<font color= : Thummech.com

53 สเปซแลตทีซ ซีพีเฮช, บีซีที, โครงสร้างสเปซแลตทีซในเหล็ก

แม้ว่าโครงสร้างหน่วยเซลล์ของโลหะทั่วไป จะเป็นแบบลูกบาศก์ก็ตาม แต่ยังมีโครงสร้างผลึกโลหะอีกรูปแบบหนึ่งที่มีรูปแบบ ลูกบาศก์หกเหลี่ยม (Hexagonal) หน่วยเซลล์แบบซีพีเฮช หรืออะตอมวางอยู่ในลูกบาศก์หกเหลี่ยมชิดกันหนาแน่น

โครงสร้างของอะตอม ค่อนข้างจะแตกต่างจากบีซีซี และเอฟซีซี ที่มีโครงสร้างเป็นสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ เป็นรูปแบบที่มีความเปราะบางมาก มักพบในโลหะที่มีความยืดตัวได้น้อย

หน่วยเซลล์ของซีพีเฮช ประกอบไปด้วยอะตอม 17 อะตอม โดย อะตอม 7 ตัวอยู่ด้านที่เป็นหกเหลี่ยมทั้งด้านบน และด้านล่าง และอีก 3 ตัวอยู่ที่กึ่งกลางของโครงสร้าง ดังรูปด้านล่าง

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

แต่เมื่อหน่วยเซลล์ของซีพีเฮช หลายหลายหน่วยเซลล์มารวมกันเป็นสเปซแลตทิซแล้ว อะตอมจะแชร์กันไม่ใช่ 17 ตัวเหมือนแบบหน่วยเซลล์เหมือนเดิมแล้ว เมื่ออยู่ในรูปของสเปซแลตทิซ จะเป็นดังรูป

อะตอม 1 ตัวมีหน่วยเซลล์ซีพีเฮชใช้ร่วมกัน= 6 หน่วยเซลล์

ดังนั้น 1 มุมของหน่วยเซลล์จะมีอะตอมอยู่ = 1/6

หน่วยเซลล์ของซีพีเฮชมีมุมอยู่ทั้งหมด 12 มุม

จำนวนอะตอมที่มุม = (1/6) ´ 12 = 2 อะตอม

อะตอมที่อยู่ตรงกลางมีจำนวนอะตอมอยู่ = 3 อะตอม

แล้วยังมีอะตอมที่อยู่ตรงกลางที่ด้านของหกเหลี่ยมอีกด้านละ 1 ตัว เมื่อใช้ร่วมกับหน่วยเซลล์ข้างเคียง

ดังนั้น แต่ละหน่วยเซลล์จะมีอะตอมที่กึ่งกลางด้าน 1 ด้าน = ½

รวมอะตอมที่อยู่ด้านบน และด้านล่าง = (1/2) ´ 2 = 1 อะตอม

รวมอะตอมซีพีเฮซทั้งหมดที่อยู่ภายในสเปซแลตทิซ = 2 + 3 + 1 = 6 อะตอม

ส่วนค่าความหนาแน่นของอะตอมในหน่วยเซลล์ มีค่าเท่ากับ 0.74 = 74% มีพื้นที่ว่างเท่ากับ 0.26 = 26% จะเห็นได้ว่าจะมีค่าเท่ากับหน่วยเซลล์แบบเอฟซีซี ซึ่งถือว่าเป็นค่าสูงที่สุดของหน่วยเซลล์ ความแตกต่างของโครงสร้างทั้งสองก็คือ อยู่ที่ลำดับการเรียงตัวของอะตอม

โลหะที่มีรูปแบบสเปซแลตทิซแบบนี้ได้แก่ แคดเมียม (Cadmium: Cd), โคบอลต์ (Cobalt: Co), แมกนีเซียม, เซอร์โคเนียม, เบรีลเรียม (Beryllium) และสังกะสี (Zinc)

หน่วยเซลล์แบบบีซีที จะมีรูปร่างคล้ายกับหน่วยเซลล์แบบบีซีซี แตกต่างกันตรงที่ว่ามันเป็นรูปร่างปริมาตรสี่เหลี่ยมผืนผ้า ดูที่รูป

จำนวนของอะตอมก็มีเท่ากับบีซีซี นั่นก็คือ 9 ตัว ส่วนสเปซแลตทิซดูที่รูป

สเปซแลตทิซแบบบีซีที จะมีความแข็งที่สุด, แข็งแกร่งที่สุด และเปราะมากที่สุด ตัวอย่างโครงสร้างแบบนี้จะพบเห็นในโลหะเพียงรูปแบบเดียว นั่นก็คือ เหล็กที่เป็นรูปแบบมาเทนไซต์ (Martensitic iron) (เหล็กรูปแบบนี้จะได้กล่าวถึงในภายหลัง)

ในโครงสร้างแบบบีซีซี เอฟซีซี และซีพีเฮช อาจมีการเปลี่ยนแปลงตัวเองได้ถ้าอุณหภูมิเกิดการเปลี่ยนแปลง การรวมตัวกันของโลหะชนิดหนึ่งกับโลหะอีกชนิดหนึ่งนั้นย่อมเป็นไปได้ ซึ่งทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ ชนิดของโครงสร้างผลึก และอุณหภูมิเป็นสิ่งสำคัญ ถ้าอะตอมมีขนาดใกล้เคียงกัน และมีโครงสร้างผลึกแบบเดียวกันก็อาจรวมกันได้

โลหะผสมที่เกิดขึ้นมาใหม่นั้นอาจมีโครงสร้างผลึกเหมือนเดิม หรือผิดแผกไปจากเดิมก็ได้ แต่ถ้าอะตอมมีขนาดที่แตกต่างกันมาก และโครงสร้างผลึกเป็นคนละรูปแบบ ซึ่งเป็นการยากที่จะสามารถนำมารวมกันได้

โลหะที่มีโครงสร้างแบบบีซีซี เป็นโลหะที่ค่อนข้างแข็งแกร่ง มีความแข็งค่อนข้างสูง สามารถรับแรงทางดึงได้ดี แต่จะไม่สามารถตีให้เป็นแผ่น หรือดึงให้เป็นเส้นได้โดยง่าย

โลหะที่มีโครงสร้างเป็นแบบเอฟซีซี เป็นโลหะที่มีเนื้อค่อนข้างอ่อน และมีความเหนียวมากกว่าแบบบีซีซี ทำให้สามารถตีเป็นแผ่น หรือยืดเป็นเส้นได้ง่ายกว่า

โลหะที่มีโครงสร้างแบบซีพีเฮช เมื่อนำมาตีเป็นแผ่น หรือยืดเป็นเส้นจะได้ความแข็งแกร่งมากขึ้น

7.1.2 โครงสร้างสเปซแลตทิซใน เหล็ก และเหล็กกล้า

เมื่อได้ศึกษาถึงสเปซแลตทิซทั้ง 4 ชนิดมาแล้ว โครงสร้างเหล่านี้จะพบอยู่ในเหล็ก และเหล็กกล้า เมื่อโลหะเหล่านี้ถูกปรับปรุงโครงสร้างผ่านการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ อะตอมของมันสามารถจัดรูปแบบโครงสร้างขึ้นมาใหม่ ซึ่งจะมีผลต่อโลหะในด้านความแข็งแกร่ง, ความแข็ง และความยืดหยุ่นของเหล็ก

กระบวนการปรับสภาพทางความร้อน (Heat-treating processes) เป็นการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในเหล็ก จนทำให้เหล็กเกิดเป็นรูปแบบเฟอร์ไรต์, ออสเตนไนต์ และมาเทนไซต์ รายละเอียดรูปแบบของเหล็กจะมีดังนี้

v เหล็กเฟอร์ริติก (Ferritic iron: เฟอร์ไรต์) เป็นเหล็กโครงสร้างบีซีซี รูปแบบเหล็กเฟอร์ไรต์เป็นพื้นฐานของเหล็กทั่วไปที่อุณหภูมิของเหล็ก อยู่ในอุณหภูมิห้อง กล่าวให้ง่ายนั่นก็คือ มันเป็นเหล็กที่ไม่ได้ผ่านการปรับสภาพทางความร้อนใด ๆ

v เหล็กออสเตนนิติก (Austenite: ออสเตนไนต์) มีโครงสร้างเป็นเอฟซีซี ออสเตนไนต์จะเกิดขึ้นกับเหล็กเมื่อเหล็กมีอุณหภูมิสูงขึ้น หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า เฟอร์ไรต์ได้กลายเป็นออสเตนไนต์เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ระหว่างที่เกิดการเปลี่ยนรูปไปเป็นออสเตนไนต์ อะตอมจะเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นภายในผลึก

ในทางตรงกันข้าม เมื่อรูปแบบเหล็กออสเตนไนต์ถูกทำให้เกิดความเย็นลงอย่างช้า ๆ มันก็จะย้อนกลับไปเป็นรูปแบบเหล็กเฟอร์ไรต์

v เหล็กมาเทนซิติก (Martensite: มาเทนไซต์) มีโครงสร้างแบบบีซีที โดยเหล็กจะเป็นรูปแบบเหล็กมาเทนไซต์ได้ก็ต่อเมื่อเหล็กถูกทำให้ร้อน และนำไป ชุบแข็ง (Quenching) อย่างรวดเร็ว ผลของการให้ความร้อน และผ่านการชุบแข็งอย่างทันที มีผลทำให้โลหะแข็งขึ้น ฉะนั้น จะพบว่าเหล็กมาเทนไซต์เป็นรูปแบบเหล็กที่มีความแกร่งที่สุด, แข็งที่สุด และเปราะง่ายที่สุด

o เหล็กทั่วไป (เหล็กเฟอร์ไรต์) (บีซีซี) ให้ความร้อน® เหล็กออสเตนไนต์ (เอฟซีซี)

o เหล็กออสเตนไนต์ ให้ความเย็นอย่างช้า ๆ® เหล็กเฟอร์ไรต์

o เหล็กออสเตนไนต์ ผ่านการชุบแข็ง ® เหล็กมาเทนไซต์ (บีซีที)

เฟอร์ไรต์	ออสเตนไนต์	มาเทนไซต์
สเปซแลตทิซแบบบีซีซี	สเปซแลตทิซแบบเอฟซีซี	สเปซแลตทิซแบบบีซีที
อยู่ที่อุณหภูมิต่ำ (อุณหภูมิห้อง)	อยู่ที่อุณหภูมิสูง	อยู่ที่อุณหภูมิต่ำ (อย่างรวดเร็ว)
เป็นแม่เหล็ก	ไม่เป็นแม่เหล็ก	เป็นแม่เหล็ก
ความแข็งน้อยกว่าเหล็กส่วนใหญ่	ไม่มีความแข็งแกร่ง	ความแข็งมากกว่ากว่าเหล็กส่วนใหญ่
อ่อน	(ไม่สามารถใช้ได้)	เปราะ
ความเค้นภายในเกิดขึ้นน้อยกว่าเหล็กส่วนใหญ่	(ไม่สามารถใช้ได้)	ความเค้นภายในเกิดขึ้นมากกว่าเหล็กส่วนใหญ่

ตารางที่ 7.1 เปรียบเทียบคุณลักษณะของเหล็ก เฟอร์ไรต์, ออสเตนไนต์ และมาเทนไซต์

“เชื่อว่าทุกคนเคยแพ้ เชื่อว่าทุกคนเคยล้มเหลว

แต่คนที่แพ้ไม่ใช่คนที่ล้มเหลว

คนล้มเหลวคือ คนที่ล้มเลิกต่างหาก”