ประเภทและคุณสมบัติของเหล็ก
“…อลูมิเนียมกับสแตนเลส แตกต่างกันอย่างไร ..!??
(อันนี้บอกเลยว่าเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับนายช่างที่ทำงานพาร์ทแมชชิน งานจิ๊กและฟิกเจอร์)
คุณสมบัติอลูมิเนียม (เกรดต่างๆ)
บริการพิเศษตัดแก๊ส ตัดเลเซอร์ตามขนาดที่ต้องการ และจำหน่ายตามขนาดมาตรฐาน
อลูมิเนียมเส้น (Aluminum Bar) – 6063
– อลูมิเนียมเส้นกลม (Aluminum Round Bar)
– อลูมิเนียมเส้นสี่เหลี่ยม (Aluminum Square Bar)
– อลูมิเนียมเส้นฉาก (Aluminum Angle Bar)
– อลูมิเนียมเส้นแบน (Aluminum Flat Bar)
– อลูมิเนียมแผ่น (Aluminum Sheet) – 1100
– อลูมิเนียมอัลลอย์ดเส้น (Aluminum Alloy Bar) – 6061, 7022, 7075, 2011
– อลูมิเนียมอัลลอย์ดแผ่น (Aluminum Alloy Sheet) – 2024, 5052, 5083, 6061, 7022, 7075, 2011
– อลูมิเนียมรีด (Aluminum Drawn)
– อลูมิเนียมหล่อ (Aluminum Casting)
– เพลาอลูมิเนียม (Aluminum Round Bar) – 6060
– ท่ออลูมิเนียม (Aluminum Pipe); mso-hansi-font-famil
อลูมิเนียม (Aluminium)
สัญลักษณ์คือ Al ความหนาแน่น 2.7 กก./ดม3.
จุดหลอมเหลว 658 องศาเซลเซียส
ความเค้นแรงดึงของอลูมิเนียมหล่อ 9-12Kp/mm2 (9-12 กก./ตร.มม.)
ความเค้นแรงดึงของอลูมิเนียมอบเหนียว 7Kp/mm2(7 กก./ตร.มม.)
ความเค้นแรงดึงของอลูมิเนียมรีดแข็ง 13-20 Kp/mm2(13-20 กก./ตร.มม.)
อัตรายืดตัว 3-35%
ขึ้นอยู่กับธาตุประกอบอัลลอยด์ และการอบร้อน เกรดอลูมิเนียม สามารถแสดงคุณสมบัติได้หลากหลาย จากรูปลักษณ์ที่สวยงาม, ความสะดวกในการผลิต, ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี, อัตราความแข็งแกร่งต่อน้ำหนักสูง, เชื่อมได้ดี และค่าความต้านทานการแตกหักสูง เลือกเกรดอลูมิเนียมที่เหมาะสม ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของงาน และสภาวะการใช้งาน
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 1xxx |
เกรดของอลูมิเนียมประเภทนี้มีเหล็ก และซิลิคอนเป็นธาตุหลัก (1050, 1060, 1100, 1145, 1200, 1230, 1350, อื่นๆ) ซึ่งเป็นประเภทที่ต้านทานการกัดกร่อนได้ดี, สภาพการนำความร้อน และนำไฟฟ้าสูง, คุณสมบัติทางกลต่ำ และใช้งานได้ดี สามารถเพิ่มความแข็งระดับปานกลางได้โดยอาจได้รับจากกระบวนการเพิ่มความเครียด |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 2xxx |
เกรดของอลูมิเนียมประเภทนี้ (2011, 2014, 2017, 2018, 2124, 2219, 2319, 201.0; 203.0; 206.0; 224.0; 242.0; อื่นๆ) ต้องการกระบวนการอบร้อนเพื่อให้ได้คุณสมบัติสูงสุด ในสภาวะกระบวนการอบร้อนนี้ ค่าคุณสมบัติทางกลจะคล้ายกัน หรือบางทีอาจสูงกว่าในบรรดาเหล็กคาร์บอนต่ำ และในบางชนิดการทำกระบวนการอบร้อนซ้ำ จะทำให้สามารถเพิ่มคุณสมบัติทางกลได้ การอบร้อนนี้จะเพิ่มค่าจุดคราก แต่จะทำให้เสียสภาพการยืดตัว ซึ่งจะทำให้ค่าต้านทานแรงดึงไม่ดี อลูมิเนียมอัลลอยด์ประเภท 2xxx ไม่ใช่ตัวต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเหมือนกับอลูมิเนียมอัลลอยด์ประเภทอื่น และภายใต้สภาวะการดัดกร่อนแบบบางๆ อาจะจะทำให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรนได้ เกรดอลูมิเนียมประเภท 2xxx จะมีประโยชน์ต่อส่วนที่ต้องการความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงสุด 150°C (300°F) แต่ยกเว้นเกรด 2219 อลูมิเนียมอัลลอยด์เกรดนี้มีขีดจำกัดในการเชื่อม แต่อัลลอยด์บางชนิดในประเภทนี้จะมีรูปแบบการแปรรูปที่ดีเยี่ยม ส่วนอลูมิเนียมเกรด 2021 เป็นเกรดที่ได้รับความนิยมสูงสุดในการใช้ผลิตอากาศยาน |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 3xxx |
เกรดของอลูมิเนียมประเภทนี้ (3003, 3004, 3105, 383.0; 385.0; A360; 390.0) โดยปกติแล้วจะไม่สามารถใช้การอบร้อนได้ แต่มีค่าความแข็งแกร่งมากกว่าประเภท 1xxx อยู่ 20% เพราะว่า ข้อจำกัดของปริมาณแม็กนีเซียม (สูงสุดที่ 1.5%) ที่สามารถเพิ่มเข้าไปในอลูมิเนียมได้ ซึ่งแม็กนีเซียมจะถูกใช้เป็นธาตุหลักในอัลลอยด์บางชนิดเท่านั้น |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 4xxx |
เกรดของอลูมิเนียมประเภทนี้ (4032, 4043, 4145, 4643, อื่นๆ) มีซิลิคอนเป็นธาตุหลัก ซึ่งสามารถเพิ่มได้ในปริมาณที่เพียงพอ (สูงสุด 12%) ที่จะทำให้เกิดการลดช่วงการหลอมเหลว ด้วยเหตุนี้ อลูมิเนียม-ซิลิคอนอัลลอยด์จึงถูกใช้ทำเป็นลวดเชื่อม และใช้ในการเชื่อมประสานอลูมิเนียม ในช่วงการหลอมเหลวต่ำ แทนการใช้โลหะ อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่บรรจุซิลิคอนมากพอจะทำให้เห็นเป็นสีเทาดำเหมือนถ่าน เมื่อเสร็จสิ้นการอโนดิกออกไซด์ (anodic oxide) จะถูกนำไปใช้ และด้วยเหตุนี้จึงเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานด้านสถาปัตยกรรม |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 5xxx |
ธาตุหลักของอัลลอยด์ประเภทนี้คือ แม็กนีเซียม เมื่อถูกใช้เป็นธาตุหลัก หรือใช้ร่วมกับแมงกานีส จะทำให้มีค่าความแข็งแกร่งปานกลาง และสามารถทำการชุบแข็งได้ แม็กนีเซียมจะส่งผลมากกว่าแมงกานีสในเรื่องของความแข็ง (แมกนีเซียม 0.8% เท่ากับ แมงกานีส 1.25%) และยังสามารถเพิ่มได้ในปริมาณมากอีกด้วย อลูมิเนียมอัลลอยด์ในประเภทนี้ (5005, 5052, 5083, 5086, อื่นๆ) ใช้ในงานเชื่อมได้ดี และต้านทานการกัดกร่อนจากน้ำได้ดี แต่อย่างไรก็ตามการผลิตจะจำกัดอยู่ที่การขึ้นรูปเย็น และใช้อุณหภูมิในการดำเนินงานที่ 150°F สำหรับแมกนีเซียมอลูมิเนียมอัลลอยด์ เพื่อหลีกเลี่ยงความอ่อนแอที่เกิดจากการแตกร้าวเนื่องจากการกัดกร่อนภายใต้แรงเค้น (stress-corrosion cracking) |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 6xxx |
อลูมิเนียมอัลลอยด์ในประเภท 6xxx คือ (6061, 6063) ประกอบไปด้วยซิลิคอน และแม็กนีเซียม ในปริมาณที่มากพอในการขึ้นรูป magnesium silicide (Mg2Si) ซึ่งทำให้สามารถทำกระบวนการอบร้อนได้ แต่ก็มีความแข็งไม่เท่ากับประเภท 2xxx และ 7xxx โดยประเภท 6xxx นี้จะสามารถทำการขึ้นรูปได้ดี, เชื่อมง่าย, แปรรูปง่าย และต้านทานการกัดกร่อนได้ดี ด้วยความแข็งแกร่งปานกลาง เกรดอลูมิเนียมในประเภทที่สามารถทำการ heat-treatable ได้นี้อาจจะขึ้นรูปในแบบ T4 temper (แก้ปัญหาการอบร้อนได้ แต่ไม่สามารถเร่งการอบร้อนได้) และเพิ่มความแข็งหลังจากการขึ้นรูปแบบคุณสมบัติ T6 โดยการเร่งการอบร้อน |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 7xxx |
สังกะสีประมาณ 1 ถึง 8% เป็นธาตุหลักในประเภท 7xxx อลูมิเนียมอัลลอยด์ (7075, 7050, 7049, 710.0, 711.0, อื่นๆ) และเมื่อทำการรวมกับแม็กนีเซียมในปริมาณเล็กน้อย ผลที่ได้คือจะมีค่าความแข็งแกร่งตั้ง แต่ระดับปานกลางจนถึงสูงมาก ส่วนธาตุอื่นๆ เช่น ทองแดง และโครเมียม ก็ถูกเพิ่มเข้าไปในปริมาณเล็กน้อยเหมือนกัน อัลลอยด์ประเภท 7xxx ถูกใช้ทำเป็นโครงสร้างลำตัวของอุปกรณ์มือถือ และชิ้นส่วนที่มีความเค้นสูง อลูมิเนียมอัลลอยด์ความแข็งแกร่งสูง 7xxx จะแสดงการลดความต้านทานต่อการแตกร้าวเนื่องจากการกัดกร่อนภายใต้แรงเค้น (stress-corrosion cracking) และถูกใช้ใน temper ที่มีอายุเกินมาเล็กน้อย เพื่อให้ได้การรวมกันของความแข็งแกร่ง, ความต้านทานการกัดกร่อน และค่าความต้านทานการแตกหัก |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 8xxx |
ประเภท 8xxx (8006; 8111; 8079; 850.0; 851.0; 852.0) สงวนไว้สำหรับการผสมกับธาตุอื่นๆ นอกเหนือจากที่ใช้สำหรับประเภท 2xxx ถึง 7xxx เหล็ก และนิกเกิลถูกใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่ง โดยไม่มีการสูญเสียสภาพการนำไฟฟ้า และถูกใช้อย่างแพร่หลายเช่นอัลลอยด์ตัวนำ 8017 อลูมินัม-ลิเทียม อัลลอยด์ 8090 มีความแข็งแรง และความแข็งสูงเป็นพิเศษ เพราะถูกพัฒนาให้ใช้กับงานอากาศยาน และอลูมิเนียมอัลลอยด์ในประเภท 8000 สอดคล้องกับของระบบ Unified Numbering A98XXX |
| เกรดอลูมิเนียม ประเภท 9xxx ประเภทนี้ยังไม่มีใช้ |
ฐานข้อมูลของ KEY to METALS ได้รวบรวมข้อมูลโลหะจากทั่วโลกมาไว้ในเครื่องมือค้นหาเพียงชิ้นเดียว ที่ทั้งง่าย และรวดเร็วในการเข้าถึงคุณสมบัติทางกล, ส่วนประกอบทางเคมี, ตารางตัวอ้างอิงโยง และอื่นๆ ที่ได้เตรียมไว้ให้กับผู้ใช้งานด้วยข้อมูลจำนวนมากอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน คลิกที่ปุ่มด้านล่างเพื่อศึกษาเพิ่มเติมจากวิธีการใช้งาน หรือทดลองใช้งานฐานข้อมูลของKEY to METALS อลูมิเนียม เป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบาเป็นอันดับสี่โลหะผสมของอลูมิเนียมใช้กันมากในการสร้างเครื่องบินอลูมิเนียมหนักเพียงหนึ่งในสามของเหล็ก และสามารถนำไฟฟ้าได้ดี ในผิวโลกมีอลูมิเนียมมากกว่าโลหะอื่นๆ ในดินเหนียวอลูมิเนียมเกือบหนึ่งในสี่โดยน้ำหนัก แต่การแยกอลูมิเนียมบริสุทธิ์จากดินทำได้ไม่ง่ายนัก เขามักแยกอลูมิเนียมจากแร่ ชื่อ บอกไซต์ (Bauxite) ซึ่งมีอลูมิเนียมมากกว่าดิน แร่นี้มีมากในทวีปอเมริกา (ประเทศแคนาดามีมากที่สุด) และในออสเตรเลีย ในประเทศอื่นก็มีบ้างเหมือนกันอลูมิเนียมมีอยู่ในรัตนชาติบางชนิด เช่น พลอยและทับทิม เป็นต้น แร่กากกะรุน (Emery) คือออกไซด์ของอลูมิเนียมเรารู้จักอลูมิเนียมนานกว่า 140 ปี แต่เนื่องจากราคาแพงจึงมิได้มีผู้ใช้กันแพร่หลาย ตราบจนกระทั่งถึงสมัยที่อาจผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ในราคาต่ำจากน้ำตก โลหะนี้จึงมีราคาถูกลง เพราะการแยกอลูมิเนียมจากแร่ทำโดยวิธีไฟฟ้าได้ดีกว่าอย่างอื่น อลูมิเนียมมีสีขาวเหมือนเงิน เนื้อเป็นมันวาวงดงามไม่หมองง่าย อาจถึงเป็นเส้นลวดขนาดเล็กยิ่งกว่าเส้นผม หรือ ตีแผ่เป็นแผ่นบางๆ ที่บางมากราวกับกระดาษได้อลูมิเนียมไม่สึกกร่อนโดยง่าย และจะทำปฏิกิริยากับกรดและด่างบางชนิดเท่านั้น เมื่อผสมโลหะอื่นบางชนิดลงไปในเนื้ออลูมิเนียม จะได้โลหะผสม ซึ่งแข็งแรง ทนทาน และเหนียวกว่าอลูมิเนียมบริสุทธิ์มาก ใช้ทำสิ่งของเครื่องใช้ได้อย่างดี เราใช้อลูมิเนียมทำเครื่องครัว เพราะอลูมิเนียมนำความร้อนได้ดี ทำความสะอาดได้ง่าย กับเป็นเงางามอยู่เสมอนอกจากนั้นยังใช้ทำส่วนประกอบในเครื่องใช้ไฟฟ้า เพราะอลูมิเนียมสามารถนำไฟฟ้าได้ดี เครื่องบิน ละยานพาหนะหลายชนิด เช่น รถไฟ รถโดยสาร และรถยนต์ ก็นิยมใช้อลูมิเนียมเป็นส่วนประกอบ เนื่องจากน้ำหนักเบา แข็งแรงทนทาน |
ที่มาของอลูมิเนียม
อลูมิเนียมเป็นโลหะที่เกิดเป็นสารประกอบอลูมิเนียมออกไซด์ ส่วนมากพบในดินเหนียว และดินต่างๆ วัตถุดิบสำคัญที่ใช้ในการผลิตอลูมิเนียม
คือสินแร่ โบไซต์หรือ บอกไซด์(Bauxite)มีลักษณะเหมือนดินแดง หรือดินลูกรัง แตามีความแข็งกว่าในสินแร่บอกไซด์จะมีดินเหนียวบริสุทธิ์
(Al2 O3= อลูมิเนียมออกไซด์) ปนอยู่ประมาณ 55-60% เหล็กออกไซด์(Fe2O3) ไม่เกิน
24% และน้ำในโมเลกุลสินแร่ประมาณ 12-31% แร่ซิลิกา(SiO2)ไม่เกิน 4% แหล่งแร่บอกไซด์ที่สำคัญๆ คือที่ประเทศ
ฝรั่งเศษตอนใต้ ฮังการี รัสเซีย สหรัฐอเมริกา มาเลเซีย อินโดนีเซีย
คุณสมบัติอลูมิเนียม
ข้อดีบางประการของอลูมิเนียมคือ ดูดี, ง่ายต่อการผลิต, ต่อต้านการกัดกร่อนได้ดี, ความหนาแน่นต่ำ, อัตราความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง และความเหนียวที่ต้านการแตกหักสูง
ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ อลูมิเนียมจึงเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีผลต่อเศรษฐกิจ และการทำโครงสร้าง ที่ใช้ในการค้าขาย และอุปกรณ์ทางการทหาร
มื่อสัมผัสกับอากาศ จะทำให้เกิดชั้นฟิล์มบางๆ เรียกว่า อลูมิเนียมออกไซด์ อยู่ที่ชั้นผิวของอลูมิเนียม ซึ่งชั้นผิวนี้จะสามารถป้องกันการกัดกร่อน และกรดต่างๆ ได้ แต่สามารถป้องกัน อัลคาลิส ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น
อลูมิเนียมบริสุทธิ์ จะมีค่าแรงดึงไม่สูงนัก แต่อย่างไรก็ตามการเพิ่มธาตุบางชนิดเข้าไปเช่น แม็กนีเซียม, ซิลิคอน, ทองแดง และแมงกานีส สามารถเพิ่มคุณสมบัติความแข็งแรงให้กับอลูมิเนียมได้ และได้อัลลอยด์ที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมกับการใช้งานนั้นๆ
อลูมิเนียมเป็นตัวนำความร้อนที่ดีเยี่ยม และนำความร้อนได้ดีกว่าเหล็กถึงสามเท่า ด้วยคุณสมบัตินี้ทำให้อลูมิเนียมเป็นวัสดุที่มีความสำคัญกับทั้งงานที่ใช้ความเย็น และความร้อน เช่น ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน (heat-exchangers) เมื่อพูดถึงอลูมิเนียมที่ไม่ผสมธาตุใดๆ แล้ว อลูมิเนียมประเภทนี้จะถูกใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตอุปกรณ์การทำอาหาร และชุดเครื่องครัว
• อลูมิเนียม 5083 (รีดแข็ง , H112) อลูมิเนียมกลุ่มผสมแมกนีเซียม สามารถชุบอะโนไดช์สีได้ดีมาก
ให้ผิวสวยงามเมื่อตัดกลึง สามารถใช้งานที่อุณหภูมิติดลบได้ดี นิยมใช้ทำแม่พิมพ์เป่าพลาสติก แม่พิมพ์ขึ้นรูปยางและโฟม อุปกรณ์จับยึดชิ้นงาน ถังทนแรงดันสูง ตู้คอนเทนเนอร์ ชิ้นส่วนยานพาหนะและอาคาร อลูมิเนียม 5083
• อลูมิเนียม 6061 (บ่มแข็ง , T651) อลูมิเนียมกลุ่มผสมแมกนีเซียม และซิลิกอน ที่สามารถบ่มแข็งได้
จึงมีความแข็งสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม สามารถขัดเงาได้ดีและชุบอะโนไดซ์สีได้ผิวสวยงาม นิยมใช้ทำแม่พิมพ์เป่าพลาสติกแม่พิมพ์ฉีดโฟมและยาง โครงสร้างยานพาหนะและอาคาร หมุดย้ำราวสะพาน
(จะมีกรรมวิธีในการทำที่ยุ่งยากกว่า ซับซ้อน สิ้นเปลืองแรงงาน และเวลา กว่าจะได้เป็นชิ้นงาน แต่ก็มีความคุ้มค่า
เพราะว่า เป็นอลูมิเนียมที่ไม่กระด้าง โดยสูญเสียความแข็งแรงไปไม่มาก)
• อลูมิเนียม 7022 (บ่มแข็ง, T651) อลูมิเนียมกลุ่มผสมสังกะสี ที่มีความแข็งแรงสูงมาก ตัดกลึงง่าย สามารถชุบอะโนไดซ์แข็งได้ดี นิยมใช้ทำแม่พิมพ์เป่าขวดพลาสติก แม่พิมพ์ฉีดพลาสติกจำนวนน้อย อุปกรณ์ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลแผ่นนำความร้อน อลูมิเนียม 7022
• อลูมิเนียม 7075 (บ่มแข็ง, T651) อลูมิเนียมกลุ่มผสมสังกะสี ที่มีความแข็งแรงสูงที่สุดในกลุ่ม ตัดกลึงง่าย สามารถชุบอะโนไดซ์แข็งได้ดีเยี่ยม นิยมใช้ทำแม่พิมพ์เป่าขวดพลาสติก แม่พิมพ์ฉีดพลาสติก อุปกรณ์ชิ้นส่วนเครื่องจักรกล โต๊ะเครื่องมือ แผ่นรองสแตมปิ้ง อลูมิเนียม 7075
• อลูมิเนียม 2024 (บ่มแข็ง, T451) อลูมิเนียมกลุ่มผสมทองแดงจึงมีความแข็งแรงสูง และทนต่อการล้าได้ดีนิยมใช้ทำแม่พิมพ์เป่าพลาสติกหรือแม่พิมพ์ขึ้นรูปพลาสติกในสุญญากาศ แม่พิมพ์รองเท้า
ชิ้นส่วนเครื่องจักรกล โครงสร้างเครื่องบินอุปกรณ์จับยึดต่างๆ
• อลูมิเนียม 5052 (รีดแข็ง, H112) อลูมิเนียมกลุ่มผสมแมกนีเซียม สามารถชุบอะโนไดช์สีได้ดีมาก
ให้ผิวสวยงามเมื่อตัดกลึง สามารถใช้งานที่อุณหภูมิติดลบได้ดี นิยมใช้ทำอุปกรณ์จับยึดชิ้นงาน แม่พิมพ์ตัวอย่างภาชนะหรือเครื่องใช้ในอุตสาหกรรมเคมีและอาหาร ท่อไฮดรอลิก หมุดย้ำชิ้นส่วนในยานพาหนะและอาคาร
ขอขอบคุณเครดิตข้อมูล บริษัท เอเชี่ยนพลัส ซัพพลาย จำกัด
ว่าด้วยเรื่องความรู้พื้นฐานเกี่ยววัสดุศาสตร์และวัสดุวิศวกรรม (Material Science and Engineering)
วัสดุศาสตร์และวัสดุวิศวกรรม
ในปัจจุบันไม่ว่าวิศวกร นักวิทยาศาสตร์ หรือนักเทคโนโลยีล้วนต้องเกี่ยวข้องกับวัสดุ(materials) อยู่เสมอทั้งในเชิงของผู้ใช้วัสดุ ผู้ผลิตและผู้ควบคุมกระบวนการผลิต ตลอดจนผู้ออกแบบทั้งในรูปแบบ องค์ประกอบ และโครงสร้าง บุคคลเหล่านี้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมถูกต้องจากสมบัติของวัสดุเหล่านั้น นอกจากนี้ยังจะต้องสามารถวิเคราะห์ได้ว่า เมื่อมีความผิดปกติเกิดขึ้นมันเป็นเพราะเหตุใด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบันการค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีได้มีความก้าวหน้าไปอย่างมาก วัสดุใหม่ๆถูกผลิตขึ้น คุณสมบัติพิเศษๆก็ถูกค้นคว้าขึ้นมากมาย กระบวนการผลิตก็สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ราคาของวัสดุนั้นต่ำลง ความรู้เกี่ยวกับวัสดุ จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ทุกคนควรจะได้รับรู้ไว้บ้าง
1.1 วัสดุและวิศวกรรม
วัสดุ คือ สสารที่ประกอบและทำขึ้นด้วยสารบางอย่างซึ่งเป็นสารเคมี ตั้งแต่อารยธรรมได้เริ่มขึ้น มนุษย์ได้รู้จักใช้วัสดุพร้อมกับพลังงานเพื่อช่วยทำให้มาตรฐานความเป็นอยู่ ของชีวิตดีขึ้นมาโดยตลอด จะเห็นได้ว่าวัสดุทั้งหลายที่อยู่รอบๆตัวเราล้วนเป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตขึ้นมา จากวัสดุทั้งสิ้น วัสดุที่เราพบเห็นอยู่ทั่วไป เช่น ไม้ คอนกรีต อิฐ เหล็กกล้า พลาสติก แก้ว ยาง อะลูมิเนียม ทองแดง และกระดาษ เป็นต้น ถ้าเราดูไปรอบตัวของเราจะเห็นวัสดุมีมากมายหลากหลายชนิด ทั้งนี้เพราะการวิจัยและพัฒนาได้ผลิตวัสดุใหม่ๆออกมาอย่างต่อเนื่อง ผลิตภัณฑ์และกระบวนการผลิตวัสดุให้ออกมาเป็นวัสดุสำเร็จรูป จัดว่าเป็นส่วนที่สำคัญในสภาวะเศรษฐกิจปัจจุบัน วิศวกรมีหน้าที่ออกแบบผลิตภัณฑ์และระบบของกระบวนการผลิตเป็นส่วนใหญ่ ทั้งนี้ผลิตภัณฑ์ที่จะต้องผลิตต้องรู้ว่าประกอบด้วยวัสดุต่างๆอะไรบ้าง วิศวกรต้องมีความรู้ทั้งในเรื่องของโครงสร้างภายในและสมบัติของวัสดุ เพื่อที่จะได้สามารถเลือกใช้วัสดุได้อย่างเหมาะสม และยังสามารถที่จะพัฒนากระบวนการผลิตหรือวิธีทำให้ดีที่สุดได้
งานของวิศวกรทางด้านการวิจัยและพัฒนาจะช่วยสร้างวัสดุใหม่ๆขึ้นมา หรือปรับปรุงสมบัติของวัสดุเดิมให้ดียิ่งขึ้น วิศวกรผู้ออกแบบจะเลือกใช้วัสดุที่มีอยู่ปรับปรุงให้ดีขึ้น หรือใช้วัสดุชนิดใหม่ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ชนิดใหม่และสร้างระบบใหม่ บางครั้งในทางตรงกันข้าม วิศวกรผู้ออกแบบเกิดปัญหาในการออกแบบที่จำเป็นต้องใช้วัสดุชนิดใหม่ที่คิด ค้นจากนักวิจัยและวิศวกร ตัวอย่างเช่น การออกแบบเครื่องบินขนส่งที่มีความเร็วสูงกว่ากว่าเสียง คือ X-30 วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ให้สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 1800C(3250F) ได้โดยที่ขณะบินด้วยความเร็วสูง 12 ถึง 15 เท่าของความเร็วเสียง(12-25Mach) วัสดุที่ได้มีการศึกษาเพื่อใช้กับ X-30 ชนิดหลังสุด(1993)มีหลายชนิด เช่น เส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์เสริมแรงเข้ากับโลหะผสมของไทเทเนียม ชื่อ Timetal 215 เพื่อใช้ทำโครงสร้างที่สามารถรับน้ำหนักและหล่อลื่น วัสดุผสมของคาร์บอน-คาร์บอนใช้ทำอุปกรณ์ของระบบป้องกันความร้อน วัสดุผสมของเส้นใยคาร์บอนกับอีพอกซีใช้ทำถังใส่เชื้อเพลิง
งานที่ท้าทายวิศวกรอีกประเภทหนึ่งคือ การสร้างสถานีอวกาศถาวร เพื่อให้มนุษย์ขึ้นไปอยู่ปฏิบัติงานในอวกาศได้ มีโครงการอันหนึ่งที่เสนอการประกอบโครงสร้างหลักของสถานีอวกาศ โดยทำเป็นคานรูปตัวไอ(I) ที่ขณะโคจรอยู่รอบโลก และเครื่องรับส่งสัญญาณทำด้วยวัสดุผสมพวกพอลิอีเทอร์อิไมด์ และพอลิอีเทอร์อีเทอร์คีโทน
การค้นคว้าหาวัสดุชนิดใหม่ๆยังคงดำเนินต่อไป เช่น วิศวกรเครื่องกลพยายามค้นหาวัสดุที่ทนอุณหภูมิสูงมากขึ้นเพื่อนำไปสร้าง เครื่องยนต์ไอพ่นที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งขึ้น วิศวกรไฟฟ้าก็ค้นหาวัสดุชนิดใหม่ๆเพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถ ทำงานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น และใช้ที่อุณหภูมิสูงได้ วิศวกรการบินก็ค้นหาวัสดุที่มีความแข็งแรงมากขึ้นแต่น้ำหนักเบา เพื่อใช้สร้างเครื่องบินและยานอวกาศ วิศวกรเคมีต้องการวัสดุที่ทนทานต่อการผุกร่อนได้ดี จากตัวอย่างที่ยกมาให้ดู 2-3 ตัวอย่างว่าวิศวกรสาขาต่างๆ ล้วนต้องการค้นหาวัสดุใหม่ที่มีคุณภาพมากขึ้น เพื่อการประยุกต์ต่อไป มีหลายกรณีที่ในอดีตทำไม่ได้ แต่ในปัจจุบันสามารถทำได้แล้ว
1.2 วัสดุศาสตร์และวัสดุวิศวกรรม
วัสดุศาสตร์(Materials Science) เป็นศาสตร์ที่เกี่ยวกับการค้นคว้าหาความรู้ขั้นพื้นฐาน(basic knowledge) เกี่ยวกับลักษณะของโครงสร้างภายใน สมบัติต่างๆ และกระบวนการผลิตวัสดุเหล่านั้น
วัสดุวิศวกรรม(Materials Engineering) เป็นศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอย่างเป็นด้านหลักของการใช้หลักการพื้นฐานและการ ประยุกต์ความรู้ของวัสดุ เพื่อปรับปรุงสมบัติแล้วนำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ หรือให้เป็นไปตามความต้องการของสังคม
ดังนั้นชื่อของวิชา materials science and engineering นี้จึงได้มาจากการรวมกันของทั้ง materials science และ materials engineering วัสดุศาสตร์เป็นความรู้พื้นฐานทั้งหมดของวัสดุ และวัสดุวิศวกรรมเป็นการประยุกต์ความรู้ทั้งหมดให้เป็นประโยชน์ดั้งนั้นวิชา ทั้งสองนี้จึงไม่มีเส้นแบ่งขอบเขตอย่างชัดเจน
1.3 ประเภทของวัสดุ
เพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาและสะดวกขึ้น วัสดุวิศวกรรมส่วนมากจะแบ่งออกเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆด้วยกัน คือ ประเภทโลหะ พอลิเมอร์(พลาสติก) และเซรามิก ในบทนี้จะได้กล่าวถึงความแตกต่างของวัสดุทั้งสามตามสมบัติที่สำคัญ ของมันคือ สมบัติเชิงกล สมบัติทางไฟฟ้า และสมบัติทางกายภาพ และต่อไปจะได้กล่าวถึงความแตกต่างของโครงสร้างภายในของวัสดุประเภทต่างๆเหล่านี้ และอาจจะเพิ่มเติมอีก 2 ประเภทคือ วัสดุผสม และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ อีกด้วย เพราะเป็นวัสดุที่มีความสำคัญมากทางวิศวกรรม
1.4 การแข่งขันกันระหว่างวัสดุประเภทต่างๆ
การแข่งขันกันของวัสดุประเภทต่างๆ เพื่อให้ความต้องการใช้ยังคงอยู่ และเพื่อเปิดตลาดใหม่ขึ้นนั้น ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีแนวโน้มสูงมาก มีปัจจัยหลายๆอย่างเกิดขึ้น เพื่อจะนำวัสดุอย่างหนึ่งไปใช้แทนวัสดุเดิมให้เป็นไปตามลักษณะของงานอันแท้จริง ปัจจัยแรกที่สำคัญคือค่าใช้จ่าย ถ้ามีการค้นพบกระบวนการผลิตวัสดุอย่างหนึ่งได้ในราคาที่ถูกลง ผลที่ตามมาก็คือวัสดุชนิดนี้อาจนำไปใช้แทนวัสดุเดิมในบางกรณีได้ อีกปัจจัยหนึ่งที่ต้องเปลี่ยนไปใช้วัสดุอื่นแทนก็คือ มีการพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ขึ้นซึ่งมีสมบัติพิเศษเหมาะที่จะนำไปใช้งานบางอย่างได้ดีกว่า จากเหตุผลดังกล่าวนี้ทำให้การใช้วัสดุมีการเปลี่ยนแปลงตลอดช่วงเวลาที่ผ่านมา
1.5 สมบัติและการเลือกใช้วัสดุ
การเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับงานนั้นจำเป็นจะต้องศึกษา หรือพิจารณาจากสมบัติของวัสดุนั้นให้มันตรงกับงานที่ออกแบบ หรือที่ต้องการทำจากวัสดุต่างๆซึ่งมีอยู่มากมาย และวิศวกรสามารถส่งตัวอย่างไปวิเคราะห์สมบัติองค์ประกอบได้จากศูนย์เครื่องมือหรือศูนย์ทดสอบ ซึ่งมีอยู่หลายแห่งด้วยกัน เพื่อประหยัดเวลาและการลงทุน
1.6 แนวโน้มการใช้วัสดุในอนาคต
1.วัสดุประเภทโลหะ การผลิตโลหะที่เป็นพื้นฐานที่สำคัญในสหรัฐอเมริกา ได้แก่ เหล็กกล้า อะลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี และแมกนีเซียม ได้รับการคาดหมายว่าจะต้องเป็นไปตามสภาวะเศรษฐกิจค่อนข้างมาก แม้ว่าโลหะที่ผลิตอยู่ในปัจจุบันจะได้รับการพัฒนาให้ดียิ่งขึ้นในเชิงของทางเคมี การควบคุมองค์ประกอบและเทคนิคของกระบวนการผลิตก็ตามโลหะผสมที่ได้รับการพัฒนาขึ้นใหม่เพื่อใช้ในโครงการอวกาศ เช่น โลหะผสมนิกเกิลที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงกำลังได้รับการค้นคว้าวิจัยอย่างต่อ เนื่อง เพื่อเพิ่มความแข็งแรงเมื่อใช้อุณหภูมิสูงและทนทานต่อการกัดกร่อนยิ่งขึ้น โลหะผสมเหล่านี้ได้นำไปใช้สร้างเครื่องยนต์ไอพ่นที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก กระบวนการผลิตที่ใช้เทคนิคใหม่ เช่น ใช้ hot isostatic pressing และ isothermal forging สามารถช่วยยืดอายุของการเกิดความล้าของโลหะผสมที่ใช้กับเครื่องบิน นอกจากนี้ยังมีการใช้เทคนิคการถลุงโลหะด้วยโลหะผง ทำให้สมบัติโลหะผสมมีการปรับปรุงให้ดีขึ้น และทำให้ราคาของการผลิตลดลงอีกด้วย เทคนิคการทำให้โลหะแข็งตัวอย่างรวดเร็วโดยทำให้โลหะที่หลอมเหลวลดอุณหภูมิลง ประมาณ 1 ล้านองศาเซลเซียสต่อวินาทีกลายเป็นโลหะผสมที่เป็นผง จากผงโลหะผสมเปลี่ยนให้เป็นแท่งด้วยกระบวนการต่างๆ เช่น hot isostatic pressing เป็นต้น ด้วยวิธีการเหล่านี้ทำให้สามารถผลิตโลหะที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงชนิดใหม่ได้ หลายชนิด เช่น nickel-based supperalloys, aluminium alloys และ titanium alloys
2.วัสดุประเภทพอลิเมอร์(พลาสติก)
จากเหตุการณ์ที่ผ่านมาวัสดุพอลิเมอร์ (พลาสติก) มีอัตราการเติบโตอย่างรวดเร็วมาก ด้วยอัตราการเพิ่มขึ้น 9% ต่อปี โดยน้ำหนัก แม้ว่าอัตราการเติบโตของพลาสติกจากปี 1995 ได้มีการคาดหมายว่าโดยเฉลี่ยแล้วจะลดลงต่ำกว่า 5% การลดลงนี้ก็เพราะว่าพลาสติกได้ถูกนำมาใช้แทนโลหะ แก้วและกระดาษเป็นผลิตภัณฑ์หลักในตลาดแล้ว เช่น ใช้ทำบรรจุภัณฑ์ และใช้ในการก่อสร้างซึ่งพลาสติกเหมาะสมกว่า
พลาสติกที่ใช้งานทางวิศวกรรม เช่น ไนลอน ได้รับความคาดหมายว่าน่าจะเป็นคู่แข่งกับโลหะได้อย่างน้อยจนถึง ค.ศ.2000 แนวโน้มที่สำคัญในการพัฒนาพลาสติกวิศวกรรม คือ การผสมผสานพลาสติกต่างชนิดกันเข้าด้วยกันให้เป็นพลาสติกผสมชนิดใหม่(synergistic plastic alloy) ตัวอย่างเช่น ในช่วงปี 1987 ถึง 1988 ได้มีการผลิตพลาสติกชนิดใหม่ๆพลาสติกผสมและสารประกอบตัวใหม่จากทั่วโลกประมาณ 100 ชนิด พลาสติกผสมชนิดใหม่มีประมาณ 10%
3.วัสดุประเภทเซรามิก
ในอดีตการเจริญเติบโตของการใช้เซรามิกสมัยเก่า เช่น ดินเหนียว แก้วและหินในอเมริกาเท่ากับ 3.6%(1966-1980) อัตราการเจริญเติบโตของวัสดุเหล่านี้จากปี 1982 ถึง 1995 คาดว่าจะประมาณ 2%ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาเซรามิกวิศวกรรมตระกูลใหม่ได้ผลิตขึ้น ซึ่งเป็นสารประกอบพวกไนไตรต์ คาร์ไบด์ และออกไซด์ ปรากฏว่าวัสดุเหล่านี้ได้นำไปประยุกต์อย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะใช้กับอุณหภูมิสูงๆ และใช้กับเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์วัสดุเซรามิกมีราคาถูกแต่การนำไปผลิตเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมักใช้เวลานาน และมีค่าใช้จ่ายสูง วัสดุเซรามิกส่วนใหญ่จะแตกหักหรือชำรุดได้ง่ายจากการกระแทก เพราะมีความยืดหยุ่นน้อยหรือไม่มีเลย ถ้ามีการค้นพบเทคนิคใหม่ที่สามารถพัฒนาให้เซรามิกทนต่อแรงกระแทกสูงๆได้แล้ว วัสดุประเภทนี้สามารถนำมาประยุกต์ทางวิศวกรรมได้สูงยิ่งขึ้น โดยเฉพาะในส่วนที่ต้องใช้อุณหภูมิสูงและในบริเวณสิ่งแวดล้อมที่มีการกัด กร่อนสูง
4.วัสดุผสมพลาสติกที่มีการเสริมแรงด้วยเส้นใย
เป็นวัสดุผสมหลักที่ใช้กันในอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่จะใช้เส้นใยแก้วมากกว่าเส้นใยทั่วไป พอลิเอสเทอร์ที่ไม่อิ่มตัว เป็นตัวเรซิ่นที่สำคัญที่ใช้ทำพลาสติกเสริมแรงด้วยใยแก้วหลายชนิด การใช้วัสดุประเภทนี้ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น จาก 1407 ล้านปอนด์ (640 ล้านกิโลกรัม) ในปี 1991 เป็น 1467 ล้านปอนด์ (667 ล้านกิโลกรัม) ในปี 1992 ซึ่งเพิ่มมากขึ้นประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์
วัสดุผสมขั้นสูงได้แก่ อีพอกซีเสริมแรงด้วยเส้นใยแก้ว(fiberglass-epoxcy) และแกรไฟต์-อีพอกซี นับวันจะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นตลอดเวลาในการใช้เป็นโครงสร้างหลักที่มี สมรรถนะสูง ได้มีการทำนายกันว่าในอนาคตวัสดุชนิดนี้จะมีการใช้เพิ่มขึ้น โดยเฉลี่ยต่อปีประมาณ 7.5% เครื่องบินโดยสารที่ทันสมัยได้มีการใช้วัสดุชนิดนี้มากขึ้น ตัวอย่างเช่น เครื่องบิน 777 รุ่นใหม่ ซึ่งจะนำออกใช้ในปี 1995 ได้มีการใช้วัสดุผสมประมาณ 10% โดยน้ำหนัก
5.วัสดุอิเล็กทรอนิกส์
ตั้งแต่ปี 1970 ได้มีการนำซิลิคอนและวัสดุกึ่งตัวนำอื่นๆในสถานะของแข็ง(solid-state) และไมโครอิเล็กทรอนิกส์มาใช้เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล และคาดว่าจะมีการใช้เพิ่มขึ้นต่อไปเรื่อยๆจนเลยปี 2000 ได้มีการคาดคะเนกันว่าการใช้แผงวงจรรวมที่ทำจากซิลิกอนชิพ(siliconchips) จะมีบทบาทอย่างมากต่อคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่างๆที่ใช้ในอุตสาหกรรม หุ่นยนต์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์จะมีผลต่ออุตสาหกรรมที่ทันสมัยยังคงจะต้องทำต่อไป ไม่ต้องสงสัยเลยว่าในอนาคตวัสดุอิเล็กทรอนิกส์จะต้องมีบทบาทที่สำคัญมากๆต่อโรงงานอุตสาหกรรม ด้วยการใช้หุ่นยนต์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ทำงาน
หลายปีที่ผ่านมาวงจรรวม(integrated circuits) ได้สร้างขึ้นด้วยการบรรจุทรานซิสเตอร์ลงในซิลิคอนชิพเดียวมีปริมาณมากขึ้นๆ ซึ่งเท่ากับเป็นการลดขนาดของทรานซิสเตอร์ลง
เครดิตข้อมูลศึกษา @:http://materiam.blogspot.com/2008/09/chapter-1.html
