Metals & Alloys ( โลหะ และโลหะผสม)

โลหะ - ธาตุท่ีน าไฟฟ้าและความร้อนไดดี้ - อยูท่างซา้ยมือของตารางธาตุ Ferrite หรือ Iron (Fe) เหลก็เป็นโลหะท่ีมีปริมาณการใชง้านท่ีสูงท่ีสุด ( 90% ของโลหะ ทั้งหมด ) เน่ืองจาก............. 1. High Strength : 2. Ductility : Duct = ท่อ 3. Toughness : tough = เหนียว

สินแร่เหลก็ ( Iron Ores )

ปริมาณ Fe ( % )

Fe3 O4 Magnetite 46 - 70 Fe2 O3 Hematite 40 - 60 เป็นแร่เหลก็ท่ีมีปริมาณมากท่ีสุดบนผวิโลก ! Fe S2 Pyrite 60 - 65 Fe CO3 Siderite 25 - 40

ช่ือ

ล าดบัการเตรียมแร่เหลก็

สินแร่

ลา้งแยกหิน ดิน ทราย

ผสม limestone (CaCO3) และ ถ่านโคก้

บดเป็นผง / ใชแ้ม่เหลก็แยกเฉพาะผงแร่เหลก็

อบแหง้

การถลุงเหลก็ ( Processing of Plain Carbon Steels )

1. Blast Furnace ( เตาสูง ) 1650 °C Fe2 O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 Ferrite 3Fe + 2CO → Fe3 C + CO2 Iron carbide ( cementite ) Fe3 C : Cementite , Pig iron , เหลก็ดิบมีปริมาณ Carbon ปนอยู ่ ~ 4 %

2. Steel Making Furnace

Fe3 C + O2 3Fe + CO2 Ferrite Products : Fe / Fe3 C มี 0.03 % < C < 1.2 %

Plain Carbon Steels ( เหลก็กลา้คาร์บอนธรรมดา )

Terminal Solid Solution ของ Fe + Fe3C

Ferrite : Carbon แทรกอยูใ่นโครงสร้างผลึกแบบ BCC Austenite : Carbon แทรกอยูใ่นโครงสร้างผลึกแบบ FCC Ferrite : เป็น BCC ท่ี stable ท่ี T. = 1500 °C

Eutectoid Carbon Steel

เหลก็กลา้คาร์บอนธรรมดาท่ีมี C = 0.8 % เน่ืองจากท่ีจุดน้ีเกิด three – phase reaction ดงัน้ี ....

ɼ → α + Fe3 C

ซ่ึงเป็น “eutectoid reaction” ดงันั้นในสภาวะ solid เหลก็กลา้จะมี 2 Phase คือ Fe3 C / α Ferrite ปนกนัอยู ่ ท าใหเ้กิดโครงสร้างมีลกัษณะ เป็น “Pearlite”

Hypo-eutectoid : เหลก็กลา้คาร์บอนธรรมดาท่ีมี C < 0.8 % Hyper-eutectoid : เหลก็กลา้คาร์บอนธรรมดาท่ีมี C > 0.8 %

Phase ท่ีเกิดในกรณีของ hypo + hyper eutectoid จะถูกเรียก อยา่งรวมๆ วา่ proeutectoid ซ่ึงกเ็ป็น........

- hypoeutectoid กจ็ะเป็น “proeutectoid Ferrite” - hypereutectoid กจ็ะเป็น “proeutectoid cementite”

โดย proeutectoid จะเกิดข้ึนตรงบริเวณรอยต่อระหวา่ง grain ของ ɼ - austenite (strength ลด!)

α or Fe3 C Proeutectoid

pearlite

r r r

r r

r

Example

จาก phase diagram , ถา้ eutectoid steel เยน็ตวัอยา่งชา้ ๆ จากเหนือ 780 ° C จนต ่ากวา่ 723 ° C เลก็นอ้ย ซ่ึงท าให ้ ɼ austenite เปล่ียนเป็น α Ferrite + cementite โดยสมบูรณ์ จงค านวณหาปริมาณ ( % wt. ) ของ eutectoid ferrite และ Eutectoid cementite

Example

จาก phase diagram

1 ) hypoeutectoid steel 0.4 % carbon เยน็ตวัอยา่งชา้ๆ จาก 940 °C จนถึง เหนือ 723 °C เลก็นอ้ย จงหาปริมาณ ( % wt. ) ของ proeutectoid ferrite และ austenite 2 ) ถา้ระบบเดียวกนัเยน็ตวัอยา่งชา้ๆ จน T. ต ่ากวา่ 720 °C จะมี % wt. ของ proeutectoid ferrite เกิดข้ึนทั้งหมดเท่าไร

Heat Treatment of Plain – Carbon Steets (การอบชุบความร้อน) Martensite Steel ( ชุบแขง็ ) ขั้นตอนมีดงัน้ี ......

1. Heating to 1,000 °C เพื่อใหเ้น้ืองานทั้งหมดเปล่ียนไปเป็น ɼ – austenite (FCC) 2. Quenching to RT. เพื่อใหโ้ครงสร้างผลึกเปล่ียนไปเป็น BCC or BCT ← 1 phase !! “martensite structure”

ไม่วา่จะเป็น eutectoid , hypoeutectoid , hypereutectoid สามารถเกิด โครงสร้างแบบ martensite ได ้! (แขง็แรงกวา่ proeutectoid)

g - Austenite Martensite

Quenching

ช่องวา่ง ~ 0.1 nm ช่องวา่ง ~ 0.07 nm - C : อยูใ่นช่องวา่งของ Unit cell ดงันั้นเม่ือถูก Quenching จึงไม่สามารถ เปล่ียนแปลงต ่าแหน่งได ้ (diffusionless transformation)

- C ต ่ากวา่ 0.2 % BCC - C > 0.2 % BCT

dimen

sions

C

a b

C content 0.2 a b

c

ɼ - Austenite

Martensite Started Temperature (Ms)

Marten site

1.2 % C – content (ปริมาณ carbon)

- กรณีท่ีปริมาณ C ในช้ินงานต ่ากวา่ 0.2 % จะไดโ้ครงสร้างของ Unit cell เป็นแบบ BCC - กรณีท่ีปริมาณ C ในช้ินงานสูงกวา่ 0.2 % จะไดโ้ครงสร้างของ Unit cell เป็นแบบ BCT

T.

RT

อุณหภูมิของการเกิดโครงสร้าง martensite

Microstructure (เห็นจากกลอ้ง) ของ Martensite จะข้ึนอยู ่กบัปริมาณของ Carbon

- C < 0.6 % → laths (เส้ียน) marten site - C ~ 0.6 % → Plate (แผน่) marten site เกิดข้ึน - C > 1.0 % → Plate 100 %

ɼ - Austenite martensite started Temperature

(Ms)

C – content

laths plate

0.6 1.0

T.

mix

Physical Properties of Marten site

Strength / hardness

C – content 0.6 %

Isothermal Transformation

1. Heating to 1,000 °C : กลายเป็น ɼ – austenite 2. Quench to T. Above Ms but below 723 °C 3. Isothermal treatment

ระยะเวลาในการท า Isothermal treatment จะมีอิทธิพลต่อ phase ท่ีจะเกิดข้ึน เช่นเดียวกบั T. ของการท า Isothermal treatment โดยดูไดจ้าก IT - diagram

1. Quenching : Martensite structure 2. Isothermal : Martensite + pearlite 3. Isothermal นานข้ึน : Martensite ↓ + Pearlite ↑

การท า Isothermal → Quenching สามารถใหช้ิ้นงานท่ีมีโครงสร้าง แบบ pearlite โดยสมบูรณ์ไดใ้นระยะเวลาท่ีสั้นกวา่ปล่อยให ้ eutectoid plain carbon steel เยน็อยา่งชา้ๆ

ทั้งกรณี eutectoid & non-eutectiod steels T. (°C) 723

Ms

Continuous cooling Normalizing

Pearlite proeutectiod + Pearlite

time time

10 min 20 min 30 min

1 2 3

Temp. เร่ิม สมบูรณ์

723 °c

Pearlite 550 °c

bainite Ms

time 1 2 3

1.

2.

3.

Martensite 100 %

Pearlite

Martensite

Pearlite 100 %

A : pearlite 100 % หรือ pearlite + Proeutectoid B : pearlite 100 % Only !

Temp.

723 °c

Ms A

B

การเกิด phase ต่างๆ ในการท า Isothermal treatment

Upper bainite → 550 – 350 °c Lower bainite → 350 – 250 °c

กรณีการท า Isothermal Heat treatment ของ hyper และ hypo - eutectoidนั้น IT – diagram ท่ีไดจ้ะมีลกัษณะแตกต่างกนั คือ จะ shift ไปทางซา้ยมือ

Coarse pearlite → 660 – 723 °c Fine pearlite → 550 – 660 °c

กรณี ของ hypo & hyper eutectoid

1 Martensite 100 % 2 Pearliite 100 % !!! (เหมือนกรณี C = 0.8 %) 3 Proeutectoid + Pearlite 4 Proeutectoid + Martensite

Temp.

723 °c

Ms

Proeutectoid line

time 4 3 2 1

Continuous - Cooling Transformation

1 Heat to T. Above 1,000 °C : phase เปล่ียนเป็น ɼ – austenite 2 ท าใหเ้ยน็ตวัอยา่งชา้ๆ เช่น ปล่อยใหเ้ยน็ในอากาศท่ีน่ิง , ปล่อยใหเ้ยน็ ใน Furnace , cooling rate จะมีอิทธิพลต่อเน้ือของช้ินงานท่ีได ้

- Annealing (การอบอ่อน)

→ หลงัจาก heating แลว้ปล่อยใหช้ิ้นงานเยน็ตวัอยา่งชา้ๆ ใน Furnace โครงสร้างท่ีไดจ้ะเป็น

Pearlite + Proeutectoid (coarse)

Ferrite or

Fe3 C

Normalizing (การอบปกติ)

- ปล่อยใหเ้ยน็ในอากาศน่ิงหลงัจาก heating - โครงสร้างท่ีไดจ้ะเป็น .......

Pearlite + Proeutectoid (Find)

Ferrite or

Fe3 C

Tempering (การอบคืนตวั) → เพ่ิม Impact strength

1. ขั้นตอนในช่วงแรกเหมือนกบัการท า Quenching

2. จากนั้น heat ช้ินงานจนมี Temp. อยูร่ะหวา่ง Me และ 723 °C แลว้รักษาระดบั T. ใหค้งท่ี (Isothermal) ระยะหน่ึง 3. quenching จน T. ต ่ากวา่ Ms อีกคร้ัง

อบคืนตวั (Tempering)

Martensite 100 %

Cementite → spheroidite (cluster = กอ้นกลม)

α - Ferrite (continuous phase)

1.

2.

T. (°C)

time

723 °C

Ms 2

1

α + Fe3 C

VS

Quench ลงมาท่ี T. ต ่ากวา่ Ms อีกคร้ัง

การท า Tempering จะท าใหเ้กิดโครงสร้างท่ีเป็น clusters ของ Fe3 C กระจายอยูใ่น phase ของ α - Ferrite ซ่ึง clusters ของ Fe3 C น้ีมีลกัษณะเป็น spheroidite ท าใหเ้กิด dissipation ข้ึนในช้ินงาน ดงันั้นช้ินงานท่ีผา่นการท า Tempering จะมีความแขง็แรง โดยเฉพาะ impact strength เพิ่มข้ึน

Martempering (Marquenching)

เป็นขบวนการท า heat treatment เพื่อลด distortion ของช้ินงาน ท่ีผา่นการ quenching โดย ....... - Quench ช้ินงานจาก 1,000 °C ลงไปจนมี T. สูงกวา่ Ms เลก็นอ้ย

ช้ินงานหนาๆ

ปัญหาของ Quenching + Tempering (marten site) (speroidite)

1. ผวิ 2. ตรงกลาง เกิด distortion ในเน้ือของ ช้ินงาน → crack.!

Martensite structure → มี weak point ภายใน !

time

Temp.

1 2

723 °C

Ms

- จากนั้นท า Isothermal treatment ระยะหน่ึงแลว้ Quench ช้ินงานจนต ่ากวา่ Ms - ท า tempering ใหก้บัช้ินงานในขั้นตอนสุดทา้ย ดงันั้นช้ินงานท่ีไดน้อกจากจะเกิด distortion นอ้ยแลว้ ยงัมีโครงสร้างของ spheroidite ดว้ย จึงท าใหช้ิ้นงานมีความแขง็แรงเพิ่มข้ึน (Impact Strength > tempering) ทัง่ , คอ้น , ลอ้รถไฟ

Martempering

1. Quench 2. Isothermal 3. tempering

time

Temp.

1

2 3

Ms

723 °C

การแบ่งชนิดของ Plain Carbon Steels

ใชม้าตรฐาน AISI - SAE

AISI : The American Iron and Steel Institute SAE : Society of American Automotive Engineering ใชต้วัเลข 4 หลกั : 10xx : กรณี plain carbon steel จะข้ึนตน้ดว้ย “10” ส่วนตวัเลขอีก 2 หลกั จะบอกปริมาณ Carbon ในหน่วย 1/100 % เช่น 1010 → plain carbon steel ท่ีมี carbon = 0.1 %

Alloy steels (เหลก็กลา้ผสม)

สาเหตุท่ีตอ้งมีการผลิตเหลก็กลา้ผสมเน่ืองจาก .......

1. ไม่สามารถท าให ้ plain carbon steel มีความแขง็แรงสูงกวา่ 690 MPa (1 x 105 psi) ไดอี้กต่อไป 2. ตอ้งการความตา้นทานต่อ Oxidation และ corrosion

Co - valent

graphite “Nodular”

Cast Iron (เหลก็หล่อ)

อดัเป็น Alloy steels ชนิดหน่ึง ซ่ึงมี Fe , C , Si เป็น องคป์ระกอบหลกั

คุณสมบติั

1. ไหลไดง่้ายเพื่อหลอมเหลว (Low viscosity when melt) 2. ผวิของเหลก็หล่อจะตอ้งไม่เกิด film ท่ีไม่ตอ้งการ 3. หดตวัเพียงเลก็นอ้ยเม่ือแขง็ตวั

Gray Cast Iron : เหลก็หล่อสีเทา - ถูกท าใหเ้กิด solidification อยา่งชา้ๆ จากหลอมเหลว - ท าให ้Carbon (ปริมาณ 2 – 4 %) ท่ีละลายอยูแ่ยกตวัออกมาเกิดการ form กนัเป็นแผน่ (flake) - มีการใส่ Si ลงไปเพื่อเป็นตวั stabilizer ใหก้บั graphite

Properties

- ผา่น Machinery processing ได ้- good galling resistance - ดูดซบัความสัน่สะเทือนไดดี้ - ท า bearing

White Cast Iron (เหลก็หล่อสีเทา)

- ผลิตโดยท าใหเ้กิด solidifcation อยา่งรวดเร็วจากสภาวะหลอม carbon ท่ีละลายอยูใ่นเน้ือเหลก็แยกตวัออกมาไม่ทนั

Properties

-Wear + abrasion resistance สูง , hardness ↑

-ใชท้ า teeth of backhoe, s bucket , impellar

Ductile Cast Iron (เหลก็หล่อเหนียว)

- ผลิตโดยการท าใหเ้กิด solidification อยา่งชา้ๆ - Carbon ท่ีละลายอยูใ่นเน้ือเหลก็จึงมีเวลามากพอท่ีจะแยกตวัออกมาและ Form ตวัเป็น sphere หรือ Nodular - สาเหตุท่ี carbon เกิดเป็น Nodular เน่ืองจากใส่ Si นอ้ยๆ

Properties

-Toughness สูง → high impact strength -ท ากา้นสูบ , pump host , เสือสูบ

Malleable Cast Iron (เหลก็หล่ออบเหนียว) - ผลิตมาจาก whit Cast Iron โดยน ามาผา่น heat treatment ดงัน้ี........

1. Slow cooling rate (air cooling) : ไดเ้ป็น Pearlite Malleable Cast Iron 2. Fast cooling rate (quenching) แลว้ตามดว้ย tempering : จะได ้ Tempercd Malleable Cast Iron 3. Cooding rate ปานกลาง : จะได ้ Ferrite Malleable Cast Iron

Properties : ข้ึนอยูก่บั heat treafment