Steel Heat Treating 001
เอกสารอ้างอิง
Jon. L Dossett. (2013). Steel Heat Treating Fundamentals and Process. Vol 4A. ASM Handbook. Materials Park. OH.USA.
การอบชุบ (Heat treatment) ใช้ในการควบคุม การให้ความร้อน (heating) และการเย็นตัว (cooling) ของวัสดุของแข็ง (solid material) ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงโครงจุลภาค (microstructure) และสมบัติเฉพาะ โลหะเกือบทุกชนิดและโลหะผสม ตอบสนองต่อการอบชุบกว้างขวางอย่างมีนัยสำคัญ แต่ก็มีโลหะและโลหะผสมบางชนิด ที่อาจตอบสนองแตกต่างกันออกไป โลหะเกือบทุกชนิดนิ่มลงได้ (softened) เมื่อผ่านการอบอ่อน (annealing) หลังจากผ่านกลไกเพิ่มความแข็งแรงงานเย็น (cold working) ในขณะที่มีโลหะผสมบางระบบ ที่เพิ่มความแข็ง (strengthened) หรือความแข็งเพิ่มขึ้นโดยการอบชุบ เหล็กกล้ามีความโดดเด่นในเรื่องการตอบสนองต่อการชุบแข็งและการเพิ่มความแข็งแรงด้วยการอบชุบ การตอบสนองของเหล็กกล้าจากการอบชุบ เกิดจากสมบัติที่สำคัญบางประการของเหล็ก และผลกระทบทางโลหะวิทยาของคาร์บอนในเหล็ก โดยพื้นฐานแล้ว เหล็กทั้งหมดมีส่วนผสม หรือโลหะผสมของเหล็กที่มีคาร์บอนเพียงเล็กน้อย (พร้อมด้วยธาตุผสมอื่น ๆ เช่น แมงกานีส โครเมียม นิกเกิล และโมลิบดีนัม ในปริมาณที่แตกต่างกัน) ผลกระทบประการหนึ่ง คือขนาดของอะตอมคาร์บอน ที่สัมพันธ์กับขนาดของอะตอมของเหล็ก อะตอมของคาร์บอนมีขนาดเพียง 1/3 ของอะตอมเหล็กและอะตอมของคาร์บอนมีขนาดเล็กพอ ที่จะพอดีกับ interstices ของอะตอมเหล็กที่ใหญ่กว่า อะตอมอื่น ๆ ที่มีขนาดเล็ก ที่จะพอดีกับ interstices ระหว่างเหล็กที่เป็นของแข็ง ได้แก่ ไฮโดรเจน ไนโตรเจน และโบรอน โดยทั่วไป interstitial atoms แพร่ได้ง่าย กระโดดจาก interstitial site หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ไม่เหมือนกับอะตอมขนาดใหญ่ (ซึ่งสามารถกระโดดได้โดยการ substitution เข้าไปในตำแหน่งช่องว่างภายในผลึก crystal lattice) ควบคู่ไปกับผลกระทบของอุณหภูมิต่อการแพร่ ทำให้การเคลื่อนที่ของคาร์บอนตอบสนองในระหว่างการให้ความร้อนแบบ solid-state heating ปรากฏการณ์โลหะวิทยาที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ allotropy ของเหล็ก ซึ่งหมายความว่า อะตอมของเหล็ก arrange ตัวเองให้อยู่ในรูปแบบหรือเฟสผลึก มากกว่าหนึ่งรูปแบบ เช่น ที่อุณหภูมิห้อง อะตอมของเหล็กจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ (bcc) body-centered cubic เรียกว่าเหล็กเฟอร์ไรท์หรืออัลฟา (α) ที่อุณหภูมิสูงขึ้น อะตอมของเหล็กจะสร้างโครงสร้างผลึก face-centered (fcc) ซึ่งเรียกว่าเหล็กออสเทนไนต์หรือแกมมา (γ) ความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่ง ระหว่างเหล็กเฟอร์ไรท์และออสเทนไนต์ คือ ระยะห่างของอะตอมเหล็ก อะตอมของเหล็กในออสเทนไนต์ มีระยะห่างมากกว่าในเฟอร์ไรท์ รูปที่ 1 ซึ่งช่วยให้ออสเทนไนต์สามารถรองรับอะตอมของคาร์บอนได้มากขึ้นในบริเวณ interstitial ของ crystal lattice ความสามารถในการละลายของแข็ง คือการวัดว่าตัวถูกละลายสามารถละลาย (หรือรวม) ลงใน host lattice ได้มากเพียงใด อุณหภูมิมีผลต่อความสามารถในการละลาย อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะขยาย host lattice ด้วยเหตุนี้จึงเป็นโอกาสที่ดีกว่า สำหรับตัวถูกละลายที่จะพอดีกับ lattice อย่างไรก็ตาม คาร์บอนเกือบจะไม่ละลายในเหล็ก มีตั้งแต่ 0.008 % โดยน้ำหนักใกล้กับอุณหภูมิห้องจนถึงขีดจำกัดการละลายสูงสุดที่ 0.02 โดยน้ำหนักที่ 727℃ (1340℉) รูปที่ 2 , เมื่อเกินขีดจำกัดการละลายคาร์บอนในออสเทนไนต์หรือเฟอร์ไรต์ อะตอมคาร์บอนบางอะตอม ไม่สามารถเข้าไปอยู่ในตำแหน่งคั่นระหว่างอะตอมของเหล็กได้ ในกรณีนี้ อะตอมคาร์บอนส่วนเกิน อาจรวมกันเป็นกราไฟต์ สำหรับเหล็กกล้า สารประกอบของเหล็ก-คาร์ไบด์ (Fe3C) ที่เรียกว่า cementite หรือ θ- carbide, cementite มีผลึก orthorhombic รองรับอะตอมของคาร์บอนได้มากขึ้นในโครงสร้างผลึก อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมในสารประกอบนั้น มีธาตุเหล็กอยู่สามอะตอม ทำให้มีองค์ประกอบอะตอมอยู่ที่ 25 at.% C เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักคาร์บอนที่สอดคล้องกันใน cementite จะกลายเป็น 6.7 โครงตาข่ายออร์โธฮอมบิก (orthorhombic lattice) ของซีเมนต์ ซับซ้อนกว่าโครงสร้าง bcc ของเฟอร์ไรต์หรือ fcc ของออสเทนไนต์เล็กน้อย cementite ที่ยังไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ ในที่สุดคาร์บอนจะสลายตัวเป็นกราไฟต์เมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม ซีเมนต์ไทต์มีความเสถียรเพียงพอที่จะพิจารณาว่า เป็นเฟสใกล้สมดุลที่เกิดขึ้น เมื่อระดับคาร์บอนเกินขีดจำกัดความสามารถการละลายในเหล็ก สัณฐานวิทยาและการกระจายตัวของซีเมนต์ไทต์ จัดการได้โดยการอบชุบด้วยความร้อน สารประกอบซีเมนต์ไทต์มีความแข็งแรงสูงและมีความเหนียวต่ำกว่าเฟอร์ไรต์หรือออสเทนไนต์ และขึ้นอยู่กับลักษณะทางสัณฐานวิทยาและการกระจายตัว มีส่วนช่วยในการเสริมความแข็งแรง การเสียรูป และการแตกหักของเหล็กได้หลายวิธี, Cementite มีความแข็งตั้งแต่ 800 ถึง 1,400 HV ขึ้นอยู่กับการแทนที่ของธาตุเหล็ก การทำ heat treatment ยังเปลี่ยนแปลงปริมาณ รูปร่าง และการกระจายตัวของ cementite particles แข็งในโครงสร้างจุลภาคของเหล็กได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น เฟสซีเมนต์ไทต์แข็ง สามารถละลายเป็นเฟสเหล็ก-คาร์บอนเดี่ยวได้ เมื่อเฟสเหล็กกลายเป็นออสเทนนิติก เรียกกระบวนการนี้ว่า austenitizing ละลายซีเมนต์ไทต์ เนื่องจากคาร์บอนละลายได้ดีกว่าในออสเทนไนต์มาก โดยมีความสามารถในการละลายได้สูงสุดประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักที่ 1150℃ (2100℉) นี่คือลำดับความสำคัญที่มากกว่าความสามารถในการละลายสูงสุดของคาร์บอน ในอัลฟ่าเฟอร์ไรต์ ดังนั้น ออสเทนไนต์จึงมักใช้เป็นจุดเริ่มต้นในการสร้างสารละลายของแข็งเฟสเดียว จากนั้นโดยการทำให้เย็นลงจากบริเวณออสเทนไนต์ การก่อตัวของเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไทต์แบบสองเฟส สามารถควบคุมได้เพื่อเสริมความแข็งแกร่ง สิ่งนี้ทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา ได้รับสมบัติที่หลากหลาย หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน คาร์บอนยังมีผลกระทบที่สำคัญอีกสองประการ ต่อโครงสร้างของเหล็กในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน คาร์บอนช่วยลดอุณหภูมิเพื่อให้เกิดการออสเทนไนซ์อย่างสมบูรณ์ดังรูปที่ 2 สิ่งนี้ทำให้สามารถละลายซีเมนต์ไทต์ได้อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่ำ และจัดการการก่อตัวของคาร์ไบด์ภายหลังในระหว่างการเย็นตัว นอกจากนี้ เมื่อเหล็กกล้าaustenitized steel ถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (quenched) กลไกการเปลี่ยนแปลงเฟสต่าง ๆ เกิดขึ้น ในระหว่าง rapid quenching จากออสเทนไนต์เป็นเฟอร์ไรต์ มีเวลาไม่เพียงพอสำหรับอะตอมของคาร์บอนส่วนเกิน ที่จะกระจายตัวและก่อตัวเป็น cementite พร้อมกับ bcc เฟอร์ไรต์ ดังนั้น อะตอมของคาร์บอนบางส่วน (หรือทั้งหมด) จึงติดอยู่ในโครงตาข่ายเฟอร์ไรต์ ทำให้องค์ประกอบเพิ่มขึ้นสูงกว่าขีดจำกัดความสามารถในการละลายได้ 0.02% ของคาร์บอนในเฟอร์ไรต์ สิ่งนี้ทำให้เกิด lattice distortion มากจนทำให้โครงตาข่าย bcc ที่บิดเบี้ยวเปลี่ยนเป็นระยะ metastable ใหม่ที่เรียกว่า martensite อย่างรวดเร็ว มาร์เทนไซต์ไม่ปรากฏเป็นเฟสบนแผนภาพเฟสสมดุลของเหล็ก-คาร์บอน เนื่องจากเป็นเฟสที่แพร่กระจายได้ (ไม่สมดุล) ที่เกิดขึ้นจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว เซลล์หน่วยของผลึกมาร์เทนไซท์ เป็นโครงสร้างผลึก tetragonal (bct) ตรงกลางซึ่งคล้ายกับเซลล์หน่วย bcc ยกเว้นว่าขอบด้านใดด้านหนึ่ง (เรียกว่าแกน c) ยาวกว่าอีกสองแกนดังรูปที่ 3 รูปแบบ distorted ของ bct เป็นสภาวะที่มีความอิ่มตัว (supersaturated condition) ซึ่งรองรับคาร์บอนส่วนเกิน โครงสร้าง bct ยังมีปริมาตรอะตอมที่ใหญ่กว่าเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ ดังที่สรุปไว้ในตารางที่ 1 สำหรับส่วนประกอบของโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน ตามฟังก์ชันของปริมาณคาร์บอน ความหนาแน่นของมาร์เทนไซต์จึงต่ำกว่าเฟอร์ไรต์ (และออสเทนไนต์ซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าเฟอร์ไรต์ด้วย) การขยายตัวที่เกิดขึ้นทำให้มาร์เทนไซท์มีความแข็งสูง เป็นพื้นฐานในการเสริมความแข็งแกร่งให้กับเหล็กกล้า โดยการอบชุบด้วยความร้อน
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น