การเพิ่มความแข็งแรงในเหล็กกล้า (Strengthening in Steels)
เรียบเรียงโดย อุษณีย์ กิตกำธร
 
สำหรับการปรับปรุงความแข็งแรงของเหล็กโดยการเติมคาร์บอนเพื่อส่งผลให้เกิดการเพิ่มความแข็งแรงโดยกลไกการเกิดเป็นสารละลายของแข็งนั้น เหล็กอัลฟาที่อุณหภูมิห้องมีคาร์บอนละลายอยู่ได้สูงที่สุดประมาณ 0.008%โดยน้ำหนัก เท่านั้น ส่งผลให้การเกิดเป็นสารละลายของแข็งนั้นช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้เหล็กได้ไม่มากนัก ต่อมาถ้าเติมคาร์บอนเพิ่มขึ้นและเกิดเป็นโครงสร้างเพิร์ลไลต์ขึ้นมาปรากฏอยู่ด้วย ก็จะเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งขึ้นไปได้อีกซึ่งเป็นผลจากการเพิ่มความแข็งแรงโดยการกระจายตัวของเฟสที่สอง(ซีเมนไทต์ในเฟอร์ไรต์ )
นอกไปจากนี้หากสามารถปรับขนาดเกรนให้เล็กละเอียดและสม่ำเสมอก็จะยิ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งให้สูงขึ้นได้อีก ซึ่งวิธีการอบชุบทั้งชิ้นงานบางวิธีใช้หลักการนี้รองรับด้วยเช่นกัน เช่น การอบปกติ (normalizing)และ การอบอ่อนสมบูรณ์ (Full Annealing) เป็นต้น
หากต้องการเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กกล้าคาร์บอนให้มากขึ้นไปอีก ก็สามารถทำได้เช่นกันโดยอาศัยกลไกการเพิ่มความแข็งแรงด้วยการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ เนื่องจากเหล็กที่มีคาร์บอนละลายอยู่นั้น เมื่ออยู่ที่อุณหภูมิสูงจะมีโครงสร้างเป็นออสเทนไนต์ซึ่งยอมให้คาร์บอนละลายอยู่ได้มาก (~2% ที่ 1143 องศาเซลเซียส) ถ้าทำให้เกิดการเย็นตัวอย่างรวดเร็วจนออสเทนไนต์ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์ได้ทัน (คาร์บอนแพร่ออกไม่ทัน) และเมื่อมีอุณหภูมิลดต่ำลงกว่าอุณหภูมิเริ่มเกิดมาร์เทนไซต์ (Ms)ออสเทนไนต์จะเปลี่ยนเฟสโดยไม่อาศัยการแพร่ไปเป็นโครงสร้างในสภาพกึ่งเสถียรที่เรียกว่า “มาร์เทนไซต์” โครงผลึกของมาร์เทนไซต์เป็นแบบ body-centered tetragonal (BCT) โดยธรรมชาติแล้วออสเทนไนต์ซึ่งมีโครงผลึกแบบ face-centered cubic (FCC) จะพยายามเปลี่ยนไปเป็นเฟอร์ไรต์ซึ่งมีโครงผลึกแบบ body-centered cubic (BCC) ด้วยการผลักคาร์บอนออกแล้วยุบโครงผลึกในแนวแกน Z กับขยายออกตามแนวแกน x และ y เล็กน้อย การที่โครงผลึกพยายามจะยุบตัวแต่มีคาร์บอนขวางไว้จึงเกิดความเครียดภายในและทำให้มาร์เทนไซต์มีความแข็งสูง โดยความแข็งของมาร์เทนไซต์ขึ้นกับปริมาณคาร์บอนที่ขังอยู่ในมาร์เทนไซต์ แต่ไม่ขึ้นกับธาตุอื่นๆ (หรือกล่าวได้ว่า ขึ้นกับปริมาณคาร์บอนในออสเทนไนต์ก่อนที่จะชุบ)
 
ภาพแสดงโครงผลึก FCC –ออสเทนไนต์ โดยเมื่อมีอะตอมคาร์บอนแทรกในช่องว่างระหว่างอะตอมและเมื่อพิจารณา 2 หน่วยโครงผลึกติดกันตาม Bain model จะเห็นโครงผลึกแบบ BCT -มาร์เทนไซต์ ถ้าอะตอมคาร์บอนสามารถแพร่ออกได้ โครงผลึกแบบ BCT จะยุบตัวลงตามแนวแกน Z และได้โครงผลึก BCC-เฟอร์ไรต์
 
ค่าความแข็งของมาร์เทนไซต์หลังการชุบแข็งซึ่งขึ้นกับปริมาณคาร์บอนในออสเทนไนต์ก่อนชุบ Krauss, G., “Martensitic Transformation, Structure and Properties in Hardenable Steels,” in Hardenability Concepts with Applications to Steel, D.V. Doane and J.S. Kirkaldy [Eds.], AIME, Warrendale, PA, 1978, pp. 229-248

นอกจากนี้ปริมาณคาร์บอนในออสเทนไนต์ยังมีบทบาทที่สำคัญต่อ
 
1. อัตราการเย็นตัวที่จำเป็นต้องใช้ในการยับยั้งการเปลี่ยนเฟสไปเป็นเฟอร์ไรต์และโครงสร้างเพิร์ลไลต์ หรือที่เรียกว่า อัตราการเย็นตัววิกฤต (critical cooling rate)
2. อุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ (Ms)
3. อุณหภูมิสิ้นสุดการเปลี่ยนเฟส เป็นมาร์เทนไซต์ (Mf)
โดยปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นจะลดอัตราการเย็นตัววิกฤตให้ต่ำลงได้ และยังมีบทบาทรุนแรงในการลด Ms และ Mfลง

ลักษณะโครงสร้างจุลภาคอีกชนิดหนึ่ง ที่เรียกว่า “เบนไนต์” ซึ่งเป็นโครงสร้างจุลภาคที่ให้ความแข็งแรงสูงได้เกือบเท่ากับมาร์เทนไซต์และให้ความเหนียวสูงด้วย โครงสร้างจุลภาคเบนไนต์นี้ประกอบไปด้วยเฟอร์ไรต์รูปร่างแหลมรวมกันเป็นช่อซึ่งมีออสเทนไนต์เหลือค้างขั้นกลางและมีคาร์ไบด์ขนาดเล็กๆ กระจายอยู่ โดยกรณีที่ออสเทนไนต์เปลี่ยนไปเป็นเบนไนต์นั้นเกิดในช่วงอุณหภูมิค่อนข้างสูง เช่นประมาณ 360-450 องศาเซลเซียส คาร์ไบด์จะเกิดขึ้นบริเวณรอบๆ เฟอร์ไรต์ เรียกลักษณะโครงสร้างจุลภาคนี้ว่าเบนไนต์ช่วงบน และถ้าเบนไนต์เกิดที่อุณหภูมิต่ำลงมาคือประมาณตั้งแต่ Ms-360 องศาเซลเซียส คาร์ไบด์จะเกิดขึ้นภายในเฟอร์ไรต์ เรียกโครงสร้างจุลภาคนี้ว่า “เบนไนต์ช่วงล่าง”


ภาพโครงสร้างจุลภาคเบนไนต์
[Dr. R F Cochrane, Micrograph No. 311, DoITPoMS: Fe, C 0.4 (wt%) steel, slow quenched, Nital etched]


ภาพจำลองแสดงการเปลี่ยนเป็นเบนไนต์ช่วงบนและเบนไนต์ช่วงล่าง
[H. K. D. H. Bhadeshia. “Bainite in Steels”, 2nd edition, The university Press, Cambridge, UK 2001]


ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่องผ่านแสดง (ซ้าย) เบนไนต์ช่วงบน ซึ่งประกอบไปด้วยแผ่นเฟอร์ไรต์ที่มีฟิล์มออสเทนไนต์เหลือค้างบางๆ ขั้นระหว่างแผ่น เหล็กชั้นคุณภาพ L2 [L.C. Chang, Metallurgical and Materials Transactions A, volume 30A(1999) 909-916] และ (ขวา) เบนไนต์ช่วงล่าง ซึ่งประกอบไปด้วยแผ่นเฟอร์ไรต์ที่มีคาร์ไบด์กระจายตัวอยู่ และระหว่างแผ่นเฟอร์ต์มีฟิล์มออสเทนไนต์เหลือค้างบางๆ ขั้น [H. K. D. H. Bhadeshia and D.V. Edmonds, Metallurgical Transactions A, volume 10A (1979) 895-907]