสดุผสม วัสดุกึ่งตัวนำ หากเลือกใช้อย่างเหมาะสมย่อมจะส่งผลต่อสมรรถนะการใช้งานได้เป็นอย่างดี

https://en.wikipedia.org/wiki/Materials_science