วัสดุในอุตสาหกรรมการผลิต

2.1 บทนำ (Introduction)
วัสดุอุตสาหกรรมถือว่ามีความสำคัญมากในลำดับต้นๆ ของภาคอุตสาหกรรมการผลิต ซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะเกี่ยวข้องกับปริมาณและต้นทุนของวัสดุเป็นสำคัญ เนื่องจากวัสดุที่นำมาใช้ในกระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรมการผลิตมีความหลากหลายมาก ดังนั้นในที่นี้จะกล่าวถึงวัสดุอุตสาหกรรมเฉพาะเพียงบางส่วนที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลาย

2.2 การจำแนกประเภทของวัสดุ (Classification of Materials)
วัสดุที่นำมาใช้ในงานอุตสาหกรรม มีมากมายหลายชนิดด้วยกัน และมีผู้พยายามที่จะคิดค้นเพื่อจำแนกวัสดุดังกล่าวออกเป็นหมวดหมู่เพื่อให้ง่ายแก่การเรียกใช้และง่ายแก่การจดจำ โดยส่วนใหญ่แล้วจะจำแนกตามคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุนั้น ๆ เช่น จำแนกตามความหนาแน่นและน้ำหนักของวัสดุ จำแนกตามแหล่งกำเนิดที่ค้นพบ จำแนกตามลักษณะกรรมวิธีการผลิตหรือจำแนกตามวิธีการนำไปใช้งานของวัสดุนั้น ๆ สำหรับวัสดุในงานอุตสาหกรรมสามารถจำแนกออกตามลักษณะของผลผลิตเป็น 3 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ ประเภทโลหะ(Metallic) โพลิเมอร์ (Polymer) หรือพลาสติก และเซรามิค (Ceramics)


1. วัสดุโลหะ (Metallic Materials) วัสดุประเภทนี้เป็นอนินทรีย์สารที่มีธาตุที่เป็นโลหะประกอบอยู่อย่างน้อยหนึ่งธาตุและบางครั้งอาจมีธาตุที่ไม่ใช้โลหะบางชนิดเจือปนด้วย ตัวอย่างของธาตุที่เป็นโลหะเช่น เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม นิกเกิล และไทเทเนียม ธาตุที่ไม่ใช่โลหะเช่น คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน ซึ่งอาจปนอยู่ในโลหะได้ โครงสร้างของโลหะมีรูปผลึกนั่นคือ อะตอมมีการจัดเรียงตัวอย่างมีระเบียบ โดยปกติโลหะเป็นสื่อนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี สำหรับการแบ่งประเภทของโลหะสามารถจำแนกออก
ประเภทของโลหะ (Metallic) แบ่งย่อยออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ คือ
· โลหะเหล็ก (Ferrous Metal) ได้แก่ เหล็กกล้า (Steel) เหล็กหล่อ (Cast Iron) หรือโลหะอื่นที่มีเหล็กเป็นองค์ ประกอบหลัก (Iron Base Metal) เช่น เหล็กกล้าผสม (Alloy Steel) เหล็ก
ไร้ สนิม (Stainless Steel) หรือเหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) เป็นต้น
· โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (Non Ferrous Metal) คือ โลหะที่ไม่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ โลหะเหล่านี้อาจมีสมบัติบางจุดด้อยกว่าเหล็ก แต่ก็มีสมบัติพิเศษซึ่งเหล็กไม่มี เช่น น้ำหนักหรือความถ่วงจำเพาะ ความหนาแน่น ความสวยงามของสีสัน สภาพที่เป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อน โลหะที่ไม่ใช่เหล็กนี้แบ่งออกได้ 3 ชนิด คือ โลหะหนัก (Heavy) โลหะเบา (Light Metals) และโลหะผสม (Alloy)

2. วัสดุโพลิเมอร์ (Polymer Materials) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “พลาสติก” เป็นสารประกอบอินทรีย์ ที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่สามารถสังเคราะห์ขึ้นได้ ประกอบขึ้นด้วย อะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ โมเลกุลโซ่ยาวหรือเป็นร่างแห โดยโครงสร้างแล้วโพลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีรูปผลึก แต่บางชนิดมีโครงสร้างทั้งเป็นรูปผลึกและไม่เป็นรูปผลึกอยู่ในตัว ความแข็งแรงและความอ่อนเหนียวของโพลิเมอร์อาจแตกต่างกันได้มาก โพลิเมอร์มีความสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลยีของอุตสาหกรรมต่าง ๆ มากเช่น อุตสาหกรรมเคมี อุตสาหกรรมสิ่งทอ หรืออุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น

3. วัสดุเซรามิค (Ceramics Materials) เป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยธาตุอย่างน้อย 2 อย่าง จับตัวกันแบบโควาเลนต์ และไอโอนิค ทั้งโครงสร้างแบบผลึกเดียว และอสัญฐาน เป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่ความสำคัญมากเนื่องจากคงความแข็งมากแม้นอุณหภูมิสูง ค่าการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าต่ำ น้ำหนักเบากว่าโลหะ ทนต่อการสึกหรอ จุดหลอเหลวสูง เปราะ เซรามิคเป็นสารอินทรีย์ จำพวกดิน หิน ทราย และธาตุต่าง ๆ ที่นำาผสมกัน คือสารประกอบที่มีธาตุ โลหะ และธาตุอโลหะ เป็นองค์ประกอบ หรือธาตุกึ่งโละกับอโลหะ เช่น ออกไซด์ ไนไตรด์ คาร์ไบด์ เป็นต้น สรประกอบเหล่านี้การยึดตัวอระหว่างอะตอเป็นแบบไอออนิก (Ionic) และโควาเลนต์ (Covalent) จากลักษณะการจับตัวของเซรามิคจึงทำให้แบ่งเซรามิคออกเป็น 2 ชนิด คือ เซรามิคดั้งเดิม (Tradition Ceramics) และเซรามิคสมัยใหม่หรือเซรามิควิศวกรรม

นอกจากวัสดุทั้ง 3 ประเภทที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น ยังมีวัสดุอีก 2 ประเภทที่บทบาทสำคัญในงานอุตสาหกรรม คือ วัสดุผสม และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะไม่ขอกล่าวถึงในที่นี้

2.3 สมบัติของวัสดุ (Properties of Materials)
หากจะกล่าวถึงสมบัติของวัสดุต่าง ๆ โดยละเอียดแล้ว ก็จะมีมากกว่าร้อยอย่างและบางอย่างก็เป็นสมบัติเฉพาะ ซึ่งมีขอบข่ายใช้งานที่แคบมาก ดังนั้นที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้จะเป็นสมบัติที่สำคัญ ๆ ซึ่งวิศวกรควรจะรู้และเข้าใจ สามารถนำไปไว้ประกอบการพิจารณาและเลือกใช้วัสดุต่าง ๆ ได้ สมบัติที่สำคัญดังกล่าวพอจะจำแนกออกเป็นหัวข้อได้ดังนี้ คือ
1. สมบัติเชิงกล (Mechanical Properties)
2. สมบัติเชิงอุณหภูมิ (Thermal Properties)
3. สมบัติเชิงเคมี (Chemical Properties)
4. สมบัติเชิงไฟฟ้า (Electrical Properties)
5. สมบัติอื่น ๆ (Other Properties)

2.3.1 สมบัติเชิงกล
สมบัติเชิงกลของวัสดุ เช่น ความแข็ง (Hardness) ความแข็งแรง (Strength) ความเหนียว (Ductility) ฯลฯ เป็นสิ่งที่จะบอกว่าวัสดุนั้น ๆ สามารถที่จะรับหรือทนทานแรง หรือพลังงานเชิงกลภายนอกที่มากระทำได้ดีมากน้อยเพียงใด ในงานวิศวกรรมสมบัติเชิงกลมีความสำคัญมากที่สุด เพราะเมื่อเราจะเลือกใช้วัสดุใด ๆ ก็ตาม สิ่งแรกที่จะนำมาพิจารณาก็คือ สมบัติเชิงกลของมัน การที่เครื่องจักรหรืออุปกรณ์ใด ๆ จะสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยขึ้นอยู่กับสมบัติเชิงกลของวัสดุที่ใช้ทำเครื่องจักร อุปกรณ์นั้น ๆ เป็นสำคัญ ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงความรู้เบื้องต้นของสมบัติเชิงกลของวัสดุรวมทั้งการทดสอบที่สำคัญบางประเภท เพื่อเป็นพื้นฐานในการศึกษาขั้นต่อไป

1. ความเค้น (Stress)
ตามความเป็นจริงความเค้นหมายถึง แรงต้านทานภายในเนื้อวัสดุที่มีต่อแรงภายนอกที่มากระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ แต่เนื่องจากความไม่เหมาะสมทางปฏิบัติ และความยากในการวัดหาค่านี้ เราจึงมักจะพูดถึงความเค้นในรูปของแรงภายนอกที่มากระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ ด้วยเหตุผลที่ว่า แรงกระทำภายนอกมีความสมดุลกับแรงต้านทานภายใน โดยทั่วไปความเค้นสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด ตามลักษณะของแรงที่มากระทำ


2. ความเครียดและการเปลี่ยนรูป (Strain and Deformation)
ความเครียด (Strain) คือ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุ (Deformation) เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ (เกิดความเค้น) การเปลี่ยนรูปของวัสดุนี้เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ภายในเนื้อวัสดุ ซึ่งลักษณะของมันสามารถแบ่งเป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ คือ
1. การเปลี่ยนรูปแบบอิลาสติกหรือความเครียดแบบคืนรูป (Elastic Deformation or Elastic Strain) เป็นการเปลี่ยนรูปในลักษณะที่เมื่อปลดแรงกระทำ อะตอมซึ่งเคลื่อนไหวเนื่องจาก ผลของความเค้นจะเคลื่อนกลับเข้าตำแหน่งเดิม ทำให้วัสดุคงรูปร่างเดิมไว้ได้ ตัวอย่างได้แก่ พวกยางยืด, สปริง ถ้าเราดึงมันแล้วปล่อยมันจะกลับไปมีขนาดเท่าเดิม
2. การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกหรือความเครียดแบบคงรูป (Plastic Deformation or Plastic Strain) เป็นการเปลี่ยนรูปที่ถึงแม้ว่าจะปลดแรงกระทำนั้นออกแล้ววัสดุก็ยังคงรูปร่างตามที่ถูกเปลี่ยนไปนั้น โดยอะตอมที่เคลื่อนที่ไปแล้วจะไม่กลับไปตำแหน่งเดิม
วัสดุทุกชนิดจะมีพฤติกรรมการเปลี่ยนรูปทั้งสองชนิดนี้ขึ้นอยู่กับแรงที่มากระทำ หรือความเค้นว่ามีมากน้อยเพียงใด หากไม่เกินพิกัดการคืนรูป (Elastic Limit) แล้ว วัสดุนั้นก็จะมีพฤติกรรมคืนรูปแบบอิลาสติก (Elastic Behavior) แต่ถ้าความเค้นเกินกว่าพิกัดการคืนรูปแล้ววัสดุก็จะเกิดการเปลี่ยนรูปแบบถาวรหรือแบบพลาสติก (Plastic Deformation)
นอกจากความเครียดทั้ง 2 ชนิดนี้แล้ว ยังมีความเครียดอีกประเภทหนึ่งซึ่งพบในวัสดุประเภทโพลีเมอร์ เช่น พลาสติก เรียกว่าความเครียดกึ่งอิลาสติกจะมีลักษณะที่เมื่อปราศจากแรงกระทำวัสดุจะมีการคืนรูป แต่จะไม่กลับไปจนมีลักษณะเหมือนเดิมการวัดและคำนวณหาค่าความเครียดมีอยู่ 2 ลักษณะคือ
1. แบบเส้นตรง ความเครียดที่วัดได้จะเรียกว่า ความเครียดเชิงเส้น (Linear Strain)จะใช้ได้เมื่อแรงที่มากระทำมีลักษณะเป็นแรงดึงหรือแรงกด ดังรูปที่ 2.5


2. แบบเฉือน เรียกว่า ความเครียดเฉือน (Shear Strain) ใช้กับกรณีที่แรงที่กระทำมีลักษณะเป็นแรงเฉือน (τ ) ดังรูปที่ 2.6

3. ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับความเครียด (Stress-Strain Relationship)
ในการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด ในที่นี้เราจะใช้เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด (Stress-Strain Curve) ซึ่งได้จากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) เป็นหลักโดยจะพลอตค่าของความเค้นในแกนตั้งและความเครียดในแกนนอน ดังรูป 2.7 การทดสอบแรงดึงนอกจากจะให้ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียดแล้ว ยังจะแสดงความสามารถในการรับแรงดึงของวัสดุ ความเปราะ เหนียวของวัสดุ (Brittleness and Ductility) และบางครั้งอาจใช้บอกความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุ (Formability) ได้อีกด้วย



4. ความคืบ (Creep)
วัสดุส่วนใหญ่เมื่ออยู่ภายใต้แรงที่มากระทำ แม้ว่าจะต่ำกว่าพิกัดยืดหยุ่น หากทิ้งไว้นาน ๆ แล้ว ก็อาจเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างถาวรหรือแบบพลาสติกได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ใช้ด้วยปรากฏการณ์เช่นนี้เราเรียกว่า ความคืบ ปริมาณของความคืบที่เกิดจะขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุปริมาณของความเค้น อุณหภูมิและเวลา หากเราให้สภาวะที่เหมาะสมและมีเวลาเพียงพอ ความคืบจะเกิดขึ้นได้จนครบ 3 ขั้นตอน ดังที่แสดงในรูปที่ 2.8



เมื่อเราใช้แรงกระทำคงที่จะเกิดความเครียด (OA) ขึ้นทันที ซึ่งค่าความเครียด OA นี้ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุและสภาวะที่ให้ (ปริมาณของแรงกระทำ ความเค้นและอุณหภูมิ) และจะมีความสัมพันธ์กับค่า Modulus of elasticity (E) ของวัสดุนั้น หลังจากนั้นวัสดุก็จะเริ่มเกิดความคืบในชั้นที่ I ซึ่งอัตราการเกิดความเครียดจะค่อย ๆ ลดลง (AB) ในขั้นที่ II (BC) อัตราการเกิดความเครียดจะคงที่และเป็นอัตราการเกิดความเครียดต่ำสุดในขณะที่วัสดุเกิด Creep ขึ้น อัตราการเกิดความเครียดนี้เรียกว่า Minimum Creep Rate จากนั้นเมื่อถึงขั้นที่ III (CD) อัตราการเกิดความเครียดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จนวัสดุขาดหรือแตกออกจากกัน ที่จุด D การเกิดความคืบไม่จำเป็นจะต้องครบทั้ง 3 ขั้น ขึ้นอยู่กับสภาวะและเวลาที่ใช้ ดังรูปที่ 2.9


เส้นบน ถ้าเราให้แรงกระทำที่ทำให้เกิดความเค้นหรืออุณหภูมิสูงพอจะเกิดความคืบจนครบ 3 ขั้น แต่เส้นล่างนั้นความเค้นหรืออุณหภูมิต่ำจะมีแค่ 2 ขั้น นั่นคือจะไม่เกิดการแตกหักขึ้น
ในกรณีของพวกโพลีเมอร์ อาจเกิดความคืบขึ้นได้ แม้ที่อุณหภูมิห้อง แต่โลหะส่วนใหญ่และพวกเซรามิคจะไม่เกิดความคืบที่อุณหภูมิต่ำ แต่ถ้าที่อุณหภูมิสูงก็อาจเกิดได้ ดังนั้น การใช้พวกโลหะหรือเซรามิคที่อุณหภูมิสูงจะต้องนำสมบัติในการเกิดความคืบมาพิจารณาด้วย

5. ความแกร่ง (Toughness)
ความสามารถของวัสดุที่จะดูดซึมพลังงานไว้ได้โดยไม่เกิดการแตกหัก เรียกว่า ความแกร่ง (Toughness) ซึ่งมีความสัมพันธ์กับสมบัติด้านความแข็งแรงและความเหนียวของมัน โดยกำหนดว่า Modulus of Toughness เท่ากับพื้นที่ภายใต้เส้นโค้งความเค้น- ความเครียด

6. ความล้า (Fatigue)
เมื่อวัสดุถูกแรงซึ่งต่ำกว่าค่าความแข็งแรงสูงสุด (Ultimate Strength) มากระทำกลับไปกลับมาซ้ำ ๆ กันก็อาจจะเกิดการแตกหักขึ้นได้ เนื่องจากเกิดความล้าหรือ Fatigue ขึ้น ความล้าที่เกิดในวัสดุนี้ เป็นสาเหตุใหญ่ของการเสียหายของชิ้นส่วนเครื่องจักรต่าง ๆ เพราะตลอดอายุงานของเครื่องจักร เช่น เครื่องยนต์ สวิตช์รีเลย์ ฯลฯ จะต้องเกิดความเค้นสลับไปสลับมาเป็นล้าน ๆ ครั้ง ทำให้เกิดการล้าขึ้นในชิ้นส่วนต่าง ๆ ของมันได้ ขบวนการเกิดความล้าที่แท้จริงยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนักแต่จากการศึกษาพบว่าความล้าจะเกิดเป็น 2 ระยะ คือ ระยะแรกจะเกิดรอยแตกขึ้น เมื่อมีความเค้นรวมศูนย์ (Stress Concentration) ในบริเวณนั้น และในระยะที่สอง เมื่อมีความเค้นซ้ำไปซ้ำมารอยแตกนี้ก็จะโตขึ้นเรื่อย ๆ จะมีพื้นที่ภาคตัดขวางของวัสดุลดลง จนกระทั้งแรงกระทำต่อหน่วยพื้นที่สูงกว่าค่าความแข็งแรงสูงสุด วัสดุก็จะแตกหักจากกัน

7. ความแข็ง (Hardness)
ความแข็งเป็นความต้านทานการเจาะทะลุ (penetration) หรือการเสียดสี (Abrasion) ของวัสดุ ความแข็งของวัสดุเกี่ยวพันกับการจับตัวของอะตอมและโมเลกุลภายในเนื้อวัสดุ เช่นเดียวกันกับความแข็งแรง ดังนั้นความแข็งมักจะเพิ่มเมื่อวัสดุมีความแข็งแรงสูงขึ้นนั่นคือ พวกโลหะและเซรามิคจะแข็งกว่าพวกโพลีเมอร์

2.3.2 สมบัติเชิงอุณหภูมิ (Thermal Properties)
ในการใช้งานวัสดุมักจะมีพลังงานความร้อนเข้ามาเกี่ยวข้องเสมอ พลังงานความร้อนนี้อาจจะมาจากสิ่งแวดล้อมที่อยู่นั้น หรืออาจเกิดจากการทำงานของมันเองก็ได้ นอกจากนี้ยังมีการใช้งานวัสดุที่ต้องใช้ความร้อนมาเกี่ยวข้องด้วย เช่น ลูกรีดที่ใช้ในการรีดเหล็ก, เครื่องยนต์ต่าง ๆ ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิสูง ฯลฯ พลังงานความร้อนนี้จะทำให้สมบัติต่าง ๆ ของวัสดุเปลี่ยนไป ดังนั้นเราจำเป็นจะต้องรู้จักสมบัติด้านความร้อนของวัสดุไว้บ้าง เพื่อช่วยให้การเลือกใช้วัสดุได้ถูกต้องยิ่งขึ้น
1. ความทนความร้อน (Heat Resistance) หมายถึง ความสามารถของวัสดุที่จะคงสภาพและสมบัติเดิมไว้ เมื่อมีการเปลี่ยนอุณหภูมิ อุณหภูมิที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเราเรียกว่า Transition หรือ Transformation Temperature (Point) ในพวกโลหะอุณหภูมิหรือจุดเหล่านี้มีความสำคัญมากเพราะเป็นจุดที่มีการเปลี่ยนแปลงสมบัติของมัน เช่น ความแข็ง สภาพการเป็นแม่เหล็ก ฯลฯ
สิ่งที่สำคัญสำหรับการนำวัสดุมาใช้งานคือ อุณหภูมิที่จะใช้งานต้องต่ำกว่าจุดหลอมเหลวหรือจุดอ่อนตัว (Softening Point) ของมัน ในกรณีของพวก Crystalline Materials (วัสดุที่มีการจัดเรียงอะตอมเป็นโครงสร้างผลึกที่แน่นอน) จะมีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจน เพราะจะมีการหลอมตัวเกิดขึ้น แต่ในพวกพอลิเมอร์จะไม่เป็นเช่นนั้น มันจะเกิดการอ่อนตัวขึ้นก่อน (Softening) ซึ่งช่วงอุณหภูมิในการอ่อนตัวของมันจะกว้างมาก และบางกรณีมันอาจจะเปลี่ยนสภาพ (Decompose) ไปก่อนที่มันจะละลายเสียอีก จุดอ่อนตัวของพอลิเมอร์ เช่น พลาสติก จะเป็นจุดสูงสุดที่มันจะใช้งานได้ และใช้เป็นจุดบอกความทนความร้อนของมันว่ามีมากน้อยเพียงใด ส่วนกรณี
ของโลหะเราจะใช้ Transition Point เป็นตัวกำหนด และบางครั้งอุณหภูมิที่ทำให้โลหะเกิดออกซิเดชันอย่างมาก (แม้ว่าจะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติอย่างอื่น) ก็เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิใช้งานของมันด้วย โดยสรุป เมื่อเราพูดถึงความทนความร้อนของวัสดุก็จะหมายถึงความทนทานของวัสดุต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยไม่ทำให้สภาพภายนอกและภายในเปลี่ยนไปเกินกว่าจะใช้งานได้
2. Thermal Conductivity and Emissivity ปกติความร้อนจะไหลผ่านวัสดุจากจุดที่มีอุณหภูมิสูงไปหาที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ การถ่ายเทความร้อนในของแข็งจะเกิดขึ้นโดยกลไกที่เรียกว่า การนำความร้อน (Conduction) วัสดุแต่ละชนิดจะมีความสามารถในนำความร้อนได้แตกต่างกัน สมบัติที่เป็นตัววัดความสามารถในการนำความร้อนของวัสดุ คือ Thermal Conductivity (K) ค่า K นี้ จะเปลี่ยนไปตามชนิดของวัสดุและอุณหภูมิ วัสดุที่มีการนำความร้อนที่ดี (K สูง)จะสามารถลดความแตกต่างของอุณหภูมิภายในตัวมันเองได้เร็วกว่าวัสดุที่มีความสามารถในการนำความร้อนต่ำ ในวัสดุโลหะค่า K จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนวัสดุอื่นค่า K จะสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
การเลือกใช้วัสดุเราจะต้องคำนึงถึงการใช้งาน ถ้าต้องใช้ในระบบระบายความร้อนของเครื่องจักร เราจะเลือกดูที่มีการนำความร้อนที่ดี (K สูง) ส่วนกรณีที่ใช้ฉนวนความร้อน เพื่อจะเก็บรักษาอุณหภูมิ เราจะเลือกใช้วัสดุที่มีค่า K ต่ำ ซึ่งได้แก่ พวกที่มีเนื้อเป็นรูพรุน เพราะอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว (พวกเซรามิคมักจะมีสมบัติอย่างนี้)การส่งผ่านความร้อนของวัสดุอาจจะได้ด้วยวิธีการแผ่รังสี (Radiation) ความสามารถของวัสดุที่จะแผ่ความร้อนนี้เราเรียกว่า Emissivity ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะผิวของวัสดุและอุณหภูมิ ค่า Emissivity จะเท่ากับปริมาณความร้อนที่วัสดุจะแผ่รังสีออกมา ได้ต่อปริมาณความร้อนที่ Ideal Black Body จะแผ่รังสีออกมาได้ที่อุณหภูมินั้น ๆ Ideal Black Body คือ วัสดุที่จะดูดซึมความร้อนที่มากระทบไว้ได้ทั้งหมด โดยไม่มีการสะท้อน หรือส่งผ่านออกไป
3. Thermal Stress and Expansion วัสดุจะขยายตัวเมื่อร้อนและหดตัวเมื่อเย็น ถึงแม้ว่าการหดตัวจากความร้อนนี้จะมีไม่มากนัก (ประมาณ 5%) แต่มันก็ทำให้เกิดความเค้นขึ้นภายในวัสดุได้และถ้าความเค้นนี้มีมากพอ (ชิ้นงานขนาดใหญ่) ก็อาจทำให้เกิดการเสียหายได้ โดยเฉพาะกับวัสดุที่เปราะ ซึ่งไม่สามารถปรับตัวไปตาม Thermal Stress เราใช้ Thermal Expansion Coefficient เป็นตัวบอกว่าวัสดุจะขยายตัวมากน้อยเพียงใดเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ค่านี้จะเท่ากับความยาวที่เพิ่มขึ้นต่อความยาวเริ่มต้นต่อองศาอุณหภูมิ และมีหน่วยเป็น in/in/°F หรือ cm/cm/°C Thermal Expansion Coefficient นี้จะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ และโดยปกติสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น นอกจากนี้มันยังมีความสัมพันธ์กับค่าความจุความร้อนจำเพาะและจุดหลอมเหลวของวัสดุด้วย โดยทั่วไปวัสดุประเภทพลาสติกซึ่งมี Softening Point ต่ำ จะมีค่า Coefficient of Expansion สูงกว่าของโลหะมาก

2.3.3 สมบัติเชิงเคมี (Chemical Properties)
1. สมบัติเกี่ยวกับการกัดกร่อน (Corrosion)
สิ่งแวดล้อมของวัสดุที่กำลังทำงานมักจะมีผลทางเคมีกับวัสดุนั้น สิ่งแวดล้อมนี้อาจจะเป็นของเหลว เช่น สารเคมี, น้ำ หรือเป็นแก๊ส เช่น ออกซิเจน หรืออาจจะเป็นของแข็งหรือหลาย ๆ อย่างประกอบกัน เป็นต้น ปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นกับวัสดุ เนื่องจากสิ่งแวดล้อมเหล่านี้เราเรียกว่าการกัดกร่อน ซึ่งมีผลทำให้เสียเนื้อวัสดุไปหรือเกิดความเสียหายกับวัสดุ หรืออาจจะทั้ง 2 อย่างนอกจากนี้มันอาจจะมีผลทำให้สมบัติบางอย่างของวัสดุเปลี่ยนไป เช่น การทนทานการเสียดสีสึกกร่อนและความต้านทานต่อความล้า
2. ลักษณะของการเกิดการกัดกร่อน
กระบวนการเกิดการกัดกร่อนเป็นเรื่องที่ยุ่งยากสับสนมาก ซึ่งยังไม่มีการอธิบายได้อย่างแจ่มแจ้ง แต่ในทางปฏิบัติการเกิดการกัดกร่อนแบ่งเป็น 2 ลักษณะคือ
1. Chemical Corrosion เกิดเมื่อมีการสัมผัสกันโดยตรงระหว่างวัสดุกับของเหลวซึ่งตัวมันละลายได้บ้าง การเกิดการกัดกร่อนในพวกโพลิเมอร์จะเป็นลักษณะนี้ส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่นพวกโพลีเมอร์สามารถละลายได้ในพวกสารละลายอินทรีย์ (Organic Solvent)
2. Electrochemical Corrosion การกัดกร่อนลักษณะนี้จะพบได้มากกว่า โดยเฉพาะกับพวกโลหะ รูปที่ 2.10 แสดงให้เห็นการเกิดการกัดกร่อนแบบนี้อย่างง่าย ๆ ของเหลวที่อยู่ล้อมรอบโลหะจะทำตัวเป็น Electrolyte นั่นคือ เป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าระหว่างบริเวณ 2 บริเวณที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน บริเวณทั้งสองนี้อาจจะเป็นโลหะคนละชนิด หรือวัสดุชนิดเดียวกันแต่คนละส่วนกันก็ได้ กระแสจะไหลและนำวัสดุออกจาก Anodic Zone (ซึ่งมีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า Cathodic Zone) ที่บริเวณที่เป็น Cathodic จะไม่เกิดการกัดกร่อนขึ้น การเกิดการกัดกร่อนในลักษณะนี้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของ Corrosion Media ซึ่งจะเป็นกระบวนการดูดเอาออกซิเจนไป (Oxygen-Absorption Process) หรือกระบวนการที่ให้ H2 ก็ได้ (Hydrogen Evolution Process) กรณีที่เป็นกระบวนการดูดซึมออกซิเจน ผลที่เกิดจากการกัดกร่อนจะไปตกลงบนบริเวณ Cathodeเช่น ในกรณีที่เหล็กเกิดสนิมขึ้น


2) การเกิด Cathodic และ Anodic Area ในโลหะได้นั้นมีอยู่ 3 กรณีคือ
1. Composition Couples เนื่องจาก 2 พื้นที่มีโครงสร้างหรือส่วนประกอบทางเคมีต่างกัน ที่พบบ่อยที่สุดก็คือโลหะต่างชนิดกันมาสัมผัสกัน โดยมีของเหลวหรือความชื้นอยู่ด้วย เช่นใช้ Screw หรือ Bolt ทำด้วยเหล็กไปขันยึดแผ่น Tinplate สกรูเหล็กจะสึกไป เพราะเหล็กจะทำตัวเป็น Anodic ได้มีผู้จัดเรียงชนิดของโลหะตามสภาพการเป็น Cathodic และ Anodic เรียกว่า Galvanic Series
2. Stress Couple เกิดเนื่องจากบางบริเวณในโลหะชนิดเดียวกันมีความเค้นภายในสูงกว่าบริเวณข้างเคียง ซึ่งความเค้นนี้อาจจะเกิดจากการเชื่อม หรือโลหะส่วนนั้นผ่านการแปรรูปเย็น (Cold Work) มาแล้ว บริเวณที่มีความเค้นสูงจะเป็น Anodic Area ดังนั้นจะเกิดการกัดกร่อนขึ้นบริเวณนั้น ตัวอย่าง ถ้าเรางอตะปูแล้วทิ้งไว้ในน้ำบริเวณที่งอจะเกิดสนิมขึ้นก่อน และจะเป็นมากกว่าบริเวณอื่น นอกจากนี้บริเวณรอยต่อของเกรนของโลหะ ซึ่งมีความเค้นสูงจะถูกกัดกร่อนได้ง่ายกว่าส่วนกลางของผลึก
3. Concentration Couples เกิดเมื่อมีความเข้มข้นของ Corrosive Media ต่างกันพบบ่อยในกรณีของการกัดกร่อนเป็นร่อง เมื่อ Media มีอิออนโลหะสูง (O2 น้อย) ทำให้บริเวณนั้นเป็น Anodic เมื่อเทียบกับบริเวณอื่น

2. Oxidation วัสดุหลายชนิดรวมทั้งโลหะส่วนใหญ่จะสามารถรวมตัวกับ O2 ในบรรยากาศได้ในโลหะ ปฏิกิริยา Oxidation จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อถูกกับอากาศ จนกระทั่งเกิดเป็น Oxide Filmหรือสนิมขึ้นมาป้องกัน อัตราการเกิด Oxidation ในโลหะขึ้นอยู่กับความสามารถในการป้องกันของ
Oxide Film นี้ ในกรณีของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ Oxide Film จะมีลักษณะเป็นรูพรุน (Porous) ทำให้ไม่สามารถป้องกันการเกิด Oxidation ได้หรือป้องกันได้น้อย แต่ในขณะที่ Oxide Film ของ Al มีความแน่นมาก จึงป้องกัน Oxidation ได้อย่างดี โดยทั่วไปอัตราการเกิด Oxidation ของโลหะจะลดลงเมื่อระยะเวลานานขึ้น แต่จะเร็วขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิพลาสติกส่วนใหญ่และยางจะถูก Oxidized ได้เมื่อมี Oxygen กรณีของยาง การเกิด Oxidation เรียกว่า Aging ซึ่งปฏิกิริยาระหว่าง O2 กับยางในช่วงแรกจะทำให้ Elasticity ลดลง แต่ความแข็งจะเพิ่มขึ้น แต่เมื่อนานไปยางก็จะแปรสภาพทำให้ความแข็งแรงหายไป พอลีเมอร์ส่วนใหญ่จะเกิด Aging เช่นเดียวกัน แต่น้อยกว่าพวกยาง กระบวนการเกิดนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่น ๆ ด้วย เช่นความร้อน อุณหภูมิ ลักษณะของบรรยากาศ ฯลฯ
3. Water absorption การดูดซึมน้ำเป็นสมบัติเกี่ยวข้องโดยตรงกับพวกโพลีเมอร์ ซึ่งส่วนใหญ่จะดูดซึมน้ำได้ โดยมีผลทำให้ปริมาณและน้ำหนักเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้มันเกิดการโก่งงอ บวมและสูญเสียสมบัติทางกลและไฟฟ้าไป

2.3.4 Electrical Properties
สมบัติทางไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของวัสดุภายใต้กระแสไฟฟ้า และโดยหลักการคือ ความสามารถในการส่งผ่านกระแสไฟฟ้าของมัน
1. Electrical Conductivity (การนำไฟฟ้า)
ถ้าจะพิจารณาความสามารถในการนำไฟฟ้าของวัสดุ เราสามารถแบ่งวัสดุเป็น 3ชนิดด้วยกันคือ ตัวนำ ฉนวนและ semiconductor แต่ในที่นี้เราจะกล่าวถึงเฉพาะตัวนำและฉนวนเท่านั้นเราจะพูดถึงการนำไฟฟ้าในรูปของความต้านทานไฟฟ้าของมัน ที่เป็นความต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า ซึ่งกำหนดว่าเป็นความต้านทานต่อหน่วยความยาวและหน่วยพื้นที่ ค่าความต้านทานของโลหะจะบอกเป็น ohm-centimeter หรือ ohm-inch ในกรณีของโลหะมักจะบอกว่าการนำไฟฟ้าในรูปของเปอร์เซนต์เทียบกับค่าการนำไฟฟ้าของทองแดง ซึ่งสมมติให้เท่ากับ 100 ค่าความต้านทานของทองแดงกำหนดโดย International Annealed Copper Standard (IACSS) เท่ากับ 1.7241 microohm-cm ที่ 68°F (20°C)
2. Insulation and Dielectric Properties
ความสามารถในการป้องกันการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าหรือประจุไฟฟ้า เราเรียกว่าDielectric Strength Dielectric Strength จะเป็นเครื่องวัดคุณภาพความเป็นฉนวนของวัสดุ(Insulating Quality) โดยที่มันเป็นตัวบอกความสามารถของวัสดุที่จะทน Electric Stress ได้โดยไม่Breakdown ค่าของ Breakdown Electric Stress จะบอกเป็น Voltage ต่อหน่วยความหนา (volts/mil)Dielectric Constant เป็นค่าใช้วัดความจุไฟฟ้าของวัสดุ ไม่มีหน่วย กรณีของฉนวนเรต้องการให้มีค่านี้ต่ำ ส่วนค่าสูงใช้เป็นพวก Capacitor

2.3.5 Other Properties
นอกจากสมบัติสำคัญ ๆ ที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีสมบัติอื่น ๆ ที่อาจจะต้องนำมาพิจารณาเป็นบางกรณีได้ ได้แก่
1. Magnetic Properties สมบัติการเป็นแม่เหล็ก
2. ความทึบแสงเกี่ยวข้องกับพวก Polymers เป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะพวกสี ซึ่งเป็นตัวบอกความสามารถในการบังสีเดิมว่าดีหรือไม่
3. สีของวัสดุ บางครั้งนอกจากสมบัติใช้งานแล้ว เราอาจจะต้องดูถึงความสวยงามในการใช้ด้วย

2.4 กฎการใช้วัสดุ
1. Formability หมายถึง ความสามารถที่ทำให้วัสดุนั้นเป็นงานสำเร็จรูปได้ง่าย
2. Machinability หมายถึง ความสามารถที่ทำให้วัสดุนั้นสำเร็จรูปง่ายได้โดยอาศัยเครื่องมือกล
3. Machanical Stability หมายถึง สมบัติทางกลในขณะใช้งานไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง
4. Chemical Stability หมายถึง สมบัติทางเคมี ต้องไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง
5. Electricl Behaviours สมบัติทางไฟฟ้าต้องเหมาะสมกับงาน
6. Cost ราคาที่เหมาะสม