Download - Metals & Alloys - ces.wu.ac.th
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