เหล็กกล้าคาร์บอน
(Plain carbon steel)
 

ลักษณะทั่ว ๆ ไป
เหล็กคาร์บอน หรือ carbon steel เป็นวัสดุช่างประเภทเดียวที่มีคุณสมบัติทางความแข็งแรง (strength) และความอ่อนตัว
(Ductulity) ที่เปลี่ยนแปลงได้กว้างมากตามปริมาณของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็ก ทำให้เหมาะที่จะเลือกใช้ได้ตามความเหมาะสมของลักษณะงาน ดังตัวอย่างเช่นในเหล็กคาร์บอน ถ้ามีปริมาณของคาร์บอนต่างกันเพียงเล็กน้อยจะทำการชุบแข็งด้วยวิธีแตกต่างกันหรือทำการขึ้นรูป (mechanical forming) แตกต่างกันอีก อาจจะทำให้เหล็กมีความแข็งแรงแตกต่างกันได้อย่างมากมาย คืออาจจะแปรค่าความแข็งแรงได้ถึงจำนวน 10 ก.ก. ต่อตาราง ม.ม. อัตราการยืดตัว (Elongation) ก็อาจจะแตกต่างกันได้ตั้งแต่ 50% ถึง 0.1% (ดูรูปที่ STEEL-CAR1 )



รูปที่ STEEL-CAR1

การศึกษาถึงคุณสมบัติและการควบคุมคุณสมบัติของเหล็กคาร์บอน จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องอาศัยการอธิบายร่วมกับ Equilibrium
diagram ของเหล็กคาร์บอน ซึ่งเราทราบว่าปริมาณของคาร์บอนในเหล็กมีความสำคัญมากต่อความแข็งแรง (strength) และความอ่อนตัว (Ductility) ก่อนที่จะศึกษาถึง Equilibrium diagram ของเหล็กกับคาร์บอนควรจะต้องทราบ Treminology ที่เกี่ยวข้องกับ diagram เสียก่อน ดังนี้
ออสเตนไนท์ หรือที่เรียกว่าเหล็กแกมม่า (g ) คือ solid soultion ของเหล็กกับคาร์บอน ซึ่งคาร์บอนสามารถละลายได้ในเหล็กมากที่สุด
ถึง 2% (บางกรณีใช้ 1.7%) ที่อุณหภูมิ 1130 องศา มีระบบผลึก (crystal system) เป็น face centered cubic
เฟอร์ไรท์ หรือที่เรียกว่าเหล็กแอลฟ่า (a ) คือ solid solution ของเหล็กกับคาร์บอน ซึ่งคาร์บอนสามารถละลายได้ในเหล็กมากที่สุด
0.025% ที่อุณหภูมิ 723 ๐C มีระบบผลึกเป็น Body-centered cubic
ซีเมนไตต์ หรือ เหล็กคาร์ไบด์ บางที่ก็เรียกว่าคาร์ไบด์เฉย ๆ เป็น Intermetallic compound ระหว่างเหล็กกับคาร์บอนมีสูตร Fe3C
ซึ่งมีความแข็งสูงมาก แต่เปรารับแรงกระแทกไม่ได้
ยูเต็คติค ที่เกี่ยวกับ Equilibrium diagram ของเหล็กคาร์บอนนี้ คือ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1130 ๐C โดยเหล็กหลอมเหลว
ที่มีคาร์บอน 4.3% แตกตัวออกเป็น phase g มีคาร์บอน 2% กับ ซีเมนไตต์ มีคาร่บอน 6.67%

L(4.3%C) ® (2%C) + Fe3C (6.67%C)

จากปฏิกิริยายูเต็คติค แสดงว่า อาจเกิดการรวมระหว่าง g กับ Fe3C และให้เหล็กหลอมเหลวก็ได้เรียกปฏิกิริยายูเต็คติคเหมือนกันแต่
จะเกิดเมื่อเหล็กถูกเผาให้ร้อน
ยูเต็คตอยด์ มีลักษณะคล้ายคลึงกับปฏิกิริยายูเต็คติค ผิดไปแต่เพียงเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในสภาพของแข็งเท่านั้น ปฏิกิริยานี้ คือ
การแยกตัวของ phase g ไปเป็น phase a กับซีเมนไตต์ Fe3C หรืออาจจะเกิดกับการรวมระหว่าง a กับ Fe3Cให้ g ก็ได้

g (0.8%C) ® a(0.025%) + Fe3C (6.67%C)

เพิรไลท์ คือผลึกรวมระหว่างเฟอร์ไรท์ (a ) 0.025% C กับซีเมนไตต์ (6.67% C) ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยายูเต็คตอยด์ ในขณะที่ทำ
ให้เย็นช้า ๆ การเกิดจะสลับกันเป็นแถบยาว ๆ (Iamellar structure) ของเฟอร์ไรท์กับซีเมนไตต์ ดังนั้นเพิรไลท์จึงไม่ใช่ phase เดียว แต่จะเป็นสอง phase ประกอบ (มีผู้เข้าใจผิดเสมอ) ดูรูปที่ STEEL-CAR2 ประกอบ

รูปที่ STEEL-CAR2
Equilibrium Diagram ของเหล็กคาร์บอน.
Head

Acm คือเส้นแสดงอุณหภูมิที่จะเกิดการเปลี่ยน phase จากออสเตนไนท์มาเป็นซีเมนไตต์ในขณะทำให้เหล็กเย็นตัวลงมาถ้าให้เหล็ก
ร้อนขึ้นก็จะเป็นเส้นที่แสดงการเปลี่ยนซีเมนไตต์ไปเป็นออสเตนไนท์
A3 คือเส้นแสดงอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงจากเฟอร์ไรท์ไปเป็นออสเตนไนท์มาเป็นเฟอร์ไรท์ในขณะทำให้เหล็กเย็น และจะเป็น
อุณหภูมิที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงจากเฟอร์ไรท์ไปเป็นออสเตนไนท์ในขณะทำให้เหล็กร้อน
A2 คือเส้นแสดงการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะแม่เหล็กของเฟอร์ไรท์ ซึ่งจะมีอุณหภูมิประมาณ 768 ๐C เส้น A2 ไม่มีการเปลี่ยน
phase ดังนั้นจึงไม่ปรากฏใน Equilibrium diagram
A1 เป็นเส้นแสดงอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยายูเต็คตอยด์ คืออุณหภูมิ 723 ๐C ทั่ว ๆ ไป เรามักจะเขียน r กับ c ต่อท้าย A3 และ A1 ดังเช่น
Ar3, Ar1 หรือ Ac3 , Ac1 ทั้งนี้เพื่อให้เข้าใจได้ง่าย ๆ ว่า อุณหภูมินั้น ๆ เป็นอุณหภูมิของการทำให้ร้อนหรือทำให้เย็น r มีความหมายทำให้เย็น ย่อมาจากภาษาฝรั่งเศษว่า Refroidissement c มีความหมายทำให้ร้อนมาจากคำภาษาฝรั่งเศษว่า chauffage
จาก Equilibrium diagram ของเหล็กกับคาร์บอน ในรูปของซีเมนไตต์ ( Fe3C ) จะพบว่าเหล็กบริสุทธิ์จะเปลี่ยน phase
จาก a เป็น g ที่อุณหภูมิ 910 ๐C (1670 ๐F ) และเปลี่ยนจาก g เป็น d ที่อุณหภูมิ 1400 ๐C (2552 ๐F) ที่อุณหภูมิ
1539 ๐C ( 2800 ๐F ) เหล็กจะหลอมละลาย


จากแผ่นภาพพิจารณาเหล็กที่มีคาร์บอน 0.4%
- ที่อุณหภูมิ 1539๐C เหล็กจะอยู่ในสภาพหลอมละลาย
- ที่อุณหภูมิ 1500 ๐C เหล็กจะเริ่มแข็งตัว ให้กำเนิดนิวเคลียสของเหล็ก d (dalta) ที่มีธาตุคาร์บอน 0.075%
- ที่อุณหภูมิเหนือ 1492 ๐C เหล็กน้อย เหล็กจะประกอบด้วยเนื้อเหล็ก d ที่มีคาร์บอน 0.10% กับเหล็กหลอมเหลวที่มีธาตุคาร์บอน 0.50%
- ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1492๐C เป็นอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยา Peritectic กล่าวคือเหล็กที่มีธาตุคาร์บอน 0.10% จะรวมกับเหล็ก หลอม
เหลวบางส่วนแล้วให้เหล็ก g (Gramma) ที่มีธาตุคาร์บอน 0.18%
- ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1492 ๐C เล็กน้อย เหล็ก 0.4% คาร์บอน จะประกอบด้วยเหล็ก g 0.18% กับเหล็กหลอมเหลว 0.50% คาร์บอน
- เมื่ออุณหภูมิลดลงจะปรากฏเหล็ก g จะเพิ่มปริมาณมากขึ้น ส่วนปริมาณของเหล็กหลอมเหลวจะลดลงตามลำดับ แต่ทั้งเหล็ก g และ
เหล็กหลอมเหลวจะประกอบด้วยธาตุคาร์บอนมากขึ้น
- ที่อุณหภูมิ 1450 ๐C จะเป็นจุดที่เหล็กหลอมเหลวที่เหลือแข็งตัวหมดกลายเป็นเหล็ก 0.4% คาร์บอน
- เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงจะปรากฏเหล็ก g ไม่เปลี่ยนแปลงยังคงเป็นเหล็ก g 0.4% คาร์บอน จนถึงอุณหภูมิ 800 ๐C จึงจะเริ่มมีการ
เปลี่ยนแปลงโดยที่บริเวณรอบ ๆ เม็ดเกรนของเหล็ก จะให้กำเนิดนิวเคลียสของเหล็ก a 0.02% คาร์บอน และเมื่ออุณหภูมิลดลง ปริมาณของเหล็ก a จะเพิ่มมากขึ้น ส่วนเหล็ก g จะกลับปริมาณลดลง แต่ทั้งเหล็ก a และ g จะมีเปอร์เซนต์คาร์บอนเพิ่มขึ้นด้วย
- ที่อุณหภูมิเหนือ 723 ๐C เล็กน้อย จะปรากฏมีเหล็ก a 0.025% กับเหล็ก g 0.8% คาร์บอน อย่างละประมาณ 50%
- ที่อุณหภูมิ 723 ๐C พอดี เป็นอุณหภูมิที่ให้ปฏิกิริยายูเต็คตอยด์ ซึ่งเหล็ก g 0.8% คาร์บอน จะแตกตัวให้เหล็ก a 0.025% กับซีเมนไตต์ (Fe3C) 6.67% คาร์บอน พร้อม ๆ กัน โดยมีปริมาณเหล็ก a 0.025% มากกว่าซีเมนไตต์ประมาณ 7 เท่า


ลักษณะการแตกตัวของเหล็ก g จะให้แถบยาว ๆ ของเหล็ก a 0.025% คาร์บอน กับซีเมนไตต์ สลับกันไปเราเรียกโครงสร้างนี้ว่า
เพิรไลท์ (ดูรูปที่ STEEL-CAR3 )

รูปที่ STEEL-CAR3
แสดงลักษณะโครงสร้างของเพิรไลท์.
Head

เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำลงอีกกว่า 723 ๐C จะปรากฏว่าเหล็ก 0.4% คาร์บอน จะมีโครงสร้างที่ประกอบด้วยเหล็ก a (0.025% C) กับ
เพิรไลท์(0.8% C) ถ้าอุณหภูมิลดต่ำลงอีกจะปรากฏการเปลี่ยนแปลงอีกเล็กน้อยโดยเหล็ก a 0.025% C จะแยกตัวให้เหล็ก a ที่มีธาตุคาร์บอนน้อยกว่า 0.025% กับซีเมนไตต์ (6.67% C) ซึ่งเป็นซีเมนไตต์ที่มีชื่อเรียกโดยเฉพาะว่า Tertiary จะเกิดอยู่รอบ ๆ แถบบาง ๆ ของเฟอร์ไรท์ในโครงสร้างเพิรไลท์และรอบ ๆ เกรนของเฟอร์ไรท์ที่เกิดก่อน 723 ๐C (Primary Ferrite) ในทางปฏิบัติไม่สามารถแยกออกได้ว่าเป็นซีเมนไตต์ชนิดยูเต็คตอยด์ หรือเทอร์ทิอารี เพราะจะมีสูตรและโครงสร้างเหมือนกันคือ Fe3C
การเปลี่ยนแปลงที่อธิบายนี้จะเกิดเฉพาะเมื่ออัตราการเย็นตัว (rate of cooling) เป็นไปอย่างช้า ๆ เพื่อเปิดโอกาสให้อะตอมของ
คาร์บอนสามารถเคลื่อนที่ได้ทันทำให้เกิด phase ต่าง ๆ แต่ถ้าอัตราการเย็นตัวเร็วจะไม่ปรากฏ phase ต่าง ๆ ที่อธิบายแต่กลับจะได้โครงสร้างของเหล็กต่างออกไป ซึ่จะอธิบายในภายหลัง
ในการคำนวณหาปริมาณของ phase ที่เกิด ณ อุณหภูมิต่าง ๆ อาศัยกฏของ Lever-arm ดังเช่นเหล็ก 0.40% C ที่ 750 ๐C
จะมีปริมาณของเหล็ก a = 34% และ g = 66%
สำหรับเหล็ก 0.8% C ตาม deagram ที่อุณหภูมิบรรยากาศ จะมีโครงสร้างที่เป็นเพิรไลท์ทั้งหมด 100% และเหล็กที่มีคาร์บอน
มากกว่า 0.8% ที่อุณหภูมิบรรยากาศ จะมีโครงสร้างประกอบด้วยซีเมนไตต์กับเพิรไลท์ซึ่งจะมีซีเมนไตต์ถึงสามประเภทคือ โปรยูเต็คตอยด์, ยูเต็คตอยด์ และเทอร์ทิอารี
เหล็ก 1% คาร์บอนที่อุณหภูมิ 500 ๐C จะปรากฏมีเหล็ก a 0.02% กับซีเมนไตต์ ( Fe3C ) 6.67% C (ดูรูปที่ STEEL-CAR4 )



รูปที่ STEEL-CAR4
แสดงลักษณะโครงส้รางของเหล็กที่มีปรมาณคาร์บอนต่างกัน.

คุณสมบัติของเหล็กกล้าคาร์บอน
จากที่ทราบว่า ธาตุคาร์บอนเป็นธาตุที่อยู่ได้ในเหล็กกล้าสองลักษณะคือ ในสภาพสารละลายของแข็ง (Solid solution) และธาตุคาร์บอน
อีกส่วนหนึ่งที่เกินปริมาณที่จะละลายได้ จะรวมกับเหล็กเป็นสารประกอบอินเตอร์เมตตาลลิคหรือซีเมนไตต์ ซึ่งจะมีบทบาทที่สำคัญในการทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนมีความแข็งแรงและความแข็งเพิ่มมากขึ้นตามปริมาณของซีเมนไตต์ นอกจากคาร์บอนจะเป็นธาตุที่มีบทบาทเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้าคาร์บอนแล้ว การอบชุบเหล็กกล้ามีส่วนสำคัญอีกประการหนึ่งที่เปลี่ยนโครงสร้างของเหล็ก ซึ่งผลการอบชุบมีบทบาทที่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเหล็กได้กว้างขวางมาก อาจจะทำให้เหล็กมีความแข็ง หรือความเหนียวได้สูงขึ้นอยู่กับการอบชุบ และลักษณะของโครงสร้างสุดท้ายที่ได้รับ ดังนั้นในการกำหนดคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้าคาร์บอนจะต้องกำหนดธาตุคาร์บอน และลักษณะการอบชุบความร้อนประกอบด้วย เพราะถ้ากำหนดอย่างหนึ่งจะเป็นการยากที่จะทราบคุณสมบัติเชิงกลได้แน่นอน ในทางวิชาการยังต้องกำหนดลักษณะโครงสร้าง และรายละเอียดของขนาดเกรนอีกด้วยเพื่อความแน่นอน สำหรับทางด้านปฏิบัตินิยมกำหนดส่วนผสมและการอบชุบ ในที่นี่จะขอนำลักษณะของเหล็กที่ผ่านการทำนอร์มาลไลซ์ที่ปริมาณคาร์บอนต่าง ๆ เพื่อให้เห็นลักษณะโครงสร้างของเหล็กกล้าคาร์บอนไฮโปยูเต็คตอยด์ (0.4% C) และเหล็กกล้าคาร์บอนไฮโปยูเต็คตอยด์ (1.2% C) ดังภาพแสดง และจากการทดสอบคุณสมบัติเชิงกล (การทดสอบแรงดึงและความแข็ง) จะปรากฏผลตาม รูปที่STEEL-CAR5,6

รูปที่ STEEL-CAR5
Part of the Iron-Carbon Thermal-equilibrium Diagram.

รูปที่ STEEL-CAR6
แสดงคุณสมบัติของเหล็กเกล้าคาร์บอน ในสภาพนอร์มอลไลซิง.

จากภาพจะเห็นว่าค่าความเค้นแรงดึง (Tensile strength) จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อมีปริมาณคาร์บอนสูงขึ้น จนถึงประมาณ 0.8% C
โครงสร้างจะเป็นเพิรไลท์ และเมื่อคาร์บอนเพิ่มขึ้นจะปรากฏค่าความเค้นแรงดึงจะกลับลดลง ซึ่งจะเห็นได้ว่าเมื่อเหล็กมีคาร์บอนสูงเกินกว่า 0.8% จะปรากฏซีเมนไตต์ประเภท secondary เกิดตามขอบเกรนและมีลักษณะต่อเนื่อง ทำให้เหล็กกล้าคาร็บอนไม่สามารถรับแรงดึงได้สูงขึ้น ที่เป็นเช่นนี้เพราะซีเมนไตต์ที่แข็งและเปราะไปห่อหุ้มเนื้อเหล็กที่เป็นเพิรไล์ ทำให้เพิรไลท์ไม่มีโอกาสรับแรงได้เต็มที่ ซีเมนไตต์จะแตกหรือขาดเสียก่อน ทำให้ค่าความเค้นแรงดึงของเหล็กกล้าคาร์บอนลดลง
สำหรับความแข็งปรากฏว่ายิ่งมีคาร์บอนมาก ปริมาณซีเมนไตต์จะมากตาม ทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนมีความแข็งเพิ่มขึ้นตามปริมาณ
ของคาร์บอน ส่วนความเหนียวของเหล็กกล้าจะลดลงเมื่อมีคาร์บอนเพิ่มขึ้น และจะเข้าใกล้ค่าอัตราการยืดตัว (% Elongation) เป็นสูญเมื่อเหล็กมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 0.8%
การที่จะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้าคาร์บอน เช่นทำให้เหล็กที่มีคาร์บอนมากกว่า 0.8% มีค่าความเค้นแรงดึง และ
อัตราการยืดตัวให้สูงขึ้น สามารถทำได้โดยการอบชุบ Spheroidizing

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