เหล็กกล้าคาร์บอน
เรียบเรียงโดย อุษณีย์ กิตกำธร
 
เหล็กบริสุทธิ์ในสถานะของแข็งสามารถปรากฏอยู่ได้หลายรูปแบบ(เฟส) คือ
1. อัลฟาเฟอร์ไรต์ (α-ferrite) เป็นเหล็กของแข็งที่ มีโครงสร้างผลึกแบบ body-centeredcubic (BCC)จัดเป็นเฟสในสมดุลที่อุณหภูมิต่ำกว่า 910 องศาเซลเซียส
2. ออสเทนไนต์ (γ-austenite) เป็นเหล็กของแข็งที่ มีโครงสร้างผลึกแบบ face-centered cubic (FCC) จัดเป็นเฟสในสมดุลที่อุณหภูมิสูงกว่า 910 องศาเซลเซียส
3. เดลต้าเฟอร์ไรต์ (δ-ferrite) เป็นเหล็กของแข็งที่มีโครงสร้างผลึกแบบ body-centeredcubic(BCC) แต่ขนาดของโครงผลึกแตกต่างจากแอลฟ่าเฟอร์ไรต์จึงจัดเป็นคนละเฟสกันและพบในสมดุลที่อุณหภูมิสูงกว่า 1390 องศาเซลเซียส
เหล็กบริสุทธิ์มีความแข็งแรงต่ำ จึงมีความต้องการเพิ่มความแข็งแรงให้กับวัสดุกลุ่มเหล็ก เริ่มจากการเติมคาร์บอนซึ่งส่งผลให้เกิดการเพิ่มความแข็งแรงโดยกลไกการเกิดเป็นสารละลายของแข็ง (solid solution strengthening) โดยอะตอมคาร์บอนมีขนาดเล็กกว่าอะตอมของเหล็ก จะเข้าไปแทรกอยู่ที่ช่องว่างแคบๆ ระหว่างอะตอมเหล็ก(interstitial sites)และเกิดสนามความเค้นรอบๆอะตอมคาร์บอน ดังนั้นเมื่อจะทำให้เหล็กเกิดการเสียรูปถาวรซึ่งเป็นการทำให้กลุ่มอะตอมเหล็กเคลื่อนที่ไปพร้อมๆกันนั้นจึงต้องอาศัยแรงกระทำมากขึ้น ทั้งนี้ในเหล็กอัลฟาที่อุณหภูมิห้องนั้นมีคาร์บอนละลายอยู่ได้สูงที่สุดประมาณ 0.008%โดยน้ำหนัก
เนื่องจากเฟอร์ไรต์นั้นสามารถละลายคาร์บอนได้น้อยมาก ดังนั้นถ้ามีคาร์บอนในเหล็กมากกว่าความสามารถในการละลาย นั่นหมายความว่า คาร์บอนต้องอยู่ในรูปอื่นซึ่งปกติแล้วในเหล็กกล้านั้น คาร์บอนส่วนที่เกินความสามารถในการละลายจะเกิดการรวมตัวกับอะตอมเหล็กกลายเป็นเหล็กคาร์ไบด์ หรือซีเมนไทต์ (Fe3C) ปกติแล้วโครงสร้างจุลภาคในเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเกินกว่า 0.01% ก็เริ่มมีซีเมนไทต์แล้วแต่สังเกตไม่เห็นชัดเจนในภาพโครงสร้างจุลภาค ถ้าปริมาณคาร์บอนสูงขึ้น เช่น 0.05% ก็จะสังเกตเห็นซีเมนไทต์ได้ชัดเจน โดยซีเมนไทต์ดังกล่าวเกิดขึ้นร่วมกับเฟอร์ไรต์ในลักษะแถบสลับกันภายในเกรน เรียกรูปแบบโครงสร้างดังกล่าวว่า “เพิร์ลไลต์”(pearlite) ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนเฟสที่เรียกว่า “ยูเท็กตอยด์” (eutectoid transformation)
เมื่อปริมาณคาร์บอนมากขึ้น ปริมาณของเพิร์ลไลต์ในโครงสร้างจุลภาคก็จะมากขึ้น ในขณะที่ปริมาณเกรนที่เป็นเฟอร์ไรต์เท่านั้นก็จะน้อยลง จนเมื่อปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.8% จะไม่เหลือเกรนที่เป็นเฟอร์ไรต์เท่านั้นอีกเลย แต่เป็นโคโลนีของเพิร์ลไลท์ทั้งหมด ดังนั้นโครงสร้างเพิร์ลไลท์จะมีคาร์บอนอยู่ประมาณ 0.8% เสมอ (ภายใต้เงื่อนไขว่าการเย็นตัวของเหล็กค่อนข้างช้า) เหล็กกล้าที่มีคาร์บอน 0.8% จึงถูกเรียกอีกอย่างว่า เหล็กกล้ายูเท็กตอยด์ (eutectoid steel)
หากปริมาณคาร์บอนในเหล็กเพิ่มสูงขึ้นไปกว่า 0.8% แล้ว คาร์บอนส่วนที่เกิน 0.8% ซึ่งไม่สามารถอยู่ในเพิร์ลไลต์ได้ จะไปอยู่ในรูปของซีเมนไทต์ที่ต่อกันเป็นโครงข่ายตามขอบเกรนของกลุ่มโคโลนีเพิร์ลไลต์ โดยปริมาณซีเมนไทต์ตามขอบเกรนนี้จะมากขึ้นตามปริมาณคาร์บอนที่มากขึ้นด้วย
จากลักษณะดังกล่าวจึงอาจแบ่งกลุ่มของเหล็กกล้าคาร์บอนตามลักษณะโครงสร้างได้เป็น
- เหล็กกล้าไฮโปยูเท็กตอยด์ มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.8% (C < 0.8%) โครงสร้างเป็นเกรนเฟอร์ไรต์และเกรนเพิร์ลไลทต์โดยมีมากน้อยตามปริมาณคาร์บอนในเหล็ก
- เหล็กกล้ายูเท็กตอยด์ โครงสร้างเป็น เป็นเกรนเพิร์ลไลต์ทั้งหมด มีคาร์บอนประมาณ 0.8%
- เหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเท็กตอยด์ มีคาร์บอนมากกว่า 0.8% (C > 0.8%) โครงสร้างเป็นเกรนเพิร์ลไลต์ และโครงข่ายซีเมนไทต์ตามขอบเกรน โดยมีมากน้อยตามปริมาณคาร์บอนในเหล็ก
เกรนเฟอร์ไรต์ในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ
[Dr. R F Cochrane, Micrograph No. 217, DoITPoMS: Fe, very low carbon steel, normalised at 950ºC, Nital etched]

เกรนเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์ในเหล็กกล้าคาร์บอน 0.4%
[Dr. R F Cochrane, Micrograph No. 238, DoITPoMS: Fe, C 0.4 (wt%) steel, normalised at 950ºC, Nital etched]

เพิร์ลไลต์ในเหล็กกล้ายูเท็กตอยด์ **ปกติจะไม่เรียก “เกรน”
กับเพิร์ลไลต์เนื่องจากมีสองเฟสเกิดและโตร่วมกัน “โคโลนี (colony)”
[Dr. R F Cochrane, Micrograph No. 261, DoITPoMS: Fe, C 0.8(wt%) steel, normalised, Nital etched]

โครงข่ายซีเมนไทต์และโคโลนีเพิร์ลไลต์ในเหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเท็กตอยต์
[Dr. R F Cochrane, Micrograph No. 243, DoITPoMS: Fe, C 1.3 (wt%) steel, annealed at 1100°C, Nital etched]