week 1.3 chapter 1 introduction to engineering materials
DESCRIPTION
Engineering Materials Week 1.3 Chapter 1TRANSCRIPT
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