โครงสร้างของเหล็กกล้าคาร์บอน
โดยทั่วไป ธาตุเหล็ก (Iron) มีความแข็งแรงต่ำเกินกว่าที่จะนำไปใช้งานทางวิศวกรรมได้ จึงมีการเติมธาตุผสมเข้าไปในเนื้อเหล็กเพื่อให้มีความแข็งแรงสูงขึ้น โดยธาตุคาร์บอนเป็นหนึ่งในธาตุที่เติมลงไปเพื่อเพิ่มความแข็งแรง เรียกโลหะชนิดนี้ว่าเรียกว่า เหล็กกล้า (Steel) โดยธาตุคาร์บอนเป็นธาตุที่อยู่ในเหล็กกลาได้สองลักษณะคือ ในสภาพสารละลายของแข็ง (Solid solution) และหากมีธาตุคาร์บอนมากเกินกว่าที่ละลายได้จะเกิดเป็นสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิค (Cementite, ซีเมนไทต์) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนมีความแข็งแรงและความแข็งเพิ่มขึ้นจากโครงสร้างซีเมนไทต์ ยังมีอีกปัจจัยที่เปลี่ยนโครงสร้างของเหล็กคือ การอบชุบเหล็กกล้า หรือจะกล่าวได้ว่าอัตราการเย็นตัวของเหล็กมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเหล็ก และเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเหล็กได้ โครงสร้างที่มาสามารถพบได้มีหลักๆ มี 5 โครงสร้าง ได้แก่
Ferrite (เฟอร์ไรต์)
- เป็นโครงสร้างที่เกิดจากคาร์บอนละลายในเนื้อเหล็ก จนเกิดเป็นสารละลายของแข็ง แต่โครงสร้างชนิดนี้คาร์บอนละลายได้น้อยมาก เพียง 0.008% เท่านั้น
- ความแข็งแรงและความแข็งน้อย เนื่องจากคาร์บอนสามารถละลายได้น้อย
- มีความเหนียวสูง นิ่ม สามารถขึ้นรูปได้ง่าย
- มีคุณสมบัติแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำกว่า 768 OC
Cementite (ซีเมนไทต์)
- เกิดจากการที่คาร์บอนจับตัวกับเหล็ก เกิดเป็นสารประกอบ Fe3C หรือซีเมนไทต์ ซึ่งมีคาร์บอน 6.67%
- มีความแข็งสูง
- แต่มีความเปราะมาก
- ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของเหล็กได้
Micrograph of pearlite, a lamellar mixture of ferrite and cementite obtained by A Kapito.
Pearlite (เพิร์ลไลต์)
- เกิดจากการแพร่ของคาร์บอนเป็นแถบสลับกันระหว่าง เฟอร์ไรต์กับซีเมนไทต์
- ความแข็งแรงสูง เนื่องจากมาจากโครงสร้างชนิดนี้เป็นการสลับกันระหว่างโครงสร้างที่อ่อนของเฟอร์ไรต์กับโครงสร้างที่แข็งของซีเมนไทต์
- สามารถยืดตัวได้ดีมากภายใต้แรงดึง
- ความแข็งแรงขึ้นอยู่กับความหยาบ/ละเอียดของริ้วเพิร์ลไรต์
- อัตราการเย็นตัวของโลหะมีผลต่อความหยาบ/ละเอียดของริ้วเพิร์ลไรต์
https://www.researchgate.net/figure/Microstructure-of-the-pearlite-steel-SEM-picture_fig2_241123983Austenite
Austenite (ออสเทนไนต์) หรือ Gamma-phase iron ( γ-Fe )
- เป็นโครงสร้างที่คาร์บอนสามารถละลายในเหล็กได้มาก พบที่อุณหภูมิสูง
- นิ่ม ความแข็งแรงต่ำ สามารถรีดให้เข้ารูปได้ง่าย
- แม่เหล็กดูดไม่ติด
- มีโครสร้างผลึกเป็น FCC
Micrograph of Austenite’s microstructure obtained by Sérgio Souto Maior Tavares
Martensite (มาร์เทนไซต์)
- เกิดจากการที่โครงสร้างออสเทนไนต์ถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (การชุบแข็ง, Quenching)
- ความแข็งสูง แต่เปราะ ความเหนียวต่ำ
- สามารถเพิ่มความแกร่งได้โดยการนำไปอบคืนตัว (Tempering)
Micrograph of Martensite’s microstructure obtained by J. R. C. Guimarães.
การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเหล็กกล้าคาร์บอน
โดยเหล็กกล้า ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 900°C จะอยู่ในโครงสร้างออสเทนไนต์ และเมื่อถูกทำให้เย็นตัวลงอย่างช้า ๆ ซึ่งปริมาณของธาตุคาร์บอนมีผลดังนี้
มีธาตุคาร์บอนต่ำกว่า 0.77% ในระหว่างที่เย็นตัวจะทำให้เกิดโครงสร้างเฟอร์ไรต์ก่อน จากนั้นเกิดโครงสร้างเพอร์ไรต์
มีธาตุคาร์บอน 0.77% ในระหว่างที่เย็นตัวจนถึงอุณหภูมิ 727°C จะเปลี่ยนโครงสร้างเป็นเพิร์ลไรต์ทั้งหมด
มีธาตุคาร์บอนมากกว่า 0.77% ในระหว่างที่เย็นตัวจะทำให้เกิดร่างแหของโครงสร้างมาร์เทนไซต์ จากนั้นเกิดโครงสร้างเพอร์ไรต์ตามมา
และหากมีธาตุคาร์บอนมากกว่า 2% ขึ้นจะเรียกโลหะชนิดนี้ว่าเหล็กหล่อ ซึ่งรับแรงอัดได้ดีแต่มีความเปราะสูง
หากโลหะถูกทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว จะมีโอกาสที่จะเกิดโครงสร้างมาเทนไซต์
ผลของธาตุผสมอื่น ต่อโครงสร้างของเหล็กกล้าคาร์บอน
| ธาตุ | ข้อดี | ข้อเสีย |
| ซัลเฟอร์ Sulphur (S) | ลดความเปราะ | หากมีปริมาณมากทำให้เกิดการแตกร้าวขณะร้อนได้ Hot cracking |
| เพิ่มความสามารถในการMachining * | ||
| แมงกานีส Manganese (Mn) | ช่วยกำจัดกัมมะถันในเนื้อเหล็กโดยรวมตัวกับกำมะถันเกิดเป็นสารประกอบแมงกานีสซัลไฟด์ | หากมีปริมาณมากทำให้เกิด แมงกานีสคาร์ไบด์ ความเหนียวจะลดลง |
| โครเมียม Chromium (Cr) | ช่วยทำให้เกิดโครงสร้าง เฟอร์ไรต์ | ความทนทานต่อแรงกระแทกลดลง |
| ความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูงขึ้น และเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง | ||
| หากมีปริมาณเกิน 10% จะเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม | ||
| นิกเกิล Nickel (Ni) | เพิ่มความเหนียว | คุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความร้อนลดลง |
| เพิ่มความสามารถในการทนแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ | ||
| ทำให้เกิดโครงสร้างออนเทนไนต์ เช่นในเหล็กกล้าไร้สนิม | ||
| โมลิบดีนัม Molybdenum (Mo) | เพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง | |
| เมื่อรวมกับโครเมียม เพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง | ||
| ช่วยทำให้เกิดโครงสร้าง เฟอร์ไรต์ | ||
| ซิลิกอน Silicon (Si) | เพิ่มความแข็งแรง | หากมีปริมาณมากทำให้ความเหนียวลดลง |
| ลดความหนืดของน้ำโลหะ | ||
| ช่วยทำให้เกิดโครงสร้าง เฟอร์ไรต์ |
เช่น เหล็กเกรด T91
มีธาตุผสมหลักคือ โครเมียมและ โมลิบดีนัม ส่งผลให้เกิดโครงสร้างเฟอร์ไรต์ แต่ในการใช้งาน หลังจากทำการเชื่อมจะต้องนำไปอบคลายตัว (Annealing) และทำการชุบแข็งเพื่อให้ได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์