Your SlideShare is downloading. ×
0
หน่วยที่ 2 โครงสร้างของของแข็งThe Structure of Solid                     1
กาล ังขยาย 20 ล้านเท่า             กาล ังขยาย 10 ล้านเท่า                                                           2กาล ั...
จุดประสงค์การเรียนรู้1.   อธิบายโครงสร้างอะตอม และโครงสร้างทาง     อิเลคทรอนิกของอะตอม2.   สามารถอธิบายความแตกต่างของพันธะ...
Outline2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding2.2 The Periodic Table                          General2.3 Bonding Forc...
2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding                                               5
2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding 1.   Atomic structure (โครงสร้างอะตอม)      จะเป็ นโครงสร้างของแต่ละอะตอมซึ่ง...
 Electron จะวิ่งล้อมรอบ  ตัวเอง และรอบนิวเคลียสเป็ น  ชันๆ (shell)     ้ ในแต่ละ shell จะมีจานวน  อิเลคตรอนที่บรรจุอยู่ไ...
2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding    Elements              Mass    Proton           ~ 1.673×10-24 g    Neutron ...
2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding   เลขอะตอม (Atomic number) แทนด้วย Z     คือ จานวนของ protons ในนิวเคลียส = ...
2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding   มวลอะตอม 1 หน่ วย (an atomic mass unit) หรือ    1 amu = 1.6610-24 g, มีค่...
 โมล (Mole)   คือจานวนของสสารที่มีมวล (กรัม) เท่ากับมวลอะตอม เช่น 1 โมล  ของ คาร์บอนจะมีมวลเท่ากับ 12 กรัม หรือ โครเมียม ...
ตัวอย่าง 1 กาหนดให้ มวลอะตอม (M) ของทองแดงเท่ากับ 64 amu     (grams per mol)จงหาว่า1. ทองแดง 1 อะตอมมีน้าหนักกี่กรัม2. ทอง...
   ตัวอย่าง 2 Calculate the number of atoms per cm3(n) of    carbon with a density, d = 1.8 g/cm3, M =12 amun (Carbon) = ...
Quantum numbers of the Bohrmodel The electron จะมีลกษณะเป็ นทังคลื่น (wave–like) และ                    ั          ้  อนุ...
‘A wave-mechanic model’                    e-             N             K         L        Mรูปที่ 2.2 แบบจาลองการเคลื่อนท...
Quantum numbers ตัวเลขควันตัมหลัก (a principal quantum number) n, เป็ นเลขจานวน  นับ หรือ บางครังจะใช้ตวอักษร K, L, M, N,...
จานวนอิเลคตรอนที่มากที่สด ในระดับพลังงานนันๆ = 2n2                              ุ                ้เช่น Mg อยู่ในคาบที่ 3 ม...
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d,7p.รูปที่ 2.3 การจัดเรียงตัวในระดับพลังงานย่อย Subs...
จานวน อิเลคตรอน      Level of                   1s1                ใน subshell นันๆ                                       ...
แบบฝึ กหัด   ให้เขียน Electron configuration ของธาตุต่อไปนี้     N atomic number = 7 (1s 2s 2p )               2       2...
 Mo atomic number = 42   1s22s22p63s23p64s23d104p6 5s2 4d4but the s electron can move to make a half- full orbital, there...
22
23
24
2.3 Bonding Forces and Energiesในแต่ละอะตอมมีแรงที่เกิดขึนเรียกว่า The Coulomb                          ้forces คือแรงดึง...
2.3 Bonding Forces and Energies                                  26
 เมื่ออะตอมเคลื่อนที่เข้าใกล้กน ก็จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างกัน โดย                                  ั  แรงระหว่างอะตอมจะเป็ ...
Attractive force, FA   Force, F   +                                 Repulsive force, FR        Interatomic separation, r  ...
29
2.3 Bonding Forces and Energies ‘The Bond Energy, E เป็ นค่าพลังงานที่ ได้จากแรงที่  เกิดขึนเมื่ออะตอมอยู่ห่างกัน        ...
2.3 Bonding Forces and Energies โลหะส่วนใหญ่จะมีความหนาแน่ นอะตอม  ประมาณ 6 1022 atoms/cm3 ซึ่งหมายความว่า ความยาว 1 cm...
Figure 4. An atomic resolution TEM image of Si/TbSi2/Siheterostructure with simulated images pasted for direct comparison....
2.4 Primary Interatomic Bonds                     1.   Ionic Bond                     2.   Covalent Bond                  ...
Ionic bond   คือพันธะหลักที่เกิดจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้ าสถิตของประจุที่ต่างขัว      ้    กัน เป็ นพันธะที่ไม่มีทิศทางที่แน่ ...
Ionic bond             เป็ นพันธะที่เกิดกับธาตุที่มีค่าอิเลคโตร             เนกาติวิตี้ต่างกันค่อนข้างมาก             และม...
Covalent bond คื อพัน ธะหลัก ที่ เ กิ ด จากอะตอมที่ มี อิเ ลคตรอนไม่ เ ต็ม วง  นอกสุดมาทับกันและใช้อิเลคตรอนร่วมกัน จะเป็...
Covalent bondSome Common Features of Materials with CovalentBonds:   Hard   Good insulators   Transparent   Brittle or...
Covalent bond                38
Covalent bond                39
Covalent bond                40
Figure 3.2 Basic Si-0                                                            tetrahedron in silicate                  ...
Metallic bond เป็ นพันธะหลักของโลหะ อะตอมของโลหะจะมีอิเลคตรอน  ที่ ถู ก ไอออไนซ์ (ถู ก ดึ ง อิ เลคตรอนออกไป) ท าให้  อิ เ...
Metallic bond                                           Free Valence                                           ElectronSom...
2.5 Crystal StructuresMolecular structure   Crystal structure   Amorphous structure                                       ...
2.5 Crystal Structures   What is the Structure of Materials?ลักษณะโครงสร้างของแข็ง แบ่งได้ 3 แบบ1. Molecular structure: อะ...
ระด ับของโครงสร้างถ้าเราจะแบ่งระดับโครงสร้างของโลหะของแข็ง จะสามารถแบ่งได้เป็ น 4 ระดับ คือ    1. Atomic structure โครงสร้...
ระด ับของโครงสร้าง1. Nanostructure                    Nano-sized particles (5–10 nm) of                   iron oxide are...
ระด ับของโครงสร้าง     2. Microstructure                 The mechanical strength of many                metals and alloys...
ระด ับของโครงสร้าง      3. Macrostructure                     Magnitude < 10 เท่า                     เห็นภาพรวมของโครงส...
How is Crystal structure formed? โครงสร้ า งผลึ ก เกิ ด จากการที่ อ ะตอมจับ ตัว กัน โดย พันธะ และจัดเรียงตัวของอะตอมเป็ นผ...
กล้องจุลทรรศน์แบบแสงMicrostructure  โครง ส ร้ า ง ที่ ป รา ก ฎ ผ่ า น  ก ล้ อ ง จุ ล ท ร ร ศ น์ เ ป็ น  โครงสร้ า งที่ เกิ...
รีดร้อน              หล่อขึนรูป                    ้ตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคของอะลูมิเนี ยมที่ผานกระบวนการผลิตต่างกัน    ่ ...
•โครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง   •โครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง•รีดร้อน                            •ชุบแข็ง (อบและให...
กล้อง Scanning electron microscopeเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์ แบบส่องกวาดโดยใช้ลาอิเลคตรอนที่มีความยาวคลื่นสัน้มีกาลังขยายสูงก...
www.nobleprize.org     ภาพแสดงโครงสร้างจุลภาค จากกล้อง transmission electron microscope     เป็ นกล้องที่ใช้ ลาอิเลคตรอนที...
Macrostructure เป็ นโครงสร้างของวัสดุที่มองเห็นด้ วยตาเปล่ า เช่ น รอยรีดเย็น, เกรนที่ ใหญ่มากๆ หรือจุดบกพร่องของ ชิ้นงาน ...
การเกิดผลึกของของแข็งCrystalline Solid Formation   วัสดุทุก ชนิดจะเกิด จากการจับ ตัว กัน ของอะตอมโดยพันธะ    เช่น ionic, ...
Mechanism of Crystallisation  ใน  โลหะที่ อ ยู่ ใ นสภาวะหลอมเหลว การจับ กัน ของ   อะตอมจะมีลาดับสันๆ ไม่ต่อเนื่ อง (short...
พลังงานของอะตอมจะมีอยู่ 2 ประเภท คือ      Kinetic    energy เป็ นพลังงานจลน์ สัมพันธ์กบ     ั       ความเร็ว ที่ อ ะตอมเค...
เมื่ อ อุ ณ หภูมิ ล ดลงต่า กว่ า จุ ด แข็ง ตัว ของโลหะนันๆ และเริ่มเปลี่ยนสถานะเป็ นของแข็ง พลังงานจะ    ้ตาลง  ่      อะต...
 จากนั น        ้    นิ วเคลี ย สที่ เ กิ ด ขึ้น จากการรวมตัว ของอะตอม  เพียงไม่กี่อะตอม จะเริ่มขยายตัวโดยการจับกับอะตอมท...
 A unit cell ซึ่งเป็ นหน่ วยที่ สมบูรณ์ และเล็กที่ สุดของผลึก  (Crystal) ที่สามารถจาลองการจัดเรียงตัวของอะตอมทัง         ...
 ผลึกจะเจริญขึ้นเรื่อยๆ และหยุดการเติบโต เมื่อไปชน  กับผลึกอื่นที่ มีทิศทางการจัดเรียงตัวอะตอมที่ ต่างกัน  ผลึ ก ที่ ห ยุ...
SummaryNuclei Nucleus  Lattices Crystals (Grains) Crystalline Solid                                                   ...
(a) Photograph of a silicon single                                                   crystal. (b) Micrograph of a         ...
2.6 ระบบผลึก (Crystal Systems)โดยทัวไปการจัดเรียงตัวของอะตอมจะมีภายใต้กฎเกณฑ์ดงนี้     ่                                  ...
2.6 ระบบผลึก (Crystal Systems)   ระบบผลึก (Crystal systems) จะมีอยู่ด้วยกัน 7 แบบ โดย    พิจารณาจากความสมมาตรของรูปทรง  ...
Unit cell                Z                c                                                        b                    ...
Crystal system   Crystal structure1       Cubic2     Tetragonal3   Rhombohedral4    Hexagonal                             ...
AuCubcc      Tetragonal                   70
Crystal system              Crystal structure5     Othorhombic6      Monoclinic7        TriclinicSource: http://en.wikiped...
Othorhombic                           Triclinic              Monoclinic               72
www.seas.upenn.edu/~chem101/sschem/bravais.gif   73
2.7 โครงสร้างผลึกของโลหะMetallic Crystal StructureThere are 3 common crystal structures of  metals1. Body centered cubic s...
1. The body-centered cubic structure(bcc)       พบใน barium, lithium,  iron and tungsten เป็ นต้น  จะมี 1 อะตอมอยู่ ต รงกล...
กาหนดให้    a = lattice constant and    R = atomic radius                                      √2aจะได้ความสัมพันธ์       ...
2. The face-centered cubic structure(fcc)  พบใน copper, aluminium,  silver and gold เป็ นต้น  จะมีอะตอมอยู่ที่มมทัง 8 และท...
จาก a unit cellอะตอมจะสัมผัสกันในแนว  ทแยงมุมของด้าน จะได้        √2 a =4R                                   √2aจานวนอะตอม...
3. The hexagonal close-packed structure (hcp)พบใน magnesium, titaniumand zinc เป็ นต้นระนาบบนและล่างจะมีอะตอมอยู่ชิดกันเป็...
√2 a√3aa      80
Atomic packing factor (APF) If the atoms in a unit cell considered as a  spherical therefore,     APF = Volume of atoms i...
แบบฝึ กหัด   Calculate the lattice constant (a) for BCC    structure of the iron unit cell with atomic    radius R=0.124 ...
2.8 ทิศทางของผลึกCrystallographic Directions เป็ นเวกเตอร์บงบอกทิศทางในผลึก ใช้แทนโดย [uvw] ซึ่ง                ่  จะเป็ ...
Z [001]                            [111]            000                     Y [010]        X                     [110][100...
วิธีการหาทิศทางของผลึก1.   กาหนด coordinate ของจุดเริ่มต้น(x1,y1,z1) และ สิ้นสุด     ของทิศทาง (x2,y2,z2)2.   ใช้ coordina...
z                h             d                                          gh = [011]                    c    f            ...
 ทุก direction vectors ที่ขนานกันจะสามารถใช้ดชนี แทน                                              ั  กันได้เพราะจุดเริ่มต...
2.9 ระนาบผลึกCrystallographic planes Miller*  indices is ‘ the reciprocals (ส่วนกลับ) of the   fractional intercepts (เศษ...
การหาค่าดัชนี มิลเลอร์1.                     ่     เลือกระนาบที่ไม่ผานจุด (000)2.   หาจุดตัดบนแกนทัง 3 ของระนาบนัน ซึ่งอาจ...
z                   จากรูป                        จุดตัดแกน X, Y, Z คือ 1, 1,                 (110)                      ...
z       ½       จากรูป    ½                   จุดตัดแกน X, Y, Z คือ ½ , ½ ,                         ดังนัน กลับเศษส่วน ได...
z                       กลับเศษส่วน เพือหาจุดตัดบนแกน X Y Z                                       ่              (121)    ...
93
94
95
For hexagonal plane indices called Miller-Bravais  indices Direction ใช้แทนโดย [uvtw],t=-(u+v) Plane ใช้แทนโดย (hkil), i...
Closed-packed crystal structureเป็ นระนาบในผลึกที่ อะตอมอยู่ชิดกันมากที่สด                 ุใน fcc คือ octahedral plane(ถ้...
A                            B                             Cการจัดเรียงตัวของอะตอมใน The hexagonal close-packed  structure...
2.10 Density Computations2.10.1 ความหนาแน่ นเชิงปริมาตร       ความหนาแน่ นของโลหะ () สามารถประมาณได้   จากความหนาแน่ นของ...
nA                               VC N An= จานวนอะตอมใน 1 unit cellA= มวลอะตอม (amu)VC = the volume of the cellNA= the Av...
Example               Determining the Density of BCC Iron          Determine the density of BCC iron, which has a lattice ...
2.10.2 ความหนาแน่ นเชิงระนาบเป็ นความหนาแน่ นของอะตอมในระนาบต่างๆ สามารถคานวณได้    จากสมการดังต่อไปนี้            n      ...
 แบบทดสอบที่ 1 เรื่อง ทิศทาง และระนาบผลึก 15 นาที                                             103
ทบทวน What is the structure of materials? How is the crystal structure created?   What are the three major crystal    s...
Crystal Imperfection1. ถ้าในโครงสร้างผลึก มีอะตอมบางตัวหายไป จะเกิด   อะไรขึน?         ้2. ถ้าในโครงสร้างผลึก มีอะตอมเกินจ...
ให้นักศึกษาอภิปรายว่า     พลังงานของผลึกในรูป     จะสูงขึน หรือ ลดลง ?              ้     ถ้า1. อะตอมสีเขียวหายไป     และเ...
Crystal Imperfection โครงสร้างผลึกที่กล่าวใน 2.7 เป็ นโครงสร้างที่สมบูรณ์ แต่ โ ดยทัว ไปแล้ ว            ่           โคร...
ตารางเปรียบเทียบลักษณะผลึก   A perfect crystal          An imperfect crystal                             มีการสับเปลี่ยนต...
Type of Defects  Defects ที่เกิดขึนจะถูกแบ่งโดยขนาด ซึ่งได้แก่                   ้  1. Point defects (1 or 2 atomic positi...
1. Point Defects1.1 Vacancy: ช่องว่างในผลึกคือ การที่ อะตอมหายไปจากตาแหน่ ง จะเกิดขึ้นระหว่างการ   เย็นตัว หรือ เกิดจากการ...
การหาจานวนช่ องว่างของอะตอมในผลึกถ้ า ใ ห้ n เ ท่ า กั บ จ า น ว น ช่ อ ง ว่ า ง ที่ มี ไ ด้ ณ ที่ ภ า ว ะ    equilibrium ...
1.2 Impurities อะตอมปลอมปนในของของแข็ง ในทางปฏิ บัติ การที่ เ ราจะท าให้ โ ลหะมี ค วามบริ สุ ท ธ์ ิ   มากกว่า 99.999% เป็...
ตาแหน่ งของอะตอมแปลกปลอมได้แก่  Substitutional atom อะตอมแปลกปลอมที่ มีขนาด    ใกล้เคียงกับอะตอมหลักจะเข้ามาแทนที่  Inte...
The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé              114
2. Line Defects เป็ นความบกพร่องแบบเส้น ซึ่งเรียกว่า ‚Dislocation‛      ในระหว่างการเย็นตัว (solidification) บางระนาบ อะตอ...
2.1 Edge Dislocation       เ ป็ น จุ ด บ ก พ ร่ อ ง แ บ บ เ ส้ น ที่ เ มื่ อ ม อ ง ผ่ า น ก ล้ อ ง   อิ เลคตรอนก าลัง ขยาย...
3D Symbols2D Symbols              117
 ถ้าผลึกที่ มี Edge dislocation ได้รบความเค้นเฉื อน ,                                      ั  จะเกิดการเลื่อนของอะตอมและ...
      3           2       1                              3       2       1                                  Slip Plane   ...
การเลื่อนไถลของระนาบอะตอมเมื่อได้รบความเค้นเฉื อน                                  ั                                      ...
                                                                            121
2.2 Screw dislocationเกิดการบิดของแนวอะตอม ทาให้อะตอม   เรียงตัวเหมือนเกลียว ทิศทางการไถล   ของระนาบ หรื อ b จะขนาน กั บ  ...
Edge   Screw               123
2.3 Mixed dislocation จะเป็ นจุดบกพร่องแบบเส้นที่ มกจะเกิดเป็ นเส้นโค้ง                               ั  เนื่ องจากการผสม...
2.4 Dislocation energy, Eเป็ นพลังงานต่อความยาวหนึ่ งหน่ วย ของ dislocationเนื่ องจาก การบิด เบี้ยวของระนาบอะตอมท าให้ ผลึ...
3. Planar defectsความบกพร่ อ งแบบระนาบ ได้ แ ก่ ขอบเกรน (grain  boundary) และ twin boundary ขอนเกรน คื อ          ผิวสัมผ...
schematic of a grain boundary                                                           Vacancy                          ...
   < ~12° เรียกว่า ‘Low-angle boundary’ (พลังงานตา)                                                    ่  ≥ ~12° เรียก...
Twinning Twin boundary จะเป็ นระนาบแบ่งผลึกที่ มีการจัดเรียง  ตัวเหมือนกับเป็ นเงาในกระจกของผลึกตรงข้าม เกิดระหว่างการเก...
สรุป โครงสร้างผลึก โครงสร้างผลึกของวัสดุแบ่งได้เป็ นกี่ระบบ และ กี่แบบอะไรบ้าง การจัดเรียงตัวอะตอมในผลึก BCC มีลกษณะอย่า...
ทบทวน        131
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

บทที่ 2 โครงสร้างของของแข็ง the structure of solid

16,216

Published on

Engineering Materials Week 2 The Structure Of Solid.

Published in: Technology
1 Comment
12 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total Views
16,216
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
167
Comments
1
Likes
12
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Transcript of "บทที่ 2 โครงสร้างของของแข็ง the structure of solid"

  1. 1. หน่วยที่ 2 โครงสร้างของของแข็งThe Structure of Solid 1
  2. 2. กาล ังขยาย 20 ล้านเท่า กาล ังขยาย 10 ล้านเท่า 2กาล ังขยาย ไม่เกิน 200,000 เท่า
  3. 3. จุดประสงค์การเรียนรู้1. อธิบายโครงสร้างอะตอม และโครงสร้างทาง อิเลคทรอนิกของอะตอม2. สามารถอธิบายความแตกต่างของพันธะระหว่าง อะตอม และชนิดของวัสดุที่มีแรงระหว่างพันธะดังกล่าว3. อธิบายโครงสร้างผลึกและการจัดเรียงตัวอะตอมใน โครงสร้างผลึก การเกิดโครงสร้างจุลภาค4. ตระหนักถึงความสัมพันธ์ระหว่างอะตอม พันธะ โครงสร้างผลึกและสมบัติของวัสดุ 3
  4. 4. Outline2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding2.2 The Periodic Table General2.3 Bonding Forces and Energies Chemistry2.4 Primary Inter-atomic Bonds2.5 โครงสร้างผลึก (Crystal Structures)2.6 ระบบผลึก (Crystal systems)2.7 ผลึกของโลหะ (Metallic Crystal Structures)2.8 ทิศทางของผลึก (Crystallographic Directions)2.9 ระนาบผลึก (Crystallographic planes)2.10 ความหนาแน่ น (Density Computations) 4
  5. 5. 2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding 5
  6. 6. 2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding 1. Atomic structure (โครงสร้างอะตอม) จะเป็ นโครงสร้างของแต่ละอะตอมซึ่งประกอบไปด้วย electrons และ นิวเคลียส (protons + neutrons) Diameter of nucleus ~ 10-14 m Diameter of atom ~ 10-10 m Electron demonstration Matsci by M Orings 6
  7. 7.  Electron จะวิ่งล้อมรอบ ตัวเอง และรอบนิวเคลียสเป็ น ชันๆ (shell) ้ ในแต่ละ shell จะมีจานวน อิเลคตรอนที่บรรจุอยู่ได้มาก ที่สด เท่ากับ 2n2 , n= shell ุ e- number N K L M แบบจาลองอะตอมของ Bohr 7
  8. 8. 2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding Elements Mass Proton ~ 1.673×10-24 g Neutron ~ 1.675×10-24 g Electron ~ 9.11 ×10-28 g  จากตารางธาตุ, Atomic number เป็ นตัวเลขที่ บอกจานวน protons ที่อยู่ในนิวเคลียส ซึ่งเท่ากับ จานวนของ electrons 8
  9. 9. 2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding  เลขอะตอม (Atomic number) แทนด้วย Z คือ จานวนของ protons ในนิวเคลียส = จานวนของ electrons ในอะตอม  เลขมวล (Mass number) แทนด้วย A คือ จานวนของ neutrons + protons เช่น คาร์บอนจะมีจานวนอิเลคตรอนเท่ากับ 6 ดังนัน Z=6, ้ and A=12 แทนด้วยสัญลักษณ์ 6 C 12 9
  10. 10. 2.1 Fundamental Concepts of Atom and Bonding  มวลอะตอม 1 หน่ วย (an atomic mass unit) หรือ 1 amu = 1.6610-24 g, มีค่าเท่ากับ 1/12 เท่าของมวลของ อะตอมคาร์บอน ดังนัน คาร์บอน 1 อะตอม หนัก 12 amu ้  มวลอะตอม (Atomic mass, M) หมายถึง มวลเป็ นกรัมของ 6.023  1023 atoms ของธาตุ นันๆ ้ 10
  11. 11.  โมล (Mole) คือจานวนของสสารที่มีมวล (กรัม) เท่ากับมวลอะตอม เช่น 1 โมล ของ คาร์บอนจะมีมวลเท่ากับ 12 กรัม หรือ โครเมียม 5 โมลมี น้าหนัก 5 x 52 = 260 กรัม (Cr 1 mol. = 52 g.) จานวนของอะตอมใน 1 โมล (The number of atoms in a mole) เรียกว่า ‘the Avogadro number’, Nav มีค่าเท่ากับ 6.023  1023 atoms/mol, จานวนของอะตอมในปริมาตร (The number of atoms, n) ต่อ cm3 เท่ากับ dN av สมการ 2.1 n M M is the atomic mass in amu (grams per mol) d is density (g/cm3) 11
  12. 12. ตัวอย่าง 1 กาหนดให้ มวลอะตอม (M) ของทองแดงเท่ากับ 64 amu (grams per mol)จงหาว่า1. ทองแดง 1 อะตอมมีน้าหนักกี่กรัม2. ทองแดง 1 กรัมจะมีกี่อะตอมวิธีทา ทองแดง 1 โมลหนัก (M) = 64 กรัม และทองแดง 1 โมลมีจานวน ของอะตอม, Nav = 6.023 1023 อะตอม 64ดังนัน ทองแดง 1 อะตอมมีน้าหนัก ้  = 1.05 x 10-23 กรัม 6.023  10 23 6.023 10 23 ทองแดง 1 กรัมจะมีจานวนอะตอม  = 9.5 x 1021 อะตอม 64 12
  13. 13.  ตัวอย่าง 2 Calculate the number of atoms per cm3(n) of carbon with a density, d = 1.8 g/cm3, M =12 amun (Carbon) = 1.8 g/cm3 6.023 1023 atoms/mol = 9 1022 C/cm3 12 g/molFor a molecular solid like ice, one uses the molecular mass, M (H2O) = 18. With a density of 1 g/cm3, n (H2O) = 1 g/cm3 6.023 1023 atoms/mol = 3.31022 H2O/cm3 18 g/molNote that since the water molecule contains 3 atoms, this is equivalent to 9.9 1022 atoms/cm3. 13
  14. 14. Quantum numbers of the Bohrmodel The electron จะมีลกษณะเป็ นทังคลื่น (wave–like) และ ั ้ อนุภาค (particle-like) อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่ กระจายทัวไปรอบๆนิวเคลียส ่ แบบสุ่ม หรือ แบบกลุ่มหมอกของอิเลคตรอน จริงๆ แล้วเราก็ยงบอกไม่ได้ว่าอิเลคตรอนเคลื่อนที่ ั อย่างไร แต่เราจะสามารถพบอิเลคตรอนได้ในระยะที่ห่าง จากนิวเคลียสด้วยรัศมีประมาณ 0.05 – 2 nanometers 14
  15. 15. ‘A wave-mechanic model’ e- N K L Mรูปที่ 2.2 แบบจาลองการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนล้อมรอบนิวตรอน จะมีจานวนวงโคจรจากัดที่สามารถเคลื่อนที่รอบๆนิวเคลียส และวงโคจรเหล่านี้ จะเรียกโดยใช้ เลขควันตัม 15
  16. 16. Quantum numbers ตัวเลขควันตัมหลัก (a principal quantum number) n, เป็ นเลขจานวน นับ หรือ บางครังจะใช้ตวอักษร K, L, M, N, O, P, Q แทน 1, 2, 3, 4, 5, 6, ้ ั 7 Shell (ชันหลัก) ้ ตัวเลขควันตัมที่ 2 The angular momentum, l จะบ่งถึงรูปร่างของ อิเลคตรอนที่อยู่ใน Subshell แต่ละ Subshell จะแทนด้วยตัวอักษรพิมพ์ เล็ก s, p, d, f ทังหมด 4 ชันย่อย ้ ้ ตัวเลขควันตัมที่ 3 the number of energy states, ml จะบ่งถึงระดับ พลังงานของอิเลคตรอน กล่าวคือ ในชัน s มีระดับพลังงานเดียว ส่วน ้ ชัน p, d และ f จะมี 3, 5 และ 7 ระดับพลังงาน ตามลาดับ ้ ตัวเลขควันตัมที่ 4 the projection in a specific direction, ms จะบ่งถึง ทิศทางการหมุนขึน (+½) หรือ ลง (-½) ้ 16
  17. 17. จานวนอิเลคตรอนที่มากที่สด ในระดับพลังงานนันๆ = 2n2 ุ ้เช่น Mg อยู่ในคาบที่ 3 มีเลขอะตอมเท่ากับ 12 ดังนัน ้จะมีจานวนอิเลคตรอนในชัน K, L, M เท่ากับ 2, 8, 2 ตามลาดับ ้ Principal Number Number of Electrons quantum Shell Subshells of energy Per number, n states Per shell Subshell 1 K s 1 2 2 s 1 2 2 L 8 p 3 6 s 1 2 3 M p 3 6 18 d 5 10 s 1 2 p 3 6 4 N 32 d 5 10 f 7 14 17
  18. 18. 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d,7p.รูปที่ 2.3 การจัดเรียงตัวในระดับพลังงานย่อย Subshell ตามลาดับลูกศร 18
  19. 19. จานวน อิเลคตรอน Level of 1s1 ใน subshell นันๆ ้ Subshells SubshellsElement Atomic number Energy Level (n) Electron configuration H 1 1 1s1 He 2 1 1s2 Li 3 2 1s22s1 B 5 2 1s22s22p1 Na 11 3 1s22s22p63s1 3 1s22s22p63s23p64s23 Sc 21 d1 19
  20. 20. แบบฝึ กหัด ให้เขียน Electron configuration ของธาตุต่อไปนี้ N atomic number = 7 (1s 2s 2p ) 2 2 3 Mg atomic number = 12 (1s 2s 2p 3s ) 2 2 6 2 Fe atomic number = 26 1s22s22p63s23p64s23d6 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d,7p. 20
  21. 21.  Mo atomic number = 42 1s22s22p63s23p64s23d104p6 5s2 4d4but the s electron can move to make a half- full orbital, therefore 1s22s22p63s23p64s23d104p6 5s1 4d5Or1s22s22p63s23p63d104s24p6 4d55s11s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d,7p. 21
  22. 22. 22
  23. 23. 23
  24. 24. 24
  25. 25. 2.3 Bonding Forces and Energiesในแต่ละอะตอมมีแรงที่เกิดขึนเรียกว่า The Coulomb ้forces คือแรงดึงดูด(Attraction) ระหว่าง electrons and nucleus,แรงผลัก(Repulsive) ระหว่าง electrons และระหว่าง nucleus 25
  26. 26. 2.3 Bonding Forces and Energies 26
  27. 27.  เมื่ออะตอมเคลื่อนที่เข้าใกล้กน ก็จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างกัน โดย ั แรงระหว่างอะตอมจะเป็ นแรงรวมของแรงทังหมดที่เกิดขึน ้ ้ แรงที่ เกิดขึ้น จึงมีทงแรงดูด (+) และแรงผลัก (-) และจะมีระยะที่ ั้ ทาให้ แรงรวมเท่ ากับ 0 ซึ่ งเป็ นระยะที่ ทงสองอะตอมสามารถอยู่ ั้ ใกล้กนมากที่สด เรียกว่า The equilibrium distance ั ุ + + 27
  28. 28. Attractive force, FA Force, F + Repulsive force, FR Interatomic separation, r ro - ระยะ ro ทาให้แรงรวม(F)เท่ากับ 0 Nett force, FN เป็ นระยะที่ทงสองอะตอมสามารถ ั้ + + อยู่ใกล้กนมากที่สด และมีค่าพลังงาน ั ุ Nett energy, EN เท่ากับ Eo (ต่าทีสุด) อะตอมอยู่ในสภาวะเสถียร ่ -energy, E Repulsive energy, ERPotential Interatomic separation, r Eo + Attractive energy, EA 28
  29. 29. 29
  30. 30. 2.3 Bonding Forces and Energies ‘The Bond Energy, E เป็ นค่าพลังงานที่ ได้จากแรงที่ เกิดขึนเมื่ออะตอมอยู่ห่างกัน ้ ณ ระยะสมดุลย์, ro จะมีค่าพลังงานตาสุด, Eo ซึ่งมีค่า ่ เท่ากับพลังงานที่ใช้ในการแยกอะตอมออกจากกัน (งาน ที่ต้องใช้ในการเอาชนะแรงดึงดูดของพันธะ) ถ้าพลังงานของพันธะมีค่ามาก ก็หมายความว่า เราต้องใช้ พลังงานมากในการแยกอะตอมออกจากกันตามไปด้วย เช่น โลหะที่มีจดหลอมเหลวสูง หรือ การทาให้เป็ นไอที่ ุ อุณหภูมิสง เป็ นต้น ู 30
  31. 31. 2.3 Bonding Forces and Energies โลหะส่วนใหญ่จะมีความหนาแน่ นอะตอม ประมาณ 6 1022 atoms/cm3 ซึ่งหมายความว่า ความยาว 1 cm จะมีจานวน อะตอมเรียงต่อกันประมาณ 39 ล้านอะตอม และระยะห่างระหว่างอะตอมประมาณ 0.25 nm 31
  32. 32. Figure 4. An atomic resolution TEM image of Si/TbSi2/Siheterostructure with simulated images pasted for direct comparison. www.tms.org/pubs/journals/JOM/0509/fig4.large.gif 32
  33. 33. 2.4 Primary Interatomic Bonds 1. Ionic Bond 2. Covalent Bond 3. Metallic Bond 33
  34. 34. Ionic bond คือพันธะหลักที่เกิดจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้ าสถิตของประจุที่ต่างขัว ้ กัน เป็ นพันธะที่ไม่มีทิศทางที่แน่ นอน เป็ นพันธะที่แข็งแรงเนื่ องจาก เป็ นแรงดึงดูดระหว่างประจุโดยตรง (Coulomb attraction) เช่นผลึก ของ NaCl (Na+, Cl-) N N N N Cl Na Cl- Na+ 34
  35. 35. Ionic bond เป็ นพันธะที่เกิดกับธาตุที่มีค่าอิเลคโตร เนกาติวิตี้ต่างกันค่อนข้างมาก และมักมีขนาดของอะตอมที่แตกต่าง กันด้วย ดังนันจึงต้องมีการจัดเรียง ้ ตาแหน่ งอะตอมในตาแหน่ งที่แน่ นอน เพื่อความเป็ นกลางทางไฟฟ้ า คุณสมบัติ  แข็ง, เปราะ  จุดหลอมเหลวสูง 35
  36. 36. Covalent bond คื อพัน ธะหลัก ที่ เ กิ ด จากอะตอมที่ มี อิเ ลคตรอนไม่ เ ต็ม วง นอกสุดมาทับกันและใช้อิเลคตรอนร่วมกัน จะเป็ นพันธะที่ มีทิศทางที่ แน่ นอน เช่นพันธะของ ceramics, เพชร เป็ น ต้น N N 1+ 7+ 1+ 1+ 7+ 1+ H H H H 1+ H 1+ H 36
  37. 37. Covalent bondSome Common Features of Materials with CovalentBonds:  Hard  Good insulators  Transparent  Brittle or cleave rather than deform 37
  38. 38. Covalent bond 38
  39. 39. Covalent bond 39
  40. 40. Covalent bond 40
  41. 41. Figure 3.2 Basic Si-0 tetrahedron in silicate glass. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé 41
  42. 42. Metallic bond เป็ นพันธะหลักของโลหะ อะตอมของโลหะจะมีอิเลคตรอน ที่ ถู ก ไอออไนซ์ (ถู ก ดึ ง อิ เลคตรอนออกไป) ท าให้ อิ เ ลคตรอนหลุ ด ออกจากชัน พลัง งาน แต่ อิ เ ลคตรอน ้ เหล่านันก็จะรวมตัวกันเหมือน ้ ‚An electron cloud‛ หรือ กลุ่มหมอกอิเลคตรอนที่ มีประจุลบ และเคลื่อนที่ ได้ อิสระล้อมรอบแกนไอออนบวก และทาให้นิวเคลียสเกาะ กัน อยู่ ได้ การเคลื่ อนที่ ข องอิ เ ลคตรอนจะไม่มี ทิ ศ ทางที่ แน่ นอน 42
  43. 43. Metallic bond Free Valence ElectronSome Common Features of Materials with MetallicBonds:  Good electrical and thermal conductors due to their free valence electrons  Opaque(ทึบแสง)  Relatively ductile 43
  44. 44. 2.5 Crystal StructuresMolecular structure Crystal structure Amorphous structure 44
  45. 45. 2.5 Crystal Structures What is the Structure of Materials?ลักษณะโครงสร้างของแข็ง แบ่งได้ 3 แบบ1. Molecular structure: อะตอมจับกันเป็ นโมเลกุล ได้แก่ สารประกอบและวัตถุที่ไม่ใช่โลหะ2. Crystal structure: อะตอมจับกันเป็ นผลึก ได้แก่ โลหะบริสทธ์ ิ และโลหะผสม ที่เป็ นของแข็ง ุ3. Amorphous structure: ไม่มีรปแบบที่ แน่ นอน ู เช่น แก้ว ของเหลว 45
  46. 46. ระด ับของโครงสร้างถ้าเราจะแบ่งระดับโครงสร้างของโลหะของแข็ง จะสามารถแบ่งได้เป็ น 4 ระดับ คือ 1. Atomic structure โครงสร้างอะตอม (หัวข้อ 2.1) 2. Crystal structure โครงสร้างผลึก 3. Microstructure หรือโครงสร้างที่ปรากฎผ่านกล้อง จุลทรรศน์ 4. Macrostructure เป็ นโครงสร้างของวัสดุที่มองเห็นด้วย ตาเปล่า 46
  47. 47. ระด ับของโครงสร้าง1. Nanostructure  Nano-sized particles (5–10 nm) of iron oxide are used in ferrofluids or liquid magnets.  These nano-sized iron oxide particles are dispersed in liquids and commercially used as ferrofluids.  An application of these liquid magnets is as a cooling (heat transfer) medium for loudspeakers. 47
  48. 48. ระด ับของโครงสร้าง 2. Microstructure  The mechanical strength of many metals and alloys depends very strongly on the grain size.  The grains and grain boundaries in this accompanying micrograph of steel are part of the microstructural features of this crystalline material.  In general, at room temperature a finer grain size leads to higher strength.  Many important properties of materials are sensitive to the microstructure. 48
  49. 49. ระด ับของโครงสร้าง 3. Macrostructure  Magnitude < 10 เท่า  เห็นภาพรวมของโครงสร ้างทังหมด ้  แสดงความแตกต่างของโครงสร ้าง เกรนยาวจากการรีด 49
  50. 50. How is Crystal structure formed? โครงสร้ า งผลึ ก เกิ ด จากการที่ อ ะตอมจับ ตัว กัน โดย พันธะ และจัดเรียงตัวของอะตอมเป็ นผลึกรูปทรงทาง เรขาคณิตที่แน่ นอน และมีสมมาตร Z Y X 50
  51. 51. กล้องจุลทรรศน์แบบแสงMicrostructure โครง ส ร้ า ง ที่ ป รา ก ฎ ผ่ า น ก ล้ อ ง จุ ล ท ร ร ศ น์ เ ป็ น โครงสร้ า งที่ เกิ ดจากการ รวมกันของหลายๆ ผลึกเกิด เป็ นโครงสร้ า งจุ ล ภาคของ วัส ดุ ซึ่ ง จะมี ค วามแตกต่ า ง กัน ขึ้ น อยู่ก ับ กระบวนการ ผลิต 51
  52. 52. รีดร้อน หล่อขึนรูป ้ตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคของอะลูมิเนี ยมที่ผานกระบวนการผลิตต่างกัน ่ อบและเย็นตัว 52
  53. 53. •โครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง •โครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง•รีดร้อน •ชุบแข็ง (อบและให้เย็นตัวเร็ว)•โครงสร้างเฟอร์ไรท์และเฟอรไรท์ •โครงสร้างจุลภาค เรียกว่า มาเทนไซท์•มีความแข็งปานกลาง •มีความแข็งสูง•มีความยืดหยุ่นปานกลาง •มีความยืดหยุ่นตา่•การใช้งาน เช่น งานโครงสร้างทัวไป ่ •การใช้งาน เช่น เฟื อง 53
  54. 54. กล้อง Scanning electron microscopeเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์ แบบส่องกวาดโดยใช้ลาอิเลคตรอนที่มีความยาวคลื่นสัน้มีกาลังขยายสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์ แบบแสง 54
  55. 55. www.nobleprize.org ภาพแสดงโครงสร้างจุลภาค จากกล้อง transmission electron microscope เป็ นกล้องที่ใช้ ลาอิเลคตรอนที่มีความถี่สง ความยาวคลื่นตา ู ่ ทาให้สามารถมองเห็นวัสดุที่มีขนาดเล็กได้ และมีกาลังขยายสูงErnst Ruska, Gerd Binnigและ Heinrich Rohrer ได้รบรางวัลโนเบล สาขาฟิสกส์ จากการสร้างกล้องจุลทรรศน์อเิ ลคตรอน ในปี ค.ศ. 1986 ั ิ 55
  56. 56. Macrostructure เป็ นโครงสร้างของวัสดุที่มองเห็นด้ วยตาเปล่ า เช่ น รอยรีดเย็น, เกรนที่ ใหญ่มากๆ หรือจุดบกพร่องของ ชิ้นงาน เป็ นต้น รูพรุน ทิศทางการไหลของเกรน * เน้ น โครงสร้างผลึก และโครงสร้างจุลภาค 56
  57. 57. การเกิดผลึกของของแข็งCrystalline Solid Formation วัสดุทุก ชนิดจะเกิด จากการจับ ตัว กัน ของอะตอมโดยพันธะ เช่น ionic, covalent หรือ metallic bonding ของแข็งที่อะตอมจับกันเป็ นผลึก เรียกว่า Crystalline solid เช่นโลหะ เซรามิก และ โพลิเมอร์บางชนิด ของแข็งที่ ไม่มีผลึ ก เรียกว่า Non-crystalline solid or Amorphous ซึ่ งจะเป็ นแค่ การรวมกลุ่มของอะตอม หรือ โมเลกุลโดยไม่มีโครงสร้างที่แน่ นอน 57
  58. 58. Mechanism of Crystallisation  ใน โลหะที่ อ ยู่ ใ นสภาวะหลอมเหลว การจับ กัน ของ อะตอมจะมีลาดับสันๆ ไม่ต่อเนื่ อง (short-range order) ้ หรือไม่มีลาดับ (disordered)  การเกิดพันธะและแยกจากกันของอะตอมเป็ นเกิดแบบ สุ่ม (random) และเกิดได้ตลอดเวลา เนื่ องจากมี พลังงานกระตุ้นสูง (เนื่ องจากอุณหภูมิสง) ู 58
  59. 59. พลังงานของอะตอมจะมีอยู่ 2 ประเภท คือ  Kinetic energy เป็ นพลังงานจลน์ สัมพันธ์กบ ั ความเร็ว ที่ อ ะตอมเคลื่ อ นที่ และแปรผัน ตรงกับ อุณหภูมิ  Potential energy เป็ นพลังงานแฝงที่ สะสมอยู่ภายใน เมื่ออะตอมอยู่ห่างกัน ก็จะมีพลังงานชนิดนี้ มากขึน ้ ในสถานะของเหลว อะตอมจะมีค่าพลังงานทังสองสูง ้ 59
  60. 60. เมื่ อ อุ ณ หภูมิ ล ดลงต่า กว่ า จุ ด แข็ง ตัว ของโลหะนันๆ และเริ่มเปลี่ยนสถานะเป็ นของแข็ง พลังงานจะ ้ตาลง ่ อะตอมจะต้องคายพลังงานแฝง ที่ เรียกว่า ‚Latentheat of fusion‛ ออกมาเพื่อให้เกิดพันธะระหว่างอะตอม เพื่อเกิดเป็ นนิวคลีอาย (Nuclei formation)และ เจริญไปเป็ น นิวเคลียส 60
  61. 61.  จากนั น ้ นิ วเคลี ย สที่ เ กิ ด ขึ้น จากการรวมตัว ของอะตอม เพียงไม่กี่อะตอม จะเริ่มขยายตัวโดยการจับกับอะตอมที่ อยู่ถดออกไป เกิดการเรียงตัวกันเป็ นแนว (lattice) สาม ั มิติ มี ร ะยะห่ า ง และต าแหน่ ง ของอะตอมที่ แ น่ น อนตาม แนวแกนของผลึก z z y x y x 61
  62. 62.  A unit cell ซึ่งเป็ นหน่ วยที่ สมบูรณ์ และเล็กที่ สุดของผลึก (Crystal) ที่สามารถจาลองการจัดเรียงตัวของอะตอมทัง ้ ผลึก ที่มีรปทรงที่แน่ นอน ู A unit cell Crystal 62
  63. 63.  ผลึกจะเจริญขึ้นเรื่อยๆ และหยุดการเติบโต เมื่อไปชน กับผลึกอื่นที่ มีทิศทางการจัดเรียงตัวอะตอมที่ ต่างกัน ผลึ ก ที่ ห ยุ ด การเจริ ญ เติ บโตแล้ ว ก็ อ าจจะเรี ย กว่ า ‚เกรน‛ (grain) บริเวณรอยต่ อที่ ผลึกชนกับผลึกอื่ น จะเรียกว่า ‚ขอบ เกรน‛ (grain boundary) จากนั ้น หลาย ๆ เกรนรวมกัน เป็ นของแข็ง และจะ เรียกว่าเป็ น ‚Polycrystalline solid‛ 63
  64. 64. SummaryNuclei Nucleus  Lattices Crystals (Grains) Crystalline Solid 64
  65. 65. (a) Photograph of a silicon single crystal. (b) Micrograph of a polycrystalline stainless steel showing grains and grain boundaries (Courtesy Dr. M. Hua, Dr. I. Garcia, and Dr. A.J. Deardo.)The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé 65
  66. 66. 2.6 ระบบผลึก (Crystal Systems)โดยทัวไปการจัดเรียงตัวของอะตอมจะมีภายใต้กฎเกณฑ์ดงนี้ ่ ั1. เพื่อให้ผลึกมีพลังงานต่อหน่ วยปริมาตรน้ อยที่ สด ุ2. มีสภาวะเป็ นกลางทางไฟฟ้ า3. มีทิศทางสัมพันธ์กบ Covalent bond ที่ เกิด ั4. มีแรงผลักระหว่างประจุน้อยที่ สดุ5. อะตอมอยู่ชิดกันมากที่ สดเท่าที่ จะทาได้ (Close-packed) ุ แต่ต้องเป็ นไปตามข้อ 2 ถึง 4 66
  67. 67. 2.6 ระบบผลึก (Crystal Systems) ระบบผลึก (Crystal systems) จะมีอยู่ด้วยกัน 7 แบบ โดย พิจารณาจากความสมมาตรของรูปทรง แต่ ล ะระบบผลึ ก จะแบ่ง ต่ อ ไปได้ อี ก เป็ น 14 โครงสร้ า ง (Crystal structures) ตามการจัดเรียงตัวของอะตอม โครงสร้ า งผลึ ก จะมี ค วามสั ม พั น ธ์ อ ย่ า งใกล้ ชิ ดกั บ คุณสมบัติ เช่ น ความแข็งแรง การทนความร้อน ความ ยากง่ายในการขึนรูป เป็ นต้น ้ 67
  68. 68. Unit cell Z c   b Y a  X 68
  69. 69. Crystal system Crystal structure1 Cubic2 Tetragonal3 Rhombohedral4 Hexagonal 69
  70. 70. AuCubcc Tetragonal 70
  71. 71. Crystal system Crystal structure5 Othorhombic6 Monoclinic7 TriclinicSource: http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_system 71
  72. 72. Othorhombic Triclinic Monoclinic 72
  73. 73. www.seas.upenn.edu/~chem101/sschem/bravais.gif 73
  74. 74. 2.7 โครงสร้างผลึกของโลหะMetallic Crystal StructureThere are 3 common crystal structures of metals1. Body centered cubic structure-BCC2. Face centered cubic structure-FCC3. Hexagonal closed packed structure - HCP 74
  75. 75. 1. The body-centered cubic structure(bcc) พบใน barium, lithium, iron and tungsten เป็ นต้น จะมี 1 อะตอมอยู่ ต รงกลาง และเรี ย งเป็ นเส้ น ตรงแนว ทะแยงมุมกับอะตอมที่ อยู่มุม ทั ง 8 และต่ อ ออกไปทั ว ทั ง ้ ่ ้ ผลึก ซึ่ งเป็ นทิศทางที่ อะตอม อยู่ชิดกันมากที่สด ุ a 75
  76. 76. กาหนดให้ a = lattice constant and R = atomic radius √2aจะได้ความสัมพันธ์ √3 a = 4R √3aจานวนอะตอมใน 1 unit cell มุมทัง 8 = (1/8) × 8 = 1 atom ้ จุดกลาง =1 atom a รวม 2 อะตอม 76
  77. 77. 2. The face-centered cubic structure(fcc) พบใน copper, aluminium, silver and gold เป็ นต้น จะมีอะตอมอยู่ที่มมทัง 8 และที่ ุ ้ จุดกลางของด้านทัง 4 ้ อะตอมจะสัมผัสกันในแนว ทแยงมุมของด้านทัง 6 ของ ้ cubic 77
  78. 78. จาก a unit cellอะตอมจะสัมผัสกันในแนว ทแยงมุมของด้าน จะได้ √2 a =4R √2aจานวนอะตอมใน 1 unit cell• มุมทัง 8 = (1/8) × 8 = 1 atom ้• ด้านทัง 6 = (1/2) × 6 = 3 atom ้ a• รวม 4 อะตอม 78
  79. 79. 3. The hexagonal close-packed structure (hcp)พบใน magnesium, titaniumand zinc เป็ นต้นระนาบบนและล่างจะมีอะตอมอยู่ชิดกันเป็ นรูปหกเหลี่ยม cและจุดกลางของระนาบระนาบกลางจะมี 3 อะตอมFor ideal hcp , c/a = 1.633 a 1 unit cell of hcp มี 6 อะตอม 79
  80. 80. √2 a√3aa 80
  81. 81. Atomic packing factor (APF) If the atoms in a unit cell considered as a spherical therefore, APF = Volume of atoms in unit cell Volume of unit cell In bcc, APF = 0.68 In fcc and hcp, APF = 0.74 81
  82. 82. แบบฝึ กหัด Calculate the lattice constant (a) for BCC structure of the iron unit cell with atomic radius R=0.124 nm Lead has a FCC crystal structure, an atomic radius of 0.175 nm. Compute the volume of Lead atoms in a unit cell 82
  83. 83. 2.8 ทิศทางของผลึกCrystallographic Directions เป็ นเวกเตอร์บงบอกทิศทางในผลึก ใช้แทนโดย [uvw] ซึ่ง ่ จะเป็ นตัวเลขนับ(integer number) ที่น้อยที่สดที่ฉาย ุ (projection) ของแกน x, y and z ใน unit cell ทิศทางที่ เป็ นลบ จะมีขีดอยู่ข้างบน เช่น [100] จะตรงข้าม กับ [100] [001] Z [111] Y [010] [100] X 83 [110]
  84. 84. Z [001] [111] 000 Y [010] X [110][100] 84
  85. 85. วิธีการหาทิศทางของผลึก1. กาหนด coordinate ของจุดเริ่มต้น(x1,y1,z1) และ สิ้นสุด ของทิศทาง (x2,y2,z2)2. ใช้ coordinate ปลายทาง ลบด้วย coordinate ต้นทาง (x2,y2,z2) - (x1,y1,z1)= (x2-x1), (y2-y1), (z2-z1)3. หากมีเศษส่วน ทาให้เป็ นเลขจานวนเต็มที่มีค่าน้ อย4. ได้ดชนี [uvw] ไม่ต้องมีคอมม่าคัน หากค่าเป็ นลบให้ ั ่ เขียนไว้ด้านบนตัวเลขนัน ้ 85
  86. 86. z h d gh = [011] c f oa = [100] cd=fh = [100] g y ob = [110] oe = [120] o 1/2 e oc = [111] of = [101] a bx oe ระยะฉายบนแกน X Y Z คือ (½ , 1, 0) ×2 ทุกค่ า เพือทาให้ เป็ นเลขจานวนเต็มทีน้อยทีสุด ่ ่ ่ จะได้ ดชนี [120] ั 86
  87. 87.  ทุก direction vectors ที่ขนานกันจะสามารถใช้ดชนี แทน ั กันได้เพราะจุดเริ่มต้นสามารถเปลี่ยนได้ ถ้าระยะห่างระหว่างอะตอม (atom spacing) ในทิศที่ ขนาน กับทิศทางเวกเตอร์นันเท่ากัน เราจะถือว่าทิศทางเวกเตอร์ ้ นันๆเท่ากัน เช่น ในทิศทางของขอบผลึก (cubic edge) ้ Family System <100> = [100],[010],[001],[100],[010],[001] <110> = ทิศทางทแยงด้านทัง 6 (cubic face diagonals) ้ <111> = ทิศทางทแยงมุมทัง 4 (cubic body diagonals) ้ 87
  88. 88. 2.9 ระนาบผลึกCrystallographic planes Miller* indices is ‘ the reciprocals (ส่วนกลับ) of the fractional intercepts (เศษส่วนของส่วนตัด) which the plane makes with the crystallographic x, y and z axes of the three nonparallel edges of the cubic unit cell’ For cubic plane ใช้สญลักษณ์ (hkl) for x, y and z axes ั* William Hallowes Miller (1801-1880) 88
  89. 89. การหาค่าดัชนี มิลเลอร์1. ่ เลือกระนาบที่ไม่ผานจุด (000)2. หาจุดตัดบนแกนทัง 3 ของระนาบนัน ซึ่งอาจจะเป็ น ้ ้ เศษส่วนก็ได้แล้วกลับเศษเป็ นส่วน3. คูณค่าทังสามที่ได้ด้วยค่า ค.ร.น ก็จะได้ค่าดัชนี ของ ้ ระนาบ z จากรูป จุดตัดแกน X, Y, Z คือ 1, ,  0 ดังนัน กลับเศษส่วน ได้ 1, 0, 0 ้ y ดัชนี ระนาบแรเงา คือ (100) (100) 89 x
  90. 90. z จากรูป จุดตัดแกน X, Y, Z คือ 1, 1,  (110) ดังนัน กลับเศษส่วน ได้ 1, 1, 0 ้ y ดัชนี ระนาบแรเงา คือ (110)x (111) z จากรูป จุดตัดแกน X, Y, Z คือ 1, 1, 1 ดังนัน กลับเศษส่วน ได้ 1, 1, 1 ้ y ดัชนี ระนาบแรเงา คือ (111)x 90
  91. 91. z ½ จากรูป ½ จุดตัดแกน X, Y, Z คือ ½ , ½ ,  ดังนัน กลับเศษส่วน ได้ 2, 2, 0 ้ y ดัชนี ระนาบแรเงา คือ (220) ทาให้เป็ นจานวนเต็มน้ อยที่สด ได้ (110) ุx z จากรูป จุดตัดแกน X, Y, Z คือ  , 1 , 1 ดังนัน กลับเศษส่วน ได้ 0, 1, 1 ้ y ดัชนี ระนาบแรเงา คือ (011)x 91
  92. 92. z กลับเศษส่วน เพือหาจุดตัดบนแกน X Y Z ่ (121) ดัชนี (121) กลับเศษส่วน ได้ 1 ½ 1 ½ Plot on the unit cell yx z กลับเศษส่วน เพือหาจุดตัดบนแกน X Y Z ่ (121) ดัชนี (121) กลับเศษส่วน ได้ 1 -½ 1 -½ 000 y Plot on the unit cellx 92
  93. 93. 93
  94. 94. 94
  95. 95. 95
  96. 96. For hexagonal plane indices called Miller-Bravais indices Direction ใช้แทนโดย [uvtw],t=-(u+v) Plane ใช้แทนโดย (hkil), i=-(h+k) c (0001) a3 a2 a1 96
  97. 97. Closed-packed crystal structureเป็ นระนาบในผลึกที่ อะตอมอยู่ชิดกันมากที่สด ุใน fcc คือ octahedral plane(ถ้าเราเอาอะตอมที่ อยู่ที่มุมออกไป 1 ตั ว ) หรื อ (111)planeใน hcp คือ (0001) plane Close-packed direction 97
  98. 98. A B Cการจัดเรียงตัวของอะตอมใน The hexagonal close-packed structure 98
  99. 99. 2.10 Density Computations2.10.1 ความหนาแน่ นเชิงปริมาตร ความหนาแน่ นของโลหะ () สามารถประมาณได้ จากความหนาแน่ นของ the unit cell ของธาตุนันๆ ้ สามารถคานวณได้จาก นามวลของอะตอมทังหมด ้ หารด้วยปริมาตรของ 1 unit cell ถ้ามวลของอะตอม, A มีหน่ วยเป็ น amu, เราต้อง นามาหารด้วย the Avogadro number เพื่อที่จะได้มวล อะตอม Matom ดังนี้ 99
  100. 100. nA  VC N An= จานวนอะตอมใน 1 unit cellA= มวลอะตอม (amu)VC = the volume of the cellNA= the Avogadro number = 6.023  1023 atoms/mol 100
  101. 101. Example Determining the Density of BCC Iron Determine the density of BCC iron, which has a lattice parameter of 0.2866 nm. Example 3.4 SOLUTION Atoms/cell = 2, a0 = 0.2866 nm = 2.866  10-8 cm Atomic mass = 55.847 g/mol 3 Volume of unit cell = a0 (2.866  10-8 cm)3 = 23.54  10-24 = cm3/cell Avogadro’s number NA = 6.02  1023 atoms/mol (number of atoms/cell )(atomic mass of iron) Density   (volume of unit cell)(Avogadro s number) (2)(55.847)    24  7.882 g / cm 3 (23.54  10 )(6.02  10 ) 23The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé 101
  102. 102. 2.10.2 ความหนาแน่ นเชิงระนาบเป็ นความหนาแน่ นของอะตอมในระนาบต่างๆ สามารถคานวณได้ จากสมการดังต่อไปนี้ n p  A สมการ 2.7เมื่อ n = จานวนอะตอมในระนาบ, A คือ พืนที่หน้ าตัด ้2.10.3 ความหนาแน่ นเชิงเส้นเป็ นความหนาแน่ นของอะตอมในทิศทางต่างๆ ในโครงสร้างผลึก สามารถคานวณได้จากสมการดังต่อไปนี้ n สมการ 2.8 l  lเมื่อ n = จานวนอะตอมที่ถกตัดผ่านในทิศทางนันๆ, l คือ ความยาว ู ้ 102
  103. 103.  แบบทดสอบที่ 1 เรื่อง ทิศทาง และระนาบผลึก 15 นาที 103
  104. 104. ทบทวน What is the structure of materials? How is the crystal structure created? What are the three major crystal structures? 104
  105. 105. Crystal Imperfection1. ถ้าในโครงสร้างผลึก มีอะตอมบางตัวหายไป จะเกิด อะไรขึน? ้2. ถ้าในโครงสร้างผลึก มีอะตอมเกินจานวนสมดุล จะเกิด อะไรขึน?้ 105
  106. 106. ให้นักศึกษาอภิปรายว่า พลังงานของผลึกในรูป จะสูงขึน หรือ ลดลง ? ้ ถ้า1. อะตอมสีเขียวหายไป และเกิดเป็ นช่องว่าง ตรงกลาง2. ถ้ามีอะตอมสีแดง เพิ่มขึนจาก 6 เป็ น 7 ้ อะตอม 106
  107. 107. Crystal Imperfection โครงสร้างผลึกที่กล่าวใน 2.7 เป็ นโครงสร้างที่สมบูรณ์ แต่ โ ดยทัว ไปแล้ ว ่ โครงสร้ า งผลึ ก ของวัส ดุใ นธรรมชาติ มักจะไม่สมบูรณ์ ซึ่ งความไม่สมบูรณ์ นี้ จะมีอิทธิพลต่ อค่ าพลังงานของผลึก และคุณสมบัติของผลึก 107
  108. 108. ตารางเปรียบเทียบลักษณะผลึก A perfect crystal An imperfect crystal มีการสับเปลี่ยนตาแหน่ ง  อะตอมจะเรียงตัวใน อะตอม ตาแหน่ งของตนเอง อะตอมหายไปจากตาแหน่ ง  ทุกๆตาแหน่ งอะตอม จะมี มีการกระโดดของ อะตอมปรากฎ อิเลคตรอนโดยระดับ  อะตอมจะมีอิเลคตรอนครบ พลังงานที่สงกว่า ู เท่าที่จะมีได้ ในระดับ อะตอมมีการเคลื่อนไหว พลังงานที่ตาสุด ่ หรือสันสะเทือน ่  อะตอมไม่มีการเคลื่อนที่ 108
  109. 109. Type of Defects Defects ที่เกิดขึนจะถูกแบ่งโดยขนาด ซึ่งได้แก่ ้ 1. Point defects (1 or 2 atomic positions) 2. Line defects ( 1-dimensional defects) 3. Planar defects (2-dimensional defects) 109
  110. 110. 1. Point Defects1.1 Vacancy: ช่องว่างในผลึกคือ การที่ อะตอมหายไปจากตาแหน่ ง จะเกิดขึ้นระหว่างการ เย็นตัว หรือ เกิดจากการสันสะเทือนของอะตอมเมื่อได้รบ ่ ั ความร้อนในระหว่างกระบวนการผลิต อะตอมที่ หลุดออกมาอาจจะไปแทรกอยู่ระหว่ างอะตอม อื่น (Self-Interstitial) Self-Interstitial vacancy 110
  111. 111. การหาจานวนช่ องว่างของอะตอมในผลึกถ้ า ใ ห้ n เ ท่ า กั บ จ า น ว น ช่ อ ง ว่ า ง ที่ มี ไ ด้ ณ ที่ ภ า ว ะ equilibrium (สมดุล), ดังนันเราสามารถคานวณได้ว่า ้  ED  n  N exp    kT  N= จานวนอะตอมในผลึก T= อุณหภูมิ Kelvin k= ค่าคงที่ 111
  112. 112. 1.2 Impurities อะตอมปลอมปนในของของแข็ง ในทางปฏิ บัติ การที่ เ ราจะท าให้ โ ลหะมี ค วามบริ สุ ท ธ์ ิ มากกว่า 99.999% เป็ นไปได้ยากมาก ที่ ความบริสุทธ์ ิ 99.999% ใน 1 ลูกบาศก์เมตร จะมีอะตอม ของสิ่งเจือปนประมาณ 1022 – 1023 อะตอม ซึ่งจะอยู่ใน รูปของสารละลายของแข็ง (solid solution): กล่าวคือ อะตอมของธาตุหลัก และธาตุเจือปน จะผสมกันโดยที่ ไม่ เกิดเป็ นโครงสร้างใหม่ และไม่ทาให้ โครงสร้างผลึกของ โลหะหลักเสียรูปทรง 112
  113. 113. ตาแหน่ งของอะตอมแปลกปลอมได้แก่ Substitutional atom อะตอมแปลกปลอมที่ มีขนาด ใกล้เคียงกับอะตอมหลักจะเข้ามาแทนที่ Interstitial atom อะตอมแปลกปลอมที่มีขนาดเล็ก กว่าจะเข้ามาแทรกอยู่ระหว่างอะตอมหลัก Substitutional Interstitial atom atom 113
  114. 114. The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé 114
  115. 115. 2. Line Defects เป็ นความบกพร่องแบบเส้น ซึ่งเรียกว่า ‚Dislocation‛ ในระหว่างการเย็นตัว (solidification) บางระนาบ อะตอมจะมี lattice สันกว่าระนาบอื่น เข้ามาแทรก ้ ระหว่างระนาบอะตอม เป็ นสาเหตุทาให้ ผลึกเกิดการ บิดเบี้ยวในระยะรัศมีสนๆ รอบแกนนันๆ ั้ ้ Dislocation จะมีอยู่ 2 แบบ คือ Edge Dislocation Screw Dislocation 115
  116. 116. 2.1 Edge Dislocation เ ป็ น จุ ด บ ก พ ร่ อ ง แ บ บ เ ส้ น ที่ เ มื่ อ ม อ ง ผ่ า น ก ล้ อ ง อิ เลคตรอนก าลัง ขยายสู ง จะมองเห็ น แกนกลางเป็ น เส้นตามแนวยาว (เรียกว่า dislocation line: จะตังฉากกับ ้ กระดาษ) และเป็ นจุดตามแนวขวาง CompressionShear Shear Tension ภาคตัดตามขวาง 116
  117. 117. 3D Symbols2D Symbols 117
  118. 118.  ถ้าผลึกที่ มี Edge dislocation ได้รบความเค้นเฉื อน , ั จะเกิดการเลื่อนของอะตอมและจัดเรียงตัวใหม่ ระนาบที่ เลื่อนไถล จะเรียกว่า ‚Slip plane‛ ทิศทางที่ ระนาบอะตอมเลื่ อนไถลไปเรียกว่า ‚Burgers Vector‛ แทนด้วย b b จะตังฉากกับ dislocation line ้ 118
  119. 119.  3 2 1 3 2 1 Slip Plane 4 5 4 5(a) (b) (c)  (d) 3 2 1 3 2 1 Slip Plane b 4 5 b 4 5 119 
  120. 120. การเลื่อนไถลของระนาบอะตอมเมื่อได้รบความเค้นเฉื อน ั 120
  121. 121.        121
  122. 122. 2.2 Screw dislocationเกิดการบิดของแนวอะตอม ทาให้อะตอม เรียงตัวเหมือนเกลียว ทิศทางการไถล ของระนาบ หรื อ b จะขนาน กั บ dislocation line b Mixed dislocation จะเกิดเป็ นเส้นโค้ง เนื่ องจากการผสมกัน ระหว่ า ง edge and screw dislocations มุมระหว่าง b กับ dislocation จะอยู่ระหว่าง 0-90 องศา 122
  123. 123. Edge Screw 123
  124. 124. 2.3 Mixed dislocation จะเป็ นจุดบกพร่องแบบเส้นที่ มกจะเกิดเป็ นเส้นโค้ง ั เนื่ องจากการผสมกันระหว่าง Edge and Screw dislocations มุมระหว่าง b กับ dislocation จะอยู่ระหว่าง 0-90 องศา 124
  125. 125. 2.4 Dislocation energy, Eเป็ นพลังงานต่อความยาวหนึ่ งหน่ วย ของ dislocationเนื่ องจาก การบิด เบี้ยวของระนาบอะตอมท าให้ ผลึ ก มี พลังงานสะสมสูงขึน้ Gb2 r Gb 2 r Es  ln Ee  ln 4 ro 4 (1   ) ro Screw disln Edge dislnr = รัศมีของการเบียวของระนาบอะตอม ้ค่า ของโลหะส่วนมาก ~ ⅓ ดังนัน Ee  1.5Es ้ 125
  126. 126. 3. Planar defectsความบกพร่ อ งแบบระนาบ ได้ แ ก่ ขอบเกรน (grain boundary) และ twin boundary ขอนเกรน คื อ ผิวสัมผัสระหว่างผลึกที่ มีทิศต่ างกัน (different orientation) จะทามุม  ระหว่างกัน พลังงานที่ เกิดขึ้นที่ ขอบเกรนจะแปรผันตรงกับ  และ จะเข้าสู่ค่าคงที่เมื่อ  >30 ° 126
  127. 127. schematic of a grain boundary  Vacancy Grain boundary 127
  128. 128.  < ~12° เรียกว่า ‘Low-angle boundary’ (พลังงานตา) ่  ≥ ~12° เรียกว่า ‘High-angle boundary’ (พลังงานสูง) สามารถมองเห็นผ่านกล้องจุลทรรศน์ ใน high-angle boundary อะตอมที่ อยู่ตามแนวขอบ เกรน จะไม่ได้เป็ นของเกรนใดเกรนหนึ่ ง Edge dislocation ที่ อยู่บริเวณขอบเกรนจะไม่เคลื่อนที่ ส่งผลให้พลังงานที่ขอบเกรนสูง 128
  129. 129. Twinning Twin boundary จะเป็ นระนาบแบ่งผลึกที่ มีการจัดเรียง ตัวเหมือนกับเป็ นเงาในกระจกของผลึกตรงข้าม เกิดระหว่างการเกิดผลึก หรือการเลื่อนไหลของ dislocation เมื่ออยู่ภายใต้แรงเค้น Twinning plane 129
  130. 130. สรุป โครงสร้างผลึก โครงสร้างผลึกของวัสดุแบ่งได้เป็ นกี่ระบบ และ กี่แบบอะไรบ้าง การจัดเรียงตัวอะตอมในผลึก BCC มีลกษณะอย่างไร ั การจัดเรียงตัวอะตอมในผลึก FCC มีลกษณะอย่างไร ั การจัดเรียงตัวอะตอมในผลึก HCP มีลกษณะอย่างไร ั ใน 3 แบบ ข้างต้น ผลึกที่ มีความหนาแน่ นของอะตอมน้ อยที่ สดุ คือ ความไม่สมบูรณ์ ของผลึก มีอะไรบ้าง และ ส่งผลต่อพลังงานและ โครงสร้างผลึกอย่างไร Tutorial 130
  131. 131. ทบทวน 131
  1. A particular slide catching your eye?

    Clipping is a handy way to collect important slides you want to go back to later.

×