Engineering Materials Week 1.3 Chapter 1

1. CHAPTER 1: INTRODUCTION TO
ENGINEERING MATERIALS
 Objective:
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 เข ้าใจวัสดุวศวกรรม
ิ
 จาแนกประเภทของวัสดุ
 เข ้าใจการวิวฒนาการของวัสดุโลหะ
ั
 เข ้าใจลักษณะธรรมชาติของวัสดุโลหะ
1

2. CHAPTER 1: INTRODUCTION
Content:
materials
chapter 1 Introduction to engineering
1. Introduction to engineering material.
2. Classification of materials.
3. History of metallic material.
4. Nature of metallic material.
2

3. ENGINEERING MATERIAL
Ceramic (bottle)
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Metal(can)
Polymer
3

4. ENGINEERING MATERIAL
Metal Composite
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Ceramic
Polymer 4

5. chapter 1 Introduction to engineering
materials
5
Metallic Material
ENGINEERING MATERIAL

6. chapter 1 Introduction to engineering
materials
6
ENGINEERING MATERIAL
Ceramic material

7. chapter 1 Introduction to engineering
materials
7
ENGINEERING MATERIAL
Polymer material

8. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
 วัสดุเกียวข้องกับชีวตประจาวันของคนเราอยูตลอดเวลา เช่น
่ ิ ่
เสื้อผ้า เครืองนุ่งห่ม, ภาชนะ, ยานพาหนะ, การสือสาร,
่ ่
materials
chapter 1 Introduction to engineering
สิงก่อสร้าง ฯลฯ ยกตัวอย่างเช่น
่
 เสื้อผ้า Polymer
 ตัวถังรถยนต์ Metal
 คอนกรีต Ceramics
 ดังนันความเข้าใจในธรรมชาติทมา และทีไปของวัสดุจง
้ ี่ ่ ึ
มีปรัโยชน์ อย่างมากต่อวิศวกร 8

9. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
WHY STUDY MATERIALS SCIENCE AND
materials
chapter 1 Introduction to engineering

ENGINEERING?
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

10. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
What is Materials Science and Engineering ?
materials
chapter 1 Introduction to engineering
To Apply
Engineering Material knowledge
Material Science
Structure +
& Engineering Properties + Process
Material = Performance
Materials Fundamental
Knowledge
Science Of Materials 10

11. CHAPTER 1: INTRODUCTION
chapter 1 Introduction to engineering materials
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
What is Materials Science and Engineering ?
Structure
Performance
Properties Process 11

12. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
 Structure
 Subatomic level Electronic structure of individual
atoms that defines interaction among atoms
materials
chapter 1 Introduction to engineering
(interatomic bonding).
12

13. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
 Atomic level Arrangement of atoms in materials (for
the same atoms can have different properties, e.g. two
forms of carbon: graphite and diamond)
materials
chapter 1 Introduction to engineering
13

14. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
 Microscopic structure Arrangement of small grains of
material that can be identified by microscopy.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
14

15. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
 Macroscopic structure Structural elements that may
be viewed with the naked eye.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
15

16. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
 Length-scales
-10
 Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 meter = 10 m
-
Nanometer = 10 nm = 1/1,000,000,000 meter = 10
materials
chapter 1 Introduction to engineering

9
m
-6
 Micrometer = 1μm = 1/1,000,000 meter = 10 m
-3
 Millimeter = 1mm = 1/1,000 meter = 10 m
16

17. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
materials
chapter 1 Introduction to engineering
17

18. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
Property of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Mechanical Physical Property Chemical
Property • Density Property
• Strength • Thermal conductivity • Corrosion resistance
• Hardness • Thermal expansion • Alloying element
• Toughness • Electricity
• Ductility • Magnetism
• Fatigue • Optical behavior
18
• Creep • Color
• Wear Resistance

19. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.1 บทนาว ัสดุวศวกรรม
ิ
Process of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
19

20. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
ยางเสริมใยเหล็ ก
Metal คอนกรีตเสริมเหล็ ก
Composite
Polymer Ceramic
20
Fiber glass

21. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
21

22. 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,
materials
chapter 1 Introduction to engineering
titanium, gold, and nickel)
 Metals can be classify into 2 type
 Ferrous
 Non ferrous
22

23. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Metals
materials
chapter 1 Introduction to engineering
23

24. chapter 1 Introduction to engineering
materials
24
FERROUS CLASSIFICATION

25. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
 Ceramics
 Ceramics are compounds between metallic and
nonmetallic elements.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 They are most frequently oxides, nitrides, and carbides.
 For example, some of the common ceramic materials
include aluminum oxide (or alumina, Al2O ), silicon
3
dioxide (or silica, SiO ), silicon carbide (SiC), silicon
2
nitride (Si N )
3 4
25

26. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
Ceramics materials
 Refractory material
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 engine valves
 Exhaust engine
26

27. CERAMICS MATERIALS
Modern Ceramics Tradition Ceramics
 Heat resistance material  เครืองสุขภ ัฑ์
่
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 ถ้วย ฉาม
27

28. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
 traditional ceramics
 Those composed of clay minerals (i.e., porcelain), as well
materials
chapter 1 Introduction to engineering
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

29. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
 Ceramics
 More resistant to high temperatures and harsh(ความรุนแรง
ของสภาพอากาศ) environments than metals and polymers.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 Regard to optical characteristics, ceramics may be
transparent, translucent, or opaque
29

30. chapter 1 Introduction to engineering
materials
30
POLYMERS MATERIAL

31. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
 Polymers
 Polymers include the familiar plastic and rubber
materials.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 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

32. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
Structure Polymers
materials
chapter 1 Introduction to engineering
32

33. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
 Properties Polymers
 These materials typically have low densities.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 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(อ่อน,
ยืดหยุน)
่
 They are easily formed into complex shapes.
33

34. 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
materials
chapter 1 Introduction to engineering
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

35. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Bar-chart of room-temperature density values for various 35
metals, ceramics, polymers, and composite materials.

36. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Bar-chart of room-temperature stiffness (i.e., elastic modulus) 36
values for various metals, ceramics, polymers, and composite
materials.

37. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Bar-chart of room-temperature strength (i.e., tensile strength) 37

38. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
38
Bar-chart of room-temperature resistance to fracture (i.e.,
fracture toughness)

39. CHAPTER 1: INTRODUCTION
1.2 Classification of Materials
materials
chapter 1 Introduction to engineering
39
Bar-chart of room-temperature electrical conductivity ranges

40. 1.3 History of metal
 ี่ ้
ในยุคแรกเริมวัสดุทมนุษย์มานามาใชเป็ นวัสดุทพบได ้ใน
่ ี่
่
ธรรมชาติ เชน หิน, ไม ้, ดินเหนียว, หนั งและขนสตว์ เป็ นต ้น ั
่
 โลหะสวนใหญ่อยูในรูปของแร่ ดังนั นโลหะในยุคเริมต ้นทีม ี
่ ้ ่ ่
materials
chapter 1 Introduction to engineering
้
การใชงานจึงเป็ นโลหะทีพบได ้ในรูปของโลหะโดย
่
่
ธรรมชาติ เชน ทอง, เงิน, ตะกัว ่
 เมือมนุษย์เริมมีพัฒนาการจึงเริมหันมาใชวัสดุทดแทนซงมี
่ ่ ่ ้ ึ่
สมบัตทดกว่าวัสดุทเกิดในธรรมชาติ เชน บรอนซ,
ิ ี่ ี ี่ ่ ์
ทองเหลือง เป็ นต ้น
 เมือมนุษย์มความเข ้าใจในวัสดุศาสตร์ดขนจึงมีการคิดค ้น
่ ี ี ึ้
ั
และสงเคราะห์วสดุใหม่ ๆทีสามารถทาหน ้าทีได ้ดีขน เชน
ั ่ ่ ึ้ ่
้
แก ้ว, คอนกรีต, เหล็กกล ้า, เสนใยสงเคราะห์ ั
40

41. 1.3 HISTORY OF METAL
 ในทางโบราณคดีนยมตังชอยุควัสดุทใช ้
ิ ้ ื่ ี่
 Stone age
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 Bronze age
 Iron age
 Scientific age
41

42. 1.3 HISTORY OF METAL
 Stone age
 ้ ่
ยุคหิน มนุษย์ใชวัสดุจากธรรมชาติ เชน หิน, ไม ้, เถาวัลย์ มา
้ ั
ทายุทโธปกรณ์ ใชในการล่าสตว์และรบ
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 แข็ง(คม)
 เปราะ(แตกหักง่าย)
42

43. 1.3 HISTORY OF METAL
 Bronze age
 ่ ้ ึ่
โลหะทีใชได ้แก่ ทองคา, เงิน, ตะกัว ซงพบในสภาพโลหะตาม
่
ธรรมชาติ
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 เหนียว(Ductility)
 แข็งแรงกว่าหิน
 มีน้ าหนั กมาก
 ่
สวนผสมหลักเป็ นโลหะทองแดง
43

44. 1.3 HISTORY OF METAL
 Iron age
 ให ้ความแข็งแรงมากกว่าทองแดงผสม
 น้ าหนักเบากว่าทองแดงผสม
 ต ้านทานการกัดกร่อนได ้น ้อยกว่าทองแดง
 ขึนรูปได ้ยากกว่าทองแดงผสม
้
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 ่ ่
เหล็กคุณภาพตามาก (แข็ง+เปราะ) สวนใหญ่ขนรูปโดยการหล่อ
ึ้
44

45. 1.3 HISTORY OF METAL
 Scientific age
วัสดุมความแข็งแรงสูง
ี ต้านทานการก ัดกร่อนได้ด ี
materials
chapter 1 Introduction to engineering
นาหน ักเบา
้
ี ี
ทนการเสยดสและ อุณหภูมได้สง
ิ ู
45

46. 1.3 HISTORY OF METAL
 Scientific age
materials
chapter 1 Introduction to engineering
คุณสมบ ัติความเปนแม่เหล็ ก
็
การนาไฟฟา
้
46
คุณสมบ ัติความเปนแม่เหล็ ก
็

47. chapter 1 Introduction to engineering
materials
47

48. chapter 1 Introduction to engineering
materials
48
CLASSIFY BY FUNCTIONAL

49. INFLUENCE OF TEMPERATURE & STRENGTH
 Increasing temperature
normally reduces the strength of
a material.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 Polymers are suitable only at
low temperatures.
 Some composites, such as
carbon-carbon composites,
special alloys, and ceramics, have
excellent properties at high
temperatures.
49

50. 1.4 ธรรมชาติของว ัสดุโลหะ
่ ่ึ
วัสดุโลหะปกติแล ้วเกิดขึนจากสวนผสมระหว่างธาตุโลหะ ซงทาพันธะโลหะ
้
ึ่
(Metallic bond) กันซงจะมี valence electron อยูรวมกัน
่ ่
materials
chapter 1 Introduction to engineering
50

51. 1.4 ธรรมชาติของว ัสดุโลหะ
 สมบัตของวัสดุโลหะหลาย
ิ
ประการเป็ นผลมาจาก valence
่
electron เชนความสามารถนา
ไฟฟ้ า และความร ้อนได ้ดี
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 สมบัตโดยทั่วไปของโลหะ
ิ
คือ แข็งและเหนียวปาน
กลาง, นาไฟฟ้ า, นาความ
ร ้อนได ้ดี, ไม่โปร่งใส, เกิด
สนิมได ้
51

52. โครงสร้างผลึกของโลหะ
Space Lattice
Unit Cell
materials
chapter 1 Introduction to engineering
หากมีกล ้องจุลทรรศน์ทมกาลังขยาย
ี่ ี
่
มาก ๆ สองเข ้าไปในโลหะจะพบว่า
โครงสร ้างของโลหะมีความเป็ นระเบียบ
โดยจะมีลักษณะซ้า ๆ กัน เมือพิจารณา
่
โครงสร ้างทีซ้า ๆ กันนั นแล ้ว เลือก
่ ้
หน่วยปริมาตรทีเป็ นตัวแทนของ
่
โครงสร ้างดังกล่าวออกมา หน่วย
ปริมาตรนันเรียกว่า (Unit Cell)
้
Atom Bonding
52

53. สาหรับ Fe มีด ้านของ unit cell ยาว 0.287 nm ดังนันระยะทาง 1 cm
้
จะเท่ากับ unit cell ของ Fe มาเรียงต่อกันจานวน
materials
chapter 1 Introduction to engineering
ิ ี่
สามสบสล ้านแปดแสน Unit Cell !!!!!
53

54. CHAPTER 1: INTRODUCTION
Many times, a materials problem is one
of selecting to the right material.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
How to select??????????????
 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
54

55. ้
ปัจจ ัยในการเลือกใชว ัสดุ
 ่ ่
สามารถทาหน ้าทีได ้ดี เชน แข็งแรง, นาไฟฟ้ า, เป็ นแม่เหล็ก
ทนความร ้อน ฯลฯ
่
 น้ าหนั กเบา เชน อลูมเนียมเบากว่าเหล็ก
ิ
่
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 ความทนทาน เชน เหล็กกล ้าไร ้สนิมเกิดสนิมยากกว่าเหล็ก
่
 ราคา เชน เหล็กราคาถูกกว่าไททาเนียม
่ ี ั
 ความสวยงาม เชน ทองคามีสสนสวยงามกว่าทองเหลือง
้ ่
 ความยากง่ายในการขึนรูป เชน ทองแดงอัดขึนรูปได ้ง่ายกว่า
้
เหล็ก
่
 ความสามารถหาได ้ง่าย เชน ไททาเนียมหาได ้ยากทาให ้มีราคา
แพง
55

56. chapter 1 Introduction to engineering
materials
56
FACTOR OF MATERIALS SELECTION

57. ล้อแมกรถยนต์ ทาจาก
โลหะผสมแมกนีเซยมี
(Mg Alloys) มีนาหน ักเบา
้
materials
chapter 1 Introduction to engineering
ห ัวไม้กอล์ฟทาจากโลหะ
ผสมของไทเทเนียม ด้าม
ทาจากกราไฟต์ ทาให้
นาหน ักเบา และแข็งแรง
้
57

58. ตัวกล ้องทาจากโลหะ Mg-Alloy
เบา, แข็งแรง ไม่เปราะ
materials
chapter 1 Introduction to engineering
ผิวทาจากโพลิเมอร์น้ าหนั กเบา
เหนียว ขึนรูปง่าย
้
ึ
จับแล ้วให ้ความรู ้สกสบายมือ
เลนส ์ ทาจากเซรามิกส ์ (แก ้ว) มีความโปร่งแสง
ั
มองเห็นภาพชดเจน
58

59. CONDUCTIVITY PROPERTY
 Transformer
 Switchgear
 Rotating Equipment
 Motor Control Center
 Protective Relay
 Low, Medium and High-Voltage
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Circuit Breaker
59

60. การเปรียบเทียบคุณสมบ ัติของว ัสดุ
 ความแข็ง
Polymers Metals Ceramics
 ความเหนียว
materials
chapter 1 Introduction to engineering
Ceramics Metals Polymers
 จุดหลอมตัว
ุ
Polymers Metals Ceramics
 การนาความร ้อน
Ceramics Polymers Metals
 การนาไฟฟ้ า
Ceramics Polymers Metals 60

61. chapter 1 Introduction to engineering
materials
61
MATERIAL DESIGN AND SELECTION

62. 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,
materials
chapter 1 Introduction to engineering
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
62
cores.

63. ADVANCED MATERIALS
 Photonic or Optical
Materials
 Silica is used widely for making
optical fibers installed around
the world.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 Optical materials are used for
making semiconductor
detectors and lasers used in
fiber optic communications.
 Alumina (Al O ) and yttrium
2 3
aluminum garnets (YAG) are
used for making lasers.
63

64. ADVANCED MATERIALS
 Photonic or Optical
Materials
 Amorphous silicon is
used to make solar cells.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 Polymers are used to
make liquid crystal
displays (LCDs)
64

65. CONCLUSION
 Materials engineering
 Material Classification
 Mechanical properties
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 Physical properties
 Nature of Metal
 Selection of Materials
 Advance Materials
65

66. chapter 1 Introduction to engineering
materials
66

67.  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.
materials
chapter 1 Introduction to engineering
 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