63 บริเวณการเปลี่ยนรูป อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง กับคุณสมบัติทางกล การปรับปรุงความแข็งให้ดีขึ้น จบบทที่ 9

9.6 บริเวณการเปลี่ยนรูป

      เกิดคุณสมบัติขึ้นเป็นจำนวนมากมาย ในบริเวณต่าง ๆ ของไดอะแกรมเหล็ก-คาร์บอน ซึ่งได้อธิบายมาจากหัวข้อที่ผ่านมาแล้ว บริเวณเหล่านี้จะถูกแบ่งเป็นขอบเขตเป็นชั้น ในโครงสร้างของเหล็กกล้าเมื่อเหล็กถูกทำให้ร้อน หรือเย็น

      จุดยูเทคทอยด์ (Eutectoid point) เป็นจุดที่บรรจบกันของ 3 แนวเส้นได้แก่ แนวเส้นอุณหภูมิของการเปลี่ยนรูปด้านสูง, แนวเส้นอุณหภูมิของการเปลี่ยนรูปด้านต่ำ และเส้นเพิลไลต์บริสุทธิ์ (ที่คาร์บอน 0.8%) ที่บรรจบพบกันดังรูปด้านล่างของไดอะแกรมเหล็ก-คาร์บอน 

รูปเฟสไดอะแกรมเหล็ก-คาร์บอน ที่แสดงให้เห็นจุดยูเทคทอยด์

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      บริเวณที่มีการพบกันของทั้ง แนวเส้นอุณหภูมิของการเปลี่ยนรูปด้านสูง-ต่ำ  จะเห็นว่าพื้นที่ทั้งสองมีลักษณะคล้ายรูปสามเหลี่ยมเป็นบริเวณที่เกิดการเปลี่ยนแปลง ไม่ว่าจะเป็นเหล็กโครงสร้างเฟอร์ไรต์, เพิลไลต์, ซีเมนต์ไต เปลี่ยนไปเป็นเหล็กโครงสร้างออสเตนไนต์ หรือเหล็กโครงสร้างออสเตนไนต์เปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างมาเทนไซต์

 รูปเหล็กกล้าที่ตกไปทางซ้ายของเส้นคาร์บอน 0.8% จะเป็นบริเวณไฮโปยูเทคทอยด์ เหล็กกล้าที่ตกไปทางด้านขวาของเส้นจะเป็นบริเวณของไฮเปอร์ยูเทคทอยด์

      บริเวณไฮโปยูเทคทอยด์ (Hypoeutectoid) อยู่ทางฝั่งด้านซ้ายของเส้นเพิลไรต์บริสุทธิ์ (คาร์บอน 0.8%) เหล็กที่อยู่ทางด้านนี้ เรียกกันว่า เหล็กกล้าไฮโปยูเทคทอยด์ (Hypoeutectoid steel)

รูปตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคฝั่งเหล็กกล้าด้านไฮโปยูเทคทอยด์

      บริเวณไฮเปอร์ยูเทคทอยด์ (Hypereutectoid region) จะอยู่ทางฝั่งด้านขวาของเส้นเพิลไรต์บริสุทธิ์ เหล็กกล้าที่อยู่ในบริเวณนี้ เรียกกันว่า เหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเทคทอยด์ (Hypereutectoid steel)

รูปตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคฝั่งเหล็กกล้าด้านไฮเปอร์ยูเทคทอยด์

      สาเหตุของการแบ่งเหล็กกล้าออกเป็นสองฝั่งแบบนี้ ก็เพราะจะทำให้ทราบอัตราความแตกต่างของการทำความเย็นในเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนแตกต่างกัน ในการเกิดการเปลี่ยนแปลงของเหล็กกล้า จากการชุบแข็งจากโครงสร้างออสเตนไนต์จนทำให้เกิดมาเทนไซต์

      ส่วนการทำความเย็นอย่างช้า ๆ ของโครงสร้างออสเตนไนต์ ไปเป็นเฟอร์ไรต์, เพิลไลต์ หรือซีเมนต์ไต ซึ่งจะมีผลในด้านเทคนิคของการชุบแข็งที่เกิดขึ้นแตกต่างกันในการเปลี่ยนรูปของเหล็ก ซึ่งจะได้อธิบายต่อไป

9.7 อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง กับคุณสมบัติทางกล

      ความแข็ง, ความแข็งแกร่ง, ความเปราะ, ความเหนียว และขนาดของเม็ดเกรนของเหล็กกล้ามีผลอย่างมาก จากวิธีการทางความร้อน และความเย็นที่มีความแตกต่างกัน

      ยกตัวอย่างความร้อนที่เกิดกับเหล็กในช่วงออสเตนไนต์ และทำการชุบแข็งอย่างรวดเร็ว โครงสร้างจะเป็นมาเทนไซต์ เหล็กที่ได้จะมีความแข็ง และแกร่ง อีกทั้งขนาดของเกรนจะมีขนาดเล็กลง แต่ก็มีข้อเสียคือมันจะมีความเปราะเกิดขึ้น

      อีกตัวอย่างเหล็กถูกให้ความร้อนจนถึงช่วงออสเตนไนต์ และทำการให้ความเย็นอย่างช้า ๆ มันจะเปลี่ยนรูปแบบโครงสร้างไปเป็นเฟอร์ไรต์, เพิลไลต์ หรือซีเมนต์ไต (ตามเปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่ผสมในเหล็ก) เหล็กจะมีความแข็งน้อย, มีความยืดหยุ่นมากกว่าโครงสร้างมาเทนไซต์ ขนาดของเม็ดเกรนจะมีขนาดใหญ่ขึ้นด้วย

      ความแข็ง, ความแข็งแกร่ง, ความเหนียว และขนาดเม็ดเกรนที่เล็กเป็นคุณสมบัติที่ต้องการของเหล็กกล้า ดังนั้นแนวคิดในการให้ความร้อน และชุบแข็งแก่เหล็กเพื่อให้เกิดความแข็ง และความแข็งแกร่งโดยไม่ให้เกิดความสูญเสียทางด้านความเหนียว

นักโลหะวิทยา โดยทั่วไปเมื่อจะทำการชุบแข็งเหล็กกล้าจะต้องคำนึงถึงสภาวะที่จะเกิดขึ้นจากด้านล่าง

v ถ้าเหล็กกล้าต้องการความแข็ง และความแข็งแกร่งต้องทำการชุบแข็ง แต่ก็ต้องยอมรับว่าเหล็กจะเกิดความเปราะเช่นกัน

v ถ้าต้องการความเหนียวมาก เหล็กต้องทำให้เย็นอย่างช้า ๆ แล้วเหล็กกล้าจะสามารถกลึง กัด ไส (Machinability)ได้ และสามารถขึ้นรูป (Formable) ได้ง่าย แต่จะสูญเสียปริมาณความแข็งแกร่ง และความแข็งลงไป

v ถ้าต้องการทั้งความแข็งแกร่ง และความเหนียว ต้องเจือสารบางอย่างลงไปในเนื้อเหล็ก แต่การผสมสิ่งเจือปนเพิ่มเข้าไป แน่นอนจะเพิ่มต้นทุนของเหล็กกล้าด้วยทำให้มีราคาสูงขึ้น ในบางงานเมื่อนำมาเทียบกับความสามารถของเหล็กที่มีคุณสมบัติทางความแข็งแกร่ง และความเหนียวที่เพิ่มขึ้นแล้วย่อมมีความคุ้มค่ากว่า    

ผลสรุปของความสัมพันธ์ระหว่างการชุบแข็ง, การทำความเย็นอย่างช้า ๆ และลักษณะเฉพาะในแต่ละกระบวนการ ให้ดูในตาราง

ตารางแสดงการเปรียบเทียบระหว่างกระบวนการทำความเย็นของเหล็กกล้า ทั้งแบบชุบแข็ง และทำความเย็นอย่างช้า ๆ

9.8 การปรับปรุงความแข็งให้ดีขึ้น

      ความแข็งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญมากในเหล็กกล้า การปรับปรุงความแข็งให้ดีขึ้นสามารถดูได้จากสองข้อด้านล่างเป็นแนวทาง

Ø ความเร็วในการชุบแข็ง เหล็กกล้ายิ่งมีการชุบแข็งอย่างรวดเร็ว จะทำให้ความแข็งมีมากกว่าปกติ (แต่ต้องคำนึงถึงการร้าวตัวด้วย)

Ø  

Ø เปอร์เซ็นต์คาร์บอน คาร์บอนยิ่งมีมากในเหล็กกล้า (ผสมเจือไม่เกิน 2%) เมื่อผ่านการชุบแข็ง ก็จะแข็งมากกว่า

      ดังนั้นถ้าต้องการเหล็กกล้ามีความแข็งอย่างมาก ควรจะผสมคาร์บอนให้ปริมาณมาก และ/หรือหาวิธีการชุบแข็งที่เร็ว ก็จะได้เหล็กกล้าที่มีความแข็งยิ่งขึ้น 

จบบทที่ 9

ครั้งหน้าบทที่ 10 เราจะมาวิเคราะห์โครงสร้างทางจุลภาคกัน

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ในการรบหากใช้ความกล้าหาญ
เพียงอย่างเดียว
อาจได้ตายก่อนใครเพื่อน
การรบจึงต้องมีเล่ห์เพทุบายช่วยเสมอ”