วัสดุศาสตร์ ครั้งที่ 7

หน่วยท่ี 1 วัสดศุ าสตร์รอบตวั เรือ่ งท่ี 1 ความหมายของวสั ดศุ าสตร์ วัสดุ (Materials) หมายถงึ ส่ิงของหรือวตั ถทุ ่นี ามาใช้ประกอบกนั เปน็ ชิ้นงานตาม การออกแบบ มตี วั ตน สัมผสั ได้ และมีสมบตั เิ ฉพาะตวั ที่แตกต่างกัน ได้แก่สมบตั ทิ างฟิสิกส์ สมบัตทิ างเคมี สมบตั ทิ างไฟฟา้ และสมบตั เิ ชิงกล วัสดศุ าสตร์ (Materials Science) หมายถึง การศกึ ษาองคค์ วามรู้ที่เกย่ี วขอ้ งกับ วสั ดุ ทน่ี ามาใช้ประกอบกนั เปน็ ชิน้ งาน ตามการออกแบบ มตี ัวตน สามารถสัมผสั ได้ โดยวสั ดุ แตล่ ะชนดิ จะมีสมบัติเฉพาะตวั ไดแ้ ก่ สมบัติทางฟสิ กิ ส์ สมบตั ทิ างเคมี สมบตั ิทางไฟฟา้ และ สมบัติเชงิ กล วสั ดศุ าสตร์รอบตวั เปน็ การเรียนรู้ด้านวสั ดุศาสตร์ทาให้เราทราบถงึ แหลง่ ท่มี า การเลือกใช้ วัตถดุ ิบกระบวนการผลติ สมบตั ิและการใช้งานวัสดุดา้ นตา่ ง ๆ ในชวี ิตประจาวัน ผลกระทบจากการใช้วัสดุ รวมถงึ เทคโนโลยีการกาจัดวัสดุ และการรไี ซเคิล ซงึ่ เปน็ การนาวสั ดุ ที่ไมต่ ้องการใชแ้ ล้ว ทงั้ ท่ีเกิดขึ้นภายหลงั เสร็จสิ้นการใช้งานหรือระหวา่ งกระบวนการผลติ กลบั มาผ่านกระบวนการแปรรูปเพือ่ ผลิตเปน็ ผลิตภัณฑใ์ หม่ ทาให้เกดิ มีความรู้ และความเขา้ ใจ เกี่ยวกับวัสดุ รู้สึกหวงแหนทรพั ยากรของชาตซิ งึ่ จะกอ่ ให้เกิดจติ สานึกท่ดี ีต่อการอนรุ ักษ์ ทรพั ยากรธรรมชาติและสง่ิ แวดลอ้ ม ปัจจุบนั ววิ ัฒนาการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ทาให้มนษุ ยส์ ามารถผลติ วสั ดุ หรอื ผลิตภัณฑ์ตา่ ง ๆ ในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างรวดเรว็ และมีคุณภาพท่ดี ีขึ้น ตัวอย่างเช่น พลาสติก เป็นวสั ดทุ ถ่ี กู สงั เคราะหม์ าเพ่ือทดแทนวสั ดุจากธรรมชาติ และเป็นทยี่ อมรับวา่ เปน็ ส่ิง ที่มีประโยชนแ์ ละขาดไม่ได้แล้วในชีวติ ประจาวนั ของมนษุ ย์ แต่ในทานองกลับกนั พบวา่ การใช้ พลาสติกกก็ ่อให้เกิดปัญหาในการจัดการภายหลังเสร็จส้นิ จากการใช้งาน เนอื่ งจากเปน็ วัสดุ ทย่ี ่อยสลายไดย้ าก ดังนน้ั การศกึ ษาถึงสมบตั ิของวัสดทุ ีม่ ีความแตกตา่ ง จะนาไปสกู่ ารจัดการ วัสดุภายหลังจากการใชง้ านไดอ้ ยา่ งเหมาะสมกบั วสั ดุน้ัน

เร่อื งท่ี 2 ประเภทของวสั ดุ ในปัจจุบันไม่วา่ ภาคการเกษตร ภาคอุตสาหกรรม หรือภาคครวั เรอื น ล้วนตอ้ ง เกี่ยวขอ้ งกับวสั ดุ (Materials) อยเู่ สมอท้งั ในเชิงของผู้ใชว้ สั ดุ ผ้ผู ลิตและผคู้ วบคมุ กระบวน การผลิต ตลอดจนผู้ออกแบบทั้งในรูปแบบ องค์ประกอบ และโครงสร้าง บุคคลเหล่าน้ีจาเป็น อยา่ งย่งิ ทีจ่ ะต้องเลือกใช้วสั ดุใหเ้ หมาะสมถูกต้องจากสมบัติของวัสดุเหล่านั้น นอกจากน้ี ยังจะต้องสามารถวิเคราะห์ได้ว่า เมื่อมีความผิดปกติเกิดขึ้นมันเป็นเพราะเหตุใด โดยเฉพาะ อย่างย่ิงในปัจจุบันการค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มีความก้าวหน้าไปอย่างมาก วัสดุใหม่ ๆถูกผลิตข้ึน และมีการค้นคว้าคุณสมบัติพิเศษของวัสดุ เพื่อใช้ประโยชน์มากขึ้น กระบวนการผลิตก็สามารถทาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทาให้ราคาของวัสดุน้ันต่าลง การศึกษา เกี่ยวกับสมบัติของวัสดุชนิดต่าง ๆ จะช่วยให้เราสามารถเลือกวัสดุมาใช้ประโยชน์ได้อย่าง เหมาะสม จึงเป็นส่ิงจาเป็นที่ทุกคนควรรู้ไว้การแบ่งประเภทของวัสดุ ตามคุณสมบัติท่ัว ๆไป อาจจัดแบง่ ได้ 2 ประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่ วสั ดปุ ระเภทโลหะและวัสดุประเภทอโลหะ 2.1 วสั ดปุ ระเภทโลหะ (Metallic Materials) เปน็ วัสดุทไ่ี ดม้ าจากสินแร่ตาม ธรรมชาติโดยตรง ซงึ่ สว่ นใหญ่จะเปน็ ของผสมกบั วัสดุชนดิ อนื่ ๆ อยใู่ นรูปของสารประกอบ (Compound) ต้องนามาผา่ นขบวนการถลุงหรอื สกัด เพ่ือใหไ้ ด้แร่ หรอื โลหะท่บี ริสุทธ์ิ เมอ่ื นา แร่บรสิ ุทธ์นิ ี้ไปผ่านขบวนการแปรรูปโลหะจะไดว้ ัสดเุ พ่อื การใชง้ าน โลหะสามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ 2.1.1 โลหะจาพวกเหล็ก (Ferrous Metal) โลหะท่มี พี น้ื ฐานเปน็ เหล็ก เช่น เหล็กหลอ่ เหลก็ เหนียว เหล็กกล้า เหล็กไร้สนมิ เหล็กกลา้ ผสม เปน็ ต้น 2.1.2 โลหะนอกจาพวกเหลก็ (Non Ferrous Metal) โลหะนอกจาพวกเหล็ก เชน่ ทอง เงนิ ทองแดง อะลมู ิเนยี ม สังกะสี ทงั สเตน แมกนีเซียม ตะก่วั ปรอท โบลดิ ิน่ัม รวมถึงโลหะผสม เช่น บรอนซ์ และทองเหลอื ง เป็นต้น ภาพที่ 1.1 ของใช้ในครัวเรือนประเภทโลหะ

2.2 วัสดุประเภทอโลหะ (NonMetallic Materials) วสั ดใุ นกลุ่มอโลหะน้ี สามารถแบ่งย่อย ได้ดงั น้ี 2.2.1 อนิ ทรียส์ าร (Organic) เปน็ วัสดทุ ี่ไดม้ าจากสิ่งท่มี ชี ีวิต เช่น ไม้ เสน้ ใย ธรรมชาติ หนังสัตว์ น้ามันจากพชื ยางพารา ขนสตั ว์ เปลือกหอย หวาย เปน็ ต้น 2.2.2 อนินทรยี ์สาร (Inorganic) เปน็ วัสดุที่ได้มาจากธรรมชาติ จากส่งิ ที่ไมม่ ี ชีวติ เป็นพวกแร่ธาตตุ ่าง ๆ เชน่ หิน ดินเหนยี ว กรวด ทราย ศลิ าแลง หินออ่ น ยปิ ซัม และ อญั มณีตา่ ง ๆ เปน็ ต้น 2.2.3 วัสดุสังเคราะห์ (Synthetic Materials) เปน็ วสั ดุทตี่ ้องผ่านขบวนการ ทางด้านอตุ สาหกรรมและเคมี เกิดจากการผสมตวั ของวัสดุ ธาตุ และมเี คมีภณั ฑ์อ่ืน ๆ แบง่ ย่อย ได้ 2 ชนดิ คอื 1. วัสดุอนิ ทรียส์ ารสงั เคราะห์ เชน่ กระดาษ ฟองน้า หนงั เทียม เส้นใย สังเคราะห์ พลาสตกิ ยางเทียม เปน็ ตน้ 2. วสั ดุอนินทรยี ์สารสังเคราะห์ เชน่ ปูนซเี มนต์ คอนกรตี สีทาอาคาร แกว้ อฐิ เซรามกิ เปน็ ตน้ ภาพที่ 1.2 ของใชใ้ นครวั เรือนประเภทอโลหะ

เร่อื งที่ 3 สมบตั ิของวัสดุ สมบตั ิของวสั ดุ หมายถึง ลกั ษณะเฉพาะตวั ของวัสดุ ที่แสดงวา่ วัสดชุ นิดหนึ่ง เหมอื นหรือแตกตา่ งจากวัสดุอกี ชนดิ หน่ึง สมบตั ขิ องวัสดุ สามารถแบ่งได้ ดังน้ี 3.1 สมบัติทางกายภาพ ประกอบด้วย 3.1.1 ความแข็ง หมายถึง ความทนทานของวัสดุต่อการถูกขูดขีด วัสดุท่ีมี ความแข็งมาก จะทนต่อการขีดข่วนได้มาก และเม่ือถูกขีดข่วนจะไม่เกิดรอยหรือเกิดรอยเพียง เล็กน้อย มีสมบัติที่มีความคงทนถาวร สึกกร่อน แตกหักยาก แข็งแกร่ง เช่น ก้อนหิน เพชร เหล็ก เป็นต้น เราสามารถตรวจสอบคุณสมบัติความแข็งของวัสดุได้โดยการนาวัสดุมาขูดกัน เพ่ือหาความทนทานต่อการขีดข่วน ถ้านาวัสดุชนิดหน่ึงขูดบนวัสดุอีกชนิดหน่ึง วัสดุท่ีถูกขูด เกิดรอยแสดงวา่ มีความแข็งน้อยกวา่ วัสดทุ ใ่ี ช้ขดู แตถ่ ้าวัสดุทถ่ี กู ขดู ไม่เกดิ รอยแสดงวา่ มี ความแขง็ มากกว่าวสั ดทุ ่ใี ชข้ ูด 3.1.2 ความเหนียว หมายถงึ หนว่ ยวัดแรงท่ที าให้วัสดขุ าด เช่น พลาสตกิ มีความเหนียวมากกว่ากระดาษ เราจึงต้องออกแรงเพ่ือฉีกถุงพลาสติกให้ขาดมากกว่าแรงที่ใช้ ฉีกถุงกระดาษให้ขาด การตรวจสอบความเหนยี วของวสั ดุ สามารถพจิ ารณาไดจ้ ากสมบัติ 2 ประการ คอื ความสามารถในการตีแผเ่ ปน็ แผน่ บาง ๆ และความสามารถในการยดื เป็นเสน้ คา่ ความเหนียวจะมากหรือนอ้ ย ขนึ้ อยกู่ ับปจั จยั ดังนี้ 1. ชนิดของวัตถุ เชน่ เส้นเอน็ เหนียวกว่าเส้นดา้ ย เชือกไนลอนเหนยี ว กวา่ เชือกฟาง 2. ขนาดของวสั ดุ วสั ดุเส้นใหญ่จะทนตอ่ แรงดงึ ไดม้ ากกวา่ จงึ เหนียว กว่าวัสดเุ ส้นเลก็ 3.1.3 ความยืดหยุ่น หมายถึง สมบตั ิของวัสดุทีส่ ามารถกลับคนื ส่สู ภาพเดิมได้ หลังจากหยดุ แรงกระทาท่ีทาให้เปลย่ี นรูปร่างไป เชน่ ลูกโปง่ ยางรถยนต์ ยางยืด ฟองน้า หนังสตกิ๊ ยางรัดผม เป็นต้น วสั ดุแต่ละชนิดมีความยดื หยุ่นไมเ่ ท่ากนั วัสดบุ างชนิดยงั คงสภาพความยืดหยนุ่ อยไู่ ด้ แมจ้ ะมีแรงกระทามาก ๆ เชน่ หนังสติ๊ก วัสดบุ างชนดิ สภาพยืดหยุ่นหมดไป เมอ่ื ไดร้ บั แรง ท่มี ากระทามาก เชน่ เอ็น เปน็ ต้น

วสั ดุที่ไมก่ ลับสสู่ ภาพเดิมและมคี วามยาวเพ่มิ ขึ้นจากเดิม เรียกวา่ วสั ดนุ ้ันหมด สภาพยืดหยุ่น วัสดุบางชนดิ ไมม่ ีสภาพยืดหย่นุ เพราะเม่ือมแี รงมากระทาจะเปล่ียนแปลง รปู ร่าง และไมก่ ลับสสู่ ภาพเดมิ เม่ือหยุดแรงกระทา เช่น ใชม้ ือกดดนิ นา้ มนั ดินนา้ มนั จะยบุ ตัวลง เมื่อปล่อยมอื จะเหน็ ดนิ น้ามนั เป็นรอยกด ไม่กลบั สู่สภาพเดิม 3.1.4 ความหนาแน่น หมายถึง อัตราส่วนระหว่างค่ามวลสาร ต่อหน่วย ปริมาตร มีหนว่ ยเป็นกโิ ลกรัมต่อลูกบาศกเ์ มตร หรือ กรัมต่อลูกบาศกเ์ ซนติเมตร มวล คอื ปรมิ าณของเนื้อสารหรือเนือ้ วัสดุ เช่น เหล็กและไม้ที่มีขนาด หรอื ปริมาตรเท่ากนั หากเหลก็ มีนา้ หนกั มากกวา่ ไม้ แสดงวา่ เหลก็ มีมวลมากกวา่ ไม้ น้าหนกั ของวัสดุ คือ ผลจากแรงดึงดูดของโลกท่ีกระทาต่อวัสดุหรือวัตถุ นน้ั ถา้ วัสดหุ รือวัตถนุ นั้ มมี วลมาก จะมนี ้าหนกั มากด้วย นา้ หนกั ของวตั ถุเปน็ หน่วยทว่ี ัดดว้ ย เครอ่ื งชงั่ มหี น่วยเปน็ กรัม กิโลกรมั ปรมิ าตรของวตั ถุ คือ ขนาดของวัสดุ เครอื่ งมือท่ีใช้วัดความจุ ได้แก่ เครอ่ื งตวง เช่น กระบอกตวง บกี เกอร์ ชอ้ นตวง ปริมาตรของวัตถุ มหี น่วยเป็น ลกู บาศกเ์ มตร หรอื ลูกบาศก์เซนตเิ มตร วัสดแุ ตล่ ะชนดิ จะมีความหนาแน่นไมเ่ ท่ากนั ความหนาแน่นจงึ จดั เป็น คุณสมบัตเิ ฉพาะของวสั ดุโดยความหนาแน่นของวสั ดุ หาได้จากผลหารระหว่างมวลรวมกบั ปรมิ าตรรวม ดังสมการ ความหนาแน่น = มวล ปรมิ าตร 3.2 สมบตั ิทางความรอ้ น เมอ่ื วสั ดสุ องสิง่ ท่ีมีอณุ หภูมติ า่ งกัน จะเกดิ การถา่ ยโอน ความรอ้ นใหแ้ กก่ ันโดยความร้อนจะถา่ ยเทจากวตั ถุ หรอื บริเวณท่ีมีอุณหภมู ิสูงไปยังวตั ถุ หรอื บรเิ วณท่ีมอี ุณหภูมติ ่ากว่าเสมอ และการถา่ ยเทความร้อนจะหยุดลง เมื่อวตั ถุหรือบรเิ วณทงั้ สอง มีอุณหภูมเิ ท่ากนั พลังงานความรอ้ นสามารถสง่ ผ่านจากวัสดุที่หน่ึงไปสวู่ สั ดุอกี แหง่ หนึง่ ได้ 3 วิธี 3.2.1 การนาความรอ้ น เป็นการส่งผ่านพลงั งานความรอ้ นต่อ ๆ กันไปในเนือ้ ของตวั กลาง โดยตัวกลางไม่ไดม้ กี ารเคลื่อนท่ี แตค่ วามร้อนจะคอ่ ย ๆ แผ่กระจายไปตามเน้อื วัตถนุ ้ัน ซ่ึงการนาความร้อน เปน็ ปรากฏการณส์ ง่ ผ่านความร้อนของวสั ดุ จากบริเวณทม่ี ี อณุ หภมู ิสงู ไปยงั บริเวณท่ีมีอณุ หภมู ติ ่า เชน่ กรณที ี่ผ้เู รียนจับช้อนโลหะทแี่ ช่อย่ใู นถว้ ยแกง รอ้ น ๆ แล้วจะรสู้ กึ ว่าท่ปี ลายช้อนโลหะทีจ่ บั น้ันจะรอ้ นดว้ ย ทัง้ นี้เพราะโลหะเป็นตัวนา ความร้อนทีด่ ี

ภาพที่ 1.3 แสดงการนาความร้อน ท่ีมา : https://www.slideshare.net วสั ดุท่นี าความร้อนสามารถถ่ายโอนความร้อนได้ดี เรยี กว่า ตวั นาความรอ้ น เช่น เงิน ทองแดง ทองคา ทองเหลือง อะลูมิเนียม เหล็ก ดีบกุ เป็นตน้ สว่ นวสั ดทุ ีค่ วามรอ้ นถ่ายโอน ผ่านได้ไม่ดี เรยี กวา่ ฉนวนความรอ้ น เช่น แกว้ ไม้ กระดาษ พลาสติก ผา้ กระเบอ้ื ง เปน็ ต้น 3.2.2 การพาความรอ้ น เป็นการสง่ ผ่านความร้อน โดยตวั กลางรบั ความร้อน จากบรเิ วณหนึ่งแลว้ เคลื่อนท่ีพาความรอ้ นไปยังอีกบริเวณหนง่ึ เช่น พัดลมพัดผ่านตวั เราแลว้ พา ความรอ้ นออกไป จึงทาให้เรารู้สกึ เย็นสบาย 3.2.3 การแผ่รงั สี เป็นพลังงานความรอ้ นทส่ี ามารถเดนิ ทางจากทแ่ี ห่งหน่งึ ไปสู่ ท่ีอกี แหง่ หนึ่งโดยไมต่ ้องมตี วั กลาง เช่น ความร้อนจากดวงอาทิตย์เดินทางมาถงึ โลกของเรา ในรปู ของคลนื่ แมเ่ หล็กไฟฟ้า ภาพที่ 1.4 แสดงการแผ่รังสี ท่มี า : http://thanapat53a25.wikispaces.com

3.3 สมบตั ิทางไฟฟ้า ประกอบด้วย การนาไฟฟ้าของวสั ดุ เป็นสมบตั ใิ นการยอมให้ กระแสไฟฟา้ ผา่ นได้ วัสดทุ ่ีกระแสไฟฟา้ ผ่านได้ดี เรียกวา่ ตัวนาไฟฟ้า เชน่ เงนิ ทองแดง เหล็ก อะลมู ิเนยี ม วสั ดุที่กระแสไฟฟ้าผ่านไดไ้ มด่ ี เรียกว่า ฉนวนไฟฟ้า เช่น ไม้ พลาสติก ผ้า กล่าวโดยสรุป การพัฒนาสมบัติของวัสดุให้มีประสิทธิภาพดียิ่งข้ึน หรือให้มี สมบัติตรงตามความต้องการน้ันล้วนต้องใช้องค์ความรู้ทางวัสดุศาสตร์เข้าไปเกี่ยวข้องท้ังสิ้น ดังน้ัน การพัฒนาความรดู้ า้ นวสั ดุศาสตร์และการเรียนรเู้ ทคโนโลยีวสั ดุควบคกู่ ันไป จึงมีความสาคัญสาหรับมนุษย์ ในการนาความรู้มาประยุกต์ใช้ในการออกแบบผลิตภัณฑ์และ ปรบั ปรุงกระบวนการผลิตวัสดุให้มีสมบัติตามความต้องการ และนามาสังเคราะห์สร้างวัสดุใหม่ เพอ่ื ปรับปรงุ วัสดุใหม้ สี มบัตติ ามต้องการ นอกจากนคี้ วามรู้ด้านวสั ดศุ าสตรย์ ังสนบั สนนุ การเลอื กใชว้ สั ดุใหเ้ หมาะสมและสอดคลอ้ งกบั ความตอ้ งการในชีวติ ประจาวัน ตารางที่ 1.1 ตวั อย่างของสมบตั ิและการใช้งานของวัสดุประเภทโลหะ ประเภท สมบตั ิ การใชป้ ระโยชน์ โลหะจาพวกเหล็ก นาไฟฟา้ ดี ขึน้ รูปดี ลวดสายไฟฟา้ - เหลก็ หล่อ หล่อข้ึนรปู ง่าย ช้ินส่วนเครอื่ งยนต์ - เหลก็ เหนียว กลงึ -กดั ได้งา่ ย เครือ่ งมือช่างตา่ ง ๆ - เหล็กกลา้ รบั แรงส่ันสะเทอื นดี - เหล็กไร้สนิท มีความแขง็ แรง - เหล็กกล้าผสม โลหะนอกจาพวกเหล็ก ทนทานต่อการกัดกร่อนของ อุตสาหกรรมเคมี การผลิตไฟฉาย - ทอง ทองแดง - อะลูมเิ นยี มแมกนเี ซียม กรดและด่าง อุปกรณไ์ ฟฟ้า สายเคเบลิ - ตะกัว่ ปรอท โบลิดิน่มั - บรอนซ์ ทองเหลือง นาไฟฟ้าได้ดี ใชผ้ ลิตเครอื่ งใช้ในครวั เรอื น ทาให้โลหะอ่นื งา่ ยต่อการ ขึ้นรูป นาความร้อนไดด้ ี

ตารางท่ี 1.2 ตวั อยา่ งของสมบตั ิและการใช้งานของวัสดุประเภทอโลหะ ประเภท สมบัติ การใช้ประโยชน์ อินทรียส์ าร เปน็ ฉนวนกันไฟฟ้า เครื่องน่งุ ห่ม - ไม้ ฉนวนความร้อน ทอ่ี ยู่อาศัย - เส้นใย มีความแข็งแรง - หนงั สตั ว์ - ขนสัตว์ ขึ้นรูปเป็นแผ่นบางง่าย ภาชนะบรรจุอาหาร - เปลือกหอย ยดื หยนุ่ ดี สร้างทอ่ี ยู่อาศัย เปน็ ฉนวนกันไฟฟ้า ฉนวนกันความรอ้ น อนนิ ทรีย์สาร ตา้ นทานความชืน้ - หนิ แขง็ แรง - ดนิ เหนียว - กรวด ขึ้นรปู เปน็ แผ่นบางง่าย ผลติ ภณั ฑ์บรรจอุ าหาร - ทราย ยดื หยุน่ ดี เคลือบแผน่ วงจร - ศิลาแลง เปน็ ฉนวนกันไฟฟ้า ทากาวผลิตไมอ้ ดั - หนิ ออ่ น ตา้ นทานความช้นื บ้าน - ยิปซมั แข็งแรง ของใชใ้ นครัวเรือน - อญั มณี วสั ดุสงั เคราะห์ - กระดาษ - ฟองนา้ - หนงั เทยี ม - เสน้ ใยสังเคราะห์ - พลาสตกิ - ยางเทียม - ปูนซีเมนต์ - คอนกรีต - สีทาอาคาร - อฐิ - เซรามิกส์