แผนภาพ TTT และ CCT (TTT and CCT diagram)
 
เรียบเรียงโดย อุษณีย์ กิตกำธร  
 
เนื่องจากวิธีการอบชุบทางความร้อนส่วนใหญ่นั้น ชิ้นงานมักถูกทำให้เย็นตัวเร็วกว่าที่จะเกิดโครงสร้างใกล้เคียงกับแผนภูมิกึ่งสมดุลเหล็ก-ซีเมนไทต์ (ยกเว้นกรณีการอบอ่อนสมบูรณ์) จึงต้องอาศัยแผนภาพแสดงการเปลี่ยนเฟสบนแกนอุณหภูมิและเวลา ซึ่งมีสองแบบคือ

1. แผนภาพแสดงการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิคงที่เทียบเวลา (isothermal transformation diagram, IT or time-temperature transformation diagram, TTT) ซึ่งได้จากการวัดอัตราการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิคงที่ อีกนัยหนึ่งก็คือการทำให้โลหะเย็นตัวอย่างรวดเร็วลงมายังอุณหภูมิที่สนใจจากนั้นคงอุณหภูมิไว้แล้ววัดอัตราการเปลี่ยนเฟสเทียบกับเวลา

2. แผนภาพแสดงการเปลี่ยนเมื่อเกิดการเย็นตัวต่อเนื่อง (continuous cooling transformation diagram, CCT) ซึ่งได้จากการวัดการเปลี่ยนเฟสเมื่อปล่อยให้เย็นตัวอย่างต่อเนื่อง หรืออีกนัยหนึ่งก็คือการทำให้โลหะเย็นตัวอย่างต่อเนื่องแล้ววัดอัตราการเปลี่ยนเฟสเทียบกับเวลาโดยต้องทำที่หลายๆ อัตราการเย็นตัว

แผนภาพ TTT มีลักษณะเส้นโค้งคู่ คล้ายๆ กับคู่ของตัว C โดยเส้นโค้งแรกแสดงเวลาที่ออสเทนไนต์เริ่มเกิดการเปลี่ยนเฟสหากชุบเหล็กกล้าไว้ที่อุณหภูมิคงที่ ส่วนเส้นโค้งหลังเป็นเส้นแสดงเวลาที่การเปลี่ยนเฟส ณ อุหภูมิคงที่นั้นสิ้นสุด โดยทั่วไปคู่ตัว C อาจจะมีเพียง 1 คู่ หรือ 2 คู่ ซ้อนเหลื่อมกันที่ช่วงอุณหภูมิสูงกับต่ำ หรืออาจจะแยกกันก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นกับธาตุผสมรองเป็นสำคัญ โดยคู่ตัว C บนสุดแสดงการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์ (hypoeutectoid steel) หรือเพิลร์ไลต์ (eutectoid steel) หรือ ซีเมนไทต์และเพิร์ลไลต์ (hypereutectoid steel) คู่ตัว C ที่อยู่ต่ำลงมาแสดงการเปลี่ยนเฟสเป็นเบนไนต์ (bainitic transformation) โดยอาจมีแยกย่อยเป็น2 คู่ ซึ่งเป็นการเกิดเบนไนต์อุณหภูมิสูง (upper bainite)และ การเกิดเบนไนต์อุณหภูมิต่ำ (lower bainite) ใต้คู่ตัว C สุดท้ายลงมาจะเป็นเส้นแสดงอุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ (Ms) และมีเส้นแสดงอุณหภูมิที่จะได้เป็นมาร์เทนไซต์ในปริมาณต่างๆ กัน ตามอุณหภูมิที่ลดต่ำลง เช่น เส้น 50%Msเป็นต้น เนื่องจากการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์นั้นเกิดขึ้นได้เร็วมากและปริมาณมาร์เทนไซต์ขึ้นกับอุณหภูมิเท่านั้น เส้นเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์จึงเป็นเส้นแนวนอนและส่งผลให้เส้นเริ่มการเปลี่ยนเฟสตลอดทั้งเส้นดูแล้วคล้ายตัว S จึงนิยมเรียกว่า เส้นโค้ง S (S-curve)

แผนภาพ TTT ของเหล็กกล้าคาร์บอน AISI1080 และ เหล็กกล้าผสม AISI4340 โดยการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์
[William D., Jr. Callister,MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: AN INTRODUCTION, John Wiley&Sons, 7th edition 2007]

ส่วนบนของแผนภาพ TTT ของเหล็กกล้าคาร์บอน AISI1080 แสดงให้เห็นการเปลี่ยนจากออสเทนไนต์เป็นเพิร์ลไลต์เมื่อทิ้งไว้ที่อุณหภูมิคงที่
โดยที่จุด C ออสเทนไนต์เริ่มเปลี่ยนเป็นเพิร์ลไลต์และดำเนินต่อไปเรื่อยจนกลายเป็นเพิร์ลไลต์ทั้งหมดเมื่อเวลาผ่านไปจนถึงจุด D
[William D., Jr. Callister,MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: AN INTRODUCTION, JohnWiley&Sons, 7th edition 2007]

เนื่องจากการเปลี่ยนเฟสจากออสเทนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์นั้นต้องอาศัยการเย็นตัวที่รวดเร็วพอที่จะทำให้การแพร่เกิดขึ้นไม่ทัน และออสเทนไนต์จะต้องมีอุณหภูมิลดต่ำลงกว่าค่า Msด้วย จึงจะเกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ ดังนั้นปัจจัยหลัก 3 อย่างที่ให้ความสนใจบน TTT คือ

1. อัตราการเย็นตัวที่จำเป็นต้องใช้ในการยับยั้งการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟอร์ไรต์และโครงสร้างเพิร์ลไลต์ (critical cooling rate) ซึ่งแสดงให้เห็นจากตำแหน่งจมูกของคู่ตัว C บน โดยยิ่งขยับไปทางขวา อัตราการเย็นตัววิกฤตจะมีค่าน้อย (ช้าลง) ทำให้สามารถชุบแข็งได้ด้วยอัตราการเย็นตัวที่ต่ำลง

2. อุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ (Ms) – ถ้าอุณหภูมิ Msต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ก็จะไม่เกิดมาร์เทนไซต์ถ้าชุบให้เย็นลงมาที่อุณหภูมิห้อง

3. อุณหภูมิสิ้นสุดการเปลี่ยนเฟส เป็นมาร์เทนไซต์ (Mf) –ถ้าอุณหภูมิ Mf สูงกว่าอุณหภูมิห้อง การชุบเย็นลงมาที่อุณหภูมิห้องจะเกิดมาร์เทนไซต์ได้สมบูรณ์ อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วถ้ามีคาร์บอนละลายในออสเทนไนต์สูงกว่า 0.4% แล้ว ปริมาณมาร์เทนไซต์สูงสุดที่เป็นไปได้นั้นไม่ใช่ 100% โดยจะมีออสเทนไนต์เหลือค้างอยู่ด้วย อุณหภูมิ Mf นิยามขึ้นโดยใช้เกณฑ์ เช่น การเปลี่ยนเฟสสิ้นสุดที่ 95% มาร์เทนไซต์

ทั้งอัตราการเย็นตัววิกฤต และอุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์นั้นขึ้นกับธาตุผสมเป็นหลัก โดยมีลักษณะดังนี้
- ธาตุผสมส่วนใหญ่ช่วยขยับ เส้นโค้ง TTT ไปทางขวา ยกเว้น โคบอลต์ (Co)
- ปริมาณคาร์บอนมีผลสำคัญที่สุดต่ออุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ ธาตุผสมอื่นก็มีบทบาทเช่นกัน โดยสามารถประมาณการอุณหภูมิดังกล่าวได้จากความสัมพันธ์ เช่น

สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมต่ำ
Ms(oC)»561 - 474C- 33Mn - 17Ni - 17Cr - 21Mo [1]

สำหรับเหล็กกล้าผสมสูง
Ms (oC) »550 - 350C - 40Mn - 20Cr - 10Mo - 17Ni - 8W - 35V - 10Cu + 15Co + 30Al

อุณหภูมิเริ่มเกิดมาร์เทนไซต์ Msและอุณหภูมิสิ้นสุดการเกิดมาร์เทนไซต์
[George E. Totten. Steel Heat Treatment Handbook : Metallurgy and Technologies, CRC Press, USA 2006]

ปริมาณออสเทนไนต์เหลือค้างในเหล็กกล้าภายหลังการชุบแข็งซึ่งขึ้นกับปริมาณคาร์บอนในออสเทนไนต์ก่อนการชุบ
[George Krauss, 1980 in Rolf Anderson, Torsten Holm, SörenWiberg.
Furnace Atmosphere No.2: Neutral Hardening and Annealing, Linde Booklet, Special edition]

แผนภาพ CCT มีลักษณะเกือบจะคล้ายกับ TTT แต่จะขยับต่ำลงและไปทางขวาเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ TTT และการอ่าน CCT นั้นให้อ่านหรือประเมินจากเส้นการเย็นตัวในลักษณะต่อเนื่องที่ผ่านเข้าไปในบริเวณแรกที่แสดงสัดส่วนของเฟสที่เกิดขึ้น โดยถ้าเส้นการเย็นตัวผ่านบริเวณแรกนั้นยังไม่เกิดครบ 100% (เส้นการเย็นตัวยังไม่ตัดเส้นสิ้นสุดการเปลี่ยนเฟส) แสดงว่าออสเทนไนต์ส่วนที่เหลือจาก 100% นั้นจะเกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นโครงสร้างจุลภาคของบริเวณถัดไปที่เส้นอัตราการเย็นตัวผ่าน และถ้าออสเทนไนต์ยังเปลี่ยนเฟสไม่ครบ 100% อีก ส่วนที่เหลือก็จะเกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นโครงสร้างจุลภาคของบริเวณถัดไปอีก จนกว่าจะผ่านเส้นสิ้นสุดการเปลี่ยนเฟส ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเส้นการเย็นตัวของเหล็กกล้าเครื่องมือเย็น O1 คือ เส้นที่ชี้โดยลูกศรสีเขียว โครงสร้างจุลภาคสุดท้ายจะเป็นเพิร์ลไลต์และคาร์ไบด์ ถ้าเส้นการเย็นตัวคือ เส้นที่ชี้โดยลูกศรสีแดง โครงสร้างจุลภาคสุดท้ายจะเป็นเพิร์ลไลต์คาร์ไบด์ และมีเบนไนต์กับมาเทนไซต์เล็กน้อย ถ้าเส้นการเย็นตัวคือ เส้นที่ชี้โดยลูกศรสีน้ำเงิน โครงสร้างจุลภาคสุดท้ายจะเป็นเบนไนต์กับมาเทนไซต์ คาร์ไบด์ และมีเพิร์ลไลต์เล็กน้อย และถ้าเส้นการเย็นตัวคือ เส้นที่ชี้โดยลูกศรสีชมพู โครงสร้างจุลภาคสุดท้ายจะเป็นมาเทนไซต์ คาร์ไบด์ และมีเบนไนต์เล็กน้อย

แผนภาพ CCT ของเหล็กกล้าเครื่องมือเย็น AISI O1

โดยปกติแล้วบนแผนภูมิ CCT จะมีค่าความแข็งระบุที่ปลายเส้นการเย็นตัวและอาจมีตัวเลขกำกับเปอร์เซนต์ของโครงสร้างจุลภาค หรือเฟสที่เกิดขึ้นเมื่อเส้นการเย็นตัวผ่านจากบริเวณหนึ่งเข้าสู่อีกบริเวณหนึ่งด้วยก็ได้ยกตัวอย่าง เช่น แผนภาพ CCT ของ DIN 50CrV4 เส้นการเย็นตัวที่สองจากด้านซ้าย แสดงให้ทราบว่า โครงสร้างสุดท้ายมีเบนไนต์5%และที่เหลืออีก 95% เป็นมาร์เทนไซต์ ค่าความแข็งประมาณ 57 HRC เส้นการเย็นตัวที่สามจากด้านซ้ายแสดงให้ทราบว่าโครงสร้างสุดท้ายมีเบนไนต์ 10%และที่เหลืออีก 90% เป็นมาร์เทนไซต์ ค่าความแข็งประมาณ 57 HRC แต่ถ้าเส้นการเย็นตัวเป็นแบบเส้นที่สามจากขวามือแสดงว่าโครงสร้างจุลภาคสุดท้ายเป็นเฟอร์ไรต์ 22% และมาร์เทนไซต์ 78% ค่าความแข็งประมาณ 25 HRC ส่วนเส้นที่ชี้ด้วยลูกศรแดง แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างจุลภาคสุดท้ายประกอบด้วยเฟอร์ไรต์ 5% เพิร์ลไลต์ 1% เบนไนต์ 30% และที่เหลือคือมาร์เทนไซต์ ค่าความแข็งประมาณ 46 HRC เป็นต้น

แผนภาพ CCT ของเหล็กกล้า DIN 50CrV4
[George E. Totten. Steel Heat Treatment Handbook : Metallurgy and Technologies, CRC Press, USA 2006]

อ้างอิง
[1] Steven W. and Haynes A. G., The Temperature of Formation of Martensite and Bainite in Low-alloy Steel, J.I.S.I., 1983 (1965) 349-359.