16.3 โครงสร้างอะตอมในโลหะ

      ในเนื้อโลหะ ประกอบไปด้วยอะตอมจำนวนมาก ที่เป็นรูปแบบโครงสร้างต่าง ๆ ก่อตัวภายในโลหะ ที่เรียกว่า โครงสร้างผลึก (Crystal structure) ในแต่ละอะตอมจะจัดเรียงตัวกันตามคุณสมบัติของโลหะ การจัดเรียงตัวเป็นหน่วยที่เรียกกันว่า หน่วยเซลล์ (Unit cells)

      ซึ่งโครงสร้างผลึกก็เป็นส่วนหนึ่งในหน่วยเซลล์ ได้อธิบายไว้แล้วใน บทที่ 7 การจัดตัวของอะตอมจะมีพลังงานเคมีเล็ก ๆ เกิดขึ้น ถ้าชิ้นงานถูกนำมาหล่อ หรือทำให้แข็งตัวอย่างช้า ๆ โครงสร้างผลึกที่ได้จะมีหลายรูปแบบ โลหะบริสุทธิ์จะมีโครงสร้างที่คล้ายกันประกอบรวมกันทั้งหมด โครงสร้างผลึกจะมีซ้ำ ๆ กันในทุกทิศทุกทาง ดูที่รูปด้านล่าง

รูปกลุ่มของหน่วยเซลล์ ที่ประกอบขึ้นมาจากโครงสร้างผลึก จะมีแต่อะตอมอยู่ที่ตามมุมเท่านั้นที่แสดงอย่างชัดเจน

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      การจัดเรียงตัวอะตอมของธาตุทั้งหมดในโลกนี้มีจำนวนมากมาย แต่เราจะกล่าวเฉพาะในงานโลหะวิทยาเท่านั้น การจัดเรียงตัวที่เกิดขึ้นในโลหะ จะมีดังนี้ (รายละเอียดอยู่ใน บทที่ 7 ตอนนี้แค่กล่าวคร่าว ๆ เพื่อโยงเรื่องไปกับโลหะที่ไม่ใช่เหล็กครับ)

• อะตอมอยู่ตามมุมสี่เหลี่ยมลูกบาศก์จัตุรัส และที่ตรงกลาง หรือเรียกว่า บีซีซี (Body-Centered Cubic: B.C.C)

• อะตอมอยู่ตามมุมสี่เหลี่ยมลูกบาศก์จัตุรัส และที่ผิวหน้าแต่ละด้าน หรือเรียกว่า เอฟซีซี (Face-Centered Cubic: F.C.C)

• อะตอมอยู่แบบลูกบาศก์หกเหลี่ยมชิดกันหนาแน่น หรือเรียกว่า ซีพีเฮช (Close-Packed Hexagonal: C.P.H)

• อะตอมอยู่ตามมุมสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ไม่จัตุรัส (ผืนผ้า) และที่ตรงกลาง หรือเรียกว่า บีซีที (Body-Centered Tetragonal: B.C.T)

โครงสร้างเหล่านี้มักจะพบในวัสดุที่เป็นโลหะ ทั้งที่เป็นเหล็ก และไม่ใช่เหล็ก โดยแต่ละรูปแบบจะได้อธิบายต่อไป

รูปการจัดเรียงอะตอมบีบีซีในหน่วยเซลล์

      โครงสร้าง บีซีซี ดูที่รูปด้านบน ปกติจะเกิดขึ้นในเหล็กโครงสร้างเฟอร์ไรต์ (Ferritic iron) ที่อุณหภูมิห้อง นอกจากเหล็กแล้ว โลหะที่ไม่ใช่เหล็กที่มีโครงสร้างนี้ได้แก่ โมลิบดีนัม (Molybdenum), ไนโอเบียม (Niobium), โปแตสเซียม (Potassium), ทังสเตน (Tungsten) และวาเนเดียม (Vanadium)

ที่กล่าวมาเหล่านี้ในแต่ละชนิด จะมีโครงสร้างที่เหมือนกันที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ส่วนไทเทเนียม (Titanium) ที่อุณหภูมิสูง จะมีโครงสร้างเป็น บีซีซี ด้วย

รูปการจัดเรียงอะตอมเอฟซีซีในหน่วยเซลล์

      โครงสร้าง เอฟซีซี ในรูปที่ด้านบน โดยทั่วไปแล้ว จะเกิดขึ้นในเหล็กโครงสร้างออสเตนไนต์ (Austenitic iron) ที่มีอุณหภูมิสูง

      ส่วนโลหะที่ไม่ใช่เหล็กโครงสร้างนี้ ได้แก่ อลูมิเนียม, ทองแดง, ทอง, เงิน, ตะกั่ว (Lead), นิเกิล และทองคำขาว (Platinum) ที่กล่าวมาทั้งหมดนี้ จะมีโครงสร้าง เอฟซีซี

รูปโครงสร้าง ซีพีเฮช เกิดขึ้นในโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น เบรีลเลียม ไทเทเนียม และไซร์โคเนียม

รูปแบรีลเลียม

      โครงสร้าง ซีพีเฮช ในรูปด้านบน โดยปกติแล้วไม่ใช่เหล็ก ยกตัวอย่าง เช่น เบรีลเลียม (Beryllium), โคบอลต์ (Cobalt), แมกนีเซียม และสังกะสี (Zinc) เป็นโครงสร้างนี้ ไทเทเนียม และไซร์โคเนียม (Zirconium) ก็มีโครงสร้าง ซีพีเฮช เช่นกันที่อุณหภูมิห้อง

รูปไซร์โคเนียม1

รูปไซร์โคเนียม 2

รูปโครงสร้าง บีซีที มีรูปโครงสร้างผลึกคล้ายกันกับรูปแบบของ บีซีซี

      รูปแบบของอะตอมในโครงสร้าง บีซีที ในรูปด้านบนคล้ายกันกับ บีซีซี อย่างไรก็ตาม บีซีทีไม่ใช่ลูกบาศก์ที่สมบูรณ์ ความยาวของมุมแตกต่างมากกว่าอีกสองด้าน ดีบุก ที่อุณหภูมิห้องจะมีโครงสร้างแบบ บีซีที

      คุณสมบัติทางกลของโครงสร้างอะตอมของโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก ของโครงสร้าง ซีพีเฮช มีความแข็งแกร่งมาก ซึ่งจะทำการบิดโค้งงอไม่ได้ง่าย ๆ คือมีความแข็งแต่ก็เปราะ แต่มีข้อเสียคือเมื่อถูกแรงกระแทกแรง ๆ จะเกิดการแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆได้ง่าย ยกตัวอย่าง ล้อรถยนต์ที่ทำมาจากแมกนีเซียมสามารถแตกได้ ถ้าล้อรถถูกแรงกระแทกอย่างแรง (แมกนีเซียมก็มีโครงสร้างแบบ ซีพีเฮช)      

รูปล้อแม็ก ที่ทำมาจากแม็กนีเซียมผสม

      โลหะที่มีโครงสร้าง บีซีซี และเอฟซีซี จะให้ความยืดตัวได้มากกกว่าโครงสร้างอื่น ๆ ยกตัวอย่างเช่น แท่งโลหะที่มีโครงสร้าง บีซีซี ที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสด้านละ 2 มิลลิเมตร และยาว 15 เซนติเมตร เมื่อป้อนแรงดัดให้โลหะโค้งงอ เมื่อถึงจุด ๆ หนึ่งโลหะจะงอ และเสียรูปไป เมื่อนำแรงออกแล้วโลหะก็จะไม่คืนตัวกลับสู่สภาพเดิม ก็คือมันเสียรูปไปเลย

รูปตัวอย่างการดัดโลหะโครงสร้างบีซีซี

      เมื่อโลหะสูญเสียรูปร่างไปแล้ว อะตอมในโครงสร้างผลึกจะสไลด์ออกไปเป็นชั้น ๆ ตลอดแนวที่ถูกทำให้เสียรูป ดังในรูปด้านล่าง

รูปอะตอมจะสไลด์ผ่านระนาบหนึ่ง ๆ ตลอดระนาบที่เลื่อนในระหว่างที่โลหะเกิดการเสียรูป

สามารถอ่านรายละเอียดได้ใน บทที่ 8 แรงที่โลหะถูกกระทำให้งอได้ง่าย แรงที่กระทำเป็นแรงไม่มาก ระนาบบางหน้าจะเลื่อนไป อะตอมก็จะเกิดการเลื่อนตามไปด้วย (ทำให้ขนาดของอะตอมอาจเกิดการเปลี่ยนแปลง) โดยที่ใช้แรงไม่มาก

      จากรูปด้านบนมันเป็นไปไม่ได้ ที่เราจะเห็นการเคลื่อนที่แบบสไลด์ของอะตอม เพราะมันมีขนาดเล็กมาก ๆ คือมันมีจำนวนอะตอมเป็นล้านตัว ดังนั้นเราจึงเห็นได้จากแบบจำลองชิ้นงานตัวอย่าง

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“เริ่มต้นจากการทำสิ่งที่จำเป็นก่อน

จากนั้น จึงทำสิ่งที่เป็นไปได้

ไม่นาน คุณจะพบว่า...

ตนเอง กำลังทำในสิ่งที่ไม่น่าเป็นไปได้อยู่”

St.Francis