   |
|
แผนภูมิ
TTT หรือ S Curve / ระบบโลหะผสมสามธาตุ (Ternary System) |
|
||||||
| แผนภูมิ
TTT หรือ S Curve เป็นกร๊าฟ ที่มีประโยชน์และมีความสำคัญมากในเรื่องของ การชุบแข็งเหล็ก เป็นกร๊าฟที่แสดงถึงความ สัมพันธ์ของอุณหภูมิเวลา และ |
||
| การเปลี่ยนโครงสร้างของ Equilibrium phase ของเหล็กกล้า เราพบว่าถ้าเราเผาเหล็กที่จำนวน เปอร์เซนต์คาร์บอนคงที่ให้ร้อนจากอุณหภูมิบรรยากาศสูงขึ้นเรื่อย ๆ จะปรากฏว่าจะมีการเปลี่ยนโครงสร้างจากเฟอร์ไรท์หรือจากทั้งเฟอร์ไรท์และเพิรไลท์ไปเป็นออสเตนไนท์และถ้าปล่อย ให้ออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิสูงนี้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิบรรยากาศก็จะเกิดการเปลี่ยนโครงสร้างเช่นเดียวกัน แต่ถ้าเปลี่ยนโครงสร้างนี้อาจจะกลับมาสู่สภาพเดิมคือเป็นเฟอร์ไรท์และเพิรไลท์ และ อาจจะให้โครงสร้างใหม่ เช่น มาร์เทนไซต์ ซอร์ไบท์ (เพิรไลท์ที่ละเอียด) หรือ เบนไนท์ (เพิรไลท์ที่มีความละเอียดมาก) ก็ได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัว ถ้าสูงมากก็จะได้มาร์เทนไซต์ ถ้าอัตราการเย็นตัวสูง ปานกลางอาจจะให้เบนไนท์หรือซอร์ไบท์ โดยทั่ว ๆ ไป คุณสมบัติของมาร์เทนไซต์ ซอร์ไบท์ และเบนไนท์ จะมีคุณสมบัติทางฟิสิคส์ และทางเชิงกล แตกต่างกัน กล่าวคือมาร์เทนไซต์จะมีความแข็งมาก แต่เปราะแตกง่าย (Fragli) เมื่อถูกกระแทก (impact) ส่วนเบนไนท์จะมีความแข็งและความเหนียว (Ductility) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ต้องการ ความแข็งของเบนไนท์จะน้อยกว่ามาร์เทนไซต์ แต่สูงกว่าของซอรไบท์ ดังนั้นการชุบเหล็กโดยวิธีธรรมดา เมื่อได้มาร์เทนไซต์แล้วจึงมักจะต้องทำการอบคืนตัวเพื่อลดความเครียด (Internal stress) อันเนื่องมาจากการชุบ ในที่สุดเราก็จะได้โครงสร้างใหม่เรียกเทมเปอร์ มาร์เทนไซต์ (tempered martensite) เทียบได้กับเบนไนท์ ซึ่งในทางวิศวกรรมเรายอมรับว่ามีคุณสมบัติที่เหมาะในการใช้งาน | ||
| วิธีการอีกอย่างหนึ่งที่เราสามารถชุบเหล็กเพียงครั้งเดียวเพื่อให้ได้โครงสร้างเบนไนท์ โดยไม่ต้องทำการอบคืนตัวและไม่ต้องเสี่ยงต่อการ | ||
| เกิดความเครียด การบิดงอ และแตกหรือร้าว วิธีการที่ใช้นี้เรียกว่า Austempering และอีกวิธีหนึ่งเป็นการชุบเหล็กเพื่อให้ได้มาร์เทนไซต์ โดยไม่เกิดความเครียด และเกิดการบิดงอ อันเนื่องมาจากการชุบด้วยวิธีธรรมดา วิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า Martempering แต่เพื่อที่จะให้เข้าใจถึงการทำ Martempering และ Austempering เราจำเป็นจะต้องศึกษาให้เข้าใจถึงเรื่องราวและวิธีสร้าง S Curve เสียก่อน | ||
| วิธีสร้าง
S Curve หรือ TTT curve
ขั้นแรกต้องนำเอาเหล็กที่ใช้เป็นตัวอย่าง โดยทราบเปอร์เซนต์คาร์บอนจำนวนหลายชิ้นไปเผาในเตาจนอุณหภูมิสูงอยู่ใน พิกัดของ |
||
| ออสเตนไนท์ ทิ้งไว้ในเตาระยะหนึ่งเพื่อให้อุณหภูมิในแท่งเหล็กร้อนทั่วถึงกันหมดหยิบเอาเหล็กทุกชิ้นออกจากเตาชุบลงในอ่างโลหะหลอมเหลว (Metal bath) ที่อุณหภูมิหนึ่งสมมติเป็น q1 (ดูรูปที่60 ) ปล่อยให้เหล็กทุกชิ้นอยู่ในอ่างโลหะหลอมเหลวในเวลาแตกต่างกัน โดยพยายามเอาออกจากอ่างโลหะร้อนทีละชิ้น และปล่อยให้เย็นในน้ำ เมื่อเหล็กเย็นแล้วนำมาตรวจดูด้วยกล้องไมโครสโคปโดยวิธีทาง Metallography เพื่อตรวจดูว่ามีจำนวนออสเตนไนท์ที่เปลี่ยนโครงสร้างเป็นเพิรไลท์, ซอร์ไบท์, เบนไนท์ หรือ มาร์เทนไซต์ เป็นกี่เปอร์เซนต์คิดว่าสัมพันธ์กับเวลาที่อยู่ในอ่างโลหะหลอมเหลวละลาย | ||
| สมมติว่าเราหาที่อุณหภูมิ q1 เราได้ |
|
เวลา (time)
|
ปริมาณของออสเตนไนท์เปลี่ยนไป
(% transformed)
|
|
t1
|
x 1
|
|
t2
|
x
2
|
|
t3
|
x
3
|
|
....
|
....
|
|
....
|
....
|
|
....
|
....
|
|
tn
|
x
n
|
| และจากการชุบในลักษณะเดียวกันที่อุณหภูมิอื่น ๆ ของอ่างโลหะหลอมเหลว เช่น q2,q3 ....... qn เราอาจหาค่าของเปอร์เซนต์ออสเตนไนท์ | ||
| เปลี่ยนแปลง ได้งต่าง ๆ กันที่เวลาแตกต่างกันตามลำดับ เรานำค่าที่ได้ทั้งหมดมาสร้างกร๊าฟอันหนึ่งระหว่างค่าเวลา กับ เปอร์เซนต์ของ Austenite transformed จากกร๊าฟนี้เราจะได้ค่า ts คือค่าเวลาที่เริ่มมีการเปลี่ยนโครงสร้างของออสเตนไนท์และค่า tf คือค่าเวลาที่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของออสเตนไนท์สิ้นสุดลง (ดูรูปที่ STEEL-TTT1 ) | ||
 |
|
ูรูปที่
STEEL-TTT1
|
| จากค่า ts และ tf ของ q ที่แตกต่างกัน เรานำไปสร้างกร๊าฟอีกอันหนึ่งระหว่างเวลา กับอุณหภูมิสำหรับทุก ๆ ค่าของ ts และ tf กร๊าฟ | ||
| ที่ได้ใหม่นี้จะมีรูปร่างคล้าย S ซึ่งเราเรียกว่า S หรือ TTT curve ซึ่งเป็นกร๊าฟที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง (Transformation) สัมพันธ์กับเวลา (Time) และอุณหภูมิ (Temperature) | ||
| จาก S หรือ TTT curve เราสามารถทำการชุขแข็งเหล็กได้อย่างสะดวกสำหรับเหล็กกล้าชนิดนั้น ๆ โดยการเลือกอุณหภูมิ, เวลา | ||
| และโครงสร้าง สุดท้ายได้ตามความต้องการ | ||
| สำหรับ S curve ของเหล็ก 0.89% C เราอาจแบ่งออกได้เป็นช่วงใหญ่ ๆ ได้สามช่วงคือตั้งแต่อุณหภูมิ 750 - 600 ๐C เป็นช่วง | ||
| ของการเปลี่ยนโครงสร้างจากออสเตนไนท์ไปเป็นเพิรไลท์ที่ปนทั้งแบบเพิรไลท์หยาบ (coarse pearlite) ที่อุณหภูมิประมาณ 700 ๐C และเป็นเพิรไลท์ละเอียด (Fine pearlite) หรือ ซอร์ไบท์ที่อุณหภูมิประมาณ 600 ๐C | ||
| ช่วงที่สองจาก 600 ๐C ลงมาถึงประมาณ 200 ๐C เป็นช่วงที่เกิดการเปลี่ยนโครงสร้างจากออสเตนไนท์ไปเป็นเบนไนท์หรือ เพิรไลท์ | ||
| ละเอียด ช่วงสุดท้ายตั้งแต่ 200 ๐C ลงไป จะเป็นการเปลี่ยนจากออสเตนไนต์ ไปเป็นมาร์เทนไซต์ (ดูรูปที่ STEEL-TTT2 ) | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT2
|
| Martempering
คือการชุบเหล็ก เพื่อให้ได้มาร์เทนไซต์ และเพื่อไม่ให้เกิดการบิดงอ, ความเครียด และแตกร้าวของชิ้นเหล็กที่จะทำการชุบ บางทีเรียก |
||
| Martempering
ว่าเป็นการชุบสองชั้น (interrupted quench) เพราะเราจะต้องเผาเหล็กขึ้นไปจนถึงอุณหภูมิของออสเตนไนท์ทิ้งไว้ระยะหนึ่ง
เพื่อให้อุณหภูมิสม่ำเสมอ แล้วนำเอาเหล็กออกชุบลงในอ่างโลหะหลอมละลายซึ่งอาจจะเป็นตะกั่วหรือสังกะสีที่อุณหภูมิเหนือ
200 ๐C เล็กน้อย ทิ้งไว้ จนอุณหภูมิเย็นลงทั่วถึง เอาเหล็กออกจากอ่างโลหะร้อนชุบลงในน้ำทันทีจะได้โครงสร้างสุดท้ายเป็นมาร์เทนไซต์ตามต้องการ(ดูรูปที่STEEL-TTT3 ) |
||
 |
|
ูรูปที่
STEEL-TTT3
แสดงการชุบในแบบ Martempering. |
| Austempering เป็นการชุบสองชั้น (Interrupted quench) อีกอย่างหนึ่ง เพื่อให้ได้โครงสร้างเบนไนท์ ขั้นแรกต้องเผาเหล็กขึ้นไปจนถึงอุณหภูมิ ของ |
||
| ออสเตนไนท์ (เหนือเส้น A3 ) ทำเช่นเดียวกับทำ Martempering แตกต่างกันอยูที่ตรงที่นำเอาเหล็กที่ร้อนและมีโครงสร้างเป็นออสเตนไนท์มาชุบลงในอ่างโลหะร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 200 - 400 ๐C ทิ้งไว้ระยะหนึ่งเช่นกัน นานพอจนแน่ใจว่าออสเตนไนท์เปลี่ยนไปเป็นเบนไนท์หมดแล้ว (ดูจากค่า Time) จึงนำเอาเหล็กออกจากอ่างโลหะทิ้งให้เย็นในอากาศโครงสร้างสุดท้ายก็จะเป็นเบนไนท์ตามต้องการ (ดูรูปที่STEEL-TTT4 ) | ||
 |
|
ูรูปที่
STEEL-TTT4
แสดงการชุบในแบบ Austempering. |
| หมายเหตุ การวัดหาเปอร์เซนต์ของ Austenite Transformed มีวิธีวัดได้หลายวิธี แต่วิธีที่ง่ายและสะดวกก็คือการใช้ | ||
| planimeter (เครื่องมือวัดพื้นที่) วัดพื้นที่ของออสเตนไนท์ที่เปลี่ยนแปลง บนภาพที่ถ่ายจากกล้องไมโครสโคปซึ่งเป็นวิธีที่ได้ผลเป็นที่ยอมรับ อีกวิธีหนึ่งที่กำลังเริ่มใช้กันอย่างได้ผลและกว้างขวางก็คือการใช้เทคนิคของเอ๊กซเรย์ส (x - ray technique) เป็นวิธีที่ได้ค่าใกล้เคียงมากกว่าวิธีแรก แต่เป็นวิธีที่ยุ่งยากสลับซับซ้อนมาก และราคาแพง | ||
| จากกร๊าฟ S หรือ TTT curve มีข้อมี่น่าสังเกตประการหนึ่งคือ ถ้าเหล็กกล้าหรือเหล็กผสมชนิดใดมีกร๊าฟ S curve อยู่ห่างจากแกน | ||
| Co-ordinate
ไปทางขวามือมาก ๆ เหล็กชนิดนั้นจะทำการชุบแข็งได้ง่าย เพราะออสเตนไนท์มีเสถียรภาพมาก
อาจจะไม่ต้องชุบใน น้ำเพียง แต่ทิ้งไว้ในอากาศก็มีทางจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ อัตราการเย็นตัวอันหนึ่งที่ช้าที่สุด และให้โครงสร้างสุดท้ายเป็นมาร์เทนไซต์ เราเรียกอัตราการเย็นตัวนี้ว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต หรือ Critical cooling rate เหล็กที่มีกร๊าฟ S curve อยู่ทางขวามือมาก ๆ เราจัดเหล็กประเภทนี้ว่าเป็นเหล็กที่มี Hardenability สูง เพราะเป็นเหล็กที่ชุบแข็งได้ง่าย |
||
| แผนภูมิ C.C.T (Continuous Cooling Transformation Diagrams) |
| จากที่เคยศึกษามาแล้วถึงเรื่องของ TTT diagram ที่เป็นลักษณะที่ปล่อยให้ออสเตนไนท์เปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิที่ (Isothermal) | ||
| สำหรับกรณีที่จะปล่อยให้ออสเตนไนท์เปลี่ยนแปลงในลักษณะที่เหล็กเย็นตัวอย่างสม่ำเสมอ (Smooth fashion) โดยการชุบในน้ำมัน, น้ำหรืออากาศ ซึ่งการสร้างแผนภูมิดังที่กล่าวนี้จะมีวิธีคล้ายคลึงกับการสร้างแผนภูมิ T.T.T. บางครั้งจะเรียกแผนภูมิที่ปล่อยให้ออสเตนไนท์เปลี่ยนแปลงในขณะที่เหล็กเย็นตัวอย่างสม่ำเสมอนี้ว่า CCT diagram ซึ่งมาจากคำว่า Continuous Cooling Transformation | ||
| วิธีการสร้างแผนภูมิ CCT จะเริ่มโดยนำเอาตัวอย่างเหล็กที่ทราบส่วนผสมแน่นอน เช่น ในกรณีนี้สมมติเป็นเหล็กที่มีคาร์บอน 0.38% | ||
| เหล็กตัวอย่างจะใช้จำนวนหลายชิ้น นำมาเผาในเตาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้เหล็กเปลี่ยนโครงสร้างเป็นออสเตนไนท์ (100 ๐C เวลา 1 ชั่วโมง) จากนั้นนำเหล็กตัวอย่างชิ้นหนึ่งออกจากเตาเผามาชุบในน้ำมัน น้ำหรืออากาศเพื่อให้อัตราการเย็นตัวคงที่ปล่อยให้เหล็กเย็นอย่างสม่ำเสมอจนถึงอุณหภูมิ T1 จากนั้นนำเอาเหล็กขึ้นมาจากอ่างน้ำมันหรืออากาศน้ำมาชุบในน้ำทันที เป็นการหยุดการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์ นำเหล็กตัวอย่างชิ้นที่สองออกมาจากเตาเผาชุบในน้ำมันเหมือนกับเหล็กชิ้นแรก แต่คราวนี้ปล่อยให้เหล็กเย็นจนถึงอุณหภูมิ T2 จึงนำขึ้นมาชุบน้ำต่อ กระทำเช่นนี้กับเหล็กตัวอย่างที่เหลือ โดยปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิ T3, T4, T5............Tn ตามลำดับ (ดูรูปที่STEEL-TTT5 ) | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT5
|
| หลังจากที่ปล่อยเหล็กเย็นโดยการชุบน้ำจนถึงอุณหภูมิปกติ (20 ๐C ) แล้วนำตัวอย่างเหล็กทั้งหมดมาตรวจสอบโดยหลักเมตตะโลกร๊าฟ | ||
| เพื่อหาปริมาณของออสเตนไนท์ที่เปลี่ยนแปลงไปเป็นเฟอร์ไรท์, เพิรไลท์, เบนไนท์ และมาร์เทนไซต์ | ||
| กระทำในลักษณะเดียวกัน แต่เปลี่ยนอัตราการเย็นตัวให้ต่างออกไปหลาย ๆ ค่า เช่นอาจจะปล่อยให้เหล็กเย็นในอากาศธรรมดา หรือใช้ | ||
| พัดลมเป่า หรืออาจจะปล่อยให้เย็นในเตาจะทำให้เราสามารถหาปริมาณของออสเตนไนท์เปลี่ยนแปลงได้ในลักษณะการเย็นตัวที่คงที่หลาย ๆ แบบ จากนั้นเอาค่าปริมาณของออสเตนไนท์ที่เปลี่ยนแปลงที่อัตราการเย็นตัวแต่ละค่า ที่อุณหภูมิ T และเวลาต่าง ๆ กัน มาสร้างแผนภูมิ CCT ซึ่งจะให้ลักษณะของแผนภูมิคล้ายคลึงกับ TTT diagram แต่จะมีส่วนที่แตกต่างกันอยู่บ้างดังแสดงในภาพ ซึ่งเป็นแผนภูมิ CCT ของเหล็ก 0.38% C เผาให้เป็นออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิ 870 ๐C | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT6
|
| จากภาพที่ STEEL-TTT6 จะปรากฏเส้นดำทึบ แสดงถึงการสิ้นสุดการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์ ส่วนเส้นแรกจะแสดงถึง การ | ||
| เปลี่ยน จาก ออสเตนไนท์ไปเป็นเฟอร์ไรท์ เส้นที่สองแสดงการเปลี่ยนจากออสเตนไนท์ไปเป็นเพิรไลท์ หรือเบนไนท์ | ||
| สมมติว่าเหล็กเย็นตัวอย่างสม่ำเสมอด้วยอัตราการเย็นตัวตามเส้น (1) จากอุณหภูมิ 870 ๐C ออสเตนไนท์จะเริ่มเปลี่ยนแปลง ไปเป็น | ||
| เฟอร์ไรท์ เมื่อเส้น (1) ตัดกับเส้น CCT ที่จุด a และเฟอร์ไรท์จะเพิ่มมากขึ้นจนถึงจุด b ซึ่งออสเตนไนท์จะเริ่มเปลี่ยนไปเป็นเพิรไลท์ และจะเพิ่มปริมาณมากขึ้นจนไม่มีออสเตนไนท์เหลืออยู่เมื่อเส้นกร๊าฟ (1) มาถึงจุด c เมื่อเหล็กเย็นตัวต่อไปจนถึงอุณหภูมิปกติจะปรากฏโครงสร้างขอเหล็กประกอบด้วยเฟอร์ไรท์ กับ เพิรไลท์ | ||
| ในกรณีการเย็นตัวตามเส้นกร๊าฟ (2) ซึ่งจะมีลักษณะซับซ้อนกว่าเส้นการเย็นตัว (1) อยู่มาก กล่าวคือ ออสเตนไนท์จะเริ่มเปลี่ยนไปเป็น | ||
| เฟอร์ไรท์ที่เหลือ จะเปลี่ยนไปเป็นเบนไนท์ เมื่อเส้นกร๊าฟ (2) มาถึงจุด c และออสเตนไนท์ที่ยังเหลืออยู่จะเปลี่ยนไปเป็นมาร์เทนไซต์ เมื่อเหล็กเย็นมาถึงจุด d และการเปลี่ยนแปลงจะสิ้นสุดเมื่อเหล็กเย็นตัวมาถึงจุด e เมื่อเหล็กเย็นลงมาจนถึงอุณหภูมิปกติ เหล็กจะมีโครงสร้างหลายชนิดเกิดร่วมกัน คือ จะมีเฟอร์ไรท์ เพิรไลท์ เบนไนท์ และมาร์เทนไซต์ ซึ่งในทางปฏิบัติจะศึกษาได้ยากถ้าใช้กล้องขยายที่มีกำลังขยายต่ำ เพราะเฟอร์ไรท์ กับ มาร์เทนไซต์ จะแสดงให้เห็นเป็นพื้นที่สีขาวคล้ายคลึงกัน สิ่งที่จะต้องเข้าใจอีกประการหนึ่งคือเส้นการเย็นตัวภายหลังเมื่อเส้นดำทึบ หรือเส้นที่แสดงถึงการสิ้นสุดการเปลี่ยนแปลงแล้ว จะไม่มีออสเตนไนท์เหลืออีกเลย ดังนั้นการเย็นตัวภายหลังเมื่อผ่านเส้นดำทึบขึ้นแล้วจะเย็นเร็วเย็นช้าจะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT7
|
| จากภาพที่ STEEL-TTT7 CCT ของเหล็ก 0.38% C ซึ่งส่วนใหญ่จะสร้างขึ้นโดยมเส้นการเย็นตัวที่อัตราต่าง ๆ กัน และตัวเลขที่ ปรากฏในแต่ละเส้น | ||
| ของอัตราการเย็นตัวคงที่จะบอกถึงความแข็งเป็น HV หรือ DPH เมื่อเหล็กเย็นลงจนถึงอุณหภูมิ 25 ๐C | ||
| สิ่งที่น่าสังเกตประการหนึ่งคือ ในช่วงทีกาาเย็นตัวช้า ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนท์ที่เป็นเฟอร์ไรท์และเพิรไลท์ ความแข็ง | ||
| จะเรี่มจาก 139 ไปเป็น 220 HV เหตุที่ความแข็งเปลี่ยนแปลงในช่วงนี้เป็นเพราะปริมาณของเพิรไลท์จะเพิ่มมากขึ้น และความละเอียดของเฟอร์ไรท์และซีเมนไตต์ในเพิรไลท์จะมีมากขึ้นด้วยทำให้เป็นเหตุหนึ่งที่ความแข็งของเหล็กเพิ่มขึ้น | ||
| ถ้าเพิ่มอัตราการเย็นตัวให้สูงขึ้นในช่วงนี้ ออสเตนไนท์จะเปลี่ยนไปเป็นเบนไนท์ และมาร์เทนไซต์ทำให้ความแข็งจะสูงถึงค่าสูงสุด | ||
| เมื่อเส้นอัตราการเย็นตัวไม่ตัดกับเส้นการเปลี่ยนแปลงไปเป็นเบนไนท์ ซึ่งหมายถึงโครงสร้างสุดท้ายที่จะได้รับเป็นมาร์เทนไซต์ทั้งหมด ในที่นี้จะเป็นไปได้ยากมากที่จะได้มาร์เทนไซต์ทั้งหมด เพราะต้องใช้อัตราการเย็นตัวที่สูงมาก เนื่องจากเหล็กมีความสามารถในการชุบแข็งต่ำ ซึ่งจะเห็นได้จากกร๊าฟ CCT อยู่ติดกับแกนตั้ง (เส้นอุณหภูมิ) | ||
| ในกรณีที่เหล็กมีความสามารถในการชุบแข็งสูง เส้นกร๊าฟ CCT จะอยู่ทางขวามือมากขึ้น คือ เส้น กร๊าฟ CCT เคลื่อนที่มาทางขวา | ||
| มีลักษณะเหมือนกับกร๊าฟ TTT ซึ่งการจะเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กให้สูงขึ้นได้ด้วยการผสมธาตุต่าง ๆ และควบคุมขนาดของออสเตนไนท์ให้โตขึ้น จะทำให้เส้นกร๊าฟ CCT เคลื่อนไปขวา และอุณหภูมิของเส้น MS และ Mf จะลดต่ำลง | ||
| ระบบโลหะผสมสามธาตุ (Ternary System) |
| ในการศึกษาคุณสมบัติและจุลโครงสร้างของเหล็กกล้าผสมส่วนใหญ่ ซึ่งมีธาตุผสมมากกว่าสองธาตุ ในทางปฏิบัติจะพบโลหะ ผสมที่มี | ||
| ธาตุผสมหลาย ๆ ชนิด เช่น เหล็กกล้าผสมที่ใช้ในงานทนต่อความร้อนสูงและทนการกัดกร่อน ในปัจจุบันยังไม่มีวิธีการใดที่สามารถนำมาใช้แสดงความสัมพันธ์ของเฟสที่มีธาตุหลายธาตุร่วมได้อย่างชัดแจ้งและง่ายต่อความเข้าใจ แผ่นภาพของโลหะผสมธาตุซึ่งก็นับว่ามีความซับซ้อนมากพอสมควรเป็นแผนภาพหนึ่ง ที่สามารถนำมาใช้เป็นพื้นฐานในการศึกษาและจัดว่าเป็นแผนภาพที่สามารถนำมาใช้ในการศึกษา โครงสร้างของเหล็กกล้าผสมดังจะได้กล่าวต่อไปนี้ | ||
| แผนภาพสำหรับโลหะสามธาตุ
(Ternary Composition) จะใช้รูปสามเหลี่ยมด้านเท่าเป็นฐานแสดงส่วนผสมของธาตุสามธาตุ โดยให้จุดยอดของสามเหลี่ยมแทนปริมาณของธาตุ 100 เปอร์เซ็นต์ |
||
| โดยอาศัยคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่ว่า ภายในสามเหลี่ยมด้านเท่าที่จุด ๆ ใด ซึ่งแทนตำแหน่งของโลหะผสม ถ้าลากเส้นตั้งฉากกับด้านทั้งสามของสามเหลี่ยมหน้าจั่ว ผลรวมของระยะตั้งฉากจากด้านทั้งสามที่ลากไปตัดกัน ณ จุด ๆ หนึ่ง จะเท่ากับความสูงของสามเหลี่ยมหน้าจั่วตามภาพที่แสดง จะพบว่า | ||
| a + b + c = h |
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT8
|
| ในที่นี้ถ้าให้ h = 100% ดังนั้น a + b + c = 100 เมื่อกำหนดให้จุดสามยอดของสามเหลี่ยมหน้าจั่วแทนปริมาณเป็น 100 ธาตุ A, B, | ||
| และ C ดังนั้นระยะที่ห่างจากจุดยอดของสามเหลี่ยมสามารถแบ่งออกโดยลากเส้นให้ขนานกับฐานของสามเหลี่ยมเป็นช่อง จะแทนเปอร์เซ็นต์ของธาตุเริ่มตั้งแต่สูญ และเพิ่มมากขึ้นจนถึงจุดยอดซึ่งเป็น 100 ดังรูปที่ STEEL-TTT9 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT9
|
| ดังนั้นที่จุด I ซึ่งเป็นตำแหน่งของโลหะผสมประกอบด้วย A 20%, B 60%, C 20% ซึ่งโลหะผสมจะประกอบด้วยธาตุ A + B + C | ||
| รวมกันได้
100%ในการศึกษาสามารถกำหนดตำแหน่งของโลหะผสมธาตุได้เมื่อทราบปริมาณของธาตุที่เป็นองค์ประกอบโดยกำหนดตำแหน่งลง ในพื้นที่ของสามเหลี่ยมด้านเท่าได้ |
||
| กรณีจะศึกษาความสัมพันธ์ของเฟสในสภาวะสมดุลย์ที่อุณหภูมิต่าง ๆ ในที่นี้กำหนดให้ความดันเป็นหนึ่งบรรยากาศ เพื่อที่จะสามารถ | ||
| ตัดตัวแปรค่าออกจะได้เหลือตัวแปรเพียง 3 ค่า คือส่วนผสม อุณหภูมิ และเฟส ในสภาวะสมดุลย์ เมื่อเป็นเช่นนี้สามารถสร้างภาพของระบบสามธาตุขึ้นมาได้ในลักษณะภาพสามมิติ โดยอาศัยลักษณะของแผนภาพเฟสในสภาวะสมดุลย์ (Phase equilibrium diagram) ของธาตุ คือระหว่าง A - B, B - C, และ C - A ซึ่งอาจจะเป็นประเภทละลายได้ทั้งสภาพของเหลวและของแข็ง (Complete soluble in liquid and solid) หรือละลายได้ในสภาพของเหลว แต่มีขอบเขตในสภาวะของแข็ง (Complete Soluble in liquid and partailly in solid) เพื่อสร้างแผนภาพเฟสสมดุลย์ในลักษณะสามมิติของโลหะผสมธาตุ A, B และ C เส้น Liquidus และ Solidus ที่ปรากฏในเรื่องของแผนภาพเฟสสมดุลย์สองธาตุ (Binary System) จะปรากฏเป็นผิว Liquidus และ ผิว Solidus แทน เช่นเดียวกันจุดยูเต็คติคอาจจะปรากฏเป็นเส้นยูเต็คติคหรือจุดยูเต็คติคก็ได้ขึ้นอยู่กับลักษณะของแผนภาพเฟสสมดุลย์ของโลหะสองธาตุ (Binary alloy) | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT10
|
| ในที่นี้จะขอยกตัวอย่างโลหะผสม A,B,C ซึ่งปรากฏว่าระหว่าง A กับ B และ B กับ C เป็นโลหะผสมที่ให้ลักษณะที่สามารถละลายได้ดี | ||
| ในสภาพหลอมเหลวและไม่สามารถละลายได้ในสภาพของแข็งโดยให้ปฏิกิริยายูเต็คติค ส่วนโลหะผสมระหว่าง A กับ C ให้โลหะผสมที่สามารถละลายซึ่งกันและกันได้ทั้งในสภาวะหลอมเหลวและของแข็ง เมื่อสร้างแผนภาพเฟสสมดุลย์ในระบบสามธาตุจะได้ภาพดังแสดงในรูปที่ STEEL-TTT11 (a) | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT11
|
| การศึกษาที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการวิเคราะห์เฟสในสภาวะสมดุลย์ที่อุณหภูมิต่าง ๆ เป็นสิ่งทีสำคัญมากต่อการทำความเข้าใจในเรื่อง | ||
| ของเฟสในสภาวะสมดุลย์ การศึกษาในทำนองนี้สามารถกระทำได้โดยการกำหนดอุณหภูมิเป็นเสมือมเพลนหนึ่ง (Isothermal section) ตัดผ่านพื้นผิวของแผนภาพสามมิตินี้ พิ้นผิวที่ถูกเพลนของอุณหภูมิตัดจะปรากฏเป็นเส้นซึ่งสามารถที่จะโปรเจ็คลงบนสามเหลี่ยมด้านเท่าจะได้พื้นที่เฟสต่าง ๆ ที่สมดุลย์ที่อุณหภูมินั้น ๆ กรณีของโลหะผสม (A 20%, B 60% และ C 20%) ที่อุณหภูมิ T1 จะยังคงเป็นโลหะหลอมเหลว ดังรูปที่ STEEL-TTT11(b) เพราะตำแหน่งของโลหะผสม I ยังอยู่ห่างจากพื้นที่ที่เพลนอุณหภูมิ T1 ตัด Liquidus Surface. | ||
| ที่อุณหภูมิ T2 ปรากฏว่าเพลนของอุณหภูมิตัดพื้นที่ของแผนภาพสามมิติโลหะผสม ABC ปรากฏได้พื้นที่ต่าง ๆ ดังแสดงในรูปที่ | ||
| STEEL-TTT11(c) ปรากฏว่าตำแหน่งของโลหะผสม I ตกอยู่ในพื้นที่ (L + B) แสดงว่าที่อุณหภูมิ T2 จะมีเฟสของเหลว L กับเฟสของแข็ง B อยู่รวมกันในสภาวะสมดุลย์ การคำนวณหาปริมาณน้ำหนักของ L และ B เป็นเปอร์เซ็นต์สามารถกระทำได้โดยอาศัยกฎ Lever arm เช่นเดียวกับระบบโลหะผสมสองธาตุ (Binary System) แต่ในที่นี้จะต้องลากเส้น Tie line ระหว่างด้านของ B และด้านที่ติดกับ L โดยแบ่งแต่ละด้านออกเป็นจำนวนช่องให้เท่ากันและลากเส้นจากด้าน L ไปยังด้าน B เส้น Tie line ที่ผ่านตำแหน่งของโลหะผสม I เมื่อไปตัดด้าน L จะหาส่วนผสมของธาตุ A,B และ C เป็นเปอร์เซ็นต์ที่เป็นส่วนผสมในของ ๆ เหลว และตำแหน่งที่ไปตัดทางด้าน B สามารถหาเปอร์เซ็นต์ของ A,B และ C ที่เป็นส่วนผสมของ B | ||
| จากรูปที่ STEEL-TTT11 (c) ที่โลหะผสม 20% A 60% B ที่ T2 |
| โลหะหลอมเหลว (Lever arm) ประกอบด้วย A 21%, B 58% และ C 21% |
| โลหะผสมที่เป็นของแข็ง B ประกอบด้วย A 10%, B 83% และ C 7% |
| โดยปรากฎ Lever arm ปริมาณน้ำหนักของ L = (21 - 10)/(21 - 10) x 100 = 91% |
| (ใช้ %A มาคิด) ปริมาณน้ำหนักของ B = (21 - 10)/(21 - 10) x 100 = 9% |
| (ถ้าใช้ %B มาคิด จะได้เฟสของเหลว L92% และเฟส B8%) เมื่ออุณหภูมิลดลงมาอยู่ที่ T3 ซึ่งอยู่ใกล้เส้นยูเต็คติคปรากฎว่าเพลน | ||
| ของอุณหภูมิ T3 จะตัดกับพื้นที่ของ L + a + B และเมื่อโปรเจ็คลงบนพื้นที่ของสามเหลี่ยมด้านเท่าจะได้พื้นที่ที่เกิดจากการตัดของเพลน T3 ดังรูปที่ STEEL-TTT11 (d) ในตอนนี้ตำแหน่งของโลหะผสม I จะปรากฎอยู่ในพื้นที่ของ L + a + B ซึ่งเป็นสามเหลี่ยมที่จุดยอดของสามเหลี่ยมจะเป็นตำแหน่งของ L, a และ B โดยลำดับ ซึ่งสามารถหาส่วนผสม A,B,C เป็นเปอร์เซ็นต์ที่เป็นส่วนผสมของ L, a และ B ได้ ซึ่งปรากฎผลจากการอ่านค่าได้ดังนี้ | ||
| โลหะผสม I 20% A 60% B และ 20% C ที่อุณหภูมิ T3 |
| เฟสของเหลว L ส่วนผสม A 17%, B 55% และ C 28% |
| เฟส a ส่วนผสม A 30%, B 38% และ C 32% |
| เฟส B ส่วนผสม A 18%, B 70% และ C 12% |
| ในการหาปริมาณน้ำหนักเป็นเปอร์เซ็นต์ของ L, a และ B กระทำได้โดยการลากเส้นตรงผ่านจุด I กับจุดยอดของสามเหลี่ยม ถ้าลากไปที่ | ||
| จุดยอดสามเหลี่ยมทางด้าน L จะสามารถหาปริมาณน้ำหนักของ L กับ a + B ได้ ถ้าตัวอย่างการหาปริมาณ้ำหนักของ B จะต้องลากเส้นผ่านจุด I กับจุดยอดของสามเหลี่ยมทางด้าน B ซึ่งจะหาปริมาณน้ำหนักของ B กับ L + a ได้ และเช่นเดียวกัน ถ้าลากเส้นผ่านจุด I กับจุดยอดสามเหลี่ยมทางด้าน a ก็จะหาปริมาณน้ำหนักของ a กับ L + B ดังรูปที่ STEEL-TTT12 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT12
|
| จากภาพ ใช้เปอร์เซ็นต์ของธาตุ B เป็นหลัก สามารถหาปริมาณน้ำหนักเป็นเปอร์เซ็นต์ของเฟส L,a และ B ได้ดังนี้ |
| เฟส L = (62 - 60)/(62 - 54) x 100 = 25% |
| เฟส a = (65 - 60)/(65 - 38) x 100 = 19% |
| เฟส B = (60 - 47)/(70 - 47) x 100 = 56% |
| ในกรณีนี้จะพบว่าเฟส B ที่คำนวนได้จะประกอบด้วยเฟส B ที่เป็น primary กับ secondary รวมกันและเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง | ||
| จนการแข็งตัวสิ้นสุด ซึ่งในที่นี้จะพบว่าโลหะหลอมเหลวสุดท้ายจะแข็งตัวโดยให้ปฏิกิริยายูเต็คติค (L>> a + B) ทำให้โครงสร้างสุดท้ายประกอบด้วยเฟส a กับ B เท่านั้น | ||
| สมมติที่อุณหภูมิ T4 ซึ่งตัดกับพื้นที่ของแผนภาพสมดุลย์สามธาตุ จะได้พื้นที่ดังปรากฎในรูปที่ 71 (e) บนพื้นที่โครงสร้างจะประกอบ | ||
| ด้วย a + B โดยการลากเส้น Tie line ผ่านตำแหน่งของโลหะผสม I สามารถหาปริมาณน้ำหนักเป็นเปอร์เซ็นต์ของ a และ B ได้ดังนี้ | ||
| โลหะผสม I 60% B 20% C และ 20% A ที่อุณหภูมิ T4 |
| เฟส a มีส่วนผสม 33% B 26% C |
| เฟส B มีส่วนผสม 72% B 17% C |
| โดยปรากฎ Lever arm ปริมาณน้ำหนักของเฟส a = (20 - 17)/(26 - 17) x 100 = 33% |
| (ใช้ %C มาคิด) ปริมาณน้ำหนักของเฟส B = (26 -20)/(26 - 17) x 10 67% |
| เพื่อให้สามารถมองเห็นลักษณะของแผนภาพประกอบสำหรับจินตนาการไปพร้อมกับการทำความเข้าใจถึงตำแหน่งของเพลนอุณหภูมิหรือ | ||
| Isothermal
section ตัดกับผิวของ Liquidus และผิว Solidus ของแผนภาพสามมิติ จึงแสดงลักษณะของแผนภาพสองมิติโดยการตัด แผนภาพสามมิติเพลนที่ตั้งฉากกับเส้น BB' ผ่านจุดยอดของสามเหลี่ยมหน้าจั่วที่ตำแหน่ง B และนำภาพตัดขวางมาแสดงเป็นแผนภาพสองมิติ ซึ่งจากภาพนี้ปรากฎเส้นอุณหภูมิ T1 T2 T3 และ T4 ตัดกับเส้นกร๊าฟของแผนภาพเฟสในสภาวะสมดุลย์อย่างชัดเจน โดยปรากฎเส้นไข่ปลาแสดงตำแหน่งของโลหะผสม I และเฟสต่าง ๆ ในสภาวะสมดุลย์ที่อุณหภูมิต่างกัน ดังปรากฎในรูปที่ STEEL-TTT11 (f) |
||
| ในการศึกษาเรื่องของโลหะผสมธาตุที่ปฏิบัติกันและทำให้ง่ายต่อการศึกษา เพื่อตัดปัญหาความซับซ้อนของแผนภาพ จะใช้วิธีสร้าง | ||
| แผนภาพขึ้นมาอีกลักษณะหนึ่งโดยการกำหนดส่วนผสมของธาตุหนึ่งที่ให้คงที่เช่น 5%, 10% หรือ 20% และสร้างเพลนที่ปริมาณของธาตุคงที่ในแนวตั้งฉากให้ตัดกับแผนภาพเฟสสมดุลย์สามมิติ ซึ่งจะได้แผนภาพดังกล่าวจะเรียกว่า Isopleths หรือ Pseudo binary diagram ดังแสดงในรูปที่ STEEL-TTT13 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT13
|
|
จากภาพเป็นส่วนหนึ่งของแผนภาพเฟสสมดุลย์ของระบบ Fe-Cr C ตำแหน่ง a b c, d และ e เป็นตำแหน่งของเพลนตั้งฉากที่ 0%Cr |
||
| 5% Cr, 10 % Cr, 5% Cr และ 20% Cr และเมื่อนำเอาภาพตัดขวางที่เกิดจากเพลนต่าง ๆ นี้ตัดกับแผนภาพเฟสสมดุลย์ของระบบสามธาตุ (Fe,Cr,C) จะได้ Isopleths ดังปรากฎในภาพ (a) 0% Cr, (b) 5% Cr, (c) 10% Cr, (d) 15% Cr และ (e) 20% Cr ดังรูปที่ STEEL-TTT14 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT14
|
| จากภาพ Isopleths จะแสดงให้เห็นถึงบทบาทของโครเมียมที่มีต่ออาณาเขตของ a โดยการลดเสถียรภาพของออสเตนไนท์ | ||
| ในขณะเดียวกันโครเมียมจะเพิ่มเสถียรภาพของเฟอร์ไรท์ให้สูงยิ่งขึ้น ในการศึกษาคุณสมบัติและจุลโครงสร้างของโลหะผสมสามธาตุ ตลอดจนอุณหภูมิที่จะใช้ในการอบชุบสามารถศึกษาได้โดยละเอียดจากภาพ Isopleths เมื่อกำหนดให้ธาตุใดธาตุหนึ่งที่ดังปรากฎคำอธิบายในเรื่องของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ผสมโครเมียมและนิเกิลปริมาณต่าง ๆ กัน | ||
| ในกรณีของโลหะผสมที่มีธาตุมากกว่า 3 ชนิด ผสมกันซึ่งอาจจะเป็น 4 หรือ 5 ธาตุ วิธีการศึกษาคงอาศัยหลักอันเดียวกัน คือต้องสร้าง | ||
| แผนภาพเฟสสมดุลย์ในลักษณะสามมิติขึ้นมาบนรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส หรือรูปห้าเหลี่ยมด้านเท่าและศึกษาโดยการใช้เพลนอุณหภูมิคงที่ตัดแผนภาพสามมิติและโปรเจ็คลงบนรูปสี่เหลี่ยมหรือห้าเหลี่ยม ซึ่งจะมีความซับซ้อนมากกว่า และในทำนองเดียวกัน อาจจะสร้างแผนภาพ Isopleth ที่ปริมาณของธาตุสองหรือสามถูกกำหนดแน่นอนโดยให้ธาตุที่เหลือแปรค่าเพื่อหาลักษณะของแผนภาพสมดุลย์ในลักษณะ 2 มิติ ดังที่ปรากฏในแผนภาพสมดุลย์ของเหล็กกล้าไฮสปีด กำหนดให้ธาตุตังสเทน, โครเมียม และวาเนเดียม มีปริมาณคงที่ และแปรค่าเปอร์เซ็นต์คาร์บอนดังปรากฏในรูปที่ STEEL-TTT15 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-TTT15
|
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 |