บทท 3 การเปลยนแปลงคณสมบตทางกายภาพของเหลก Physical Metallurgy and Heat Treatment

รองศาสตราจารยธรรมณชาต วนแตง สาขาวชาวศวกรรมการผลตและการจดการ มหาวทยาลยราชภฏเพชรบรณ

Strength

Hardness

Toughness

Ductility

Density

Mechanical Properties of Metals

Fatigue

Creep Impact resistance

Yield Strength

Tensile Strength

Hardening

Yield Stress

Abrasive Resistance

Elasticity

Fusion Welding Process

Forging

Machining Ability

Cold Working

Deep Drawing

ปฏกรยายเทคตอย

เกดในสภาวะของแขง (Solid State)

เปลยนแปลงจากของแขงหนงเฟส (ออสเตนไนท)

แตกตวเปนของแขงสองเฟส (เฟอรไรทและซเมนตไตต)

(723 OC)

0.80%

แพรซม (Diffusion) เกดโครงสรางทมของแขงเกดสลบกนไปมา

ปฏกรยายเทคตก

ปฏกรยาทเกดในสภาวะของเหลว (Liquid State) กบสภาวะของแขง

4.30%

คารบอนแตกตวเปนของแขง 2 เฟส (ออสเตนไนทและซเมนตไตต)

(1,148OC)

โครง

สราง

(S

tru

ctu

re)

แผนภ

าพสม

ดลยเ

หลก-

เหลก

คารบ

อน (I

ron-

carb

on e

quilib

rium

diag

ram

)

ออสเตนไนท (Austenite)

เหลกแกรมมา (Gamma Iron : γ)

เหลก และคารบอนรวมตวกนอยในรปของสารละลายของแขง

F.C.C.

ออนและเหนยว เหมาะกบงานรด (Rolling) งานดนขนรป (Extrusion) และงานตขนรป (Forging)

คารบอนสามารถละลายเขาไปผสม ในเกรน หรอผลก (Space Lattice) ได

เหลกอลฟา (Alpha : α )

สารละลายของแขง

B.C.C.

มคณสมบตออน (Soft) เหนยว (Ductile) และเปนแมเหลก (Magnetic) เหมาะกบงานขนรปเยน

เหลกบรสทธ

เฟอรไรท (Ferrite)

(Alpha : α Ferrite ) ( Delta : Ferrite )

เพรไลท (Pearlite)

โครงสรางของเหลกยเทคตอย (Eutectoid steel)

ซเมนตไตทและเฟอรไรท

มการเยนตวแบบสมบรณ ทจดยเทคตอยด

0.80% ระดบอณหภม 723°C

รบความเคนแรงดงไดด

เพรไลทละเอยด (Fine Pearlite) เพรไลทหยาบ (Coarse Pearlite) ชา เรว

ซเมนตไตต (Cementite)

สารละลายของแขง

Fe3C ซงเรยกวาเหลกคารไบด (Iron Carbide)

6.67%โดยนาหนก

แขงมากแตเปราะ

ออโทรอมบค (Orthorhombic)

รบความเคนแรงดงไดนอย รบความเคนแรงอดไดสง

สารประกอบชนดทแทรกตวอยระหวางเหลกกบคารบอน (Interstitial compound)

ขอบเกรน

มารเทนไซต (Martensite)

ออสเตนไนทมการเปลยนโครงสรางซงเกดจากการเยนตวลงอยางรวดเรว

ตากวาการเกดเบนไนท

นาหรอนาเกลอ

อะตอมของคารบอนเกดการบดเบยว

แขงและเปราะ

Martensite

เบนไนท (Bainite) หรอ

ออสเตนไนทเยนตวลงอยางรวดเรว

คลายเขมยนเขาสใจกลางเกรนออสเตนไนท

6.67%

มความแขงมาก

ทขอบเปนแถบบางๆ ของซเมนตไตตขน

เปนกลมๆ แทรกตวอย กบโครงสรางมารเทนไซด

ทรสไตต (Troostite)

Bainite

แผนภาพการเปลยนแปลงทอณหภมคงท (Isothermal Transformation Diagram) TTT Curve หรอ S-Curve

การเตรยมชนทดสอบเพอดโครงสราง

mounted specimen

ทดสอบดวยกรดไนตรก (Nitric Acid) 2-4% ผสมกบเอททลแอลกอฮอล(Ethyl Alcohol)

เบอร 180 ,240, 320 , 400, 600, 800, 1,000 และ 1,200 นาไหลผานตลอด

ขดบนผาสกหลาดเปยกนา ดวยความเรวประมาณ 60 รอบตอนาท และใสผงอลมนา (Alumina)

สองดโครงสรางดวยกลองขยาย (Metallurgical Microscope)

(ช) ผานการกดกรดแลว (ซ) รอยกรดกดมากเกนไป

(ก) 180 grit (ข) 400 grit (ค) 800 grit

(ง) 1200 grit (จ) 6 micron (ฉ) 1 micron

Scanning Electron Microscope S.E.M

T.E.M.

Transmission Electron Microscope

สามมต

energy dispersive spectrometer (EDS) อปกรณวเคราะหธาตโลหะ โพลเมอร เซรามค ก าลงขยาย 30 - 300,000 เทา

กระบวนการอบชบดวยความรอน (Heat Treatment Processes)

การชบแขง (Hardening) 0.30% Temp

เวลา

เหนอ A3 50 C

เผาแช 1 ล.บ.นว / 1 ชม.

เยนตวในสารจมชบ

เยนตวในเตา

เสน A3 หรอ Acm

เสน A1 723C

150°-250°C เกดความเครยดตกคาง 350°-450°C 500°-650°C

2

1

3

1) ชวงอบคนไฟทอณหภมต า ( 150°-250°C) กระท าเพอลด

ความเครยดภายใน แตความเหนยวจะเพมขน ระดบความแขงคงเดม

ใชเวลา 1–2 ชวโมง

2) ชวงอบคนไฟทอณหภมปานกลาง (350°-450°C) กระท าเพอเพม

ความเหนยวใหสงขน มกกระท ากบเหลกทใช ท าเหลกสปรงชนดตางๆ

3) ชวงอบคนไฟทอณหภมสง ( 500°-650°C) กระท าเพอลด

ความเครยดภายในใหหมดไป พรอมกบเพมความเหนยวและความแขง

การอบคนไฟ (Tempering)

มรปรางสลบซบซอน ความหนาบางแตกตางกนมากๆ เพราะแกไขการบดงอแตกราว

400 400°-600°C

โครงสรางสดทายทไดคอ เบนไนท

การชบผวแขง (Surfaces Hardening) 0.30%

คารบไรซง (Carburizing)

1) Pack Carburizing หรอ Solid Carburizing

สวนผสมของธาตตางๆ หอหมแทงเหลกบรรจในหบเหลกปดฝาอยางมดชดไมใหอากาศแทรกเขาไปได 900°-950°C นาน 1 ชวโมงตอความหนา0.1 มม. ไปชบลงในน าหรอน ามน

2) Liquid Carburizing

850°-900°C

NaCl 10–15% และ Na2CO3 75–85%

3) Gas Carburizing

คารโบไนตรายดง (Carbonitriding)

1) คารโบไนตรายดงทอณหภมตา (540°-560°C)

2) คารโบไนตรายดงทอณหภมปานกลาง (840°– 860°C)

3) คารโบไนตรายดงทอณหภมสง (900°–950°C)

Dry Cyaniding

Cutting Tool High Speed Steel Drill Tap

0.02–0.04 มม.

1 มม.

รปรางสลบซบซอน ท า Tempering

0.1–0.2 มม.ตอชวโมง

Tempering

ไซยาไนดดง (Cyaniding)

1) ไซยาไนดดงทอณหภมต า (550°–600°C)

2) ไซยาไนดดงทอณหภมปานกลาง (750°–850°C)

3) ไซยาไนดดงทอณหภมสง (900°–950°C)

0.02–0.04 มม. ใชเวลา 5-30 นาท Cutting Tool High Speed Steel Drill Tap

0.075–0.25 มม. ชนสวนเครองจกรกลทวๆ

ประมาณ 5 ชวโมง ประมาณ 0.5–1.5 มม. เหมาะกบงานทตองการผวแขงสงมากๆ

ไซยาไนด (NaCN) โปแตสเซยมไซยาไนด (KCN) แคลเซยมไซยาไนด (Ca(CN)2)

Pre-Heat อณหภม 100°–400°C

สารพษ

ไนไตรดง (Nitriding)

(500°–590°C) ชนสวนเครองจกรกลทวๆ ไป ความลกผวแขงนอย

ไดความแขงผวสง

การชบผวแขงดวยกระแสเหนยวนา (Induction Hardening)

(0.4–0.5%C) and (0.8–1.2%C)

จะทนตอการเสยดส และทนตอความลาไดด

การถายเทความรอน

การชบผวแขงโดยใชเปลวไฟใหความรอน (Flame Hardening)

แบบธรรมดา (Manual Surface Hardening)

แบบหมนชนงาน (Spin Surface Hardening)

แบบตอเนอง (Progressive Surface Hardening)

แบบหมนตอเนอง (Progressive Spin Surface Hardening

3,000°-3,200°C

ออสเตนไนท เปนโครงสรางใหม มารเทนไซต

เยนตวอยางรวดเรว โดยการชบนา หรอน ามน หรอใช

อากาศเยนเปา

การอบออน (Annealing)

การอบออนอยางสมบรณ (Full annealing)

(Forging Hot Rolling) (Cold Rolling และ Drawing))

Temp

เวลา

เหนอ Ac3 30 - 50 C

เยนตวในเตา

เผาแช 30-60 นาท/25 มม.

เสน A1 723C

เสน A3

เปลยนเปนเพรไลท กบเฟอรไรท

การอบออนไมสมบรณ (Incomplete Annealing)

1) การอบออนเพอขจดความเครยดเหลอคาง (Stress-relief Annealing)

Lattice Distortion แขงแตจะสญเสยความเหนยว

Temp

เวลา

เยนตวในอากาศ

เผาแช ประมาณ 1-2 ชวโมง เสน A1 723C

(550°-650°C)

ต ากวาเสน Ac1

กลมอะตอมทไมอยในสภาพสมดลยกจะคอยๆ กลบคนสสภาพปกต

2) การอบออนเพอความออนตวสง (Spheroidising Anneals)

Temp

เวลา

เยนตวในเตา

เสน A1 723C

%C 0.7–1.2

Machinability จะไมด

ประกอบดวยเพรไลท และโปรยเทคตอยดซเมนตไตตตามขอบเกรน

การอบชบเพอปรบปรงคณสมบต (Normalizing) ผานกระบวนการผลตคณสมบตเชงกล และคณสมบตดานความเหนยวเสยไป มความเครยดตกคางอย

มกจะเกดการบดงอ ความเหนยว และความแขงไมสม าเสมอ เมอน าไปเขากระบวนการชบแขงเลย

Temp

เวลา เยนตวในอากาศ

เสน A3 หรอ Acm

เสน A1 723C

ประมาณ 30°–50°C นาน 30–60 นาท ตอความหนา 25 มม.

เยนตวในเตา

เยนตวในเตา

เยนตวในอากาศ

Temp

เวลา

เยนตวในอากาศ

เหนอ A3 50 C

เยนตวในเตา

เสน A1 723C

เสน A3 หรอ Acm

เยนตวในสารจมชบ

เยนตวในเตา

เยนตวในเตา

100-500C

เยนตวในอากาศ

300 – 600 C

เยนตวในอากาศ

(550°-650°C) ประมาณ 1-2 ชวโมง

เหนอ A3 30°–50°C นาน 30–60 นาท ตอความหนา 25 มม.

สารชบ (Quenching Medium)

ก. อตราการถายเทความรอนของสารชบ

ข. ขนาดและรปรางของชนงาน

ค. ลกษณะโครงสรางทตองการภายหลงการอบชบ

นา (Water)

นาเกลอ (Brine)

นามน (Oil)

บดงอหรอแตกราว สนม เกดความเครยดมาก

ประมาณ 10% น าเกลอ ความเครยดภายในมนอยลง เกดการ

บดงอนอยกวา ถายเทความรอนดมาก อตราการเยนตวสงสด

ออสเตนไนทเปลยนไปเปนมารเทนไซท

จะท าปฏกรยาตอถงชบ และอปกรณตางๆ เกดการผกรอนอยางรนแรง

มจดวาบไฟ 160°-170°C ถายเทความรอนต า/อนน ามน

อตราการเยนตวสม าเสมอ ไมเกดความเครยด เหลกผสมต าหรองานขนาดใหญไม

ตองการความแขงมาก

สารชบ (Quenching Medium)

นาผสมนามนชนดทละลายนาได (Water-Soluble Oil)

นาผสมโซเดยมไฮดรอกไซด 50%

ลม (Air)

ออสเตนไนทเปลยนไปเปนมารเทนไซท

ผสมน ามนมากกวาถายเทความรอนจะคลายน ามน

ผสมน ามากกวาการถายเทความรอนใกลเคยงกบน า

(Emulsion)

แยกชนจากน ามนอยกนอาง

ผวงานทไดสะอาด เพราะสารละลายของไฮดรอกไซดท าหนาทกดเหลกออกไซดทเกด

ในขณะเผาไดด

เสอมคณภาพการระเหยของโซเดยมไฮดรอกไซด ซงเปนอนตรายตอคนงานได

เหลกทมสวนผสมสง เลกและบาง เกดสนม

การเคลอบผว (Surface Coating)

ก. การเคลอบผวดวยไอเคม (Chemical Vapour Deposition, CVD)

ข. การเคลอบผวดวยไอกายภาพ (Physical Vapour Deposition, PVD)

ค. การเคลอบผวดวยฟลมคารบอนคลายเพชร (DLC)

ง. การเคลอบผวเหลกกลาดวยไนโอเบยมคารไบดโดย กระบวนการ TD

จงเขยนกราฟและระบอณหภม ทาตามรหสนกศกษา

การอบปกต (Normalizing) เหลกกลา มเปอรเซนตคารบอน 0.4%

การอบออน (Full Annealing) เหลกกลาเครองมอ มเปอรเซนตคารบอน 0.6%

การอบใหเมดเกรนสมาเสมอ (Spheroidizing) เหลกมเปอรเซนตคารบอน 0.8%

การชบแขง (Quenching and Tempering) เหลกมเปอรเซนตคารบอน 1.2%

การชบแขง (Quenching and Tempering) เหลกมเปอรเซนตคารบอน 0.4%

การชบแขง (Quenching and Tempering) เหลกมเปอรเซนตคารบอน 1.6%

การชบแขง (Quenching and Tempering) เหลกมเปอรเซนตคารบอน 0.8%

การชบแขง (Quenching and Tempering) เหลกมเปอรเซนตคารบอน 1.0%

1. ชลตต มธรสมนตร ปราโมทย พนนายม กลชาต จลเพญ, กระบวนการผลต (Manufacturing Processes) มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร, ส านกพมพศนยสงเสรมอาชวะ, กรงเทพฯ, 2544

2. สารมย บญม, Engineering Materials – วสดวศวกรรม และ foundry sands, สาขาวชาวศวกรรมโลหการ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร

3. อนวฒน จตลาภถาวร, กรรมวธการผลต2, ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ มหาวทยาลยศรนครนทรวโรฒ องครกษ,2548

4. SCHULER, Metal Forming Handbook, Springer, Verlag Berlin Heidelberg New York, 1998 5. Repp McCarthy, Metalwork Technology and Practice, New York, 1989 6. Matthew Yuen, Extrusion , Research. May 15, 2009 from

http://faculty.ksu.edu.sa/maesaleh/IE%20351/Ch6-Extrusion.ppt 7. ทว เทศเจรญ, กรรมวธการผลต, สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง, กรงเทพฯ, พมพครงท 2,

2536. 8. สารมภ บญม, Engineering Materials, สาขาวชาวศวกรรมโลหการ มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร, Research.

May 15, 2008 from http://www.sut.ac.th/Engineering/Metal/courses/engmat.html 9. ปญญา บวฮมบรา และอษนย กตก าธร, Physical Metallurgy Lab I, สาขาวชาวศวกรรมโลหการ มหาวทยาลย

เทคโนโลยสรนาร, Research. May 15, 2012 from http://www.sut.ac.th/Engineering/Metal/courses/phymet1.html

เอกสารอางอง