9.3 การใช้ และการอ่านเฟสไดอะแกรมของเหล็กกล้าผสมคาร์บอน

      แผนผังเฟสไดอะแกรมในงานโลหะนั้น มีอยู่หลายรูปแบบ แผนผังเฟสไดอะแกรมเหล็ก-คาร์บอนก็เป็นหนึ่งในผังไดอะแกรมนั้นซึ่งถูกนำมาใช้งานมากที่สุด

      หัวข้อนี้เราจะได้เรียนรู้วิธีการอ่านเฟสไดอะแกรมของเหล็กกล้า-คาร์บอน โดยมีวิธีการอ่านจากขั้นตอน แต่ละข้อด้านล่าง

วิดีโอตัวอย่างปฏิบัติการให้ความร้อนแก่เหล็กเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสในเหล็กกล้า

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

1.  เราลองสมมติว่ามีเหล็กกล้าที่อุณหภูมิห้อง และมีคาร์บอนผสมอยู่ 0.4% แสดงให้เห็นที่จุด A ในรูป

รูปโครงสร้างจุลภาคเหล็กกล้าผสมคาร์บอน 0.4%

รูปผังไดอะแกรมเหล็ก-คาร์บอนที่แสดงเส้นทางเดินของเหล็กกล้าผสมคาร์บอน 0.4% เมื่อถูกให้ความร้อนจนอุณหภูมิสูงขึ้น โดยเหล็กจะยังไม่ถูกปรับสภาพทางความร้อนหรือชุบแข็งมาก่อน

2.  เมื่ออยู่ที่อุณหภูมิห้อง สภาวะเหล็กยังอยู่ใต้ แนวเส้นอุณหภูมิของการเปลี่ยนรูปด้านต่ำ ยังไม่เป็นเหล็กรูปแบบออสเตนไนต์  ส่วนผสมคาร์บอนนี้ (จุด A) จะอยู่ตรงกลางระหว่าง เส้นเฟอร์ไรต์ 100% และเส้นเพิลไลต์ 100% ซึ่งสามารถประมาณการได้ว่าเหล็กมีรูปแบบเฟอร์ไรต์ครึ่งหนึ่ง (50%) และมีเพิลไลต์ครึ่งหนึ่ง (50%) ดูรูปด้านล่าง

รูปจุด A

3.  ต่อมา สมมติว่าโลหะถูกให้ความร้อนเพิ่มขึ้นประมาณ 540°C (1,000°F) ตำแหน่งจุด B ยังอยู่ที่ แนวเส้นอุณหภูมิของการเปลี่ยนรูปด้านต่ำ มันยังไม่เกิดรูปแบบออสเตนไนต์ จุด B จะอยู่ใกล้แนวเส้นเฟอร์ไรต์ 100% มากกว่า เส้นเพิลไลต์ 100% แต่เส้นเฟอร์ไรต์ 100% จะโค้งไปทางด้านขวาเล็กน้อย ทำให้มีการประมาณโครงสร้างว่าเป็นโครงสร้างที่ประกอบไปด้วย เฟอร์ไรต์ 49%-50% และเพิลไลต์ 50%-51% ดูรูปด้านล่าง

รูปจุด B

4.  สมมติว่าโลหะถูกให้ความร้อนเพิ่มขึ้นอีก จนอุณหภูมิสูงถึง 720°C (1,330°F) กำหนดให้เป็นจุด C อุณหภูมิจุดนี้ โครงสร้างเป็น เฟอร์ไรต์ 48% และเพิลไลต์ 52% (จุด C เฟอร์ไรต์จะน้อยกว่าเพิลไลต์) ตอนนี้ในบางส่วนของโลหะเริ่มเกิดการเปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุณหภูมิเหนือกว่า 720°C เพิลไลต์จะเริ่มแปรเปลี่ยนไปเป็นออสเตนไนต์ (ในทางทฤษฏี เพิลไลต์ทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นออสเตนไนต์อย่างฉับพลันเมื่อเข้าใกล้อุณหภูมิ 720°C) ในทางปฏิบัติ การเปลี่ยนแปลงจะเริ่มเกิดขึ้นและทยอยเปลี่ยนแปลงเมื่ออุณหภูมิใกล้ 720°C

รูปจุด C

5.  โลหะยังถูกให้ความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนอุณหภูมิสูงถึง 740°C (1360°F) ที่จุด D เพิลไลต์ทั้งหมดมีการเปลี่ยนไปเป็นออสเตนไนต์ โครงสร้างตอนนี้ประมาณการได้ว่ามีเฟอร์ไรต์ 48% และออสเตนไนต์ 52% (เพิลไลต์เปลี่ยนไปเป็นออสเตนไนต์หมดแล้ว)

รูปจุด D

6.  อุณหภูมิยังคงสูงขึ้นมาที่ 760 °C (1400°F) กำหนดให้เป็นจุด E บริเวณนี้จะค่อนข้างอยู่ใกล้แนวขอบเส้นออสเตนไนต์ 100% มากกว่าเฟอร์ไรต์ 100% ดังนั้น เหล็กจึงมีส่วนประกอบของออสเตนไนต์มากว่าเฟอร์ไรต์ ประมาณค่าอยู่ที่ ออสเตนไนต์ 63% และเฟอร์ไรต์อยู่ที่ 37% 

รูปจุด E

7.  ตอนนี้เหล็กกล้าอุณหภูมิสูงไปถึง แนวเส้นอุณหภูมิของการเปลี่ยนรูปด้านสูง ที่จุด F ประมาณ 790°C (1450°F) เกือบทั้งหมดของเหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นออสเตนไนต์อย่างสมบูรณ์ ยังคงเหลือเป็นเฟอร์ไรต์เพียงเล็กน้อยทางด้านซ้ายมือ แต่อีกไม่นานก็จะเปลี่ยนไปทั้งหมด จุดนี้ประมาณค่าออสเตนไนต์อยู่ที่ 90% และเฟอร์ไรต์ 10%

รูปจุด F

8.  ที่อุณหภูมิ 840°C (1,550°F) เหล็กที่จุด G มีการเปลี่ยนแปลงไปสู่ออสเตนไนต์อย่างสมบูรณ์ ไม่มีเฟอร์ไรต์ หรือเพิลไลต์เหลืออยู่เลย มันเป็นออสเตนไนต์ 100%

รูปจุด G

ถึงแม้ว่าจะให้ความร้อนเพิ่มขึ้นไปอีก เหล็กก็ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้าง มันยังคงเป็นออสเตนไนต์ 100%

      เมื่อศึกษาถึงการเพิ่มอุณหภูมิของเหล็กกล้าไปแล้ว ทีนี้มาศึกษาเหล็กกล้าจากอุณหภูมิที่สูงค่อย ๆ ลดอุณหภูมิลง ซึ่งเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับ

      โดยใช้ตัวอย่างเดิม นั่นก็คือคือเหล็กกล้าผสมคาร์บอน 0.4% ที่ให้ความร้อนสูงจนเป็นโครงสร้างออสเตนไนต์ 100% โดยการปล่อยให้เหล็กเย็นตัวลงอย่างช้า ๆ

รูปปฏิกิริยาย้อนกลับผังไดอะแกรมของเหล็กกล้าผสมคาร์บอน 0.4% จากความร้อนสูงถูกปล่อยให้เย็นตัวลงไปจนถึงอุณหภูมิห้อง เหล็กยังไม่ได้ผ่านการปรับสภาพทางความร้อน หรือการชุบแข็งมาก่อน

เหล็กกล้าถูกปล่อยให้เย็นตัวอย่างช้า ๆ กลับไปสู่อุณหภูมิห้อง จากอุณหภูมิสูงค่อยลงมาเรื่อย ๆ

• ผ่านจุด G (840°C: โครงสร้างออสเตนไนต์ 100%)
• ผ่านจุด F (790°C: ออสเตนไนต์ 90% และเฟอร์ไรต์ 10%)
• ผ่านจุด E (760°C: ออสเตนไนต์ 63% และเฟอร์ไรต์อยู่ที่ 37%)
• ลงไปเรื่อย ๆ จนถึงจุด D (740°C: เฟอร์ไรต์ 48% และออสเตนไนต์ 52%)
• ผ่านจุด C (720°C)
• ผ่านจุด B (540°C: เฟอร์ไรต์ 49%-50% และเพิลไลต์ 50%-51%)
• สุดท้ายลงไปจนถึงอุณหภูมิห้อง จุด A (ประมาณ 30°C) มันจะเปลี่ยนแปลงกลับคืนไปเป็นโครงสร้างเฟอร์ไรต์ / เพิลไลต์ และไม่มีออสแตนไนต์เหลืออยู่ ซึ่งเป็นการย้อนลำดับกัน

   ส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีจำนวนเปอร์เซ็นต์คาร์บอนผสมในสัดส่วนอื่น ๆ ก็จะพิจารณาไปในแนวทางเดียวกันนี้ ค่อย ๆ ศึกษากันไปนะ

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

            “เราจะเห็นค่าความอบอุ่น

                                      ก็ต่อเมื่อเราผ่านความเหน็บหนาวมาแล้ว”