วัสดุวิศวกรรม วิชาพื้นฐานทางวิศวกรรม
โลหะผสม (Alloy )
โลหะและโลหะอัลลอยด์มีสมบัติที่เป็นประโยชน์ต่องานทางด้านวิศวกรรมเป็นอย่างมาก ดังนั้นจึงถูกใช้อย่างกว้างขวางในงานออกแบบทางวิศวกรรม เหล็กและอัลลอยด์ของเหล็กโดยส่วนใหญ่คือเหล็กกล้าซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ถูกผลิตขึ้นมากถึง 90 % ของผลผลิตโลหะทั้งหมด เนื่องจากมีความแข็งแรง ความทนต่อแรงกระแทกและมีความเหนียวสูงนอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ
อัลลอยด์ของเหล็กจะถูกเรียกว่า ferrous alloys ส่วนอัลลอยด์โลหะอี่น ๆ จะถูกเรียกว่า nonferrous alloys ในบทนี้จะได้กล่าวถึงกระบวนการ โคลงสร้าง และสมบัติที่สำคัญของ ferrous และ nonferrous alloys บางชนิด
โดยทั่วไปเหล็กกล้าประเภท (plain -carbon ) เป็นอัลลอยด์ที่ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอนที่มีปริมาณไม่เกิน 1.2 % แต่ส่วนใหญ่ เหล็กมักจะมีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.5 % เหล็กกล้าส่วนใหญ่จะถูกผลิตขึ้นโดยการออกซิไดส์คาร์บอน และ สารเจือปนอื่นๆ ที่มีอยู่ในเหล็กถลุงให้มีปริมาณตามต้องการ
การเกิดเฟสไดอะแกรมของเหล็ก - เหล็กคาร์ไบด์
โลหะผสมเหล็ก - คาร์บอนที่ประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ 0.03 - 1.2 % แมงกานีส 0.25 - 1.00 % และธาตุอื่น ๆ อีกเล็กน้อย จะเรียกว่า เหล็กกล้าประเภท plain - carbon ( plain - carbon steels )เมื่อโลหะผสมเหล็ก - คาร์บอนถูกทำให้เย็นลงอย่างช้า ๆ จะเกิดเฟสต่าง ๆ ขึ้นที่อุณหภูมิและสัดส่วนองค์ประกอบที่แตกต่างกัน
ดังแสดงในเฟสไดอะแกรมของ Fe -Fe3C รูปที่ 1 เฟสไดอะแกรมนี้เป็นไดอะแกรมที่ไม่ได้อยู่ในสภาวะสมดุลจริง เพราะสารประกอบเหล็กคาร์ไบด์ ( Fe3 C ) ที่เรียกว่า cementite นี้ สามารถสลายตัวไปเป็นเหล็กและคาร์บอน ( แกรไฟต์ )ได้ดังนั้นเร่าจึงอาจเรียกสารประกอบเหล็กคาร์ไบด์นี้ว่า mettastable phase เฟสไดอะแกรมของ Fe -Fe3C จะ ประกอบด้วย ferrite , Austenite ( ) , Cementite ( Fe3 C ) และ ferrit
รูปที่ 1 เฟสไดอะแกรม ของเหล็ก และเหล็กคาร์ไบด์
ferrite เฟสนี้เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution )โดยที่อะตอมของ คาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ในโครงผลึกของเหล็กแบบ BCC คาร์บอนจะสามารถละลายใน ferrite ได้เพียงเล็กน้อย กล่าวคือ จะมีความสามารถในการละลาย Solid Solubility สูงสุดเพียง 0.02 % ที่อุณหภูมิ 723 ºC และความสามารถในการละลายจะลดลงเป็น 0.005 % ที่อุณหภูมิ 0 ºC
Austenite ( ) เฟสนี้เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution )โดยที่อะตอมของ คาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ในโครงผลึกของเหล็ก Austenite ( ) มีโครงสร้างผลึกแบบ FCC จะมี ความสามารถในการละลายของคาร์บอนสูงกว่า แบบ ferrite ความสามารถในการละลายของคาร์บอนใน Austenite ( )จะมีค่าสูงสุดเท่ากับ 2.08 % ที่อุณหภูมิ 1148 ºC และลดลงเป็น 0.8 % ที่อุณหภูมิ 723 ºC
Cementite ( Fe3 C ) สารประกอบ Intermetallic Fe3 C จะเรียกว่า Cementite สารประกอบ cementite จะมีปริมาณของคาร์บอน 6.67 % และเหล็ก 93.3 % Cementite จะมีคุณสมบัติแข็งแต่ เปราะ
ferrite เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution ) ของคาร์บอนในเหล็ก หรือที่ถูกเรียกว่า ferrite มีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ BCC และมีค่าคงที่ แลตทิซ ( lattice constant ) ที่มากกว่า และจะมีความสามรถในการละลายสูงสุดของ คาร์บอนใน ferrite เท่ากับ0.09 % ที่อุณหภูมิ 1465 ºC
การแยกประเภทของเหล็กกล้า plain - carbon ตามการเย็นตัวของเหล็ก
- 1. เหล็กกล้าประเภท Eutectoid plain - carbon
เมื่อตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท Eutectoid plain - carbon ที่ประกอบด้วยคาร์บอน 0.8 % ถูกทำให้ร้อนขึ้นจนกระทั่งถึงอุณหภูมิ 750 ºC และให้คงอยู่ ณ อุณหภูมิ นั้นเป็นระยะเวลาที่พอเหมาะ โครงสร้างของเหล็กกล้า จะเปลี่ยนเป็น Austenite ( ) ทั้งหมด ซึ่งจะเรียกว่า austenitizing ถ้าเหล็กกล้า Eutectoid นี้ถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ จนอยู่เหนืออุณหภูมิ Eutectoid เล็กน้อย โครงสร้างของมันจะยังคงเป็น Austenite ( )
รูปที่ 2 การเปลี่ยนแปลงของเหล็กกล้า Eutectoid 0.8 %
จากจุด a เมื่อทำให้เย็นตัวลงอีกจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ต่ำกว่า อุณหภูมิ Eutectoid เล็กน้อยแล้ว Austenite ( )จะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นโครงสร้าง Lamellar ที่ประกอบด้วยเฟสของ ferrite และ Cementite ( Fe3 C ) สลับกัน ดังรูที่ 2
2. เหล็กกล้าประเภท hypoeutectoid plain carbon
ถ้าตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท plain - carbon มีปริมาณคาร์บอน 0.4 % ( hypoeutectoid steel ) ถูกให้ความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ประมาณ 900 ºC เป็นระยะเวลาที่เหมาะสม โครงสร้างของตัวอย่างจะเปลี่ยนไปเป็น Austenite ( ) ทั้งหมด และเมื่อเหล็กกล้าค่อยๆถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆจนถึงจุด d หรือประมาณ 775 ºC Proeutectoid ferrite จะค่อยๆเกิดขึ้นเป็นนิวคลีไอ เล็กๆที่บริเวณขอบของเกรน Austenite ถ้าอัลลอยด์นี้ถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆต่อไปอีก จากอุณหภูมิ d ไปยัง e ตามรูปที่ 3 ปริมาณของ Proeutectoid ferrite จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องขณะที่เหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลงจากอุณหภูมิ d ไปยัง e นั้นปริมาณคาร์บอนใน Austenite ที่เหล็กอยู่จะเพิ่มขึ้จาก 0.4 ไปเป็น 0.8 % และ เมื่อเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลงอีก ที่อุณหภูมิ 723 ºC Austenite ที่เหลืออยู่นั่นจะเปลี่ยนไปเป็น Pearlite โดยการเกิดปฏิกิริยา eutectoid ( austenite ferrite + Cementite ) เฟสของ ferrite ที่อยู่ในเฟสของ Pearlite จะเรียกว่า eutectoid ferrite เพื่อให้แตกต่างกับ Proeutectoid ferrite ที่เกิดขึ้นครั้งแรกที่อุณหภูมิ 723 ºC
รูปที่ 3 การเปลี่ยนแปลงเฟสของเหล็กกล้า hypoeutectoid plain - carbon ที่มีปริมาณคาร์บอน 0.4 %
3. เหล็กกล้าประเภท hypoeutectoid plain - carbon
ถ้าตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท plain - carbon มีปริมาณคาร์บอน 1.2 % ( hypoeutectoid steel )ถูกให้ความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ประมาณ 950 ºC ทิ้งไว้เป็นระยะเวลาที่ นานพอสมควร โครงสร้างของเหล็กกล้าจะเปลี่ยนไปเป็น austenite ( ) หมด (จุด c ตามรูปที่ 4 ) และ เมื่อเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆจนถึงจุด d ตามรูปที่ 4 Proeutectoid Cementite จะค่อยๆเกิดขึ้นเป็นนิวคลีไอขึ้น และโตขึ้นที่บริเวณรอบๆขอบของเกรน และเมื่อถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆต่อไปอีก จนถึงจุด e ตามรูปที่ 4 ซึ่งอยู่เหนืออุณหภูมิ 723 ºC เพียงเล็กน้อย Proeutectoid Cementite จะเกิดมากขึ้นที่บริเวณขอบเขตของเกรน austenite
ถ้าระบบเข้าใกล้สภาวะสมดุจและรักษาสภาวะสมดุจนั้นไว้โดยการทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆปริมาณคาร์บอนที่เหลืออยู่ใน austenite จะเปลี่ยนจาก 1.2 ไปเป็น 0.8 % และเมื่อมีเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆจนถึงอุณหภูมิ ต่ำกว่า 723 ºC เพียงเล็กน้อย austenite ที่เหลืออยู่จะเปลี่ยนไปเป็น Pearlite โดยการเกิดปฏิกิริยา eutectoid ดังแสดงที่จุด f ในรูปที่ 4 Cementite ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยา eutectoid จะเรียกว่า eutectoid Cementite เพื่อให้แตกต่างกับ Proeutectoid เฟสของ Cementite ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิเหนือกว่าอุณหภูมิ 723 ºC และเช่นเดียวกันกับเฟสของ ferrite ที่เกิดขึ้นในระหว่างปฏิกิริยา eutectoid จะถูกเรียกว่า eutectoid ferrite
รูปที่ 4 การเปลี่ยนแปลงเฟสของเหล็กกล้า hypoeutectoid plain - carbon ที่มีปริมาณคาร์บอน 1.2 %
การแยกประเภทของเหล็กกล้า plain - carbon ตามคุณสมบัติเชิงกลของเหล็ก
เหล็กกล้า plain - carbon ส่วนใหญ่จะถูกแยกประเภทโดยกำหนดด้วยตัวเลข 4 หลัก ตามหลักของ AISI - SAE (The American Iron and Steel Institute - the society for Aotomotive Engineers ) ตัวเลข 2 ตัวแรก คือ 10 ซึ่งหมายถึง เหล็กกล้าจำพวก plain - carbon ส่วน 2 ตัวหลัง คือ ให้เอา 100 มาหาร แล้วจะได้ค่า ปริมาณ ร้อยละของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กกล้า เช่น AISI - SAE = 1030 หมายถึง เป็นเหล็กกล้า plain - carbon ที่มีปริมาณ คาร์บอน 0.30 % เหล็กกล้า plain - carbon ทั้งหมด มีธาตุ อัลลอยด์แมงกานีส อยู่ปริมาณ 0.30 - 0.95 %
เพื่อเพิ่มความแข็งแรง นอกจากเหล็กกล้า plain - carbon แล้วยังต้องมี ธาตุอื่นๆอีก เช่น กำมะถัน , ฟอสฟอรัส , ซิลิคอน เป็นต้น คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้า plain - carbon ในระบบ AISI - SAE บางชนิดได้แสดงไว้ในตารางที่ 1
ตารางที่ 1 คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้า plain - carbon
การนำเหล็กแต่ละประเภทไปใช้งาน
1. เหล็กกล้า plain - carbon ที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ เหล็กจะมีความแข็งแรงน้อย แต่มีความเหนียวมาก เหล็กกล้าเหล่านี้ มักจะถูกนำไปทำเป็นแผ่นขึ้นรูป ที่ใช้ทำกันชน และ ตัวถังรถยนต์
- 2. เหล็กกล้า plain - carbon มีปริมาณคาร์บอนในเหล็กกล้าเพิ่มขึ้น เหล็กจะมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียวของเหล็กจะน้อยลง
- 3. เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนปานกลาง ประมาณ 1020 - 1040 มักจะถูกนำไปทำ Shafts และ Gears
- 4. เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนสูง ประมาณ 1060 - 10495 มักจะถูกนำไปทำ Springs , die blocks , cutters , และ Shear blades
การแยกประเภทเหล็กกล้าอัลลอยด์
เหล็กกล้าอัลลอยด์บางชนิดอาจจะประกอบด้วยธาตุอัลลอยด์มากถึง 50 % แต่ก็ยังจัดว่าเป็นเหล็กกล้าอัลลอยด์ และ ที่จะกล่าวนี้เป็นเหล็กกล้า low - alloy ที่มีส่วนประกอบของธาตุอัลลอยด์อยู่ประมาณ 1 - 4 % เท่านั้น จึงถือว่าเป็นอัลลอยด์อยู่ เหล็กเหล่านี้มักจะนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมรถยนต์ และ ก่อสร้าง
เหล็กกล้าอัลลอยด์มักจะถูกกำหนดด้วยตัวเลข 4 หลัก ตามหลักของ AISI - SAE ตัวเลข 2 ตัวแรก แทน ธาตุอัลลอยด์หลัก หรือ กลุ่มธาตุ ที่มีอยู่ในเหล็กกล้านั้น ส่วน 2 ตัวหลัง คือ ให้เอา 100 มาหาร แล้วจะได้ค่า ปริมาณ ร้อยละของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กกล้า ดังตาราง ที่ 2
ตารางที่ 2 เหล็กกล้าอัลลอยด์ชนิดต่างๆ
การกระจายตัวของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
การกระจายตัวของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กกล้านั้นขึ้นอยู่กับว่าธาตุแต่ละตัวนั้นจะมีแนวโน้มการเกิดสารประกอบและคาร์ไบด์อย่างไร ตารางที่ 3 ได้รวบรวมการกระจายตัวโดยประมาณของธาตุอัลลอยด์ทั้งหมดที่มีอยู่ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
นิกเกิลจะละลายอยู่ใน ferrite ของเหล็กกล้า เพราะว่านิกเกิลมีแนวโน้มที่จะเกิดคาร์ไบด์น้อยกว่าเหล็กซิลิคอนจะรวมกับออกซิเจนที่มีอยู่ในเหล็กกล้าจำนวนหนึ่งเพื่อเกิดสารประกอบขึ้น หรืออาจจะละลายอยู่ใน ferrite ส่วนแมงกานีสที่เติมเข้าไปในเหล็กกล้าจะละลายใน ferrite แต่ก็มีแมงกานีสบางส่วนจะเกิดคาร์ไบด์และมักจะแทรกเข้าไปใน cementite จะเกิดเป็น ( Fe, Mn )3C โครเมียมซึ่งเป็นธาตุที่มีแนวโน้มจะเกิดคาร์ไบด์มากกว่าเหล็ก จะขึ้นอยู่ระหว่าง ferrite และเฟสของ carbide การกระจายตัวของโครเมียมจะขึ้นอยู่กับปริมาณ คาร์บอนที่มีอยู่
ตารางที่ 3 การกระจายตัวโดยประมาณของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
ผลของธาตุอัลลอยด์ ที่มีต่ออุณหภูมิ eutectoid ของเหล็กกล้า
ธาตุอัลลอยด์ชนิดต่างๆ ที่เติมเข้าไปในเหล็กกล้าจะมีผลทำให้อุณหภูมิ eutectoid ในเฟสไดอะแกรม ของ( Fe- Mn)3 C เพิ่มขึ้นหรือลดลงทั้งแมงกานีสและนิเกิลจะทำให้อุณหภูมิ eutectoid ลดลงและจะทำหน้าที่เป็นธาตุที่ทำให้ austenite อยู่ตัว ธาตุเหล่านี้ จะเรียกว่า austenite - stabilizing elements ซึ่งมีผลทำให้บริเวณ austenite ในเฟสไดอะแกรม ของ ( Fe - Mn )3 C กว้างขึ้น
ในเหล็กกล้าบางชนิดที่มีปริมาณ แมงกานีส และ นิเกิล ที่มากเพียงพอโครงสร้าง austenite จะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องได้ ส่วนธาตุที่มักจะเกิดอยู่ในรูปของคาร์ไบด์ มักจะทำให้อุณหภูมิ eutectoid ในเฟสไดอะแกรม ของ ( Fe - Mn )3 C เพิ่มขึ้นและมีผลทำให้บริเวณ austenite ลดลง ธาตุเหล่านี้จะเรียกว่า ferrite - stabilizing elements
รูปที่ 5 ผลของปริมาณร้อยละของ ธาตุอัลลอยด์ที่มีต่ออุณหภูมิ
Hardenabili
Hardenability ของเหล็กกล้า เป็นสมบัติที่ใช้ในการบอกถึงความแข็งแรงที่กระจายตัวอยู่ ณ จุดต่างๆ ในเหล็กกล้าที่เกิดขึ้นเนื่องจากการ quenching จากสภาวะ austenite Hardenability ของเหล็กกล้าขึ้นอยู่กับ
( l ) องค์ประกอบของธาตุต่าง ๆ ในเหล็กกล้า
( 2 ) ขนาดของเกรนของ austenite
( 3 ) โครงสร้างของเหล็กกล้าก่อนการ qunching คำว่า hardenability จะแตกต่างกับคำว่า ความแข็งของเหล็กกล้าซึ่งคำหลังนั้น จะหมายถึงความต้านทานต่อการผิดรูปอย่างถาวร หรือ การเปลี่ยนรูปร่างอย่างถาวร ( piastic deformation ) โดยวิธีการ indentation
ในอุตสาหกรรม โดยทั่วไป hardenability มักจะถูกวัดโดยวิธี Jominy hardenability test ตัวอย่างที่ใช้ในการทดสอบ จะเป็นแท่งทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้ว และความยาว 4 นิ้ว รูปที่ 6 เนื่องจากโครงสร้างของเหล็กกล้าจะมีผลต่อ hardenability อย่างมากดั้งที่ได้กล่าวมาแล้วในข้างต้น
ดั้งนั้นก่อนการทดสอบ ตัวอย่างควรถูกทำ normalizing เสียก่อน ในการทดสอบ Jominy หลังจากที่ตัวอย่างถูกทำให้เปลี่ยนเป็น austenite แล้ว ตัวอย่างจะถูกวางบนตำแหน่งที่กำหนดดังแสดงในรูปที่ 7 และหลังจากนั้นน้ำจะถูกปล่อยพุ่งใส่แท่งตัวอย่างที่ปลายด้านหนึ่งอย่างรวดเร็วเมื่อแท่งตัวอย่างเย็นตัวลง ก็จะถูกนำมาวัดค่า Rockwell C hardness ที่ผิวเป็นระยะ 2.5 นิ้วจากปลายด้านที่ถูกน้ำพุ่ง
รูปที่ 7 วิธี การทดสอบ en -quench hardenability
รูปที่ 7 แสดงกราฟ hardenability ระหว่าง Rockwell C hardness กับระยะห่างจากปลายด้านที่ถูกน้ำพุ่งและทำให้เกิดการเย็นตัวลงของเหล็กกล้าจำพวก 1080 eutectoid plain - carbon เหล็กกล้าชนิดนี้จะมี hardenability ค่อน่ข้างต่ำ เพราะว่าความแข็งของเหล็กกล้าชนิดนี้ลดลงจากค่า RC = 6.5 ที่ปลายด้านที่ถูก quenched ของแท่งตัวอย่าง ไปเป็นค่า RC = 50 ที่ตำแหน่งห่างจากปลายนั้นไปเพียง 3/16 นิ้ว
ดั้งนั้น ถ้าเหล็กกล้าชนิดนี้มีส่วนที่มีความหนามากจะไม่สามารถทำให้เกิด martensite ได้ทั้งหมด โดยการ quenching นอกจากนี้ ยังได้แสดงความสัมพันธืระหว่างข้อมูล en -quench hardenability กับ C -T diagram ของเหล็กกล้า 1080 ซึ่งได้แสดงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง microstructure ที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งต่างๆ A, B , C ,และ D จากปลายด้านที่ถูก quenched ของเหล็กกล้า
รูปที่ 8 ข้อมูลการทดสอบ en -quench hardenability
สมบัติเชิงกล และ การประยุกต์ใช้ของเหล็กกล้า low - alloy
คุณสมบัติเชิงกลและ การประยุกต์ใช้ของเหล็กกล้า low - alloy ที่ใช้อยู่ทั่วไป
ตารางที่ 4 เป็นคุณสมบัติเชิงกลและ การประยุกต์ใช้ของเหล็กกล้า low - alloy ที่ใช้อยู่ทั่วไป
คุณสมบัติเชิงกลและ การประยุกต์ใช้ของเหล็กกล้า low - alloy ที่ใช้อยู่ทั่วไปบางชนิดจะเห็นว่าเหล็กกล้า low - alloy จะมีความแข็งแรง แข็งแกร่ง และ ความเหนียว ดีกว่า เหล็กกล้า plain - carbon
แต่ถึงอย่างไร เหล็กกล้า low - alloy ก็ยังคงมีราคาแพงกว่า เหล็กกล้า low - alloy มักถูกใช้ในงานอุตสาหกรรมรถยนต์ และรถบรรทุก โดยทำป็นชิ้นส่วนที่ต้องการความแข็งแรง และความเหนียวมากเป็นพิเศษ หรืออาจใช้ทำพวก Springs , Shafts , Gears , die blocks cutters , และ Shear blades และมักจะประกอบด้วยคาร์บอน 0.2 % โดยทั่วไปจะถูกนำไปผ่านขบวนการ Carburrizing หรือกรรมวิธีทางความร้อนเพื่อทำให้ผิวมีความแข็ง ทนต่อการขัดสี และแกนภายในก็ยังคงมีความเหนียวอยู่