58 ผลของขนาดผลึก และการเพิ่มความแข็งในงาน (จบบทที่ 8)

8.5 ผลึกใหญ่ และเล็ก

      ขนาดของผลึก (หรือเกรน) ในโลหะมีผลกระทบโดยตรงต่อความแข็งแกร่ง และการยืดตัวของโลหะ ซึ่งได้กล่าวไว้แล้วใน บทที่ 7 (โครงสร้างผลึก) 

      วัสดุที่มีผลึกขนาดเล็กจะมีความแข็งแกร่งมากกว่า วัสดุที่มีผลึกขนาดใหญ่ และสามารถทนทานต่อแรงกระทำที่มากได้ดีกว่า ผลึกขนาดเล็กจะทนทานต่อการแตกร้าวได้ดีกว่า ซึ่งจะเห็นได้ชัดจากการพังแบบเลื่อนไถล และการพังแบบฝาแฝดเกรน

รูปผลึกพังแบบฝาแฝดเกรน

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      ถ้าเกิดการพังแบบเลื่อนไถล หรือการพังแบบฝาแฝดเกรนขึ้น ระนาบไถลที่ตัวผลึกหนึ่งจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว  เมื่อระนาบไถลไปถึงจุดสุดท้ายของผลึก และยังคงเกิดอย่างต่อเนื่องผ่านผลึกตัวที่สองต่อไป ส่งผลทำให้โลหะเกิดรอยร้าว หรือการไถลยิ่งเพิ่มขึ้น

รูปการพังแบบระนาบไถล

ณ ผลึกที่สองจะเกิดความแตกต่างโดยตรงของ แนวทิศทางแลตทิซ (Lattice orientation)

รูปแนวทิศทางแลตทิซที่เกิดการพังแบบระนาบไถล

ดังนั้นรอยแตกร้าวอาจจะเปลี่ยนทิศทาง การพังก็จะเกิดยากมากขึ้นในแต่ละชั้นที่ผลึกเลื่อนไปถึง ดังนั้น โลหะที่มีผลึกขนาดเล็ก สามารถทนทานต่อรอยแตกร้าวได้ดีกว่าโลหะที่มีผลึกขนาดใหญ่

รูปรอยการแตกในโลหะ โดยผลึกเล็กสามารถทนทานต่อรอยแตกได้ดีกว่า

      การที่จะทำให้ผลึกมีขนาดเล็กได้นั้น มาจากการทำความเย็นของโลหะอย่างรวดเร็วในกระบวนการปรับสภาพทางความร้อน ผลึกขนาดเล็กจะเป็นรูปแบบที่เป็นระเบียบ ผลึกขนาดเล็กที่เกิดจากการชุบแข็งโลหะจะทำให้มีความทนทานมากกว่าผลึกที่มีขนาดใหญ่ที่ถูกทำความเย็นอย่างช้า ๆ

8.6 การเพิ่มความแข็งในงาน

      โลหะที่ต้องการความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้น เพื่อให้ทนทานต่อการ ยืดขยายตัวจนผิดรูปร่างจากปกติ สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยวิธีการที่เรียกว่า การเพิ่มความแข็งในงาน (Work hardening) หรือ ความเครียดแข็งตัว (Strain hardening) กระบวนการนี้กล่าวสามารถแสดงให้เห็นได้จากด้านล่าง

รูปการตีขึ้นรูปเพื่อเพิ่มความแข็งในงาน

ลองพิจารณาชิ้นส่วนเครื่องกล 2 ชิ้น

ชิ้นแรก ชิ้นงานถูกปล่อยให้มีแรงกระทำ โดยก่อนที่มันจะถึงจุดพังทลาย ให้ปลดแรงออก ชิ้นงานนั้นก็จะคลายตัว จากนั้นก็ใส่แรงลงไปอีก แล้วปลดออก ชิ้นส่วนที่หนึ่งยังคงผ่อนคลายอยู่ เมื่อใส่แรงไปอีกครั้ง และนำแรงออก ชิ้นส่วนนั้นเกิดการพัง จะพบว่าชิ้นส่วนเครื่องกลตัวแรกถูกแรงขนาดต่ำกระทำซ้ำ  ๆ จนมันพัง

ในชิ้นส่วนเครื่องกลตัวที่สอง ใส่แรงกระทำเพียงครั้งเดียว ซึ่งตรงข้ามกับชิ้นงานแรกที่ถูกแรงกระทำซ้ำ ๆ แล้วปลดแรงออก ผลออกมามีอยู่สองอย่างคือ อาจทำให้โลหะอ่อนแอ หรือไม่ก็แข็งแกร่งขึ้น

      จากตัวอย่างที่กล่าวมา เมื่อโลหะรับแรงกระทำในเบื้องต้น มันจะ เพิ่มความแข็งในงาน ซึ่งจะทำให้มันมีความแข็งแกร่ง และแข็งกว่า (วัสดุจะค่อนข้างไปทางเปราะ)

      ส่วนสาเหตุที่โลหะเพิ่มความแข็งแกร่งขึ้นมาเมื่อถูกแรงกระทำ ยังไม่ค่อยเข้าใจนักถึงกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม มันก็มีข้อสมมติฐานเกี่ยวกับแรงที่กระทำไปถึงอะตอม จนอะตอมอยู่ในสถานะยืดขยายตัว ซึ่งมีแนวโน้มติดแน่นจนเคลื่อนที่ไม่ได้ จนกลายเป็นการก่อรูปแบบความแข็งแกร่งกว่ารูปแบบเดิม ซึ่งการยืดขยายตัวที่เกิดขึ้น อะตอมบางส่วนถูกฉีกแยกออกมาจากสเปซแลตทิซเดิม และเคลื่อนที่ไปยังที่ใหม่ในระหว่างการเกิดระนาบไถล ทำให้ความแข็งแกร่ง และความแข็งเพิ่มขึ้น ในทางกลับกันก็สูญเสียการยืดตัว และการยืดหยุ่นไปแทน      

      รูปการรีด และการม้วนขึ้นรูป 

      การผลิตทางอุตสาหกรรม ได้ใช้ปรากฏการณ์นี้เพิ่มความแข็งให้กับชิ้นงาน กระบวนการที่เห็นได้บ่อย ยกตัวอย่างเช่น การตีขึ้นรูป (Shot Peening), การรีดขึ้นรูป (Shear Spinning), งานดึงขึ้นรูปลึก (Deep drawing) และการม้วนขึ้นรูป (Rolling) ซึ่งกระบวนการเหล่านี้เป็นกระบวนการของ การขึ้นรูปเย็น (Cold working) ซึ่งโลหะเกิดจากการป้อนแรงอัดตัวเข้าสู่ชิ้นงานซ้ำ ๆ กัน เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่ง และความแข็ง ซึ่งนำข้อดีตรงนี้มาใช้กับชิ้นงาน

วิดีโอแสดงการรีดขึ้นรูป

วิดีโอแสดงการดึงขึ้นรูปลึก

จบบทที่ 8

ครั้งหน้าบทที่ 9 พบกับ แผนผังเหล็กคาร์บอน

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ความล้มเหลวที่สุด

ก็คือการไม่กล้าแม้แต่จะลองทำ”