บทที่ 7 เหล็กและเหล็กกลา

ในบทนี้จะกลาวถงึเรื่อง โครงสรางของเหล็กตามเปอรเซนตของคารบอนซ่ึงทําใหเกิด

เหล็กประแภทตาง ๆ เชน เหล็กธรรมดา(Iron) เหล็กกลา(Steel) และเหล็กหลอ(Cast Iron)

ตลอดจนเฟสของเหล็กจากแผนภูมิเฟสของเหลก็ นอกจากนี้การเยน็ตัวของเหล็กในสภาวะไม

สมดุลยทาํใหไดโครงสรางของเหลก็คือ เพิรลไลท (Pearlite) ไบไนท(Bainite) และมาเทนไซท

(Martensite)

7.1 กลาวนํา เหล็กเปนวัสดุซึ่งมีขอบเขตการใชงานกวางขวางมากในชีวิตประจําวันและวงการ

อุตสาหกรรม เนื่องจากสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลไดมากกมายตามชนิด และ

จํานวนของธาตุผสม (Alloying Elements)ธาตุผสมที่มีความสําคัญที่สุดคือ Carbon ซึ่งจะได

กลาวโดยละเอียดตอไป

เหล็กผลิตไดจากการนําสินแรเหล็ก (Iron Ore) ไปถลุงในเตาลม (Blast Furnace) ที่

ใชถานโคก (Coke) เปนเชื้อเพลิงและ CaCO3 เปน Flux ถานโคกจะทําหนาที่เผาไหมใหความ

รอนและทําหนาที่เปน Reducer ที่จะลด O2 จากสินแรจนสินแร (Iron Oxide) ปราศจาก O2

ซึ่งจะเปนเหล็กบริสุทธิ์ และเมื่อความรอนสูงขึ้นเหล็กบริสุทธิ์นี้ก็จะหลอมละลาย โดยจะมีสาร

มลทิน (Impurities) เชน S , C , Si , Mn, P ที่ติดมาจากสินแรและถาน Coke ละลายปะปน

มาดวย ซึ่งน้ําเหล็กที่ไดนี้เรียกวา Pig Iron เนื่องจาก Pig Iron มีปริมาณของ Impurities สูง

จึงไมเหมาะสมนําไปใชงานได ดังนั้นจะตองนําไปทําใหบริสุทธิ์ ยิ่งขึ้น (Refined) โดยกรรมวิธี

เหลานี้คือ Open Hearth, Bessemes Converter หรือ Electric Furnace ซึ่งกรรมวิธีเหลานี้

จะใช Flux และ O2 หรือ Flux อยางเดียว ผานเขาไปในน้ําเหล็กทําให Impurities เกิด

Oxidation เปน Oxide และรวมตัวกันเปน Slag ลอยตัวขึ้นมา ขบวนการ Refining นี้น้ําเหล็ก

ที่ไดจะเดือดเนื่องจากมี O2 หลงเหลืออยูในภาพของ FeO หมดไปน้ําเหล็กนิ่งดวยการ Killing

โดยผสม Ferrosilicon ตามสํานวนที่ตองการจนน้ําเหล็กมีสวนผสมทางเคมีตามตองการแลว

จึงนําไป Elements ตามจํานวนที่ตองการ จนน้ําเหล็กมีสวนผสมทางเคมีตองการแลวจึงนําไป

94

ผานกรรมวิธีการผลิตตางๆ เชน หลอ (Casting) ใหมีภาพรางตามตองการ หรือหลอเปน Ingot

เพื่อนําไปรีด (Rolling) ใหมีขนาดและภาพรางตามตองการ

7.2 Iron Carbon Equilibrium Diagram

ภาพที่ 7.1 Fe – C Equilibrium Diagram

7.2.1 Carbon ที่ผสมในเหล็กในจํานวนที่แตกตางกันจะมีผลตอคุณสมบัติทางกล

(Mechanical Properties) กลาวคือ

1. ถามี Carbon ผสมไมเกิน 0.008% ที่ Room Temp carbon จะสามารถ

ละลายในเหล็กเปน α - Solid (Ferrite) เหล็กที่ไดจะมี Ductility สูง Strength และ

Hardness ตํ่า

2. ถามี Carbon ผสมไมเกิน 0.008% ที่ Room Temp carbon จะสามารถ

ละลายในภาพของ α - Solid Solution สวน Carbon ที่เกิน 0.008% จะรวมตัวกับเหล็กใน

ภาพของ Intermetallic Compound, Fe3C เรียกวา Cementite และ Micro Structure ของ

เหล็กที่มี carbon ผสมในชวงนี้ จะเปน α อิสระและ α ที่เปนแผนบางๆ สลับกันกับแผน

บาง ๆ ของ Fe3C (Lamellar Layer) เรียกวา Pearlite (α + Fe3C ) ซึ่ง Pearlite จะมี

95

Mechanical Properties สูงกวา Ferrite ดังนั้น ถา Micro Structure มี Pearlite มาก(มี

Carbon มาก) Mechanical Perperties ก็จะสูง ถามีปริมาณของ Ferrite มาก (Carbonตํ่า) ก็

จะมี Mechanical Properties ตํ่า

3. ถามี Carbon ผสมอยู 0.8% Micro Structure จะไดปริมาณของ α =

88.11 % โดยมี Carbon ละลายอยู 0.008 % ซึ่ง Fe3C 11.89% ซึ่ง Carbon ใน Fe3C จะมี

อยู 0.8 – 0.008 = 7.92% ซึ่ง α และ Fe3C จะอยูในภาพของ α + Fe3 C ทั้งหมดกลาวคือ

ไมมี α อิสระหรือ Fe3Cอิสระอยูใน Micro Structure เลยหรือเรียกวาเกิด Prarlite 100%

4. ปริมาณของ Carbon ผสมอยูเกิน 0.8 % - 2.0 % Micro Structure จะ

เปน Peartite + Cemetite, (α + Fe3 C) + Fe3C ปริมาณของ Fe3C อิสระข้ึนอยูกับปริมาณ

ของ Carbon กลาวคือถามี Carbon ผสมอยูมากก็จะเกิด Fe3C อิสระมาก ซึ่งจะทําใหเหล็กที่

ไดมี Mechanical Properties สูง

5. ปริมาณ Carbon 2.0% - 4.3 % เหล็กที่ไดนี้เรียกวาเหล็กหลอ Cast

Iron ซึ่ง Micro Structure ที่ไดคือ (α + Fe3 C) + Fe3C) ซึ่งปริมาณของ Cementite

อิสระมีมากจนทําใหเปราะ(Brittle) ดังนั้นจึงไมสามารถนําเหล็กหลอดังกลาวนี้ไปใชงานที่รับ

Tensile Load ซึ่งเหล็กหลอเหลานี้สามารถที่ปรับปรุงคุณภาพใหมีปริมาณของ Fe3 C อิสระ

นอยลงโดยกรรมวิธีทางความรอน (Heat Treatments) ซึ่ง Fe3C จะถูก α + Graphite ซึ่งจะ

ไดศึกษาโดยละเอียดตอไป

7.2.2 Phases ซึ่งมีลักษณะตางๆ ดังนี้ คือ

1. Ferrite (α - Iron) มีโครงสรางเปนชนิด Body – Centered Cubic

(BCC)

Stable ที่ Temp ระหวาง 1400 C0 – 723 C0 และที่ Room Temp. Carbon จะละลายไดไม

เกิน 0.008%

2. Austenite (γ - Iron) มีโครงสรางเปนแบบ Face – Centered Cubic จะ

Statle ที่ Temp ระหวาง 1400 C0 – 723C0 สามารถละลาย Carbon ไดสูงถึง 2.0% ที่ 1130

C0 โดยทั่วไปจะมี Ductility สูง เหมาะที่จะทําการผลิตในการขึ้นภาพ (Hot Working) แตถา

หาก Steel ถูกเผาแชไวที่ Austenitic Temp นานๆ จะทําให Grains โตขึ้น (Grain Growth)

นอกจากนั้นจะทําใหเกิด Oxidation รวมทั้งสูญเสีย Carbon (Decarburized) อีกดวย ดังนั้น

การทํา Hot Working จะตองพิจารณาถึงขอเสียดังกลาวดวย

96

สําหรับโครงสรางของ Steels บางชนิดอาจเกิด Austenite ที่ Temp ตํ่ากวา

723 C0 เนื่องจากสาเหตุของอัตราการเย็บตัว

อัตราการเย็นตัว (Rate of Cooling) ของ Steels ที่ถูกลดจาก Austenitic

Temp ลงมาเร็วเกินไป (Rate of Cooling สูง) จะทําให Austenite บางสวนเปลี่ยนเปน

Martensite ไมทัน Austenite เหลานี้จะไมคงตัว (Unstable) เรียกวา “Retained Austenite”

ซึ่งเปนตัวการทําให Steel แตกราวภายหลังการชุบแข็ง (Hardering) ซึ่งจะตองแกไขโดย

กรรมวิธีความรอน (Heat Treatments) ซึ่งจะกลาวตอไป

3. Cementite (Fe3C) เปนโครงสรางของ Steel ที่เกิดจากการวมตัวแบบ

Intermetallic compound ของ Ferite และ Carbon ในสัดสวน 3 :1 โดยมี Carbon ผสมอยู

6.67 % Fe3C จะมีผลตอ Mechanical Properties ของ Steel มาก คือถามี Fe3C ใน Micro

Structure มาก Steel ก็จะมี Mechanical Properties สูง แตถามี Fe3C มากเกินไปเชนใน

เหล็กหลอสีขาว (White Cast Iron) ก็จะเปราะ (Brittle) คือมี Mechanical Peoperties ลดลง

4. Pearlite (α + Fe3 C) เปน Lamellar layer สลับกับระหวาง α และ

Fe3 C ปริมาณ Pearlite จะมีมากนอยขึ้นอยูกับปริมาณ Carbon ถามี Carbon 0.8%

(Eutectoid Steel) ก็จะมีปริมาณของ Pearlite 100% ใน Micro Structure กลาวคือ จะไมมี

Ferrite อิสระ หรือ Fe3C อิสระอยูเลย

5. Delta Iron (α + Fe3 C) มีโครงสรางแบบ BCC จะ Stable ที่ Temp

1400 C0 – 1539 C0 δ - Iron นี้เปราะมาก ดังนั้นการ Hot Working จะตองระวัง Working

Temp ไมใหสูงจนโครงสรางเปลี่ยนเปน δ - Iron (สีฟางขาว) มิฉะนั้น Product ที่ไดจะเกิด

การแตกราว (Failure)

6. Ledeburite (γ + G) เปนโครงสรางของเหล็กหลอ (Carbon) 2.0 % -

4.5%) Stable ที่ Temp ระหวาง 723 C0 – 1135 C0 เมื่อ Temp ตํ่ากวา 723 C0 γ จะทําให

เกิด Eutectoid Reaction ได Pearlite ซึ่ง Phases ที่ไดก็คือ Pearlite + Graphite

7.2.3 Critical Curve หมายถึงเสนที่เมื่อให Temp เปลี่ยนแปลงไป สูงขึ้นหรือตํ่าลง

จากเสนนี้ Phases ก็จะเปลี่ยนแปลงโดยสถานะ (Metallic State) ยังเหมือนเดิมไมมีการ

เปลี่ยนแปลงใดๆ

7.2.3.1 Upper Critical Temperature curve แบงออกเปน

97

1. Ferrite Stated Curve (เสน A) คือเมื่อให Temp ลดลงต่ํากวา Ar3 α ก็

จะเริ่มตกผลึก (Precipitate) ที่ Grain Boundary ของ γ ซึ่ง Phases ที่ไดก็คือ α + γ แตถา

ให Temp สูงกวา Ac3 Phases ก็จะเปลี่ยนเปน γ เพียง Phase เดียว โดยยังคงเปน Solid

State

2. Cementite Started Curve (A cm) เมื่อให Temp ลดลงจากเสน A cm ก็จะ

เกิด Fe3C ข้ึนที่บริเวณ Grain Boundary ของ γ ซึ่ง Phases ที่ไดก็คือ γ + Fe3C แตเมื่อ

Temp สูงเกินกวา A cm Phases ก็จะเปลี่ยนแปลงเปน ซึ่ง γ Phase เดียว โดยสถานะยังคง

เปน Solid เหมือนเดิม

7.2.3.2 Lower Critical Temperature (A) เมื่อให Temp ลดลงต่ํากวา Ar1

γ จะไมสามารถคงตัวอยูได จะเกิด Eutectoid Reaction ได Pearlite ( α + Fe3C) และเมื่อให

Temp สูงพน Ac1 Phase ก็จะเปลี่ยนแปลงเปน γ Phase เดียว โดยสถานะยังคงเปน Solid

เหมือนเดิม

7.2.4 Binary System ใน Fe – C Equilibrium diagram จะมีระบบการละลาย ตัว

อยู 3 ระบบ คือ

ภาพที่ 7.2 แสดง Binary System ใน Fe – C Equilibrium diagram

Peritectic

98

7.2.4.1 Peritectic System เกิดใน Steel ที่มี Carbon ผสม 0 – 0.50%

ในชวง Temp 1400 – 1539 C0 การพิจารณา Diagram ทําได 3 ชวง สวนผสมคือ

1. Peritectic Steel (0.18%C)

2. Hypo Peritectic Steels (0 – 1.8%C)

3. Hypo Peritectic Steels ( 0.18 – 0.5%C)

1. Peritectic Steel ( 0.18%C ) เมื่อให 0.18% C Steel หลอดละลายไปที่

Liquidus + 50 C0 จนหลอมละลายทั้งสิ้น ณ Temp ดังกลาวแลวจึงลด Temp ลงภายใต

สภาวะสมดุลย (Equilibrium) จน Temp พบ Liquidus ที่ t1 จากนั้น Liquid Solution ก็จะ

เร่ิมแข็งตัวได δ + L และเมื่อ Temp ลดลงมาถึง 1492 C0 δ จะเกิดมากขึ้น L จะลดนอยลง

ซึ่งสามารถหาปริมาณของ และ L จาก Lever’s Rule ดังนี้

80%x100%0.10.50.180.5

=−−

=δ

20%x100%0.10.50.10.18

=−−

=L

ซึ่ง Liquid 20% นี้จะลอมรอบ (Peri) δ - grian โดยที่ 1492C0 นี้ Liquid จะซึมเขา

ไปทําปฏิกิริยากับ δ ได γ ปฏิกิริยานี้เรียกวา Peritectic Reaction ดังสมการ

Liquid (0.53% C) + δ (0.09% C) ⎯⎯ →⎯01495C γ (O.17% C)

ซึ่งเมื่อส้ินสุดปฏิกริยาคือ Temp ตํ่ากวา 1492 C0 Phase ที่ไดอาจเปน γ Phase

เดียว หรือ δ + γ หรือ L + γ ข้ึนอยูกับปริมาณของ L หรือ γ จํานวน 20% โดยน้ําหนักจะ

เทากันในเชิงปฏิกริยากับ Peritectic Reaction 80% ดังนั้น Peritectic Steel เมื่อ Temp

ลดลงต่ํากวา 1492 C0 จะแข็งตัวทั่วทั่งกอน (Solidified) ได Phase เดียวของ γ

2. Hypo Peritectic Peritectic Steel (0 – 0.8%C) แบงออกเปน 2

ลักษณะ คือ

ก. ชนิดที่ไมเกิด Peritectic Reaction

ข. ชนิดดที่เกิด Peritectic Reaction

ชนิดที่ไมเกิด Peritectic Reaction ซึ่งมีสวนผสมระหวาง 0 – 0.1 % Carbon จะเห็น

วา Alloys เหลานี้จะ Solidified กอน 1492 C0 ดังนั้นจึงไมมี Liquid ที่จะมาทํา Peritectic

Recaction

99

ชนิดที่เกิด Peritectic Reaction ( 0.1 – 0.18%) การพิจารณาก็เชนเดียวกับ

Peritectic Alloy แตเนื่องจากปริมาณของ L ที่ 1492 C0 มีนอยกวา 20% ซึ่งมีปริมาณนอย

กวาเชิงปฏิกริยา และ δ ที่เกิดขึ้นมีมากกวา 80% ซึ่งมากกวาเชิงปฏิกริยา ดังนั้นเมื่อส้ินสุด

ปฏิกริยา (Temp ตํ่ากวา 1492 C0) Liquid จะหมดไป δ บางสวนจะทําปฏิกริยากับ L ได γ

สวน δ ที่ยังไมไดทําปฏิกริยาก็จะคงมี Phase ของ δ เหมือนเดิม ดังนั้น Phase ที่ไดเมื่อ

Temp ตํ่ากวา 1492 C0 คือ δ + γ ซึ่ง δ จะเปลี่ยน Phase เปน γ เมื่อ Temp ลดลงต่ํากวา

Solubility Curve BE

3. Hyper Peritectic Steel (0.18 – 0.5%) การพิจารณาก็เชนเดียวกับ

Peritectic Steel แตเมื่อ Temp ลดลงมาถึง 1492 C0 ปริมาณ Liquid Solution จะมีมากกวา

20% คือมากกวาในเชิงปฏิกริยา และ δ - grain จะเกิดนอยกวา 80 % คือนอยกวาในเชิง

ปฏิกริยา ดังนั้นเมื่อปฏิกริยาสิ้นสุด ( Temp ตํ่ากวา 1492 C0) Hyper Peritectic Steel จะยัง

ไมแข็งตัว Phases ที่ได คือ γ + L เมื่อ Temp ลดลงต่ํากวา Solidus BF ก็จะ Solidified ได

Phase เดียวของ γ

Austenite เหลานี้เมื่อ Temp ลดต่ําลงก็จะไมสามารถคงตัวอยูไดจะตองมี

การเปลี่ยน Phase ซึ่งจะไดกลาวตอไปนี้

7.2.4.2 Eutectoid System เปนปฏิกริยาที่เกิดในขณะที่ Steel อยูในสภาวะ

ของแข็ง ณ Temp 723 C0 การพิจารณาแบงเปน

1. Eutectoid Steel (0.8% C Steel)

2. Hypo Eutectoid ( 0 – 0.8% C)

3. Hypo Eutectoid ( 0 – 2.0% C)

1. Eutectoid Steel (0.8% Carbon Steel) เมื่อเผา 0.8% Carbon Steel ไปที่เหนือ

Ac1 ประมาณ 50 C0 โครงสรางก็จะเปลี่ยนเปน γ โดยสถานะยังคงเปน Solid อยู เมื่อ Temp

ถูกลดลงในสภาวะ Equilibrium มาที่ Ar1 (723 C0) ก็จะเกิด Pearlite (α + Fe3C) ที่ Grain

Boundaries ของ γ ปฏิกริยาการเปลี่ยนแปลงนี้เรียกวา Eutectoid Reaction ดังสมการ

γ austenite (0.8% C) ⎯⎯ →⎯0723c α ferrite (0.02%C) + Fe3C 100%

ซึ่งเมื่อปฏิกริยาสิ้นสุดลง (Temp ตํ่ากวา 723C0) ก็จะหมดไปได α + Fe3C 100%

ซึ่งปริมาณของ α และ Fe3C จะมีปริมาณดังนี้

100

88.3%x100%0.026.670.086.67

=−−

=δ

Fe3C %x100%0.026.670.020.80

7.11=−−

=

เมื่อ Temp ลดต่ําลง α จะละลาย Carbon ไดนอยลง จนกระทั่ง Temp ลดต่ํามาถึง

Room Temp α จะละลาย Carbon ไดเพียง 0.008% ดังนั้น Carbon ที่เหลือจะทําปฏิกริยา

กับ α บางสวนเปน Fe3C ซึ่งจะทําใหปริมาณ α ลดลงเหลือ 88.18 % โดย Fe3C จะ

เพิ่มข้ึนเปน 11.82 %

3. Hypo Eutectoid steels แบงเปน 2 ชนดิ คือ

ชนิดที่ไมเกิด Eutectoid Reaction

ชนิดที่เกิด Eutectoid Reaction

ชนิดที่ไมเกิด Eutectoid Reaction จะเปน Steel ที่มี Carbon ตํ่ากวา 0.025% ซึ่ง

เมื่อให Temp ลดลงในสภาวะ Equilibrium จะมีการเปลี่ยน Phase ของ γ เปน α จนหมดสิ้น

ที่ Temp สูงกวา Eutectoid Temp Ar1 ดังนั้นเมื่อ Temp ถูกลดมาถึง 723 C0 จะไมมี γ

หลงเหลืออยูจึงไมเกิด Eutectoid Reaction

ชนิดที่เกิด Eutectoid Reaction เปน Steel ที่มีสวนผสมของ Carbon 0.025 – 0.8%

ซึ่งการพิจารณาทําไดดังนี้ คือ เมื่อเผา Steel ที่มีสวนผสมระหวาง 0.002 – 0.8% สวนผสมใด

สวนผสมหนึ่งไปที่เหนือ Ac3 ประมาณ 50 C0 เพื่อให Steel เปลี่ยน Phase เปน γ ทั่วทั้งกอน

แลวจึงลด Temp ลงภายใตสภาวะ Equilibrium มาพบ Ar3(Ferrite Started Cureve) ก็จะเริ่ม

เกิด α ข้ึนที่ Grain Boundarise เมื่อ Temp ลดลงถึง 723 C0 จะหาปริมาณของ α และ γ

ไดดังนี้ สวนผสมที่พิจารณาคือ 0.50 % ดังนั้นจะมีปริมาณ

38.71% 100% x 0.0250.08

0.500.08 δ =

−−

=

61.29% 100% x 0.0250.8

0.0250.05 γ =

−−

=

ซึ่งเมื่อ Temp ลดต่ํากวา 723 C0 จะทํา Eutectoid Reaction ได α + Fe3 C

(Pearlite) ดังนั้น Pearlite ที่ Temp ตํ่ากวา 723 C0 จะมีปริมาณเทากับ 61.29% ใน Micro

Structure สวน α เมื่อ Temp ตํ่ากวา 723 C0 ก็จะเปน α เชนเดิม เรียกวา Proeutectoid

101

Ferrite และมีจํานวนเทาเดิม คือ 38.71% แตเมื่อ Temp ลดลงปริมาณของ α จะนอยลง

เพราะ Carbon ละลายไดนอยลงเชนเดียวกับ Eutectoid Steel

3. Hyper Eutectoid Steel การพิจารณาคลายกับ Hypo Eutectoid Steel

ตางกันตรงที่เมื่อ Temp ถูกลดลงจาก Austenitic Temp มาพบ Upper Critical Curve (Acm)

จะเกิด Cementite (Fe3C) ข้ึนที่ Grain Boundaries และเมื่อ Temp ถูกลดมาที่ Ar1

Austenite ที่เหลืออยูก็จะทํา Eutectoid Reaction ได Pearlite เชนกัน ดังนั้น Phases ของ

Hyper Eutectoid Steel ที่ Room Temp คือ Proeutectoid Cementite + Pearlite

7.2.4.3 Eutectic System การพิจารณาแบงออกเปน 3 สวน คือ

1. Eutectic cast Iron (4.3%)

2. Hypo Eutectic Cast Irons (2.0 – 4.3 %C)

3. Hypo Eutectic Cast Irons( 4.3% C ข้ึนไป)

1. Eutectic Cast Iron (4.3%) เมื่อ Eutectic Cast Iron ถูกลด

Temp ลงจาก Liquid Solution (1130 + 50C0) ในสภาวะ Equilibrium จน Temp มาถึง

1130 C0 Liquid Solution ที่จะทํา Eutectic Reaction ดังสมการ

Liquid (4.3%C) ⎯⎯ →⎯01148c austenite (2.08% C) + Fe3C (6.67% C)

เมื่อปฏิกริยาสิ้นสุดลง Eutectic Cast Iron ก็จะทํา Eutectic Reaction ไดอยาง

สมบูรณกลาวคือ จะ Solidify ทั่วทั้งกอน Phases ที่ไดก็คือ γ + Fe3 C (Ledeburite) ซึ่งเมื่อ

Temp ลดต่ําลง γ ก็จะเกิด Eutectic Reaction ที่ 723 C0 ได Pearlite ดังนั้นที่ Room Temp

Temp Eutectic Cast Iron เมื่อเย็นตัวในสภาวะ Equilibrium จะมี Phase ของ Pearlite +

Cementite แตถาตองการไมเกิด Fe3C เลยจะตองเผาแช (Soaking ) ที่ Temp ประมาณ 700

C0 เปนเวลาหลายสิบชั่วโมงเพื่อให Carbon แยกตัวออกมาจาก Fe3 C ดังนั้นที่ Room

Temp จะได Phases ของ α + G ซึ่งเรียกวา Ferritic Cast Iron

Hypo Eutectic Cast Irons การพิจารณาคลายกับ Eutectic Cast Iron ตางกัน

เล็กนอยตรงที่เมื่อ Temp ลดลงภายใตสภาวะ Equilibrium มาพบ Liquidus ก็จะเริ่มเกิด

Solid Austenite ข้ึนใน Liquid Solution และเมื่อ Temp ตํ่าลงก็จะสราง Dendrtie ขยายตัว

ออกไปซ่ึง Liquid ก็จะมีจํานวนลดลงซึ่งสามารถคํานวณหาปริมาณไดจาก Tie – Line

Concept เมื่อ Temp ลดลงถึง 1130 C0 Liquid ที่มีอยูก็จะทํา Eutectic Reaction ได γ +

Fe3C เมื่อ Temp ลดลงต่ํากวา 1130 C0 Phases ที่ไดคือ γ + (γ + Fe3C) γ อิสระจะมี

102

จํานวนเทากับ γ ที่ 1130 C0 สวนการเปลี่ยนแปลงของ γ ก็เชนเดียวกับ Eutectic Cast

Iron

Hyper Eutectic Cast Iron การพิจารณาคลายกับ Hypo Eutectic Cast Iron

ตางกันตรงที่จะเกิด Fe3C ใน Liquid Solution เมื่อ Temp ถูกลดลงมาถึง Liquidus ดังนั้น

Phases ที่ไดเมื่อ Solidify ก็คือ Fe3C + ( γ + Fe3C ) สวนการเปลี่ยน Phase ของ γ ก็มี

ลักษณะเดียวกันกับ Eutectic Cast Iron (Fe3C อิสระคือ Proeutectic Cementite )

7.2.5 Allotropic Materials หมายถึงการที่วัสดุจะมี Phase เปลี่ยนแปลงไปเมื่อ

Temp เปลี่ยนแปลงไปเชน Pure Iron เมื่ออยูที่ Room Temp จะมีโครงสรางเปน B.C.C

(Body Centered Cubic) ซึ่งเรียกวา Ferrite (α) เมื่อ Temp ถูกเพิ่มข้ึนจนสูงกวา 910 C0

โครงสรางก็จะเปลี่ยนจาก B.C.C. เปน F.C.C. (Face Centered Cubic) ซึ่งเรียกวา

Austenite (γ) และเมื่อ Temp สูงกวา 1400 C0Fโครงสรางจะกลับมาเรียงตัวแบบ B.C.C. อีก

แตจะเปราะกวา B.C.C. ที่ Temp ตํ่า ซีงการที่ Micro Structure ของ Steel สามารถ

เปลี่ยนแปลงไดดังกลาว จึงทําใหสามารถเปลี่ยนแปลง Micro Structure ของ Steel ได

มากมาย ผลก็คือจะทําใหสามารถเปลี่ยนแปลง Micro Structure ของ Steel ใหเปนไปตาม

ตองการ แมจะไมไดเปลี่ยนแปลง Chemical Composition เลยก็ตาม ดังจะไดกลาวในเรื่อง

Heat treatment ตอไป

7.3 Time Thermal Transformation Curve (T.T.T) เนื่องจาก Steel เปน Allotropic Meterial ซึ่งเมื่อ γ เย็นตัวลงในสภาวะ Equilibrium

จะเปลี่ยน Phase เปน Pearlite ดังกลาวมาแลว ถาตองการเย็นตัวของ Austenite เปนไปแบบ

Non Equilibrium ณ Temp คงที่ Austenite จะมีการเปลี่ยนแปลง Phase ได 3 ลักษณะ คือ

7.3.1 Pearlite

7.3.2 Bainite

7.3.3 Martensite

7.3.1 Pearlite เปน Lamellar Layer ของ α และ Fe3C เกิดจากการเปลี่ยนแปลง

ของ Austenite ที่ Quench มายัง Temp ระหวาง Temp ตํ่ากวา 723 C0 – สูงกวา 500 C0

ซึ่งมีลักษณะการเกิดดังนี้

103

ภาพที่ 7.6 แสดงการเกดิ Pearlite และระยะเวลาของการเกิด

จากภาพเมื่อ γ ถูกลด Temp ลงมาต่ํากวา Ar1 ในสภาวะ Non Equilibrium (การ

เย็บตัวในสภาวะ Non Equilibrium A1 จะอยูที่ 723 C0) γ จะยังไมสามารถเปลี่ยน Phase

ได ยังคงเปน Austenite แตไมคงตัวเรียกวา “Retained Austenite” ซึ่งเมื่อใชเวลาที่ Temp

ตํ่ากวา 723 C0 นานเขาปริเวณ Grain Boundaries จะเริ่มมีการตกผลึกของ Fe3C ซึ่ง Fe3C

จะขยายตัวใหญข้ึนโดยการดึงเอาอะตอมของ Carbon ที่อยูที่บริเวณติดกันมารวมตัวกับ Fe ที่

เปลี่ยน Phase จาก Retained Austenite เกิดเปน Fe3C ดังสมการ

3Fe + C ---- Fe3 C

สาเหตุของการเกิด Fe3C ก็เนื่องจาก Retained γ ที่ถูกลด Temp ลงมาที่ 723 C0

พยายามที่จะเปลี่ยน Phase ใหเปน α แตเนื่องจากปริมาณของ Carbon ละลายปนอยูมาก

Carbon ก็จะถูกผลักออกมาผสมตัวกับเหล็กเปน Fe3C แผนบางๆ (Lamellar) ขณะเดียวกัน

Retained γ ที่คาย C ออกแลวก็จะเปลี่ยน Phase เปน α แผนบางๆ ติดกับ Fe3C ทั้ง 2 ขาง

Retained γ ที่เหลืออยูก็จะเปลี่ยนแปลงเปน Fe3C และ α ดังกลาว จนในที่สุด Retained

γ จะหมดสิ้นไปเกิดเปนชั้นบางๆ สลับกันระหวาง α และ Fe3C ทั่วทั้ง Grain

การสราง T.T.T. Curve ในชวงการเกิด Pearlite ทําไดโดยการนํา Specimens ที่ทํา

ดวย 0.8% Carbon Steel ขนาด 1 × 1 × 1 cm3 มาเผาที่ 723 + 50 C0 จํานวน 20 – 30 อัน

แลวจึงนํามา Quench ใน Lead Bath ที่ Temp ใด Temp หนึ่งระหวาง 550 C0 – 723 C0

104

(Temp คงที่) ในระยะเวลาที่แตกตางกัน แลวนํามา Quench ในน้ําที่ Room Temp ผลก็คือ

ถา Retained γ ที่ยังไมเปลี่ยนเปน Pearlite ก็จะเปลี่ยนเปน Martensite สวนที่เปลี่ยนเปน

Pearlite แลวก็จะยังคงเปน Pearlite เหมือนเดิม ดังนั้น Micro Structure ที่ไดหลังจาก

Quench ในน้ํา ถาเปน Martenite 100% ก็แสดงวา γ ยังไมมีการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากใช

เวลาใน Lead Bath นอยไป ระยะเวลาจากเริ่ม Quench ใน Lead Bath จนเริ่มเกิด Pearlite

เรียกวาระยะเวลาในการฟกตัว (Incubation Time) Specimens ที่แช (Soaking) ใน Lead

Bath นานเขาก็จะเกิด Pearlite มากขึ้น ดังนั้น Specimens ที่ Soaking ใน Lead Bath

นานๆเมื่อนํามา Quench จะได Pearlite มาก Martensite นอย จนในที่สุดจะได Pearlite

100 % เมื่อ Soaking จนได Pearlite 100% แลวและยังคง Soaking ตอไป Pearlite ที่ไดก็จะ

เกิด Grain Growth ทําใหเสีย Mechanical Peoperties ดังนั้นเมื่อ Soaking จนได 100%

Pearlite แลวจะตองลด Temp ลงทันที

นําเอาผลของปริมาณ Pearlite ที่ไดจากการ Soaking ใน Lead Bath ณ Temp หนึ่ง

มา Plots แสดงความสัมพันธระหวางระยะเวลาที่ Soaking กับปริมาณของ Pearlite จะได

Diagram ดังนี้

จาก Diagram การเกิด Pearlite จะเห็นวา Ot1 คือ Incubation Time คือกําลังจะเริ่ม

เกิด Pearlite เมื่อทําการ Soaking Specimens ใน Lead Bath ที่ 560 C0 ในระยะเวลา 12 ก็

จะได 50 % ในระยะเวลา t2 ก็จะได 50% Pearlite และถาใชเวลาในการ Soaking ถึง t3 ก็จะ

ได 100% Pearlite ระยะเวลาจาก t1 – t3 คือระยะเวลาจากเริ่มเกิด Pearlite จนได 100%

การ Quench Austenite Specimens มายัง Temp ตํ่ากวา 723C0 – สูงกวา 550 C0

นั้นจะมีผลตอระยะเวลาของการเปลี่ยนแปลงจาก Retained Austenite กลาวคือถา Lead

Bath มี Temp สูงการเปลี่ยนแปลงจะชา ถา Lead Bath มี Temp ใกล 550 C0 ก็จะเกิดการ

เปลี่ยนแปลงเปน Pearlite งายขึ้นหรือเร็วขึ้น ดัง Diagram

เมื่อนําเอาผลของการเปลี่ยนแปลงของการ Quench Austenite Specimens ณ

Temp ตางๆ มา Plots โดยแสดงความสัมพันธระหวาง Temp ก็จะได T.T.T. Curve ในชวง

ของ Pearlite ดังนี้

จาก Diagram ที่ 550 C0 ลากเสน ab ขนานกับแกน X Project Pearlite (ts550) และ

Pearlite Finish (tf550) จาก Diagram แสดงการเกิด Pearlite ที่ Temp ตางๆ ไปตัดกับเสน ab

ที่ M และ N ตามลําดับ ก็จะไดจุด Pearlite Start และ Finish

105

เมื่อ Quench Autenite Specimens มาที่ 550 C0 ที่จุด M และ N ตามลําดับ จุด

Pearlite Start และ Finish ที่ Temp 650 C0 หรือ 750 C0 หรือ Temp ตางระหวาง 550 – 723

C0 ก็สามารถหาตําแหนงไดเชนกัน จากนั้นก็โยง Curve MOQ ก็จะได Curve ที่เรียกวา

Pearlite Started Curve และเมื่อโยง NPR ก็จะได Pearlite Finished Curve ดังนั้นก็จะได

Phases ตางๆ ที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของ Austenitic Eutectoid Steel เมื่อถูก Quench

มาใน Lead Bath ในชวง Temp ระหวางต่ํากวา 723 C0 – สูงกวา 550 C0

สรุปผลการเกิด Pearlite

1. เกิดจาก Austenitec Steel Quench มายัง Lead Bath ที่ Temp ระหวางต่ํา

กวา 723C0 – สูงกวา 550C0

2. ตองใชระยะฟกตัว (Incubation Time)

3. ตองใชระยะเวลาจากเริ่มเกิดจนได 100%

4. Pearlite ที่เกิดที่ Temp ตํ่าจะใชระยะเวลาฟกตัวและระยะเวลาเริ่มเกิดจนได

100% ส้ัน

5. Pearlite ที่เกิดที่ Temp สูง จะใชระยะเวลาฟกตัวและระยะเวลาเริ่มเกิดจนได

100% ยาว

6. Pearlite ที่เกิดที่ Temp ตํ่าจะมี Machanical Propeties สูง

7.2.3 Bainite เปนโครงสรางที่เกิดจาก Austenite ถูก Quench มาที่ Temp ตํ่ากวา

550 C0 – สูงกวา 230 C0 Bainite จะประกอบดวย α + Fe3C จะมีลักษณะคลาย Pearlite

เฉพาะ Bainite ที่เกิดที่ Temp สูง (ใกล 550 C0) เรียกวา “Upper Bainite” สวน Bainite ที่

เกิดที่ Tempตํ่า (ใกล 230 C0) จะมีลักษณะคลาย Martensite เรียกวา “Lower Bainite”

ลักษณะการเกิด Bainite จะเกิดการ Form ตัวของ α กอน เนื่องจาก Rate Cooling สูงกวา

Pearlite ซึ่งมีลักษณะดังนี้

106

ภาพที่ 7.10 ลักษณะการเกิด Bainite

จากภาพเมื่อ Quench γ มายังชวง Temp ระหวาง Temp ที่ตํ่ากวา 550 C0 – Temp

สูงกวา 230 C0 ซึ่งจะเกิด Ferrite ข้ึนที่ Grain Boundaies และ Ferrite จะขยายตัวเพิ่มข้ึน

โดยดัน Carbon ออกทางดานขางทําใหดานขางๆ จะเปน Retained γ ที่มี Carbon ผสมอยู

มากเกินพอ เมื่อบริเวณนี้ใชเวลาในการ Soaking นานเขา Retained γ ก็จะเปลี่ยนเปน

Ferrite (Fe) โดย Fe ก็จะรวมตัวกับ C ได Fe3C ซึ่งการขยายตัวของ α ที่พุงเขาสูใจกลางของ

γ - Grains ก็จะผลัก Carbon ทําใหเกิดการรวมตัวเปน Fe3C อีก ซึ่งจะกระทําเชนนี้ตอไปจน

Retained γ เปลี่ยนเปน Bainite จนหมดสิ้น

การสราง T.T.T. Curve ในชวงของ Bainite มีลักษณะคลายๆกับ Pearlite เพียงแต

Temp ที่ทําการ Quench Austenitic Specimens จะอยูในชวง Temp ตํ่ากวา 550 C0 - สูง

กวา 230 C0 ซึ่งถาตองการวิเคราะห Lower Bainite จะตองใช Salt Bath เปน Quenching

Media แทน Lead Bath ซึ่งมีจะไดลักษณะ Diagram ดังนี้

สรุปผลของการเกิด Bainite

107

1. เกิดจาก Austenitic Steel Quench มาในSalt Bath ในชวง Temp ตํ่า

กวา 550 C0 - สูงกวา 230 C0

2. ตองใช Incubation Time

3. ตองใช เวลาเริ่มเกิดจนได 100%

4. Bainite ที่เกิดที่ Temp สูง (ใกล 550 C0) จะใช Incubation Time และ

ระยะเวลาเริ่มเกิดจนได Bainite 100 % ส้ัน

5. Bainite ที่เกิดที่ Temp ตํ่า (ใกล 230 C0) จะใช Incubation Time และ

ระยะเวลาเริ่มเกิดจนได Bainite 100 % ยาว

6. Bainite ที่เกิดที่ Temp ตํ่าจะมี Mechanical properties สูงกวา Bainite

ที่เกิดที่ Temp สูง

7.3.3 Martensite (M.S) เกิดจากการ Quench Austenite Steel มาที่ Temp ที่ตํ่า

กวา 230 C0 ดวยอัตราการเย็นตัว (Rate of Cooling) ที่สูง ๆ การเกิด Martensite จะมาก

หรือนอยใน Micro Structure ข้ึนอยูกับ

7.3.1 เปอรเซ็นต Carbon เนื่องจาก Martensite เปนโครงสราง Interstitial

Solid Solution ในภาพของ Base – centered Tetragonal โดยมี Carbon แทรกอยูระหวาง

อะตอมของ Fe ซึ่งถาหากมี Carbon ผสมในเหล็กนอยจะทําใหเกิด MS นอยหรือไมเกิดเลย

7.2.2 อัตราการเย็นตัว (Rate of Cooling) ถา Austenitic Steel ถูก Quench

มาที่ Room Temp โดยใชอากาศเย็น Quenching Media จะไมเกิด M.S ข้ึนไดเลยเพราะ

อากาศดูดความรอนออกจาก Austenitic Steel ไดชา หรือเปนตัวกลางที่ทําให Rate of

Cooling ตํ่า แตถานําเอา Austenitic Steel Quench ใน Brine Solution (Liq.NaCl) ที่ Room

Temp เชนกัน ก็จะเกิด M.S ข้ึน 100% เพราะ Brine Solution ดูดความรอนออกจาก

Austenitic Steel ไดอยางรวดเร็ว กลาวคือใชเวลาเพียงเสี้ยววินาที Austenitic Steel ก็จะลด

Temp จาก 723C0 + 50C0 มาต่ํากวา 150 C0 จึงไมสามารถเปลี่ยนเปน Pearlite หรือ

Bainite ไดปกติการที่เราจะใหวัสดุมีอัตราเย็นตัวสูงหรือตํ่านั้นขึ้นอยูกับการเลือกใช

Quenching Media ดัง ตอไปนี้ ซึ่งเรียงจาก Rate of Cooling ตํ่าไปสูงไปตามลําดับ อากาศ,

น้ํามัน น้ํา 10% NaCl Solution และ5% NaOH Solution

7.3.3 พื้นที่หนาตัด (Cross – Sectional Area) ชิ้น Specimen ที่มีขนาดโตเมื่อถูก

Quench จะทําใหภายในมี Rate of Cooling ตํ่าจึงมีเวลาพอที่จะทําใหเกิด Pearlite หรือ

Bainite ได สวนภายนอกมี Rate of Cooling สูงก็จะเกิด M.S ดังนั้นชิ้นงานที่มีขนาดใหญจะ

108

ไมสามารถสราง M.S ใหได 100% สวนชิ้นงานที่มีขนาดเล็กจะมี Rate of Cooling สูงทั่วทั้ง

ชิ้นงาน ดังนั้นจึงทําใหเกิด Martensite 100% ได

สรุปผลการเกิด Martensite

1. เกิดจาก Austenite Steel Quench มายัง Temp ตํ่ากวา 230 C0 โดยใช

Rate of Cooling สูงๆ

2. ไมตองใช Incubation Time กลาวคือ เมื่อ Quench มาแลวจะได M.Sได

เลย ไมตองใชเวลาในการฟกตัว

3. ไมตองใชระยะเวลาเริ่มเกิดจนได 100% กลาวคือ เมื่อ Quench มาแลว

ได M.S เทาไรก็เทานั้นถึงแมจะ Soaking ใน Quench Media นานเทาไรก็ตาม

เมื่อนําความสัมพันธของชวงการเกิด Pearlite Bainite และ Martensite มาผนวกกัน

ก็จะได T.T.T Curve

ภาพที่ 7.13 T.T.T Diagram

๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗๗

หนังสืออิเล็กทรอนิกส

ฟสิกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสิกส 1 (ความรอน)

ฟสิกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวิทยาฟสิกส เอกสารคําสอนฟสิกส 1ฟสิกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสิกสดวยภาษา c ฟสิกสพิศวง สอนฟสิกสผานทางอินเตอรเน็ต

ทดสอบออนไลน วีดีโอการเรียนการสอน หนาแรกในอดีต แผนใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร

แบบฝกหัดออนไลน สุดยอดสิ่งประดิษฐ

การทดลองเสมือน

บทความพิเศษ ตารางธาตุ)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานุกรมฟสิกส ลับสมองกับปญหาฟสิกส

ธรรมชาติมหัศจรรย สูตรพื้นฐานฟสิกส

การทดลองมหัศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหัดกลาง

แบบฝกหัดโลหะวิทยา แบบทดสอบ

ความรูรอบตัวท่ัวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐี( คดีปริศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คําศัพทประจําสัปดาห ความรูรอบตัว

การประดิษฐแของโลก ผูไดรับโนเบลสาขาฟสิกส

นักวิทยาศาสตรเทศ นักวิทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพิศวง การทํางานของอุปกรณทางฟสิกส

การทํางานของอุปกรณตางๆ

การเรียนการสอนฟสิกส 1 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร3. การเคลื่อนท่ีแบบหนึ่งมิต ิ 4. การเคลื่อนท่ีบนระนาบ5. กฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน 6. การประยุกตกฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน7. งานและพลังงาน 8. การดลและโมเมนตัม9. การหมุน 10. สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง11. การเคลื่อนท่ีแบบคาบ 12. ความยืดหยุน13. กลศาสตรของไหล 14. ปริมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอท่ีหน่ึงและสองของเทอรโมไดนามิก 16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17. คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง การเรียนการสอนฟสิกส 2 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. ไฟฟาสถิต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตัวเก็บประจุและการตอตัวตานทาน 5. ศักยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหล็ก 8.การเหนี่ยวนํา9. ไฟฟากระแสสลับ 10. ทรานซิสเตอร 11. สนามแมเหล็กไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเห็น13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตัม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นิวเคลียร

การเรียนการสอนฟสิกสท่ัวไป ผานทางอินเตอรเน็ต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปลฮารโมนิก คลื่น และเสียง

5. ของไหลกับความรอน 6.ไฟฟาสถิตกับกระแสไฟฟา 7. แมเหล็กไฟฟา 8. คลื่นแมเหล็กไฟฟากับแสง9. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร

ฟสิกสราชมงคล