วัสดุวิศวกรรม(Materials Engineering)
โลหะผสม (Alloy ) โลหะและโลหะอัลลอยด์มีสมบัติที่เป็นประโยชน์ต่องานทางด้านวิศวกรรมเป็นอย่างมาก ดังนั้นจึงถูกใช้อย่าง กว้างขวางในงานออกแบบทางวิศวกรรมเหล็กและอัลลอยด์ของเหล็กโดยส่วนใหญ่คือเหล็กกล้าซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์
หลักที่ถูกผลิตขึ้นมากถึง 90 % ของผลผลิตโลหะ ทั้งหมด เนื่องจากมีความแข็งแรง ความทนต่อแรงกระแทก และ มีความเหนียวสูงนอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่า เมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ
อัลลอยด์ของเหล็กจะถูกเรียกว่า ferrous alloys ส่วนอัลลอยด์โลหะอี่น ๆจะถูกเรียกว่า nonferrous alloys ในบทนี้จะได้กล่าวถึงกระบวนการ โคลงสร้าง และสมบัติที่สำคัญของ ferrous และ nonferrous alloys บางชนิด
โดยทั่วไปเหล็กกล้าประเภท (plain –carbon ) เป็นอัลลอยด์ที่ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอนที่มีปริมาณไม่เกิน 1.2 % แต่ส่วนใหญ่ เหล็กมักจะมีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.5 % เหล็กกล้าส่วนใหญ่จะถูกผลิตขึ้น โดยการ ออกซิไดส์คาร์บอน และ สารเจือปนอื่นๆ ที่มีอยู่ในเหล็กถลุงให้มีปริมาณตามต้องการ
การเกิดเฟสไดอะแกรมของเหล็ก – เหล็กคาร์ไบด์
โลหะผสมเหล็ก – คาร์บอนที่ประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ 0.03 – 1.2 % แมงกานีส 0.25 – 1.00 % และธาตุอื่น ๆอีกเล็กน้อยจะเรียกว่า เหล็กกล้าประเภท plain – carbon ( plain – carbon steels) เมื่อโลหะผสม เหล็ก – คาร์บอนถูกทำให้เย็นลงอย่างช้า ๆ จะเกิดเฟสต่าง ๆ ขึ้นที่อุณหภูมิและสัดส่วนองค์ประกอบ ที่แตกต่างกัน
ดังแสดงในเฟสไดอะแกรมของ Fe –Fe3C รูปที่ 1 เฟสไดอะแกรมนี้เป็นไดอะแกรมที่ไม่ได้ อยู่ในสภาวะ สมดุลจริง เพราะสารประกอบเหล็กคาร์ไบด์ ( Fe3 C ) ที่เรียกว่า cementite นี้ สามารถสลายตัวไปเป็นเหล็ก และคาร์บอน ( แกรไฟต์ )ได้ดังนั้นเร่าจึงอาจเรียกสารประกอบเหล็กคาร์ไบด์นี้ว่า mettastable phase เฟส ไดอะแกรม ของ Fe –Fe3C จะ ประกอบด้วย
ferrite , Austenite (
) , Cementite ( Fe3 C ) และ
ferrite
ferrite เฟสนี้เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution )โดยที่อะตอมของ คาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ในโครงผลึกของเหล็กแบบ BCC คาร์บอนจะสามารถละลายใน ferrite ได้เพียง เล็กน้อย กล่าวคือ จะมีความสามารถในการละลาย Solid Solubility สูงสุดเพียง 0.02 % ที่อุณหภูมิ 723 ํC และความสามารถในการละลายจะลดลงเป็น 0.005 % ที่อุณหภูมิ 0 ํC
ferrite เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution ) ของคาร์บอนในเหล็ก หรือ ที่ถูกเรียกว่า ferrite มีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ BCC และมีค่าคงที่ แลตทิซ ( lattice constant ) ที่มากกว่า และจะมีความสามรถในการละลายสูงสุดของ คาร์บอนใน ferrite เท่ากับ0.09 % ที่อุณหภูมิ 1465 ํC
โครงสร้างของเหล็กกล้า จะเปลี่ยนเป็น Austenite () ทั้งหมด ซึ่งจะเรียกว่า austenitizing ถ้าเหล็กกล้า Eutectoid นี้ถูกทำให้เย็น ตัวลง อย่างช้าๆ จนอยู่เหนืออุณหภูมิ Eutectoid เล็กน้อยโครงสร้างของมันจะยัง คงเป็น Austenite ()
ถ้าตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท plain – carbon มีปริมาณคาร์บอน 0.4 % ( hypoeutectoid steel ) ถูกให้ความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ประมาณ 900 ํC เป็นระยะเวลาที่เหมาะสม โครงสร้างของตัวอย่าง จะเปลี่ยนไปเป็น Austenite () ทั้งหมด และเมื่อเหล็กกล้าค่อยๆถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆจนถึงจุด d หรือ ประมาณ 775 ํC 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 เมื่อเหล็กกล้าถูกทำให้เย็น ตัวลงอีก ที่อุณหภูมิ 723 ํC Austenite ที่เหลืออยู่นั่นจะเปลี่ยนไปเป็น Pearlite
โดยการเกิดปฏิกิริยา eutectoid ( austenite
ferrite + Cementite ) เฟสของ ferrite ที่อยู่ในเฟสของ Pearlite จะเรียกว่า eutectoid ferrite เพื่อให้แตกต่างกับ Proeutectoid ferrite ที่เกิดขึ้นครั้งแรกที่อุณหภูมิ 723 ํC
ถ้าตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท plain – carbon มีปริมาณคาร์บอน 1.2 % ( hypoeutectoid steel )ถูกให้ ความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ประมาณ 950 ํC ทิ้งไว้เป็นระยะเวลาที่ นานพอสมควรโครงสร้างของเหล็กกล้า จะเปลี่ยนไปเป็น austenite () หมด (จุด c ตามรูปที่ 4 ) และ เมื่อเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลง อย่างช้าๆ จน ถึงจุด d ตามรูปที่ 4 Proeutectoid Cementite จะค่อยๆเกิดขึ้นเป็นนิวคลีไอขึ้นและโตขึ้นที่บริเวณ รอบๆขอบ ของเกรนและเมื่อถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆต่อไปอีกจนถึงจุด e ตามรูปที่ 4 ซึ่งอยู่เหนืออุณหภูมิ 723 ํC เพียง เล็กน้อย Proeutectoid Cementite จะเกิดมากขึ้นที่บริเวณขอบเขตของเกรน austenite ถ้าระบบเข้าใกล้สภาวะสมดุจและรักษาสภาวะสมดุจนั้นไว้โดยการทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆปริมาณคาร์บอน ที่เหลืออยู่ใน austenite จะเปลี่ยนจาก 1.2 ไปเป็น 0.8 % และเมื่อมีเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิ ต่ำกว่า 723 ํC เพียงเล็กน้อย austenite ที่เหลืออยู่จะเปลี่ยนไปเป็น Pearlite โดยการเกิด ปฏิกิริยา eutectoid ดังแสดงที่จุด f ในรูปที่ 4 Cementite ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาeutectoid จะเรียกว่า eutectoid Cementite เพื่อให้แตกต่างกับ Proeutectoid เฟสของ Cementite ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ เหนือกว่า อุณหภูมิ 723 ํC และเช่นเดียวกันกับเฟสของ ferrite ที่เกิดขึ้นในระหว่าง ปฏิกิริยา eutectoid จะถูกเรียกว่า eutectoid ferrite
1. เหล็กกล้า plain – carbon ที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ เหล็กจะมีความแข็งแรงน้อยแต่มีความเหนียวมาก 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 % แต่ก็ยังจัดว่าเป็นเหล็กกล้า อัลลอยด์ และ ที่จะกล่าวนี้เป็นเหล็กกล้า low – alloy ที่มีส่วนประกอบของธาตุอัลลอยด์อยู่ประมาณ 1 – 4 % เท่านั้น จึงถือว่าเป็นอัลลอยด์อยู่ เหล็กเหล่านี้มักจะนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมรถยนต์ และ ก่อสร้างเหล็กกล้า อัลลอยด์ มักจะถูกกำหนดด้วยตัวเลข 4 หลัก ตามหลักของ AISI – SAE ตัวเลข 2 ตัวแรกแทนธาตุอัลลอยด์
หลัก หรือ กลุ่มธาตุ ที่มีอยู่ในเหล็กกล้านั้น ส่วน 2 ตัวหลัง คือ ให้เอา 100 มาหาร แล้วจะได้ค่า ปริมาณ ร้อยละของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กกล้า ดังตาราง ที่ 2
( Fe- Mn)3 C เพิ่มขึ้นหรือลดลงทั้งแมงกานีสและนิเกิลจะทำให้อุณหภูมิ eutectoid ลดลงและจะทำหน้าที่เป็น
ธาตุที่ทำให้ austenite อยู่ตัว ธาตุเหล่านี้ จะเรียกว่า austenite – stabilizing elements ซึ่งมีผลทำให้บริเวณ austenite ในเฟสไดอะแกรม ของ ( Fe - Mn )3 C กว้างขึ้น
ในเหล็กกล้าบางชนิดที่มีปริมาณ แมงกานีส และ นิเกิล ที่มากเพียงพอโครงสร้าง austenite จะเกิดขึ้นที่ อุณหภูมิห้องได้ ส่วนธาตุที่มักจะเกิดอยู่ในรูปของคาร์ไบด์ มักจะทำให้อุณหภูมิ eutectoid ในเฟสไดอะแกรม
ของ ( Fe - Mn )3 C เพิ่มขึ้นและมีผลทำให้บริเวณ austenite ลดลง ธาตุเหล่านี้ จะเรียกว่า ferrite - stabilizing elements
หลักที่ถูกผลิตขึ้นมากถึง 90 % ของผลผลิตโลหะ ทั้งหมด เนื่องจากมีความแข็งแรง ความทนต่อแรงกระแทก และ มีความเหนียวสูงนอกจากนี้ยังมีราคาถูกกว่า เมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ
อัลลอยด์ของเหล็กจะถูกเรียกว่า ferrous alloys ส่วนอัลลอยด์โลหะอี่น ๆจะถูกเรียกว่า nonferrous alloys ในบทนี้จะได้กล่าวถึงกระบวนการ โคลงสร้าง และสมบัติที่สำคัญของ ferrous และ nonferrous alloys บางชนิด
โดยทั่วไปเหล็กกล้าประเภท (plain –carbon ) เป็นอัลลอยด์ที่ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอนที่มีปริมาณไม่เกิน 1.2 % แต่ส่วนใหญ่ เหล็กมักจะมีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.5 % เหล็กกล้าส่วนใหญ่จะถูกผลิตขึ้น โดยการ ออกซิไดส์คาร์บอน และ สารเจือปนอื่นๆ ที่มีอยู่ในเหล็กถลุงให้มีปริมาณตามต้องการ
การเกิดเฟสไดอะแกรมของเหล็ก – เหล็กคาร์ไบด์
โลหะผสมเหล็ก – คาร์บอนที่ประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ 0.03 – 1.2 % แมงกานีส 0.25 – 1.00 % และธาตุอื่น ๆอีกเล็กน้อยจะเรียกว่า เหล็กกล้าประเภท plain – carbon ( plain – carbon steels) เมื่อโลหะผสม เหล็ก – คาร์บอนถูกทำให้เย็นลงอย่างช้า ๆ จะเกิดเฟสต่าง ๆ ขึ้นที่อุณหภูมิและสัดส่วนองค์ประกอบ ที่แตกต่างกัน
ดังแสดงในเฟสไดอะแกรมของ Fe –Fe3C รูปที่ 1 เฟสไดอะแกรมนี้เป็นไดอะแกรมที่ไม่ได้ อยู่ในสภาวะ สมดุลจริง เพราะสารประกอบเหล็กคาร์ไบด์ ( Fe3 C ) ที่เรียกว่า cementite นี้ สามารถสลายตัวไปเป็นเหล็ก และคาร์บอน ( แกรไฟต์ )ได้ดังนั้นเร่าจึงอาจเรียกสารประกอบเหล็กคาร์ไบด์นี้ว่า mettastable phase เฟส ไดอะแกรม ของ Fe –Fe3C จะ ประกอบด้วย
ferrite , Austenite () , Cementite ( Fe3 C ) และferrite
รูปที่ 1 เฟสไดอะแกรม ของเหล็ก และเหล็กคาร์ไบด์
ferrite เฟสนี้เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution )โดยที่อะตอมของ คาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ในโครงผลึกของเหล็กแบบ BCC คาร์บอนจะสามารถละลายใน ferrite ได้เพียง เล็กน้อย กล่าวคือ จะมีความสามารถในการละลาย Solid Solubility สูงสุดเพียง 0.02 % ที่อุณหภูมิ 723 ํC และความสามารถในการละลายจะลดลงเป็น 0.005 % ที่อุณหภูมิ 0 ํC
Austenite () เฟสนี้เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution )โดยที่อะตอมของ คาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ในโครงผลึกของเหล็ก Austenite () มีโครงสร้างผลึกแบบ FCC จะมี ความสามารถ ในการละลายของคาร์บอนสูงกว่า แบบ ferrite ความสามารถในการละลายของคาร์บอนใน Austenite () จะมีค่าสูงสุดเท่ากับ 2.08 % ที่อุณหภูมิ 1148 ํC และลดลงเป็น 0.8 % ที่อุณหภูมิ 723 ํC
) เฟสนี้เป็นสารละลายของแข็งแบบแทรกตัว (Interstitial solid solution )โดยที่อะตอมของ คาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ในโครงผลึกของเหล็ก Austenite () มีโครงสร้างผลึกแบบ FCC จะมี ความสามารถ ในการละลายของคาร์บอนสูงกว่า แบบ ferrite ความสามารถในการละลายของคาร์บอนใน Austenite () จะมีค่าสูงสุดเท่ากับ 2.08 % ที่อุณหภูมิ 1148 ํC และลดลงเป็น 0.8 % ที่อุณหภูมิ 723 ํC
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 หรือ ที่ถูกเรียกว่า ferrite มีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ BCC และมีค่าคงที่ แลตทิซ ( lattice constant ) ที่มากกว่า และจะมีความสามรถในการละลายสูงสุดของ คาร์บอนใน ferrite เท่ากับ0.09 % ที่อุณหภูมิ 1465 ํC
การแยกประเภทของเหล็กกล้า plain - carbon ตามการเย็นตัวของเหล็ก
- เหล็กกล้าประเภท Eutectoid plain – carbon
โครงสร้างของเหล็กกล้า จะเปลี่ยนเป็น Austenite (
) ทั้งหมด ซึ่งจะเรียกว่า austenitizing ถ้าเหล็กกล้า Eutectoid นี้ถูกทำให้เย็น ตัวลง อย่างช้าๆ จนอยู่เหนืออุณหภูมิ Eutectoid เล็กน้อยโครงสร้างของมันจะยัง คงเป็น Austenite ()
รูปที่ 2 การเปลี่ยนแปลงของเหล็กกล้า Eutectoid 0.8 %
จากจุด a เมื่อทำให้เย็นตัวลงอีกจนกระทั่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิ Eutectoid เล็กน้อยแล้ว Austenite () จะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นโครงสร้าง Lamellar ที่ประกอบด้วยเฟสของ ferrite และ Cementite( Fe3C ) สลับกันดังรูที่ 2
2. เหล็กกล้าประเภท hypoeutectoid plain carbon ) จะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นโครงสร้าง Lamellar ที่ประกอบด้วยเฟสของ ferrite และ Cementite( Fe3C ) สลับกันดังรูที่ 2ถ้าตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท plain – carbon มีปริมาณคาร์บอน 0.4 % ( hypoeutectoid steel ) ถูกให้ความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ประมาณ 900 ํC เป็นระยะเวลาที่เหมาะสม โครงสร้างของตัวอย่าง จะเปลี่ยนไปเป็น Austenite (
) ทั้งหมด และเมื่อเหล็กกล้าค่อยๆถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆจนถึงจุด d หรือ ประมาณ 775 ํC 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 เมื่อเหล็กกล้าถูกทำให้เย็น ตัวลงอีก ที่อุณหภูมิ 723 ํC Austenite ที่เหลืออยู่นั่นจะเปลี่ยนไปเป็น Pearliteโดยการเกิดปฏิกิริยา eutectoid ( austenite
ferrite + Cementite ) เฟสของ ferrite ที่อยู่ในเฟสของ Pearlite จะเรียกว่า eutectoid ferrite เพื่อให้แตกต่างกับ Proeutectoid ferrite ที่เกิดขึ้นครั้งแรกที่อุณหภูมิ 723 ํC
รูปที่ 3 การเปลี่ยนแปลงเฟสของเหล็กกล้า hypoeutectoid plain – carbon ที่มีปริมาณคาร์บอน 0.4 %
3. เหล็กกล้าประเภท hypoeutectoid plain - carbon ถ้าตัวอย่างเหล็กกล้าประเภท plain – carbon มีปริมาณคาร์บอน 1.2 % ( hypoeutectoid steel )ถูกให้ ความร้อนจนกระทั่งมีอุณหภูมิ ประมาณ 950 ํC ทิ้งไว้เป็นระยะเวลาที่ นานพอสมควรโครงสร้างของเหล็กกล้า จะเปลี่ยนไปเป็น austenite (
) หมด (จุด c ตามรูปที่ 4 ) และ เมื่อเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลง อย่างช้าๆ จน ถึงจุด d ตามรูปที่ 4 Proeutectoid Cementite จะค่อยๆเกิดขึ้นเป็นนิวคลีไอขึ้นและโตขึ้นที่บริเวณ รอบๆขอบ ของเกรนและเมื่อถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆต่อไปอีกจนถึงจุด e ตามรูปที่ 4 ซึ่งอยู่เหนืออุณหภูมิ 723 ํC เพียง เล็กน้อย Proeutectoid Cementite จะเกิดมากขึ้นที่บริเวณขอบเขตของเกรน austenite ถ้าระบบเข้าใกล้สภาวะสมดุจและรักษาสภาวะสมดุจนั้นไว้โดยการทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆปริมาณคาร์บอน ที่เหลืออยู่ใน austenite จะเปลี่ยนจาก 1.2 ไปเป็น 0.8 % และเมื่อมีเหล็กกล้าถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิ ต่ำกว่า 723 ํC เพียงเล็กน้อย austenite ที่เหลืออยู่จะเปลี่ยนไปเป็น Pearlite โดยการเกิด ปฏิกิริยา eutectoid ดังแสดงที่จุด f ในรูปที่ 4 Cementite ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาeutectoid จะเรียกว่า eutectoid Cementite เพื่อให้แตกต่างกับ Proeutectoid เฟสของ Cementite ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ เหนือกว่า อุณหภูมิ 723 ํC และเช่นเดียวกันกับเฟสของ ferrite ที่เกิดขึ้นในระหว่าง ปฏิกิริยา 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 บางชนิดได้ แสดงไว้ในตารางที่ 1
ตารางที่ 1 คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้า plain – carbon
การนำเหล็กแต่ละประเภทไปใช้งาน 1. เหล็กกล้า plain – carbon ที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ เหล็กจะมีความแข็งแรงน้อยแต่มีความเหนียวมาก 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 % แต่ก็ยังจัดว่าเป็นเหล็กกล้า อัลลอยด์ และ ที่จะกล่าวนี้เป็นเหล็กกล้า low – alloy ที่มีส่วนประกอบของธาตุอัลลอยด์อยู่ประมาณ 1 – 4 % เท่านั้น จึงถือว่าเป็นอัลลอยด์อยู่ เหล็กเหล่านี้มักจะนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมรถยนต์ และ ก่อสร้างเหล็กกล้า อัลลอยด์ มักจะถูกกำหนดด้วยตัวเลข 4 หลัก ตามหลักของ AISI – SAE ตัวเลข 2 ตัวแรกแทนธาตุอัลลอยด์
หลัก หรือ กลุ่มธาตุ ที่มีอยู่ในเหล็กกล้านั้น ส่วน 2 ตัวหลัง คือ ให้เอา 100 มาหาร แล้วจะได้ค่า ปริมาณ ร้อยละของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กกล้า ดังตาราง ที่ 2
ตารางที่ 2 เหล็กกล้าอัลลอยด์ชนิดต่างๆ
การกระจายตัวของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
การกระจายตัวของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กกล้านั้นขึ้นอยู่กับว่าธาตุแต่ละตัวนั้นจะมีแนวโน้มการเกิดสาร
ประกอบและคาร์ไบด์อย่างไร ตารางที่ 3 ได้รวบรวมการกระจายตัวโดยประมาณของธาตุอัลลอยด์ทั้งหมด
ที่มีอยู่ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
นิกเกิลจะละลายอยู่ในferrite ของเหล็กกล้า เพราะว่านิกเกิลมีแนวโน้มที่จะเกิดคาร์ไบด์น้อยกว่า เหล็กซิลิคอนจะรวมกับออกซิเจนที่มีอยู่ในเหล็กกล้าจำนวนหนึ่งเพื่อเกิดสารประกอบขึ้น หรืออาจจะละลาย อยู่ใน ferrite ส่วนแมงกานีสที่เติมเข้าไปในเหล็กกล้าจะละลายใน ferrite แต่ก็มีแมงกานีสบางส่วนจะเกิด คาร์ไบด์ และมักจะแทรกเข้าไปใน cementite จะเกิดเป็น ( Fe, Mn )3 C โครเมียมซึ่งเป็นธาตุที่มีแนว โน้มจะเกิด คาร์ไบด์มากกว่าเหล็ก จะขึ้นอยู่ระหว่าง ferrite และเฟสของ carbide การกระจายตัวของ โครเมียมจะขึ้นอยู่กับปริมาณ คาร์บอนที่มีอยู่
ประกอบและคาร์ไบด์อย่างไร ตารางที่ 3 ได้รวบรวมการกระจายตัวโดยประมาณของธาตุอัลลอยด์ทั้งหมด
ที่มีอยู่ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
นิกเกิลจะละลายอยู่ใน
ferrite ของเหล็กกล้า เพราะว่านิกเกิลมีแนวโน้มที่จะเกิดคาร์ไบด์น้อยกว่า เหล็กซิลิคอนจะรวมกับออกซิเจนที่มีอยู่ในเหล็กกล้าจำนวนหนึ่งเพื่อเกิดสารประกอบขึ้น หรืออาจจะละลาย อยู่ใน ferrite ส่วนแมงกานีสที่เติมเข้าไปในเหล็กกล้าจะละลายใน ferrite แต่ก็มีแมงกานีสบางส่วนจะเกิด คาร์ไบด์ และมักจะแทรกเข้าไปใน cementite จะเกิดเป็น ( Fe, Mn )3 C โครเมียมซึ่งเป็นธาตุที่มีแนว โน้มจะเกิด คาร์ไบด์มากกว่าเหล็ก จะขึ้นอยู่ระหว่าง ferrite และเฟสของ carbide การกระจายตัวของ โครเมียมจะขึ้นอยู่กับปริมาณ คาร์บอนที่มีอยู่
ตารางที่ 3 การกระจายตัวโดยประมาณของธาตุอัลลอยด์ในเหล็กกล้าอัลลอยด์
ผลของธาตุอัลลอยด์ ที่มีต่ออุณหภูมิ eutectoid ของเหล็กกล้า
ธาตุอัลลอยด์ชนิดต่างๆ ที่เติมเข้าไปในเหล็กกล้าจะมีผลทำให้อุณหภูมิ eutectoid ในเฟสไดอะแกรมของ( Fe- Mn)3 C เพิ่มขึ้นหรือลดลงทั้งแมงกานีสและนิเกิลจะทำให้อุณหภูมิ eutectoid ลดลงและจะทำหน้าที่เป็น
ธาตุที่ทำให้ austenite อยู่ตัว ธาตุเหล่านี้ จะเรียกว่า austenite – stabilizing elements ซึ่งมีผลทำให้บริเวณ austenite ในเฟสไดอะแกรม ของ ( Fe - Mn )3 C กว้างขึ้น
ในเหล็กกล้าบางชนิดที่มีปริมาณ แมงกานีส และ นิเกิล ที่มากเพียงพอโครงสร้าง austenite จะเกิดขึ้นที่ อุณหภูมิห้องได้ ส่วนธาตุที่มักจะเกิดอยู่ในรูปของคาร์ไบด์ มักจะทำให้อุณหภูมิ eutectoid ในเฟสไดอะแกรม
ของ ( Fe - Mn )3 C เพิ่มขึ้นและมีผลทำให้บริเวณ austenite ลดลง ธาตุเหล่านี้ จะเรียกว่า ferrite - stabilizing elements
รูปที่ 5 ผลของปริมาณร้อยละของ ธาตุอัลลอยด์ที่มีต่ออุณหภูมิ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น