คุณสมบัติของเหล็ก
คุณสมบัติของเหล็ก
– คุณสมบัติเชิงกล (Mechanical Properties) เป็นคุณสมบัติที่เกี่ยวกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นของวัสดุเมื่อมีแรงจากภายนอกมากระทำต่อวัสดุ คุณสมบัติทางกลได้แก่ ความแข็งแรง, ความแข็ง, ความสามารถในการยืดตัว, ความยืดหยุ่น, ความเหนียว เป็นต้น คุณสมบัติทางกลของวัสดุเป็นคุณสมบัติที่มีความสำคัญมาก ดังนั้นในการพิจารณาเลือกวัสดุเพื่อนำไปใช้ จะต้องแน่ใจว่าวัสดุนั้นสามารถรับแรงที่มากระทำได้เพียงพอ
- ความแข็งแรง (Strength)
– ความสามารถของวัสดุในการรับแรงที่มากระทำโดยวัสดุยังคงสภาพเดิมไม่เกิดความเสียหาย ค่าความแข็งแรงของวัสดุ วัดเป็นแรงต่อพื้นที่หน้าตัดของวัสดุที่รับแรงโดยมีหน่วยเป็นปอนด์ต่อตารางนิ้ว (PSI) หรือ นิวตันต่อตารางเมตร (N/m2)
- ความแข็ง (Stiffness)
– ความสามารถในการรับแรง
- ความแข็ง (Hardness)
– ความสามารถในการต้านทานต่อการขีดข่วนและการกดเจาะ การกำหนดค่าความแข็งแรงแบบที่ง่ายและเก่าแก่ที่สุด จะอาศัยมาตรฐานความแข็ง โมห์สเกล (Mohs scale) ซึ่งใช้สำหรับเปรียบเทียบความแข็งของแร่ โดยแบ่งออกเป็น 10 หมายเลข ตั้งแต่ 1 ถึง 10 โมห์สเกลหมายเลข 1 มีค่าความแข็งน้อยที่สุด ได้แก่ แร่จำพวกแป้ง (Tale) โมห์สเกลหมายเลข 10 มีค่าความแข็งมากที่สุด ได้แก่ เพชร (Diamond)
- ความเหนียว (Ductility)
– ความสามารถในการเสียรูปโดยไม่วิบัติ
- ความสามารถในการยืดตัว (Ductility)
– ความสามารถในการเปลี่ยนแปลงขนาดของวัสดุ ก่อนที่วัสดุจะเกิดความเสียหาย เมื่อมีแรงมากระทำความสามารถในการยืดตัวนี้ ดูได้จากเปอร์เซ็นต์การยืดตัวของวัสดุ (Percentage elongation) ซึ่งได้จากการทดสอบทางแรงดึง ความสามารถในการยืดตัวเป็นคุณสมบัติที่สำคัญในการพิจารณาเลือกกรรมวิธีในการขึ้นรูป
- ความสามารถในการเปลี่ยนรูป (Malleability)
– การที่วัสดุเปลี่ยนรูปอย่างถาวรเมื่อได้รับแรงกดโดยไม่เกิดความเสียหาย ดังนั้น วัสดุที่มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปที่ดีสามารถนำมาทำการรีดขึ้นรูป (Rolling) หรือการตีขึ้นรูปด้วยค้อนตี (Hammering) โดยไม่เกิดการแตกหักได้
- ความเหนียว (Toughness)
– ความต้านทานต่อการแตกหักของวัสดุ ความเหนียว จึงเป็นความสามารถของวัสดุในการที่จะดูดซึมพลังงานที่เกิดขึ้นจากแรงภายนอกที่มากระทำการวัดค่าความเหนียวของวัสดุอาศัยการทดสอบทางแรงกระแทก (Impact)
- สภาพยืดหยุ่น (Elasticity)
– ความสามารถของวัสดุในการรับแรงและโค้งงอได้ในทิศทางต่างๆ และกลับเข้าสู่สภาพเดิม
- สภาพพลาสติก (Plasticity)
– ความสามารถของวัสดุในการเปลี่ยนรูปร่างไปอย่างถาวร
– คุณสมบัติทางเคมี (Chemical Properties) เป็นคุณสมบัติที่เกี่ยวกับปฏิกิริยาทางเคมีของวัสดุ การเลือกวัสดุเพื่อนำไปใช้ในงานช่าง จะต้องพิจารณาถึงคุณสมบัติทางเคมีของวัสดุได้แก่ การกัดกร่อน, ส่วนผสมและลักษณะโครงสร้างทางเคมีของส่วนผสมในวัสดุ เป็นต้น
ธาตุแต่ละธาตุที่ปะปนอยู่ในเหล็กมีผลกระทบต่อคุณสมบัติของเหล็กทั้งสิ้น โดยมาตรฐานส่วนใหญ่จะใช้ธาตุหลัก ๆ อยู่ 5 ธาตุในการพิจารณา คือ คาร์บอน, ซิลิกอน, แมงกานีส, ซัลเฟอร์, ฟอสฟอรัส
- คาร์บอน (Carbon, C)
– เป็นธาตุหลักที่มีผลโดยตรงต่อคุณสมบัติเหล็ก การเปลี่ยนแปลงปริมาณของคาร์บอนที่ผสมอยู่ในเหล็กจะทำให้อุณหภูมิหลอมเหลวของเหล็กเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ดังจะเห็นได้จากกราฟ Phase Equilibrium Diagram
– ในขณะที่ปริมาณของธาตุคาร์บอนเพิ่มขึ้น ค่าความแข็งแรง (Strength), ค่าความแข็ง (Hardness) และค่าความต้านทานการสึกหรอ (Wear Resistance) ของเหล็กจะเพิ่มขึ้นด้วย แต่อัตราการยืด (Elongation) จะลดลง
- ซิลิกอน (Silicon, Si)
– เมื่อปริมาณของธาตุซิลิกอนมีมากกว่า 0.25% จะมีผลต่อค่าความแข็งแรงและค่าความสามารถในการอบชุบแข็ง ปริมาณซิลิกอนที่สูงขึ้น อาจทำให้เกิดผิวเหล็กที่มีความขรุขระไม่เรียบ ไม่ลื่น
– ธาตุซิลิกอน เป็นธาตุที่มีผลโดยตรงต่อความสามารถในการชุบสังกะสี (Galvanizing) โดยปริมาณซิลิกอนที่เหมาะสมสำหรับการชุบสังกะสี คือ < 0.03% และ 0.14 – 0.25%
– ธาตุซิลิกอน ใช้เป็นตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิไดซิ่ง (Oxidizing) ทำให้เหล็กแข็งแรงและทนทานต่อการเสียดสีได้ดีขึ้น เพิ่มค่าแรงดึงที่จุดคราก (Yield Point) ของเหล็กให้สูงขึ้นมาก
- แมงกานีส (Manganese, Mn)
– แมงกานีส ใช้เป็นตัวไล่กำมะถัน (S) ซึ่งเป็นตัวที่ไม่ต้องการในเนื้อเหล็ก จะถูกกำจัดออกในขณะหลอม ทำให้เหล็กอบชุบแข็งง่ายขึ้น
– ช่วยเพิ่มค่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Strength) เมื่อปริมาณของแมงกานีสในเนื้อเหล็กเพิ่มขึ้น ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับคาร์บอนแล้วแมงกานีสจะมีส่วนในการช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับเหล็กเป็นอัตราส่วน 1/6 เท่าของคาร์บอน
– แมงกานีสสามารถที่จะไปรวมตัวกับซัลเฟอร์ เกิดเป็นแมงกานีลซัลไฟด์ในเนื้อเหล็กได้ ซึ่งจะไปทำลายคุณสมบัติทางกลของเหล็ก ทำให้เกิดรอยแตกที่ผิว
- ซัลเฟอร์ (Sulphur, S)
– ซัลเฟอร์ เป็นธาตุที่ไม่ต้องการให้มีในเหล็ก เนื่องจากเป็นตัวที่ทำให้ค่าความแข็งแกร่งของเหล็กลดลงและยังสามารถทำให้เกิดรอยแตกในเหล็กได้อีกด้วย
- ฟอสฟอรัส (Phosphorus, P)
– ฟอสฟอรัส เป็นธาตุที่ไม่ต้องการให้มีอยู่ในเหล็ก สามารถกำจัดออกได้โดยขบวนการ Electric Arc Furnace
– ฟอสฟอรัส ทำให้เหล็กเปราะและง่ายต่อการเกิดรอยแตก
– การเจาะจงใส่ฟอสฟอรัสในเหล็กบางครั้ง ก็เพื่อต้องการเพิ่มความแข็งแรง เพิ่มความสามารถในการกลึง ใส กัด เจาะ (Machinability) เพิ่มความสามารถในการทำสี
- อลูมิเนียม (Aluminium, Al)
– อลูมิเนียม เป็นตัวลดปริมาณออกซิเจนในน้ำเหล็กได้อย่างมากที่สุด (Al-Killed Steel)
– อลูมิเนียม สามารถรวมตัวกับธาตุไนโตรเจนเกิดเป็น AIN ซึ่งมีคุณสมบัติเปราะมาก อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวในการหล่อได้
- โครเมียม (Chromium, Cr)
– โครเมียม ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติด้านความต้านทานการกัดกร่อน
– โครเมียม ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติด้านความต้านทานการสึกหรอ
– โครเมียม ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของเหล็กกล้า
- นิกเกิล (Nickel, Ni)
– นิกเกิล ช่วยเพิ่มความแข็งแรง, ความแข็ง, ความแกร่ง (Toughness) และความต้านทานการกัดกร่อน ไม่เป็นสนิมง่าย ทนความร้อน
– นิกเกิล สามารถช่วยลดผลร้ายของทองแดงที่มีต่อเหล็กกล้าได้ โดยจะช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายของทองแดงในเกรนเหล็กให้มากขึ้น ทำให้ไม่เกิดทองแดงบริสุทธิ์ตกตะกอนอยู่ตามขอบเกรน
– นิกเกิลไม่สามารถขจัดออกได้ในขั้นตอนการผลิตเหล็กกล้า
- ทองแดง (Copper, Cu)
– ทองแดง เป็นธาตุที่ไม่สามารถขจัดออกได้ในขั้นตอนการทำ Steel Making
– ระบบการผลิตที่ใช้เศษเหล็กเป็นวัตถุดิบสามารถลดปริมาณทองแดงในเหล็กได้โดยการคัดเลือกชนิดของเศษเหล็กผสมกัน
– ในแง่ลบของทองแดงทำให้เกิดรอยแตกเล็ก ๆ (Fissure Crack) และการแตกที่ขอบของเหล็ก (Edge Crack)
– ในแง่บวกของทองแดงจะช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้า (Corrosion Resistance)
- ไนโอเบียม (Niobium, Nb)
– ไนโอเบียม ทำหน้าที่เหมือนวาเนเดียม คือ ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความต้านทานการสึกหรอ โดยทำให้เม็ดเกรนของเหล็กกล้ามีขนาดเล็ก
- ไทเทเนียม (Titanium, Ti)
– ไทเทเนียม สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้อย่างมากในเหล็กกล้า โดยไทเทเนียมจะไปจับตัวกับคาร์บอนเกิดเป็นสารประกอบคาร์ไบด์ เป็นธาตุผสมที่สำคัญในเหล็กสเตนเลส เพื่อป้องกันการผุกร่อนตามขอบเกรน นอกจากนั้น ไทเทเนียมยังช่วยทำให้เหล็กมีเกรนละเอียด
- วาเนเดียม (Vanadium, V)
– การเพิ่มวาเนเดียมลงในเหล็กกล้า เพื่อต้องการเพิ่มความแข็งแรง โดยทำให้เม็ดเกรนของเหล็กกล้ามีขนาดเล็กลง
– สามารถเพิ่มความต้านทานการสึกหรอของเหล็กกล้า และทำให้เหล็กทนต่อความร้อนได้ดี
- ดีบุก (Tin, Sn)
– ดีบุกทำให้เหล็กกล้าเปราะและแตกได้ง่าย
– ไม่สามารถขจัดออกจากเหล็กกล้าได้
– แหล่งที่มาของดีบุกในเหล็กกล้าที่มาจากขบวนการผลิตแบบใช้เศษเหล็กเป็นวัตถุดิบ คือ กระป๋องน้ำอัดลม, กระป๋องต่าง ๆ ที่เคลือบด้วยดีบุก
- โมลิบดินัม (Molybdeum, Mo)
– โมลิบดินัม ไม่สามารถถูกขจัดออกได้ในขั้นตอนการผลิตเหล็กกล้า
– โมลิบดินัม ช่วยเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงให้กับเหล็กกล้า
– โมลิบดินัม ช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกกร่อนให้กับเหล็กกล้า
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น