เหล็กกล้า (STEEL)
เหล็กที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้จริงๆแล้วถ้าจะเรียกให้ถูกเราต้องเรียกว่าเหล็กกล้า เพราะว่าเหล็กเฉยๆนั้นหมายถึง iron
iron โดยธรรมชาติเป็นธาตุโลหะที่เหนียวแต่ไม่แข็ง มนุษย์เรียนรู้ใช้เหล็กทำเป็นเครื่องมือต่างๆมาตั้งแต่โบราณกาล ตั้งแต่ยุคที่บรรพบุรุษของเรายังใช้หอกล่าสัตว์ มาถึงยุคที่มนุษย์ประหัตรประหารกันด้วยคมดาบ
จนมาถึงวันนี้ความสำคัญของเหล็กก็ยังไม่เปลี่ยนแปลง แถมยังมีมากขึ้นเรื่อยๆตามความเจริญของเทคโนโลยี
ความมหัศจรรย์ของเหล็กเริ่มต้นขึ้นเมื่อเราใส่คารบอนลงไป จากเหล็กธรรมดาก็จะกลายเป็นเหล็กกล้า (steel)
กล่าวได้เลยว่าเหล็กกล้านี่แหละคือวัสดุที่แข็งแกร่งทนทานที่สุดที่มนุษย์จะสามารถใช้ได้ในดาวที่ชื่อว่าโลก
เพชรอาจะแข็งกว่าเหล็กกล้า ไทเทเนียมอัลลอยด์อาจจะเหนียวกว่า แต่อย่างไรก็ตามมนุษย์ยังไม่สามารถหาสสารชนิดใดที่มีสมดุลระหว่างความแข็ง, ความเหนียว และความให้ตัวเป็นสปริงได้เหมือนเหล็กกล้า
ต่อไปผมจะกล่าวถึงโลหะวิทยาเบื้องต้นเกี่ยวกับสภาวะต่างของเหล็กกล้า credit Kevin R Cashen ABS MS.
อธิบายศัพท์เคมีก่อนนิดนึงครับ
element = ธาตุ เช่นธาตุเหล็ก(Fe), ไฮโดรเจน(H), แมงกานีส(Mn)
atom = หน่วยที่เล็กที่สุดของธาตุ จะใช้ตัวย่อของธาตุนั้นๆแทน 1 ห่วยอะตอมเช่น Fe = 1 อะตอมของเหล็ก
molecule = โมเลกุล, เมื่ออะตอมมากกว่าสองตัวขึ้นไปมาจับตัวกัน จะเรียกว่าโมเลกุล เช่น O3 = ออกซิเจนสามอะตอมจับตัวกันหรือเรียกว่าโอโซนนั่นเอง
compound = โมเลกุลที่มีธาตุมากกว่า 1 ชนิด เช่น Fe3C หรือ Cementite = อะตอมของเหล็ก 3 หน่วยรวมกับอะตอมของคารบอน์ 1 หน่วย
__________________________________________________________________________________________________
เหล็กเป็นโลหะที่เปลี่ยนแปลงสภาวะโครงสร้างตามอุณหภูมิ
ที่อุณหภูมิห้อง(จนถึง 723c) โมเลกุลของเหล็กจะมีลักษณะโครงสร้างเป็นผลึกสี่เหลี่ยม มีอะตอมเรียงกันแบบลูกเต๋าโดยจะมีอะตอมหนึ่งหน่วยอยู่ตรงกลาง ( body centered) โครงสร้างนี้เรียกว่า alpha iron
ที่อุณหภูมิมากกว่า 723 องศา C โมเลกุลของเหล็กจะเกิดการเปลี่ยนโครงสร้าง โดยอะตอมตรงกลางจะหายไปและจะมีอะตอมเพิ่มขึ้นมาระหว่างมุมของแต่ละอะตอม (face centered) ทำให้เกิดพื้นที่สมารถให้คารบอนเข้าไปแทรกที่ตรงกลางโมเลกุล โครงสร้างแบบนี้ของเหล็กเรียกว่า gamma iron
รูปแบบโครงสร้างและองค์ประกอบของเหล็กกล้า
Ferrite,
คือลักษณะโครงสร้างของเนื้อเหล็ก ซึ่งจริงๆก็คือเหล็ก (iron) 100% นั่นเอง โครงสร้างลักษณะนี้จะปรากฏมากในเหล็กที่มีคารบอนต่ำกว่า 0.8%
Cementite
คารบอนที่อาศัยอยู่ในเนื้อเหล็กในสภาวะที่ไม่ได้อบชุบจะอยู่ในรูปคารไบด์ของเหล็ก(iron carbide) โมเลกุล Fe3C โครงสร้าง cementite จะปรากฏชัดเจน (จากการส่องกล้อง) ในเหล็กที่มีคารบอนมากกว่า 0.8%
Pearlite
โครงสร้างลักษณะเป็นชั้นๆสลับไปมาระหว่าง Ferrite และ Cementite ปรากฏชัดในเหล็กที่มี carbon 0.8% ขึ้นไป
Austenite
ตรงนี้เป็นส่วนสำคัญ, austenite เป็นสถานะพื้นฐานของทุกสถานะในเหล็กไม่ว่าจะเป็น pearlite, ferrite, bainite และ martensite จะเริ่มต้นจาก austenite ก่อนทั้งสิ้น
Austenitizing หรือการทำให้เป็น Austenite คือสภาวะที่จะเกิดขึ้นเมื่อเผาเหล็กจนอุณหภูมิสูงถึงจุดหนึ่ง(มากกว่า 723c) ที่โมเลกุลขอเหล็กกลายสภาพจาก alpha ironเป็น gamma iron และ cementite ในเหล็กเกิดการละลาย Fe3C ละลายและคารบอนแยกตัวออกมาในเนื้อเหล็กโดยมีสถานะเป็นของเหลว
ที่จุดนี้อะตอมของคารบอนจะเข้าไปแทรกในที่ว่างระหว่างอะตอมของเหล็ก ถ้าเราค่อยๆทำให้สถานะนี้เย็นตัวลงช้าๆ อะตอมของคารบอนจะแพร่ออกจากอะตอมเหล็กและฟอร์มตัวคืนเป็นโครงสร้าง cementite ทำให้โครงสร้างเหล็กกลับสู่ Pearlite หรือ Ferrite ตามแต่ปริมาณคารบอน
การทำให้โครงสร้าง austenite เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจะทำให้อะตอมของคารบอนจะไม่สามารถกระจายตัวออกจากโมเลกุลของเหล็กได้ทัน โมเลกุลของเหล็กจะกักอะตอมคารบอนไว้ในที่ว่างตรงกลาง และจะฟอร์มตัวเป็นโครงสร้าง Martensite หรือ Bainite ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัว ในบางครั้งหากอัตราการเย็นตัวเร็วมากเกินไปหรือถ้าหากเหล็กมีอัลลอยด์ผสมอยู่มากซึ่งจะส่งให้อุณหภูมิ Austenititzing สูงขึ้น. เมื่อเราทำการ quench, austenite บางส่วนอาจจะฟอร์มสภาพเป็น martensite ไม่ทัน กลายเป็น austenite ตกค้างเรียกว่า retained austenite ซึ่งจะทำให้เนื้อเหล็กแตกร้าว
การ Austenitizing เป็นกระบวนการที่ใช้อุณหภูมิเฉพาะตัวในแต่ละชนิดของเหล็ก เหล็กที่มีคารบอน/อัลลอยด์มากก็จะใช้อุณหภูมิตรงนี้มากขึ้น การเผา austenitizing นานเกินไปจะทำให้เกรนของเหล็กขยายตัวและสูญเสียคารบอนซึ่งจะทำให้เหล็กเปราะ
Martensite
ในรูปนี้ภาพที่เรียบๆคือ austenite นะครับ เมื่อทำการ quench อย่างรวดเร็วจะกลายสภาพเป็น martensite ที่บิดๆเบี้ยวๆนั้นแหละ
ได้จากการ austenitizing แล้วทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (quench)
ในสภาวะที่โมเลกุลของเหล็กกลายสภาพจาก body centered เป็น faced centered และคารบอนในเหล็กมีสถานะเป็นของเหลว คารบอนในเหล็กจะเข้าไปแทรกในแกนของโมเลกุลเหล็ก เมื่อเรา quench อย่างรวดเร็ว อะตอมของคารบอนจะแยกตัวออกจากโมเลกุลของเหล็กไม่ทัน ทำให้โมเลกุลกลายสภาพเป็น body centered ที่มีอะตอมของคารบอนเป็นแกนกลาง โครงสร้างเช่นนี้คือ martensite ซึ่งเป็นโครงสร้างที่แข็งแกร่งที่สุดของเหล็กกล้า หลังจาก temper จะกลายเป็นวัตถุที่มีทั้งความแข็ง ความเหนียว ความให้ตัว อย่างที่ไม่มีวัตถุอื่นใดในโลกเทียบได้ เป็นโครงสร้างในอุดมคติที่ใช้เป็นคมของมีด หรือเครื่องมือตัดเฉือนทุกชนิดบนโลก
หลังจาก austenite ==> martensite แล้ว ลักษณะของ martensite ที่ได้จะมีอยู่สองแบบ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ austenitizing
อุณหภูมิต่ำ เรามักจะได้ lath martensite ที่มีความเหนียวสูงแต่ไม่แข็งมาก
อุณหภูมิสูง เราจะได้ plate martensite ที่จะแข็งกว่าแต่ก็เปราะ
Bainite
โครงสร้างนี้เกิดขึ้นเมื่อเรา Austenitizing แล้ว quench ลงมาที่อุณหภูมิต่ำกว่า 550 c สูงกว่า 230 c (ขึ้นอยู่กับอัลลอยด์ในเหล็ก) อย่างรวดเร็ว แต่ที่อุณหภูมิในช่วงนี้โครงสร้างของเหล็กจะยังไม่ทันกลายเป็น martensite แต่จะมีสภาวะเป็น retained austenite ที่มีคารบอนผสมอยู่
แช่ (soaking) ค้างไว้ที่ช่วงอุณหภูมินั้นในช่วงระยะเวลาหนึ่ง(ขึ้นอยู่กับอัลลอยด์) retained austenite + คารบอน จะคล่อยๆกลายสภาพเป็น Bainite
โครงสร้าง Bainite จะมีความเหนียวอย่างมากแต่จะมีความแข็งไม่เท่า Martensite
เดี๋ยวมาต่อครับ บทความนี้จะเข้าใจยากนิดนึงนะครับเพราะมีศัพท์เทคนิกเยอะมาก ถ้าไม่เข้าใจตรงไหนเดี๋ยวผมมาตอบให้ครับ
หวังว่าบทความนี้อย่างน้อยจะช่วยให้อ่าน spec อบชุบเหล็กนอกได้เข้าใจมากขึ้น
