16.7 เฟสไดอะแกรม

       เฟสไดอะแกรม คือการอธิบายช่วงระยะของโลหะผสม ที่เกิดขึ้น ในช่วงอุณหภูมิต่าง ๆ กับเปอร์เซ็นต์ของธาตุที่นำมาผสมในโลหะ เฟสไดอะแกรมทั่วไปใช้ ระบบโลหะผสมแบบทวิ (Binary alloy systems) (โลหะผสมที่มีธาตุโลหะ) เช่น เฟสไดอะแกรมของเหล็ก - คาร์บอน ได้อธิบาย ในบทที่ 9 เฟสไดอะแกรมเหล็ก – คาร์บอน ตัวอย่างภาพของโครงสร้างเหล็กกล้า ที่อุณหภูมิที่แตกต่างกัน และเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอน

รูปตัวอย่างเฟสไดอะแกรมของทองแดง-อลูมิเนียม

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      เฟสไดอะแกรม เราสามารถเรียกกันอีกอย่างหนึ่งว่า ไดอะแกรมสมดุล (Equilibrium diagrams) เพราะว่า มันได้บ่งบอกถึงโครงสร้างที่เกิดขึ้นในสภาวะสมดุล (ส่วนประกอบที่ได้ในไดอะแกรมจะแตกต่างกันในแต่ละช่วงเวลา และขอบเขตที่ผสม) โครงสร้างที่แสดงส่วนประกอบ และอุณหภูมิอื่น ๆ ที่กำหนดนั้น จะเกิดขึ้นพร้อมกับมีพลังงานเคมีต่ำสุด

      โครงสร้างที่ได้หลังจาก ผสมจะคงไว้ในช่วงเวลาหนึ่ง ที่อุณหภูมิใกล้จุดหลอมเหลว ที่อุณหภูมิห้องความสมดุลจะเกิดขึ้นในเวลาไม่นาน โครงสร้างของโลหะส่วนมากในทางปฏิบัติจะไม่ถึงจุดสมดุล

      มีอยู่มากมายที่วัสดุที่ผลิตออกมาได้มีคุณสมบัติตามต้องการในระหว่างการผลิต เมื่ออะตอมไม่ได้อยู่ที่จุดสมดุล โดยจะอ้างอิงถึงเฟสไดอะแกรม และอัตราอุณหภูมิความร้อน / ความเย็นที่มีความแตกต่างกัน

      ดังนั้นนักโลหะวิทยาสามารถ ทำการคำนวณการปรับสภาพทางความร้อนให้เกิดความเหมาะสม และสามารถพัฒนาคุณสมบัติที่จะเกิดขึ้นในโลหะผสม

16.8 อธิบายเฟสโลหะผสมในการทำโลหะให้แข็งแบบฉับพลัน

      เฟสโลหะผสมที่เกิดขึ้นจะมีความแตกต่างกัน ในระหว่างการทำให้แข็งแบบฉับพลัน สามารถอธิบายถึงการใช้เฟสไดอะแกรมได้ เป็นไดอะแกรมของทองแดง – เบรีลเลียม ดูในรูปกราฟด้านล่าง

กราฟเฟสไดอะแกรมสำหรับทองแดง – เบรีลเลียม แต่ละช่วงขอบเขตระบุถึงเฟสที่แตกต่างของโลหะระหว่างการปรับสภาพความร้อน

รูปทองแดง – เบรีลเลียม 

ตามรูปเฟสไดอะแกรมข้างบน เป็นโครงสร้างทองแดงผสม (ที่มีส่วนผสมของเบรีลเลียมเล็กน้อย) ส่วนผสมของเบรีลเลียมมีอยู่ประมาณ 1.9% เราเรียกโลหะทองแดงผสมรหัสนี้ว่า  C17200 แสดงที่จุด A

      ในรูปแบบเดิมของทองแดงผสม เมื่อเทียบกับอนุภาคที่ค่อนข้างใหญ่ของทองแดงผสมเบรีลเลียม ดังแสดงในรูปสเก็ตซ์ด้านล่าง

รูปภาพสเกตซ์ โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานตัวอย่างทองแดง-เบรีลเลียม ก่อนที่จะทำการปรับสภาพทางความร้อน

      ส่วนหนึ่งของทองแดงในโลหะผสมนี้ มีโครงสร้างเป็นแบบเอฟซีซี ส่วนในอนุภาคโครงสร้างที่เป็นผลึก มีลักษณะโครงสร้างเป็นแบบบีซีซี ที่อะตอมตรงกลางมักจะเป็นเบรีลเลียมเสมอ อนุภาคเหล่านี้มีผลเล็กน้อยต่อความแข็งแกร่งของโลหะ

      ในระหว่างการละลาย (ขั้นตอนแรกของการทำให้แข็งแบบฉับพลัน) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น จากจุด A ไปถึงอุณหภูมิที่จุด B อนุภาคของ CuBe ละลายในสารละลาย ดังจะเห็นในรูปด้านล่าง

รูปตัวอย่างอนุภาคของเบรีลเลียมละลายในสารละลายเมื่อโลหะผสมไปถึงอุณหภูมิการละลาย

      เมื่อโลหะผสมถูกชุบแข็งอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิห้อง (ที่จุด A ในรูปผังไดอะแกรมด้านบน) อัตราความเย็นจะเป็นตัวขัดขวางการพัฒนาในเฟสที่สอง อนุภาคเบรีลเลียมมีเวลาที่ไม่เพียงพอจะที่เป็นแบบฉับพลัน

      ที่จุดนี้เบรีลเลียมยังคงอยู่ในการละลาย เฟสเดียวที่ผสมเป็นสารละลายจะทำให้เกิดการอิ่มตัวสูงกว่า เรียกว่า การละลายจุดอิ่มตัวยิ่งยวด (Supersaturated solution) โลหะผสมที่แข็งแกร่งกว่าเป็นผลของการที่ถูกชุบแข็ง

      ทุก ๆ อนุภาคของ CuBe สามารถมองดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ ที่มีอัตราขยาย 20,000 เท่า จากโครงสร้างที่มีเบรีลเลียมจะมีสภาพแข็งแกร่งขึ้น รูปแบบโลหะผสม CuBe ขนาดของอนุภาคจะเกือบเท่ากับขนาดของอะตอมเดิม

      การปรับสภาพทางความร้อนในลำดับที่สอง โลหะผสมที่ถูกให้ความร้อนซ้ำ จะเกิดความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้นมา โดยใช้เวลาประมาณ 1 ชั่วโมง (ที่จุด C ในรูปผังไดอะแกรมด้านบน) ในการละลายนั้นเบรีลเลียมจะเกิดปฏิกิริยากับทองแดงในอนุภาค CuBe แบบฉับพลัน การผสมจะเกิดขึ้นตามความเป็นจริงที่ผลิตออกมา และเมื่อถึงจุดหนึ่ง มันจะไม่เกิดการละลายไปมากกว่านี้

      ณ อุณหภูมิปานกลาง อะตอมของเบรีลเลียมสามารถเคลื่อนไปในโลหะได้ แต่พวกมันจะไม่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ไกล หรือเร็วมากนัก อะตอมเหล่านี้มีแนวโน้มการเคลื่อนที่เกือบจะเหมือนอนุภาคในรูปแบบแรก มันเป็นการเคลื่อนที่แบบมีข้อจำกัด

      อย่างไรก็ตาม อนุภาคที่เพิ่มขึ้นจะเกิดเป็นรูปแบบ และแผ่ขยายออกไปเท่ากัน ในเกรนของโลหะผสม ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างที่เป็นรูปแบบดั้งเดิม ดูที่รูปด้านล่าง

รูปภาพสเก็ตซ์ โครงสร้างจุลภาคของทองแดงเบรีลเลียมแสดงการพัฒนาอย่างรวดเร็วในโลหะผสมหลังจากผ่านการชุบแข็งอย่างฉับพลัน

จากรูปแบบโครงสร้าง เป็นเหตุให้โลหะจะมีแข็งแกร่งมากขึ้น เมื่อเทียบกับก่อนหน้านี้

      โครงสร้างที่ตกตะกอน พวกมันจะไม่สามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า ต้องมองด้วยกล้องจุลทรรศน์ (อัตราขยาย 50 – 2000 เท่า) อัตราขยายของกล้องยิ่งมากเท่าไหร่ก็สามารถเห็นได้ชัดมากขึ้น

      กระบวนการทองแดง-เบรีลเลียม เนื่องจากผ่านกระบวนการทำให้แข็งแบบฉับพลัน มันจะไม่สูญเสียความยืดตัวมากนัก แต่มันจะสูญเสียเมื่อนำไปผ่านกระบวนการขึ้นรูปเย็น หรือวิธีการสร้างความแข็งแกร่งอื่น ๆ

      ผลที่ได้จากการทำให้แข็งแบบฉับพลัน ที่ให้เกิดความแข็งแกร่งสูงสุดในโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก ที่มีการสูญเสียในด้านการยืดตัวลดลง

การเปรียบเทียบของวิธีการทำให้แข็งตัว แสดงได้ในตารางด้านล่าง

จบบทที่ 16

ครั้งหน้าจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับ อลูมิเนียม และอลูมิเนียมผสม โปรดติดตาม

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ผู้ที่ประสบผลสำเร็จ

ไม่ใช่เก่ง

แต่ต้องอึดด้วย

ชัยชนะ เป็นของคนที่ อึดที่สุด”