week 1.3 chapter 1 introduction to engineering materials

CHAPTER 1: INTRODUCTION TO ENGINEERING MATERIALS

Objective:

เขาใจวสดวศวกรรม

จ าแนกประเภทของวสด

เขาใจการววฒนาการของวสดโลหะ

เขาใจลกษณะธรรมชาตของวสดโลหะ

1

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION

1. Introduction to engineering material.

2. Classification of materials.

3. History of metallic material.

4. Nature of metallic material.

2

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Content:

ENGINEERING MATERIAL

3

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Ceramic (bottle)

Metal(can)

Polymer

4

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ENGINEERING MATERIAL

Metal Composite

Polymer

Ceramic

5

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ENGINEERING MATERIAL

Metallic Material

6

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ENGINEERING MATERIAL

Ceramic material

7

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ENGINEERING MATERIAL

Polymer material

วสดเกยวของกบชวตประจ าวนของคนเราอยตลอดเวลา เชน

เสอผา เครองนงหม, ภาชนะ, ยานพาหนะ, การสอสาร,

สงกอสราง ฯลฯ ยกตวอยางเชน

เสอผา Polymer

ตวถงรถยนต Metal

คอนกรต Ceramics

ดงนนความเขาใจในธรรมชาตทมา และทไปของวสดจง

มปรโยชนอยางมากตอวศวกร 8

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION

1.1 บทน าวสดวศวกรรม

WHY STUDY MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING?

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Many an applied scientist or engineer, whether mechanical, civil, chemical, or electrical, will at one time or another be exposed to a design problem

involving materials

9

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.1 บทน าวสดวศวกรรม

10

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION

1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Engineering Material

Material Science & Engineering

Material

Materials Science

To Apply knowledge

Structure + Properties + Process

= Performance

Fundamental Knowledge Of Materials

What is Materials Science and Engineering ?

Structure

Process Properties 11

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g m

ate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

What is Materials Science and Engineering ?

Performance

Structure

Subatomic level Electronic structure of individual atoms that defines interaction among atoms (interatomic bonding).

12

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Atomic level Arrangement of atoms in materials (for the same atoms can have different properties, e.g. two forms of carbon: graphite and diamond)

13

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Microscopic structure Arrangement of small grains of material that can be identified by microscopy.

14

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Macroscopic structure Structural elements that may be viewed with the naked eye.

15

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Length-scales Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 meter = 10

-10 m

Nanometer = 10 nm = 1/1,000,000,000 meter = 10-

9 m

Micrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10-6

m

Millimeter = 1mm = 1/1,000 meter = 10-3

m

16

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

17

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

18

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Mechanical Property

• Strength

•Hardness

• Toughness

•Ductility

• Fatigue

• Creep

•Wear Resistance

Physical Property

•Density

• Thermal conductivity

• Thermal expansion

• Electricity

•Magnetism

•Optical behavior

• Color

Chemical Property

• Corrosion resistance

• Alloying element

Property of Materials

19

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 บทน าวสดวศวกรรม

Process of Materials

Metal

Ceramic Polymer

20

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Composite

ยางเสรมใยเหลก คอนกรตเสรมเหลก

Fiber glass

21

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Metals

Materials in this group are composed of one or more metallic elements (such as iron, aluminum, copper, titanium, gold, and nickel)

Metals can be classify into 2 type

Ferrous

Non ferrous

22

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

23

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.2 Classification of Metals

CHAPTER 1: INTRODUCTION

FERROUS CLASSIFICATION

24

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Ceramics

Ceramics are compounds between metallic and nonmetallic elements.

They are most frequently oxides, nitrides, and carbides.

For example, some of the common ceramic materials include aluminum oxide (or alumina, Al2O3), silicon dioxide (or silica, SiO2), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si3N4)

25

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

26

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.2 Classification of Materials

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Ceramics materials Refractory material engine valves Exhaust engine

CERAMICS MATERIALS

27

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Modern Ceramics Heat resistance material

Tradition Ceramics เครองสขภฑ ถวย ฉาม

traditional ceramics Those composed of clay minerals (i.e., porcelain), as well

as cement and glass.

Properties of Ceramic

strong—stiffnesses and strengths are comparable to those of the metals.

ceramics are typically very hard.

extremely brittle (lack ductility) and are highly susceptible to fracture.

Typically insulative to the passage of heat and electricity (i.e., have low electrical conductivities.

28

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Ceramics

More resistant to high temperatures and harsh(ความรนแรงของสภาพอากาศ) environments than metals and polymers.

Regard to optical characteristics, ceramics may be transparent, translucent, or opaque

29

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

POLYMERS MATERIAL

30

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Polymers

Polymers include the familiar plastic and rubber materials.

There are organic compounds that are chemically based on carbon, hydrogen, and other nonmetallic elements (viz. O, N, and Si).

They have very large molecular structures, often chain-like in nature with a backbone of carbon atoms.

The familiar polymers are polyethylene (PE), nylon, poly(vinyl chloride) (PVC), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), and silicone rubber.

31

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

32

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.2 Classification of Materials

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Structure Polymers

33

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Properties Polymers

These materials typically have low densities.

The mechanical characteristics are generally dissimilar to the metallic and ceramic materials—they are not as stiff nor as strong as.

The stiffnesses and strengths on a per-mass basis are comparable to the metals and ceramics.

The polymers are extremely ductile and pliable(ออน, ยดหยน)

They are easily formed into complex shapes.

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Composites

A composite is composed of two (or more) individual materials, which come from the metals, ceramics, and polymers.

The design goal of a composite is to achieve a combination of properties that is not displayed by any single material

The most common composites is fiberglass, in which small glass fibers are embedded within a polymeric material (normally an epoxy or polyester).

important materials is the “Carbon Fiber Reinforced Polymer” (or “CFRP”), high stiffness and ductility.

34

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

35

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Bar-chart of room-temperature density values for various metals, ceramics, polymers, and composite materials.

36

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Bar-chart of room-temperature stiffness (i.e., elastic modulus) values for various metals, ceramics, polymers, and composite materials.

37

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Bar-chart of room-temperature strength (i.e., tensile strength)

38

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Bar-chart of room-temperature resistance to fracture (i.e., fracture toughness)

39

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.2 Classification of Materials

Bar-chart of room-temperature electrical conductivity ranges

ในยคแรกเรมวสดทมนษยมาน ามาใชเปนวสดทพบไดในธรรมชาต เชน หน, ไม, ดนเหนยว, หนงและขนสตว เปนตน

โลหะสวนใหญอยในรปของแร ดงนนโลหะในยคเรมตนทมการใชงานจงเปนโลหะทพบไดในรปของโลหะโดยธรรมชาต เชน ทอง, เงน, ตะกว

เมอมนษยเรมมพฒนาการจงเรมหนมาใชวสดทดแทนซงมสมบตทดกวาวสดทเกดในธรรมชาต เชน บรอนซ, ทองเหลอง เปนตน

เมอมนษยมความเขาใจในวสดศาสตรดขนจงมการคดคนและสงเคราะหวสดใหม ๆทสามารถท าหนาทไดดข น เชน แกว, คอนกรต, เหลกกลา, เสนใยสงเคราะห

40

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.3 History of metal

ในทางโบราณคดนยมตงชอยควสดทใช

Stone age

Bronze age

Iron age

Scientific age

41

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.3 HISTORY OF METAL

Stone age

ยคหน มนษยใชวสดจากธรรมชาต เชน หน, ไม, เถาวลย มาท ายทโธปกรณ ใชในการลาสตวและรบ

42

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.3 HISTORY OF METAL

แขง(คม) เปราะ(แตกหกงาย)

43

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Bronze age

โลหะทใชไดแก ทองค า, เงน, ตะกว ซงพบในสภาพโลหะตามธรรมชาต

1.3 HISTORY OF METAL

เหนยว(Ductility) แขงแรงกวาหน มน าหนกมาก สวนผสมหลกเปนโลหะทองแดง

Iron age

ใหความแขงแรงมากกวาทองแดงผสม

น าหนกเบากวาทองแดงผสม

ตานทานการกดกรอนไดนอยกวาทองแดง

ขนรปไดยากกวาทองแดงผสม

เหลกคณภาพต ามาก (แขง+เปราะ) สวนใหญขนรปโดยการหลอ

44

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.3 HISTORY OF METAL

Scientific age

45

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.3 HISTORY OF METAL

น าหนกเบา

วสดมความแขงแรงสง ตานทานการกดกรอนไดด

ทนการเสยดสและ อณหภมไดสง

46

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Scientific age

1.3 HISTORY OF METAL

การน าไฟฟา

คณสมบตความเปนแมเหลก

คณสมบตความเปนแมเหลก

47

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

CLASSIFY BY FUNCTIONAL

48

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

INFLUENCE OF TEMPERATURE & STRENGTH

49

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Increasing temperature normally reduces the strength of a material.

Polymers are suitable only at low temperatures.

Some composites, such as carbon-carbon composites, special alloys, and ceramics, have excellent properties at high temperatures.

1.4 ธรรมชาตของวสดโลหะ

50

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

วสดโลหะปกตแลวเกดขนจากสวนผสมระหวางธาตโลหะ ซงท าพนธะโลหะ(Metallic bond) กนซงจะม valence electron อยรวมกน

สมบตของวสดโลหะหลายประการเปนผลมาจาก valence electron เชนความสามารถน าไฟฟา และความรอนไดด

51

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

1.4 ธรรมชาตของวสดโลหะ

สมบตโดยทวไปของโลหะคอ แขงและเหนยวปานกลาง, น าไฟฟา, น าความรอนไดด, ไมโปรงใส, เกดสนมได

52

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

โครงสรางผลกของโลหะ

หากมกลองจลทรรศนทมก าลงขยายมาก ๆ สองเขาไปในโลหะจะพบวา โครงสรางของโลหะมความเปนระเบยบโดยจะมลกษณะซ า ๆ กน เมอพจารณาโครงสรางทซ า ๆ กนนนแลว เลอกหนวยปรมาตรทเปนตวแทนของโครงสรางดงกลาวออกมา หนวยปรมาตรนนเรยกวา (Unit Cell)

Space Lattice

Unit Cell

Atom Bonding

53

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ส าหรบ Fe มดานของ unit cell ยาว 0.287 nm ดงนนระยะทาง 1 cm จะเทากบ unit cell ของ Fe มาเรยงตอกนจ านวน

สามสบสลานแปดแสน Unit Cell !!!!!

The selecting to the right of material.

First of all, the service conditions must be characterized.

A second selection consideration is any deterioration of material properties that may occur during service operation.

Finally, probably the overriding consideration is that of economics

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Many times, a materials problem is one of selecting to the right material. How to select??????????????

54

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ปจจยในการเลอกใชวสด

สามารถท าหนาทไดด เชน แขงแรง, น าไฟฟา, เปนแมเหลก ทนความรอน ฯลฯ

น าหนกเบา เชน อลมเนยมเบากวาเหลก

ความทนทาน เชน เหลกกลาไรสนมเกดสนมยากกวาเหลก

ราคา เชน เหลกราคาถกกวาไททาเนยม

ความสวยงาม เชน ทองค ามสสนสวยงามกวาทองเหลอง

ความยากงายในการขนรป เชน ทองแดงอดขนรปไดงายกวาเหลก

ความสามารถหาไดงาย เชน ไททาเนยมหาไดยากท าใหมราคาแพง

55

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

FACTOR OF MATERIALS SELECTION

56

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

57

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ลอแมกรถยนต ท าจากโลหะผสมแมกนเซยม

(Mg Alloys) มน าหนกเบา

หวไมกอลฟท าจากโลหะผสมของไทเทเนยม ดามท าจากกราไฟต ท าใหน าหนกเบา และแขงแรง

58

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ตวกลองท าจากโลหะ Mg-Alloy เบา, แขงแรง ไมเปราะ

ผวท าจากโพลเมอรน าหนกเบา เหนยว ขนรปงาย จบแลวใหความรสกสบายมอ

เลนส ท าจากเซรามกส (แกว) มความโปรงแสง มองเหนภาพชดเจน

CONDUCTIVITY PROPERTY

59

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Transformer Switchgear Rotating Equipment Motor Control Center Protective Relay Low, Medium and High-Voltage Circuit Breaker

60

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

การเปรยบเทยบคณสมบตของวสด

ความแขง Polymers Metals Ceramics ความเหนยว Ceramics Metals Polymers จดหลอมตว Polymers Metals Ceramics การน าความรอน Ceramics Polymers Metals การน าไฟฟา Ceramics Polymers Metals

MATERIAL DESIGN AND SELECTION

61

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ADVANCED MATERIALS

Magnetic Materials Computer hard disks and audio and video cassettes make use

of many ceramic, metallic, and polymeric materials.

For example, particles of a special form of iron oxide,

gamma iron oxide (g-Fe2O3) are deposited on a polymer substrate to make audio cassettes.

Computer hard disks are made using alloys based on cobalt-

platinum-tantalum chromium (Co-Pt-Ta-Cr) alloys.

Magnetic ferrites are used to make inductors and components

for wireless communications.

Steels based on iron and silicon are used to make transformer

cores. 62

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

63

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ADVANCED MATERIALS

Photonic or Optical Materials

Silica is used widely for making optical fibers installed around the world.

Optical materials are used for making semiconductor detectors and lasers used in fiber optic communications.

Alumina (Al2O3) and yttrium aluminum garnets (YAG) are used for making lasers.

64

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

ADVANCED MATERIALS

Photonic or Optical Materials

Amorphous silicon is used to make solar cells.

Polymers are used to make liquid crystal displays (LCDs)

CONCLUSION Materials engineering

Material Classification

Mechanical properties

Physical properties

Nature of Metal

Selection of Materials

Advance Materials

65

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

66

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials

Select one or more of the modern items or devices listed below, and then conduct an Internet search in order to determine what specific material(s) is (are) used and what specific properties this (these) material(s) possess(es) in order for the device/item to function properly. Finally, write a short essay in which you report your findings.

Cell phone/digital camera batteries Cell phone displays Solar cells Wind turbine blades Fuel cells Automobile engine blocks (other than cast iron) Automobile bodies (other than steel alloys) Space telescope mirrors Military body armor Sports Equipment

Soccer balls Basketballs 67

chapte

r 1 In

troductio

n to

engin

eerin

g

mate

rials