เหตุใดคาร์บอนในเหล็กกล้าคาร์บอนจึงช่วยเพิ่มความแข็งแรงดึง

บทบาทของคาร์บอนในฐานะธาตุผสมแทรกช่องว่าง

เหล็กบริสุทธิ์นั้นนุ่มอย่างน่าประหลาดใจ โครงสร้างผลึกของมัน ซึ่งประกอบด้วยอะตอมเหล็กเรียงตัวเป็นรูปแบบลูกบาศก์แบบมีอะตอมอยู่ตรงจุดศูนย์กลาง (body-centered cubic) ทำให้มีพื้นที่ว่างมากพอให้ความบกพร่องในผลึก (dislocations) เคลื่อนที่ไประหว่างการรับแรง แต่สิ่งนี้จะเปลี่ยนไปทันทีที่คาร์บอนเข้ามาเกี่ยวข้อง อะตอมคาร์บอนในเหล็กกล้าคาร์บอนจะแทรกตัวเข้าไปในช่องว่างเล็กๆ ระหว่างอะตอมเหล็ก ทำหน้าที่เป็นสารเจือปนแบบแทรกช่องว่าง (interstitial solutes) เนื่องจากอะตอมคาร์บอนมีขนาดใหญ่กว่าช่องว่างที่มันเข้าไปอยู่ จึงก่อให้เกิดสนามความเครียดเฉพาะที่ซึ่งยึดความบกพร่องในผลึกไว้ไม่ให้เคลื่อนที่ การเคลื่อนย้ายความบกพร่องเหล่านั้นจึงต้องใช้แรงภายนอกที่สูงขึ้น ซึ่งส่งผลโดยตรงให้ความแข็งแรงดึงเพิ่มขึ้น สิ่งกีดขวางระดับอะตอมเช่นนี้คือเหตุผลข้อแรกและสำคัญที่สุดที่คาร์บอนทำให้เหล็กกล้ามีความแข็งแรงมากขึ้น

การเปลี่ยนผ่านจากโครงสร้างจุลภาคเฟอร์ไรต์ไปเป็นเพิร์ไลต์

เหล็กที่มีคาร์บอนต่ำมาก คือ น้อยกว่าร้อยละ 0.05 โดยประมาณ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์ ซึ่งเป็นเฟสที่นุ่มและยืดหยุ่นได้ดี เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ โครงสร้างจุลภาคจะเปลี่ยนไป ที่ระดับคาร์บอนประมาณร้อยละ 0.2 จะเริ่มปรากฏเกาะของเพอร์ไลต์ เพอร์ไลต์เป็นวัสดุผสมแบบชั้นที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์กับเซเมนไตต์ ซึ่งเป็นสารประกอบคาร์ไบด์ของเหล็กที่แข็งมากมาก แผ่นบางๆ ของเซเมนไตต์ทำหน้าที่เสริมความแข็งแรง โดยจำกัดการเคลื่อนที่ของข้อบกพร่องผ่านขอบเขตระหว่างเฟส เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นถึงองค์ประกอบยูเทคโตอิด ใกล้เคียงร้อยละ 0.8 โครงสร้างอาจกลายเป็นเพอร์ไลติกทั้งหมด การแทนที่เฟอร์ไรต์ที่นุ่มด้วยเพอร์ไลต์ที่แข็งขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปนี้เองที่อธิบายการเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอของความแข็งแรงดึง ซึ่งสังเกตได้จากเส้นโค้งความเครียด-ความเค้น

วิธีที่การเพิ่มปริมาณคาร์บอนเปลี่ยนรูปร่างของเส้นโค้งความเครียด-ความเค้น

ผลลัพธ์นี้ไม่เบาเลย โลหะเหล็กคาร์บอนธรรมดาที่มีคาร์บอนร้อยละ 0.1 อาจเริ่มไหล (yield) ที่ประมาณ 200 เมกะพาสคัล และแสดงการยืดตัวได้มาก แต่ถ้าเพิ่มคาร์บอนเป็นร้อยละ 0.4 ความแข็งแรงเมื่อเริ่มไหลจะพุ่งขึ้นสู่ช่วง 350 ถึง 400 เมกะพาสคัล ขณะที่ความสามารถในการดัดโค้ง (ductility) ลดลง ตารางด้านล่างสรุปสมบัติเชิงกลไกโดยทั่วไปของเหล็กคาร์บอนธรรมดาที่ผ่านกระบวนการ normalizing ที่ระดับคาร์บอนต่าง ๆ

จากข้อมูลที่รวบรวมไว้ใน ASM Handbook เล่มที่ 1 ความแข็งแรงแรงดึงของเหล็กคาร์บอนธรรมดาจะเพิ่มขึ้นประมาณ 62 เมกะพาสคัล ต่อการเพิ่มคาร์บอนร้อยละ 0.1 จนถึงจุดยูเทคทอยด์ ความสัมพันธ์นี้สอดคล้องกับความเป็นจริงในภาคอุตสาหกรรมได้ดีมาก และใช้เป็นแนวทางเบื้องต้นสำหรับการออกแบบ

ผลกระทบในโลกแห่งความเป็นจริง: กรณีศึกษาจากการปรับปรุงระบบในบริเวณชายฝั่งอ่าว

โรงงานปิโตรเคมีแห่งหนึ่งริมชายฝั่งอ่าวเม็กซิโกประสบปัญหาขณะปรับปรุงท่อ ท่อส่วนแรกที่สั่งซื้อมาทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่มีคาร์บอนร้อยละ ๐.๐๘ แม้จะสอดคล้องกับข้อกำหนดการออกแบบตามเอกสาร แต่กลับเริ่มเกิดการเปลี่ยนรูปแบบถาวรบริเวณข้อต่อฟลานจ์ระหว่างการทดสอบแรงดันน้ำ ทีมวิศวกรจึงเปลี่ยนไปใช้เหล็กกล้าเกรดที่มีคาร์บอนร้อยละ ๐.๒๐ พร้อมโครงสร้างจุลภาคที่ผ่านกระบวนการนอร์มอลไลเซชัน การเพิ่มปริมาณคาร์บอนเล็กน้อยนี้ช่วยยกระดับความต้านทานแรงดึงให้เพียงพอต่อการรับแรงดันกระชาก โดยไม่เพิ่มความเปราะหรือลดความสามารถในการเชื่อมเหมือนเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง วิธีแก้ปัญหานี้เรียบง่าย แต่ขึ้นอยู่กับการควบคุมปริมาณคาร์บอนอย่างแม่นยำในขั้นตอนการหลอมเท่านั้น

เมื่อคาร์บอนสูงเกินไปกลับก่อปัญหา: ความเปราะและคุณสมบัติการเชื่อม

การเพิ่มคาร์บอนไม่ใช่สิ่งที่ได้มาโดยไม่มีค่าใช้จ่าย เมื่อปริมาณคาร์บอนเกินประมาณร้อยละ 0.30 ความสามารถในการเชื่อมจะเริ่มลดลง เนื่องจากความสามารถในการแข็งตัวเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจก่อให้เกิดมาร์เทนไซต์ที่เปราะบางในโซนที่ได้รับความร้อนจากกระบวนการเชื่อม เมื่อคาร์บอนเกินร้อยละ 0.50 การให้ความร้อนล่วงหน้าก่อนเชื่อมและการให้ความร้อนหลังเชื่อมจึงจำเป็นเกือบทั้งหมดสำหรับรอยเชื่อมโครงสร้าง เหล็กที่มีคาร์บอนสูงยังสูญเสียความเหนียวต่อแรงกระแทกด้วย ทำให้ไม่เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงกระแทกอย่างรุนแรง แม้สปริงและเครื่องมือตัดจะต้องการคาร์บอนสูง แต่เฟืองที่แตกร้าวทันทีเมื่อรับโหลดเกินขีดจำกัดครั้งแรกก็ไม่มีประโยชน์ใช้สอยจริง ทุกการประยุกต์ใช้งานจึงต้องมีการพิจารณาอย่างรอบคอบระหว่างความแข็งแรงดึงกับความเหนียว

การปรับแต่งความแข็งแรงอย่างแม่นยำผ่านการควบคุมคาร์บอนและการรักษาความร้อน

คาร์บอนเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบอกเรื่องราวทั้งหมดได้ วิธีการลดอุณหภูมิเหล็กจากอุณหภูมิออสเทนไนต์กำหนดว่าคาร์บอนนั้นจะเกิดเป็นเพิร์ไลต์ ไบไนต์ หรือมาร์เทนไซต์ กระบวนการดับความร้อนแล้วอบคืนแรง (quenching and tempering) สามารถเพิ่มความแข็งแรงดึงให้เกิน 1,000 เมกะพาสคาล ในเหล็กที่มีคาร์บอนร้อยละ 0.40 ขณะที่การลดอุณหภูมิช้าในเตาหลอมจะได้วัสดุที่นุ่มนกว่ามาก โรงหล่อที่ต้องการให้ได้สมบัติที่ซ้ำกันได้ทุกครั้ง จะควบคุมปริมาณคาร์บอนด้วยสเปกโตรมิเตอร์ปล่อยแสงแบบออปติคัล (optical emission spectrometers) สำหรับแต่ละรอบการหลอม สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องเชื่อมได้ง่ายและมีความแข็งแรงเฉพาะเจาะจง มักกำหนดช่วงคาร์บอนแคบๆ ที่ร้อยละ 0.18 ถึง 0.23 และการบรรลุช่วงนี้จำเป็นต้องมีการเตรียมวัตถุดิบอย่างเคร่งครัด รวมทั้งการวิเคราะห์องค์ประกอบของสารหลอมแบบเรียลไทม์ ผู้ผลิตอย่าง JBD ผสานการควบคุมเหล่านี้เข้ากับกระบวนการหล่อของตน โดยจับคู่การตรวจสอบด้วยสเปกโตรมิเตอร์กับการอบร้อนเฉพาะส่วน เพื่อให้วิศวกรได้สมบัติความแข็งแรงดึงที่คาดการณ์ได้โดยไม่มีความผิดพลาดใดๆ บนพื้นโรงงาน