   |
|
แผนภูมิสมดุล
(Equilibrium Diagram). |
|
||||||
|
การผสม (Alloy) โลหะผสมได้ถูกพัฒนาโดยอาศัยหลักการี่ว่า โลหะต่างชนิดกันเมื่อหลอมเหลวละลายโลหะนั้นแล้วจะสามารถรวมตัวกันได้เป็นอย่างดี |
||
| แต่เมื่อโลหะที่หลอมละลายนั้นเย็นตัวลง โลหะที่มีจุดหลอมละลายสูงจะแข็งตัวก่อนโลหะที่มีจุดหลอมละลายต่ำ และจะมีลักษณะของจัดการผสมที่แน่นอน โดยสมมารถแบ่งการผสมดังกล่าวออกเป็น 3 ชนิด ดังนี้ | ||
|
Solid Solution |
||
| ประกอบจะเข้าไปครอบครองตำแหน่งในโครงผลึกแทนที่อะตอมของโลหะอีกชนิดหนึ่ง เราจึงเรียกโลหะที่เป็นเจ้าของโครงผลึกว่า ตัวทำละลาย (Solvent) และเรียกโลหะที่เข้าไปแทนที่บางตำแหน่งของโลหะที่เป็นตังทำละลายว่า ตัวถูกละลาย (Solute) และสารละลายชนิดนี้ยังสามารถแบ่งแยกได้อีก 2 ชนิดดังนี้ | ||
| 1. Substitutional Solid Solution เป็นสารละลายที่เกิดขึ้นจากอะตอมของตัวถูกละลายเข้าไปแทน ที่ (Substitute) อะตอมของตัวทำละลายบางอะตอมซึ่งอยู่ในโครงผลึก ดังนั้น อะตอมของตัวถูกละลายจะเท่ามีกับอะตอมขอลงตัวถูกละลายการแทนที่ | ||
| จึงจะเกิดขึ้นได้ ตังอย่างของสารละลายชนิดนี้ได้แก่ สารละลายของโครเมียมและนิกเกิล โดยอะตอมของโครเมียมจะเข้าไปแทนที่บางอะตอมของนิกเกิลในโครงผลึกของนิกเกิล ซึ่งโครงผลึกของนิกเกิลจะเป็นแบบ FCC ดังรูปที่ METAL-EQD1 | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD1
การละลายแบบ Substitutional. |
| 2. Interstitial Solid Solution เป็นสารละลายี่เกิดจากอะตอมของัวถูกละลายที่มีขนาดเล็กเช่น ไนโตรเจน คาร์บอน | ||
| และไฮโดรเจน โดยอะตอมของธาตุเหล่านี้จะเข้าไปแทรกตัวอยู่ในโพรงหรือช่องว่างระหว่างอะตอมที่มีขนาดใหญ่เช่น เหล็ก ตัวอย่างขอสารละลายชนิดนี้ได้แก่ ออสเทนไนต์ เป็นสารละลายที่เกิด จากอะตอมของคาร์บอนเข้าไปแทรกอยู่ในช่องว่างระหว่างอะตอมของเหล็ก ซึ่งอะตอมของเหล็กยังครอบครองจุดต่าง ๆ ของผลึกแบบ Face-Centered Cubid ตามปกติ เหมือนกับอยู่ในสภาพของเหล็กบริสุทธิ์ อีกตัวอย่างหนึ่งคือ มาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นคาร์ไบด์ของเหล็ก โดยอะตอมของคาร์บอนเข้าไปแทรกอยู่ระหว่างอะตอมของเหล็กในโรงผลึกที่เป็นแบบ Body-Centered Cubid ดังรูปที่ METAL-EQD2 | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD2
การละลายแบบ Interstitial. |
|
อนึ่ง การที่สารละลายโลหะจะละลายอยู่ร่วมกันนั้น
มีกฎเกณฑ์ดังนี้คือ 1. ขนาดสัมพัทธ์ (Relative Size) ถ้าอะตอมของตัวถูกละลายและตัวทำละลายมีขนาดใกล้เคียงกัน กล่าวคือ มีความแตกต่างไม่เกิน |
||
| กว่าร้อยละ 8 การละลายจะเกอดขึ้นได้ดี นั่นคือโลหะทั้งสองจะละลายซึ่งกันและกันได้ทุกอัตราส่วน ตัวอย่างที่พบได้แก่ การละลายของทองแดงและนิกเกิล ซึ่งโลหะทังสองนี้จะมีขนาดของอะตอมประมาณ 1.24 A และ 1.28 Aตามลำดับ จะเห็นได้ว่าอะตอมทั้ง 2 นั้นมีขนาดใกล้เคียงกันมาก ดังนั้น เราจึงทำนายได้ว่าโลหะทั้งสองนี้จะละลายเข้ากันได้ดีในทุกอัตราส่วนโดยไม่มีขีดจำกัด | ||
| 2. สัมพรรคภาพทางเคมี (Chemical Affinity) ถ้าธาตุคู่ใดมีความสามารถเข้ากันได้ดี ธาตุคู่นั้นจะไม่ ละลายเป็นสารละลาย แต่จะรวม | ||
| เป็นสารละลาย แต่จะรวมกันเป็นสารประกอบตัวอย่างเช่น โซเดียม มีโครงสร้างต่างกับคลอรีน จึงสามารถทำให้มีความสามารถรวมเข้ากันได้ดี และมีแนวโน้มที่จะรวมกันเกิดเป็นสารประกอบ โดยจะไม่ละลายเป็นสารละลาย | ||
| 3. เวเลนซ์ (Valence) โลหะที่มีเวเลนซ์ต่ำจะรับโลหะที่มีเลเวนซ์สูงเข้ามาละลายได้มาก เพื่อให้เกิด เป็นสารละลาย แต่โลหะที่มีเวเลนซ์ | ||
| สูงจะรับโลหะที่มีเวเลนซ์ต่ำเข้ามาละลายได้น้อย ดังนั้น การที่โลหะ X ละลายได้ในโลหะ Y ในอัตราร้อยละ 10 ไม่ได้หมายความว่าโลหะ Y นั้นจะละลายได้ดีในโลหะ X ในอัตราส่วนเดียวกันได้ | ||
| 4. ประเภทของโครงสร้างผลึก (Lattice Type) ถือว่าเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการพิจารณาถึง ความสามารถของการเกิดเป็น | ||
| สารละลายโลหะ กล่าวคือโลหะที่มีโครงสร้างผลึกชนิดเดียวกันนั้น จะมีแนวโน้มที่จะเกิดสารละลายชนิดแทนที่ (Substitutional Solid Solution) ตัวอย่างเช่น ทองแดงและนิกเกิล ต่างก็มีโครงผลึกแบบ Face-Centered Cubic นอกจากนั้นแล้วยังมีขนาดของอะตอมใกล้เคียงกันดังกล่าวแล้วในตอนต้น ดังนั้น ทองแดงและนิกเกิล จึงละลายร่วมกันเป็นสารละลายแบบแทนที่ | ||
| อย่างไรก็ตาม ในการพิจารณาตามหลักเกณฑ์เพียงข้อใดข้อหนึ่ง ย่อมไม่สมควรจะกระทำได้ ทั้งนี้เพราะหลักเกณฑ์ดังกล่าวก็ย่อมมีข้อ | ||
| ยกเว้น ดังนั้น ในการพิจารณาว่าโลหะใดเป็นสารละลาย จึงควรพิจารณาให้ครบทุกข้อจึงจะเหมาะสม ดังตัวอย่างต่อไปนี้ | ||
|
1) โลหะ 2 ชนิดซึ่งได้แก่ โลหะ
x และ y มีโครงผลึกประเภทเดียวกัน เวเลนซ์คล้ายคลึงกันและยังมีตำแหน่งในตารางธาตุใกล้เคียงกัน
ดังนั้น เมื่อเราพิจารณาองค์ประกอบดังกล่าวแล้ว ก็มั่นใจได้ว่าโลหะ x และ
y ละลายเข้าด้วยกันได้ดี อย่างไรก็ตาม เราก็ควรนำหลักเกณฑ์เกี่ยวกับขนาดของอะตอมมาพิจารณาด้วยเช่นกัน
2) ถ้าโลหะ x และ y มีขนาดของอะตอมแตกต่างกันเพียงร้อยละ 3 และมีเวเลนซ์เท่ากันก็น่าจะสรุปได้ว่าโลหะทั้งสองจะละลายเข้ากันได้ดีโดยไม่มีขีดจำกัดในสภาวะที่เป็นของแข็ง แต่จะมีองค์ประกอบหนึ่งที่ทำให้การสรุปผิดพลาด นั่นคือถ้าโลหะ x มีผลึกอยู่ในระบบ Hexagonal Close-Packed และโลหะ y มีผลึกอยู่ในระบบ Face-Centered Cubic ดังนั้นโลหะทั้งสองจึงไม่สามารถเกิด Solid Solution ได้สมบูรณ์ |
|
Simple Mixture การผสมชนิดนี้เกิดขึ้นจากโลหะที่เป็นองค์ประกอบนั้นไม่สามารถละลายซึ่งกันและกันได้ ตัวอย่างเช่น ดีบุก (Sn) กับตะกั่ว (Pb) รวมกัน |
||
| ได้ตะกั่ว บัดกรี (Tlumber's Sulder) และการผสมของบิสมัท (Bi) กับแคดเมียม (Cd) ซึ่งอนุภาคของแต่ละธาตุที่เป็นองค์ประกอบจะอยู่ด้วยกันเป็นลักษณะที่ปะปนกันเท่านั้น | ||
| Intermetallic
Compound ปริมาณของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของการประสมชนิดนี้จะอยู่ในรูปของอัตราส่วนโดยจำนวน อะตอม (Atomic Ratic) ตัวอยอ่างเช่น |
||
| Cu5Zn8, MgAL2, Ag3Al และ AuMg3 สูตรทางเคมีของสารประกอบประเภทนี้ไม่สามารถทำนายโดยใช้กฎของเวเลนซ์ (Vanlence Rule) เหมือนกับสารประกอบทั่ว ๆไป แต่จะคำนวนได้จากอัตราส่วนระหว่างจำนวนทั้งหมดของเวเลนซ์อิเล็กตรอน กับจำนวนทั้งหมดของอะตอมในสารประกอบ ดังนั้น แอลลอยชนิดนี้อาจจะถือได้ว่าเป็นสารประกอบที่ไม่แม้จริง | ||
|
คุณสมบัติของการผสม เมื่อโลหะตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปผสมกันนั้น ย่อมที่จะทำให้คุณสมบัติของโลหะผสมเหล่านั้นมีความแตกต่างไปจากโลหะเดิมที่อยู่ในสภาพ |
||
| ที่บริสุทธิ์ คุณสมบัติที่แตกต่างกันนั้นมีรายละเอียดดังนี้ | ||
| 1. ถ้าโลหะ 2 ชนิดผสมกันสภาวะของแข็งอย่างมีขีดจำกัดนั้น หมายถึงโลหะทั้ง 2 ชนิดมีองค์ประกอบซึ่งไม่ละลายซึ่งกันและกัน ดังนั้น | ||
| คุณสมบัติของการผสมจะเป็นไปในลักษณะผสมผสานระหว่างคุณสมบัติโลหะบริสุทธิ์ทั้งสอง เช่นคุณสมบัติในด้านความแข็ง การเป็นตัวนำ สี และคุณสมบัติการเป็นแม่เหล็ก | ||
| 2. ถ้าการผสมเป็นชนิด Solid Solution ความแข็งแรงจะเพิ่มมากขึ้นกว่าโลหะบริสุทธิ์ แต่กลับทำให้ตัวนำไฟฟ้าลดลง สำหรับสี | ||
| และคุณสมบัติเการเป็นแม่เหล็กนั้นไม่สามารถรู้ได้อย่างชัดเจนนัก เช่น ทองแดงผสมกับนิกเกิลร้อยละ 23 จะเปลี่ยนสีเป็นสีเทา ทองคำผสมกับเหล็กจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน ทองแดงผสมกับแอนติโมนี (Sb) จะเปลี่ยนเป็นสีเขียว และทองคำผสมกับเงินจะเปลียนเป็นสีน้ำเงินและแคทเมียมจะเปลี่ยนเป็นสีเขียว เป็นต้น | ||
| 3. ถ้าการผสมนั้นเป็นชนิด Intermetalic Solution ก็ไม่สามารถทำนายคุณสมบัติได ๆ ได้เลย |
| รูปหรือเฟส
(Phase) รูปหรือเฟส หมายถึง ระยะหรือบริเวณที่มีลักษณะเป็นเนื้อเดียวกัน และมีอง๕ประกอบทางกายภาพเหมือนกัน แต่จะแตกต่างกันกับเฟส |
||
| อื่น ๆ โดนมีเส้นหรือระยะแบ่ง เช่น ขวดที่มีน้ำผสมกับน้ำแข็ง ถือว่าภายในขวดมี 3 สถานะ หรือมี 3 เฟสนั่นเอง คือมีเฟสของแข็ง (Solid Phase) ได้แก่สวนที่เป็นน้ำแข็ง เฟสของเหลว (LiqUID Phase) ได้แก่ ส่วนที่เป็นน้ำ และส่วนที่เป็นเฟสของก๊าซ (Gaseous Phase) ได้แก่ อากาศที่อยู่ภายในขวดนั้น | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD3
ลักษณะเฟสของน้ำ. |
| โลหะก็เช่นเดียวกันกับน้ำ คือต่างก็มีสถานะ 3 สถานะเช่นเดียวกัน แต่มีความแตกต่างไปจากน้ำหลายประการ เช่น ในสถานะของแข็งนั้น | ||
| โลหะที่มีธาตุอื่น ๆ ผสมอยู่จะมีองค์ประกอบทางกายภาพที่แตกต่างกันออกไป นั่นย่อมหมายความว่าธาตุที่ผสมอยู่ในโลหะจะทำให้โลหะนั้นมีเฟสเกิดขึ้นหลายเฟส แม้ว่าจะกอยู่ในสถานะของแข็งก็ตาม และเพื่อให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับเรื่องเฟสของโลหะดียิ่งขึ้น ขอให้ทำความเข้าใจในเรื่องแผนภูมิสมดุลในลำดับต่อไป | ||
| แผนภูมิสมดุล (Equilibrium Diagram) แผนภูมิสมดุลนี้มีความสัมพันธ์อย่างยิ่งสำหรับผู้ที่ต้องการศึกษาเพื่อหาความรู้ที่เกี่ยวกับคุณสมบัติต่างๆ ของโลหะ ในขณะที่โลหะนั้น | ||
| รวมตัวกันอยู่ และโดยมีตัวแปรซึ่งประกอบไปด้วยความดัน อุณหภูมิและส่วนผสมของสาร และตัวแปรเหล่านี้จะทำให้แผนภูมิสมดุลแตกต่างกัน | ||
| อนึ่ง สำหรับธาตุ สารประกอบ และของผสม ย่อมเกิดขึ้นจากสารเดียวหรือเกิดจากการรวมตัวกันตั้งแต่ 2 สารขึ้นไป จนทำให้เกิดเฟส | ||
| ต่าง ๆ อย่างมากมายในแผนภูมิสมดุล ดังนั้น เพื่อให้ง่ายต่อการทำความเข้าใจ เราจึงได้แบ่งจำนวนของสารที่รวมกันเป็นระบบซึ่งเรียกว่า ระบบของสารและมีอยู่หลายระบบคือระบบสารเดียว (Unary System) ระบบ 2 สาร (Binary System) และระบบ 3 สาร (Ternary System) เป็นต้น | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD4
แผนภูมิสมดุลระบบสารเดียว. |
|
ระบบสารเดียว (Unary System)
ระบบสารเดียว หมายถึง ระบบที่ประกอบไปด้วยสารประกอบอย่างเดียว หรือมีธาตุบริสุทธิ์เพียงธาตุ เดียวเท่านั้น ตัวอย่างธาตุเดียว |
||
| เช่น น้ำ เงิน ทองแดง และเหล็ก เป็นต้น | ||
| สำหรับเหล็กบริสุทธิ์นั้น จะมีขอบเขตสมดุลของของแข็งและของเหลวเกือบจะอยู่ในแนวระดับ ดูรูปที่ METAL-EQD5 ซึ่งหมาย ความ | ||
| ว่า จุดหลอม เหลวไม่ได้ขึ้นอยู่กับความดันและเฟสของแข็งยังคงแบ่งแยกออกเป็นส่วนย่อย ๆ ได้อีก 3 ส่วน ตัวอย่าง เช่น ที่อุณหภูมิ 1,390 องศาเซลเซียส เกิดเฟสในสภาพของแข็ง 2 เฟส คือเฟสเดลตาและเฟสแกมมามาสมดุลกันอยู่ ซึ่งเฟวสทั้งสองมีโครงสร้างผลึกต่างกัน และที่อุณหภูมิ 910 องศาเซลเซียส ก็มีลักษณะคล้ายกันคือ ที่จุดดังกล่าวจะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิได้เลย และมีเพียงจุดเดียวเท่านั้นคือ ที่อุณหภูมิ 1,540 องศาเซลเซียส ที่เกิดสมดุลระหว่างเฟส 3 เฟส เฟสของแข็ง และเฟสของเหลว และเฟสไอหรือก๊าซ เราจึงเรียกจุดนี้ว่า จุดทริปเปล (Triple Point) | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD5
แผนภูมิสมดุลของเหล็กบริสุทธิ์. |
| ถ้าเรานำเหล็กที่บริสุทธิ์ไปหลอมละลายที่อุณหภูมิ 2,000 องศาเซลเซียส ในความดัน 1 บรรยากาศ หลังจากนั้นปล่อยให้เย็นตัวลงอย่าง | ||
| ช้า ๆ เพื่อที่จะให้เกิดสมดุลอยู่ตลอดเวลา จะเห็นว่าการเปลี่ยนเปลงจากของแข็งไปเป็นของแข็งจากเดลตา (Delta) จะเกิดที่อุณหภูมื 1,540 องศาเซลเซียส และการเปลี่ยนเปลงในสภาพของแข็งเดลตา ไปเป็นของแข็งแกมมา (Gamma) นั้นจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1,390 องศาเซลเซียส ส่วน การเปลี่ยนแปลงในสภาพของแข็งจากแกมมากลาไปเป็นแอลฟา (Alpha) นั้น ก็จะเกิดขึ้ที่อุณหภูมิ 910 องศาเซลเซียส การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ทั้งสิ้น ดังรูปที่ METAL-EQD6 ซึ่งแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างเวลาและอุณหภูมิที่ปล่อยให้เกิดการเย็นตัวแบบสมดุลที่ความดัน 1 บรรยากาศ | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD6
แผนภูมิการเย็นตัวของเหล็กบริสุทธิ์. |
| แผนภูมิสมดุลเหล็กกับคาร์บอน ดังได้กล่าวมาแล้วจะเห็นว่าแผนภูมิสมดุลระบบ 2 สารมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผู้ที่ศึกษาหาความรู้เกี่ยวกับโลหะ โดยเฉพาะแผนภูมิ |
||
| สมดุลเหล็กกับคาร์บอนซึ่งมีความสำคัญมาก ดังนั้น เพื่อให้เกิดความเข้าใจอย่างแท้จริงและสามารถนำความรู้ไปใช้ได้อย่างถูกต้อง จึงจะขอนำแผนภูมิสมดุลเหล็กกับคาร์บอนมาอธิบายโดยละเอียดดังนี้ | ||
| โลหะมีคุณสมบัติพิเศษหลายประการ จึงสามารถนำเอาโลหะไปใช้ทำประโยชน์ได้มากมาย เหล็กก็เช่นเดียวกัน ทั้งนี้เพราะเหล็กมี | ||
| คุณสมบัติพิเศษประการหนึ่งคือ เหล็กมีระบบผลึกที่เปลี่ยนแปลง ไม่แน่นอน เมื่ออุณหภูมิสูง เช่น เหล็กเมื่ออยู่ที่อุณหภูมิปกติจะมีระบบผลึกเลียนแบบ BCC (Body-Centered Cubic) แต่เมื่ออบให้ความร้อนถึงระดับอุณหภูมิ 910 องศาเซลเซียส เหล็กจะเปลี่ยนระบบผลึกจาก BCC เป็น FCC (Face-Centered Cubic) และถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นจนถึงระดับ 1,390 - 1,534 องศาเซลเซียส ระบบผลึก FCC จะเปลี่ยนไปเป็นผลึก BCC การเปลี่ยนแปลงผลึกดังกล่าวนี้เรียกว่า Allotropic Properties นอกจากนั้นเหล็กยังมีคุณสมบัติอีกประการหนึ่งก็คือ แม่เหล็กไม่สามารถดูดได้ เมื่ออบเหล็กจนถึงอุณหภูมิ 770 องศาเซลเซียส เราเรียกจุดนี้ว่า Curie Point การรวมกันระหว่างเหล็กกับคาร์บอน อะตอมของคาร์บอนจะแทรกตัวอยู่ระหว่างอะตอมของเหล็กในลักษณะ Interstitial Compound โดยสามารถเขียนเป็นสูตรเตมีได้ดังนี้ Fe3C ซึ่งจะเกิดที่จุดที่มีคาร์บอนผสมอยู่เท่ากับร้อยละ 6.67 ซึ่งเราเรียกว่า เหล็กคาร์ไบด์ หรือซีเมนไทต์ที่มีความแข็งสูง คือมีความแข็งถึง 700 HB แต่ก็ไม่นิยมที่จะนำไปใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องจักรหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ทั้งนี้ก็เพราะแตกหักได้ง่าย โดยมีระบบผลึกเป็นแบบ Orthorhombic และจะไม่แตกตัวก่อนถึงจุดหลอมเหลว | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD7
แผนภูมิสมดุลของเหล็กกับคาร์บอน. |
| เมื่อพิจารณาแผนภูมิสมดุลเหล็กกับคาร์บอน จะมีปฏิกิริยาที่สารละลายของแข็งที่มีส่วนผสมแน่นอนและอุณหภูมิคงที่จะเกิดการเปลี่ยน | ||
| แปลงเป็นของแข็งสองเฟสโดยเกิดนิวเคลียสขึ้นพร้อม ๆ กัน และของแข็งทั้งสองนั้นจะมีส่วนผสมแตกต่างกัน ปฏิกิริยานี้เรียกว่ายูเทกตอยด์ ซึ่งจะเกิดกับเหล็กและซีเมนไทต์ที่อุณหภูมิทั้งสอง 723 องศาเซลเซียส จากแผนภูมินี้จุดยูเทกตอยด์ จะเกิดจากเฟสออสเทนไนต์ที่จุด S ที่มีคาร์บอนอยู่ร้อยละ 0.85 เมื่ออุณหภูมิลดลงจะเกิดการแตกตัวให้เฟอร์ไรต์ที่จุด P กับซีเมนไทต์ที่จุด K โดยจะเกิดสลับกันเป็นแถบบาง ๆ ที่เราเรียกว่า เพิร์ลไลต์ (Pearlite) หรือโครงสร้างยูเทกตอยด์นั่นเอง | ||
| จากแผนภูมิที่แสดงในรูปที่ METAL-EQD7 นั้นจะปรากฏเส้น ECF ที่อุณหภูมิ 1,132 องศาเซลเซียส และนั่นคืออุณหภูมิยูเทกติก | ||
| ซึ่งมีส่วนผสม ของเหล็กที่เป็นส่วนผสมของยูเทกติกที่จุด C และมีคาร์บอนอยู่ร้อยละ 4.2 นอกจากนี้เส้น PSK ที่อุณหภูมิ 723 องศาเซลเซียสคืออุณหภูมิยูเทกตอยด์ที่จุด S และที่ตำแหน่งนี้ออสเทนไนต์จะมีคาร์บอนผสมอยู่ร้อยละ 0.85 ในลำดับต่อไปนี้จะได้อธิบายจุดและพื้นที่ต่าง ๆ ที่สำคัญ ๆ เพื่อให้เกิดความเข้าใจได้ดียิ่งขึ้นดังนี้ | ||
| จุด E คือจุดที่แสดงปริมาณของคาร์บอนที่ละลายได้ในออสเทนไนต์ (Gamma Iron) ในปริมาณสูงสุดเท่ากับร้อยละ 1.7 และจุด P | ||
| คือจุดที่แสดงปริมาณคาร์บอนสูงสุดที่ละลายในเฟอร์ไรต์ (Alpha Iron) ในปริมาณร้อยละ 0.025 | ||
|
จากแผนภูมิสมดุลของเหล็กกับคาร์บอน
จะปรากฏพื้นที่ของเฟสต่าง ๆ เช่น พื้นที่เหนือเส้น ACD เป็นพื้นที่ของเฟสของเหลว AEC เป็นพื้นที่ของออสเทนไนต์หรือเหล็กแกมมากับเหล็กหลอมเหลว DCF เป็นพื้นที่ของซีเมนไทต์กับเหล็กหลอมเหลว AGSE เป็นพื้นที่ของออสเทนไนต์หรือเหล็กแกมมา EFKS เป็นพื้นที่ของออสเทนไนต์กับซีเมนไทต์และปฏิกิริยายูเทกติกก็จะเกิดที่พื้นที่ดังกล่าวนี้ โดยจะเกิดที่จุด C GPS เป็นพื้นที่สามเหลี่ยม จะประกอบไปด้วยออสเทนไนต์กับเฟอร์ไรต์ GPN เป็นพื้นที่สามเหลี่ยมซึ่งประกอบไปด้วยเฟสของเฟอร์ไรต์ และพื้นที่ใต้เส้น PK เป็นพื้นที่ของเฟอร์ไรต์กับซีเมนต์ไทต์ ซึ่งสามารถ |
||
| จะแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือพื้นที่ PSWN เป็นพื้นที่อยู่ทางด้านซ้ายของเส้น SW หรือเส้นหมายเลข 2 ที่ลากลงมาที่จุด W ที่มีส่วนผสมคาร์บอนในอัตราส่วนร้อยละ 0.85 ซึ่งพื้นที่ PSWN นี้จะเป็นอาณาเขตของเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไรต์ ส่วนทางด้านขวามือของเส้น SW จะเป็นพื้นที่ของเพิร์ลไรต์และซีเมนไทต์ | ||
| ข้อที่น่าสังเกตอีกประการหนึ่งก็คือ ซีเมนไทต์ที่เกิดในทุกช่วงอุณหภูมิ เช่น ซีเมนไทต์ที่เกิดเหนือเส้น EF เป็นปฏิกิริยายูเทกติก จึงเรียกว่า | ||
| ยูเทกติกซีเมนไทต์ ส่วนปฏิกิริยายูเทกตอยด์ซึ่งเรียกว่า ยูเทกตอยด์ซีเมนไทต์ จะเกิดที่เส้น PK ที่จุด S และซีเมนไทต์ทุกชนิดจะมีส่วนผสมของคาร์บอนเท่ากันคือร้อยละ 6.67 ซึ่งสามารถเขียนเป็นสูตรเคมีได้ดังนี้ Fe3C | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD8
ลักษณะของแผนภูมิสมดุลของเหล็ก กับคาร์บอนในช่วงปฏิกิริยาเพอริเทกติก. |
| จากรูปที่ METAL-EQD8 เสนอรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับแผนภูมิสมดุลเหล็กกับคาร์บอนในช่วงอุณหภูมิสูงคือช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ | ||
| 1,300 - 1,600 องศาเซลเซียส จะเป็นช่วงการเกิดปฏิกิริยาเพอริเทกติก กล่าวคือ จะเกิดสารละลายของแข็งระหว่างเหล็กกับคาร์บอนที่จุด C ซึ่งมีปริมาณคาร์บอนสูงสุดเท่ากับร้อยละ 0.08 และจะปรากฏสารละลายของแข็งที่เรียกว่า เฟอร์ไรต์เดลตา ในสามเหลี่ยม ACD ที่จุด C นั้น ส่วนผสมของคาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับเหล็กหลอมเหลวที่มีส่วนผสมคาร์บอนที่จุด B เท่ากับร้อยละ 0.55 และให้สารละลายของแข็งแกมมาที่มีส่วนผสมคาร์บอนเท่ากับร้อยละ 0.18 ที่จุด P อยู่ในช่วงอุณหภูมิ 1,492 องศาเซลเซียส | ||
| อนึ่ง แผนภูมิสมดุลนี้ยังมี จุด เส้น และพื้นที่ต่าง ๆ ที่สำคัญอีก เช่น ที่จุด P พื้นที่ด้านล่างเป็นพื้นที่ของออสเทนไนต์ ที่เส้น PB นั้นเป็น | ||
| อาณาเขตของออสเทนไนต์กับเหล็กหลอมเหลว อีกทั้ง ABC เป็นอาณาเขตของเฟอร์ไรต์เดลตากับเหล็กหลอมเหลว และพื้นที่สามเหลี่ยม ACD เป็นอาณาเขตของเฟอริเดลตา และสุดท้ายเป็นพื้นที่ของเฟอร์ไรต์เดลตากับออสเทนไนต์ ซึ่งอยู่ในสามเหลี่ยม CPD | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD9
เส้นต่าง ๆ ที่สำคัญในแผนภูมิสมดุลเหล็กกับคาร์บอน. |
| จากนั้นพิจารณารูปที่ METAL-EQD9 เป็นแผนภูมิสมดุลเหล็กกับคาร์บอน ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่มีเส้นแสดงอาณาเขตของเฟสต่าง ๆ | ||
| และเส้นต่าง ๆเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็ก ดังนั้นจึงจำเป็นจะต้องทำความเข้าใจโดยละเอียด โดยมีเส้นต่าง ๆ ดังนี้ | ||
|
เส้น A0 ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิ
210 องศาเซลเซียส จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เกิดขึ้นที่เส้น A0
นี้ เส้นนี้จึงมีความสำคัญไม่มากนัก เส้น A1 ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 723 องศาเซลเซียส จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสแบบปฏิกิริยายูเทกตอยด์ จากออสเทนไนต์เปลี่ยนไปเป็น |
||
| เฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์ | ||
| เส้น A2 ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 768 องศาเซลเซียส จะมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแม่เหล็กของเหล็กแอลฟา ซึ่งทำให้แม่เหล็กไม่ | ||
| สามารถดูดได้ | ||
| เส้น A3 ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 723 - 912 องศาเซลเซียส จะมีการเปลี่ยนแปลงโดยการแยกเฟอร์ไรต์ออกจากออสเทนไนต์ในระหว่างการ | ||
| ทำให้เย็นตัวลงหรืออาจกล่าวได้ว่าเฟอร์ไรต์เริ่มมีการเปลี่ยนเฟสไปเป็นออสเทนไนต์ทั้งหมดเมื่อถูกเผาให้ร้อนขึ้น แต่ในเหล็กบริสุทธิ์เส้น A3 นี้จะอยู่ที่ช่วงอุณหภูมิที่ 912 องศาเซลเซียสจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจาก BCC ไปเป็น FCC เมื่อถูกเผาให้ร้อนขึ้น | ||
| เส้น Acm ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 723 ถึง 1,147 องศาเซลเซียส จะเป็นเส้นที่แสดงการละลายอิ่มตัวของคาร์บอนในออสเทนไนต์ ซึ่ง | ||
| อยู่เหนือปฏิกิริยายูเทกตอยด์ ซึ่งการเย็นตัวในช่วงนี้จะทำให้ซีเมนไทต์ตกผลึกออกมา | ||
| เส้น A4 คือเส้นที่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสจากออสเทนไนต์ไปเป็นเฟอร์ไรต์ ซึ่งอยู่ในช่วงอุณหภูมิ 1,394 องศาเซลเซียส เมื่อทำความเข้าใจกับเส้นต่าง ๆ ในแผนภูมิสมดุลแล้ว ก็ควรพิจารณาการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในแผนภูมิสมดุลโดยมีเส้นต่าง ๆ | ||
| เป็นจุดเริ่มต้นและสิ้นสุดการเปลี่ยนแปลง โดยมีสาระสำคัญดังต่อไปนี้ | ||
| จากรูปที่ METAL-EQD10 จะสามารถอธิบายได้ว่าการเย็นตัวอย่างช้า ๆ และอยู่ในสภาวะสมดุลดังนี้ แทนด้วย Alloy 1 โปรดดูรูป | ||
| วงกลมที่จุด (ก) ซึ่ง เป็นรูปของโครงสร้างที่เป็นออสเทนไนต์ และเมื่อเย็นตัวลงจนถึงจุด X 1 ซึ่งอยู่บนเส้น A 3 จะทำให้นิวเคลียสของเฟอร์ไรต์เกิดขึ้นตามขอบของออสเตนไนท์ และเมื่ออุณหภูมิลดลงไปอีก เฟอร์ไรต์จะขยายตัวเป็นแกรนแทรกอยู่กับเกรนของออสเทนไนต์ ซึ่งเกรนของเฟอร์ไรต์นี้จะเรียกชื่อตามตำแหน่งที่เกิดว่า โปรยูเทกตอยด์เฟอร์ไรต์ (ค) | ||
| หลังจากนั้น เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงอีก ปริมาณของคาร์บอนในเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์จะเพิ่มขึ้นตามเส้น GP เมื่ออุณหภูมิลงใกล้เส้น A1 | ||
| ปริมาณคาร็บอนจะเพิ่มขึ้นไปตามเส้น GS เราจะได้ออสเทนไนต์ที่มีปริมาณคาร์บอนเข้าใกล้ 0.8 และถ้าอุณหภูมิลดลงอีก ปฏิกิริยายูเทกตอยด์จะเกิดขึ้น คือออสเทนไนต์ที่มีคาร์บอนร้อยละ 0.8 จะแตกตัวให้เฟอร์ไรต์ที่มีคาร์บอนร้อยละ 0.025 และซีเมนไทต์ที่มีคาร์บอนร้อยละ 6.67 เราเรียกโครงสร้างที่รวมกันระหว่างเฟอร์ไรต์และซีเมนไทต์นี้ว่า เพิร์ลไรต์ ขอให้พิจารณาจุด X2 ประกอบคำอธิบายนี้ เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงผ่านเส้น A1 จำนวนอุณหภูมิห้อง Alloy 1 จะประกอบไปด้วยเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไรต์เกิดสลับกันกระจายอยู่ทั่วไป | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD10
ลักษณะการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเหล็กกล้า ที่มีคาร์บอนร้อยละ 0.2 โดยการปล่อยให้เย็นตัวช้า ๆ. |
 |
|
รูปที่ METAL-EQD11
ลักษณะการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเหล็กกล้า ที่มีคาร์บอนร้อยละ 1 โดยการปล่อยให้เย็นตัวช้า ๆ. |
| จากนั้นให้พิจารณารูปที่ METAL-EQD11 ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสมอยู่ร้อยละ 1 สำหรับ | ||
| เหล็ก ที่มีส่วนผสม ของคาร์บอนมากกว่าร้อยละ 0.8 ซึ่งเรียกว่าเหล็กไฮเปอร์ยูเทกตอยด์นี้จะปรากฏปฏิกิริยาต่าง ๆ ดังตัวอย่างของเหล็ก Alloy 2 ที่มีโครงสร้างเป็นออสเทนไนต์ ที่จุด (ก) เมื่อปล่อยให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนถึงจุด x3 ซึ่งอยู่บนเส้น Acm จะเกิดนิวเคลียสของซีเมนไทต์ปรากฏตามบริเวณขอบเกรนของออสเทนไนต์ และเนื่องจากเกิดทางด้านขวาของจุด S เราจึงเรียกโครงสร้างนี้ว่า โปรยูเทกตอยต์หรือซีเมนไทต์ เมื่ออุณหภูมิลดลงอีกจะปรากฏซีเมนไทต์ขยายตัวเป็นเกรนเล็ก ๆ จับอยู่ตามขอบเกรนของออสเทนไนต์ ทั้งนี้เนื่องจากมีออสเทนไนต์มากกว่าซีเมนไทต์ และจะพบอยู่ตามบริเวณขอบเกรนเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิลดลงเข้าใกล้กับเส้น A1 จึะมีซีเมนไทต์มากขึ้น แต่ก็ยังคงมีปริมาณคาร์บอนอยู่ร้อยละ 6.67 แต่จะมีปริมาณออสเทนไนต์และคาร์บอนลดลง เมื่อถึงเส้น A1 ปริมาณคาร์บอนจะลดลงถึงร้อยละ 0.8 ดังนั้นปฏิกิริยายูเทกตอยด์จะเกิดขึ้น ทำให้ได้เพิร์ลไลต์กับซีเมนไทต์เมื่ออุณหภูมิลดลงผ่านจุด X4 จนถึงอุณหภูมิห้อง | ||
|
ระบบ 3 สาร (Ternary System)
การที่ธาตุ 3 ธาตุจะรวมตัวกันในรูปแบบต่าง ๆ นั้นจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องศึกษาแผนภูมิสมดุลระบบ 3 สาร ของธาตุทั้ง 3 นั้น และแผนภูมิ |
||
| สมดุลระบบ 3 สารนี้ อาจจะทำความเข้าใจได้ยากกว่าแผนภูมิสมดุลสารเดียว และ 2 สาร ทั้งนี้ก็เพราะว่าจะต้องพิจารณาธาตุ 3 ชนิด ซึ่งรวมกันอยู่ในสภาพต่าง ๆ ดังที่ปรากฏอยู่ในแผนภูมิสมดุลในลักษณะภาพ 3 มิติ โดยมีเส้นตามแนวตั้งเป็นเส้นบอกตำแหน่งอุณหภูมิ และเส้นโค้งต่าง ๆ ในแผนภูมิแทนอาณาเขตของเฟสต่าง ๆ | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD12
ลักษณะแผนภูมิสมดุลระบบ 3 สารของ ตะกั่ว (Pb) แแคดเมี่ยม (Cd) และ บิสมัท (Bi). |
| จากรูปที่ METAL-EQD12 แสดงแผนภูมิสมดุลระบบ 3 สารซึ่งประกอบไปด้วยธาตุแคดเมียม (Cd) ตะกั่ว (Pb) และบิสมัท (Bi) | ||
| จากรูปเมื่อต้องการ ทราบว่า ที่จุดต่าง ๆ ในแผนภูมิประกอบด้วยเฟสใด ๆ บ้างนั้น จะต้องพิจารณาจากส่วนผสมของธาตุทั้ง 3 ชนิดที่ตำแหน่งอุณหภูมิคงที่เท่านั้น และธาตุทั้งสาม คือตะกั่ว แคมเมียม และบิสมัทจะมีตำแหน่งอยู่ที่มุมของรูปสามเหลี่ยม ABC ตามลำดับ ซึ่งจะมีการรวมกันตามระบบ 2 สารอยู่ด้วย โดยพิจารณาจากเส้นประกอบสามเหลี่ยม AB BC และ CA ซึ่งเป็นเป็นเส้นแสดงอัตราส่วนผสมของธาตุทั้งสองและมีเส้นแนวตั้งเป็นเส้นแกนอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น เส้น AB จะแสดงอัตราส่วนผสมระหว่างตะกั่วกับแคดเมียม เป็นต้น แต่แผนภูมิสมดุลระบบ 3 สาร จะต้องแสดงจะต้องแสดงอัตรส่วนผสมของธาตุทั้งสาม ซึ่งรวมอยู่ ณ จุดเดียวกันดังรูป ที่จุด E จะมีบิสมัทอยู่ร้อยละ 52 ตะกั่วร้อยละ 40 และแคดเมียมร้อยละ 8 จากปริมาณของธาตุทั้งสาม จะเห็นว่ามีบิทมัสและตะกั่วอยู่ในปริมาณที่สูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับแคดเมียม ทั้งนี้เพราะที่จุด E อยู่ใกล้กับเส้น CA ซึ่งเส้น CA นี้จะแสดงส่วนผสมของบิสมัทและตะกั่ว | ||
| สรุปสาระสำคัญเกี่ยวกับแผนภูมิสมดุลระบบ 3 ธาตุ เพื่อให้เกิดความเข้าใจได้โดยง่าย จะขอยกตัวอย่างการผสมกันของโลหะ A, B และ C | ||
| ซึ่งโลหะทั้ง 3 ชนิดผสมกันได้ดีทั้งในสภาพของเหลวและสภาพของแข็ง ขอให้พิจารณาดูรูปที่ 42 การผสมรวมกันของโลหะทั้ง 3 นั้น ก็จะมีลักษณะการผสมรวมกันของธาตุ 2 ธาตุอยู่ด้วย คือมีการผสมกันของโลหะ A กับ B, B กับ C และ C กับ A หลังจากนั้นนำแผนภูมิระบบ 2 ธาตุมาเรียงกันในระบบ 3 มิติ ดังรูปที่ 43 จะเห็นได้ว่าแกนตั้งนั้นจะเป็นเส้นแกนของอุณหภูมิ ส่วนแกนนอนนั้นจะแสดงส่วนผสมของโลหะ A, B และ C อยู่เท่าใดก็สามารถหาได้ ตัวอย่างเช่น ที่จุด Alloy 1 ในรูปที่ 42 มีโลหะ A ร้อยละ 20 โลหะ B ร้อยละ 60 และมีโลหะ C ร้อยละ 20 ทั้งนี้ก็เพราะว่าการสร้างแผนภูมิสมดุลระบบ 3 ธาตุนั้น จะใช้สามเหลี่ยมด้านเท่าเป็นฐาน แทนปริมาณทั้งหมดเท่ากับร้อยละ 100 ของโลหะ A, B และ C และแบ่งความยาวของเส้นทั้ง 3 ด้านออกเป็น 10 ส่วนเท่า ๆ กัน ซึ่งแต่ละส่วนแทนด้วยส่วนผสมของโลหะทั้งสามเท่ากับร้อยละ 10 ดังนั้น ที่จุด Alloy 1 จึงมีโลหะทั้ง 3 ชนิดในปริมาณดังกล่าว | ||
 |
|
รูปที่ METAL-EQD13
ลักษณะแผนภูมิสมดุลระบบ 3 ธาตุ ที่เกิดขึ้นจากการผสมกันของโลหะ A,B,C. |
 |
|
รูปที่ METAL-EQD14
ลักษณะการนำแผนภูมิสมดุลระบบ 3 ธาตุ ของโลหะ A,B,C. วางเข้าด้วยกันในระบบ 3 มิติ. |
| เมื่อได้ศึกษาแผนภูมิสมดุลระบบสารเดียว (Unary System) ระบบ 2 สาร (Binary System) และระบบ 3 สาร (Ternary | ||
| System) ตลอดจนเฟสต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในแผนภูมิสมดุลเหล่านั้นโดยละเอียดแล้ว ท่านจะสามารถเข้าใจสภาพของโลหะชนิดต่าง ๆ ทั้งนี้เพราะเมื่อโลหะผสมเหล่านั้นได้รับความร้อนและมีส่วนผสมที่เปลี่ยนแปลงไป ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางกายภาพ คือทำให้เฟสต่าง ๆ เกิดการเปลี่ยนแปลงนั่นเอง การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเหล่านี้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาทางด้านโลหะวิทยา ทั้งนี้เพราะโลหะทุกชนิดที่ใช้อยู่ในงานอุตสาหกรรมทั่วไปนั้น ผู้ออกแบบและผู้ผลิตงานอุตสาหกรรมควรจะมีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับลักษณะการเปลี่ยนแปลงของโลหะเมื่อได้รับความร้อน หรือเกิดการเปลี่ยนแปลงส่วนผสมทางเคมี ทั้งนี้เพราะความร้อนและส่วนผสมทางเคมีของโลหะจะมีผลโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกายภาพและคุณสมบัติทางกลของโลหะนั้น ๆ ซึ่งสามารถนำความรู้ดังกล่าวเหล่านี้ไปช่วยในการตัดสินใจเลือกใช้วัสดุได้อย่างถูกต้องเหมาะสม | ||
Head
|
G. PRECISION ENGINEERING LTD.,PART. 26/27 MOO.9 BYPASS ROAD , TUMBOL NAPA AMPHUR MUANG ,CHONBURI 20000 THAILAND. TEL :038-441-348 , 087-9182311 , 081-6446767 FAX : 038-441-349 Website : http://www.Gprecision.net E-mail : info@gprecision.net |