อบชุบโลหะ

2109101 วัสดุวศิ วกรรม การปรบั ปรงุ สมบตั ิทางกลของโลหะ 1

การปรับปรงุ คุณสมบัตทิ างกลของ โลหะ ในที่น้จี ะกลาวถงึ ๒ ประเด็นคือ • การเพิม่ ความแข็งแรงใหโลหะ • การปรับปรุงคุณสมบัตดิ านความเหนยี ว/ความ แกรงของโลหะ 2

การเพมิ่ ความแข็งแรงใหโลหะ (Strengthening Mechanisms) • Solid solution Strengthening • เติมธาตผุ สมเขาไปใหล ะลายเปน สารละลายของแขง็ อะตอมตวั ถูกละลายจะชวย “ตรึง” ใหเ น้ือพน้ื (Matrix) แปรรปู ยากขนึ้ = แข็งแรงขนึ้ เชน ทองเหลือง = ทองแดง + สังกะสี เหล็กแอลฟา (เฟอรไ รต) ทีม่ ีคารบ อนละลายอยู เหล็กท่ีเติม แมงกานสี , ซลิ คิ อน ฯลฯ 3

ชนิดของสารละลายของแข็ง 4

การเพมิ่ ความแข็งแรงใหโลหะ (Strengthening Mechanisms) • การข้ึนรปู เยน็ (Cold work) โดยเฉพาะโลหะประเภทที่ไมสามารถเพิ่มความ แข็งแรงดวยวิธีอื่นได เชน อะลูมเิ นยี มบริสุทธิ์ (ทางการคา), โลหะแผน ตาง ๆ (เหล็กกลา, อะลูมิเนียม, ทองแดง), ลวด เหลก็ ฯลฯ 5

การเพิ่มความแข็งแรงใหโลหะ (Strengthening Mechanisms) • การทําใหเกรนละเอียด (Grain Refinement) หลักการคือ ขอบเกรน แขง็ แรงกวา เนื้อเกรน⇒ • โดยเฉพาะ ในโลหะหลอ เชน อะลูมเิ นียมหลอ เตมิ Ti-B เพ่ือทาํ ใหเกรน อะลูมเิ นียมละเอยี ด • กลไก คือ เรงการเกิดนิวเคลยี ส, ลดการขยายตัว ของเกรน 6

7

การทําใหเ กรนละเอียด (Grain Refinement) 8

การเพมิ่ ความแข็งแรงใหโลหะ (Strengthening Mechanisms) • การอบชุบความรอน/กรรมวิธีทางความรอน (Heat Treatment) ที่มีจดุ ประสงคเ พื่อ เพิ่ม ความแขง็ แรงของโลหะ • 1. การชุบแขง็ ตกตะกอน (Precipitation Hardening) หรอื การบมแข็ง (Age Hardening) มีบทบาทมากในโลหะนอกกลุม เหล็ก • 2. Hardening of Steel = การทาํ ใหเ หลก็ แข็งโดย เปล่ียนสภาพเปนมารเตนไซต 9

การชุบแข็งตกตะกอน 10

การชุบแข็งตกตะกอน 11

การชุบแข็งตกตะกอน 12

การชุบแข็งตกตะกอน 13

การชุบแข็งตกตะกอน 14

การชุบแข็งตกตะกอน 15

การชุบแข็งตกตะกอน (Precipitation Hardening, Age Hardening) ขั้นตอน 1. การทาํ ใหเปน สารละลายเนอ้ื เดยี ว (Solution Treatment) 2. การชบุ (Quenching) เพื่อใหเ กิดสภาพสารละลายอิ่มตัวย่ิงยวด (Supersaturated Solid Solution) 3. การบม (Aging) เพื่อใหเกดิ การแยกตวั ของเฟสทส่ี อง เฟสท่ีสองนี้จะเปน อนุภาคเล็ก ๆ (Particles) ทกี่ ระจายตัวอยูทว่ั ไป ในเนอ้ื พนื้ ชว ย “ตรงึ ” ใหเนื้อพน้ื เกิดการแปรรปู เนอ่ื งจากแรง กระทาํ ไดย ากข้นึ 16

การชุบแข็งตกตะกอน (Precipitation Hardening, Age Hardening) • พบคร้งั แรกในโลหะผสม Al-Cu • แผนภูมิเฟส จะตอ งมีลักษณะคือ เสน Solvus บอกถึงลักษณะความสามารถในการละลายต่ําท่ี อณุ หภมู ิต่ํา และความสามารถในการละลายสูงที่ อุณหภมู สิ ูง • น่นั คอื โดยปกติ ที่อณุ หภมู ิใชงาน จะมสี องเฟส • แตท ่อี ณุ หภมู สิ ูง จะมเี ฟสเดียว (สารละลายของ แขง็ ) 17

การชุบแข็งตกตะกอน (Precipitation Hardening, Age Hardening) 18

การชุบแข็งเหล็กกลา (Hardening of Steels) • จากโครงสรางออสเตนไนต • ตามเฟสไดอะแกรมทํานายวาจะเกดิ เฟอรไ รต + ซเี มนไตต • ในความเปน จริง อัตราการเย็นตัวมีคาตาง ๆ กนั • อธิบายดวยแผนภมู ิการแปลงเฟสระหวางการเย็น ตัวตอ เน่อื ง (Continuous Cooling Transformation Diagram- CCT Diagram) 19

20

21

อณุ หภมู ิการทาํ ใหเปนออสเตนไนตส าํ หรับชบุ แข็ง (Hardening) γ • เหล็กไฮโปยูเทกตอยด A3 Acm เผาสูงกวา A3 α+γ γ + Fe3C • เหลก็ ไฮเปอรยูเทกตอยด A1 (Eutectiod) เผาสงู กวา A1 (ไมจาํ เปน ตองสลายเหลก็ คารไ บด ใหหมด) α + Fe3C 22

การปรับปรุงคุณสมบัตดิ าน ความเหนียว/ความแกรง • การอบออ นหลงั ขึน้ รปู เย็น • การอบคืนตัวหลังการชุบแขง็ ของเหลก็ กลา • การอบปกติ (สาํ หรับเหล็กกลา) • การอบนมิ่ เต็มที่ (สําหรับเหล็กกลา) 23

การอบออนหลังขน้ึ รปู เย็น (Cold Working Annealing, Process Annealing) • ทาํ หลังข้ึนรปู เยน็ • จะลดความแข็งแรงลง แตไดค วามเหนยี วกลับคืนมา • เชน ในเหล็กแผนรดี เยน็ , อะลูมเิ นียมแผนรดี เยน็ ท่ี จะนําไปทํา Deep Drawing ตอ • อุณหภมู ิท่ีใช T>0.3Tm; ใชหนว ย K! • Al ประมาณ 350°C • Fe ประมาณ 600°C 24

การอบคนื ตวั หลังการชุบแข็งของเหลก็ กลา (Tempering) • โครงสรา งมารเตนไซต จะสลายตวั เปน เฟอรไ รต + เหล็กคารไ บด • ถาอบคนื ตัวทอ่ี ณุ หภูมติ ํ่า ความแข็งแรงลดลงเล็ก นอ ย, ไดค วามแกรงเพิ่มข้ึน • ถาอบคนื ตวั ท่อี ุณหภูมสิ ูง ความแข็งแรงลดลง มาก, ไดค วามเหนียวและความแกรง • อุณหภมู ิไมเ กิน A1 25

Normalizing & Full Annealing เยน็ ใน เยน็ ในเตา อากาศ 26

Normalizing & Full Annealing • การอบปกติ (Normalizing) ได เพิรลไลตล ะเอียด • ไดทัง้ ความแข็งแรงและความเหนียว • การเผา...ทําใหเ ปนออสเตนไนตเฟสเดยี วทุกกรณี • แลวทง้ิ ใหเ ยน็ ตวั ในอากาศ • การอบน่ิมเตม็ ที่ ได เพิรล ไลตหยาบ หรือ 27 เฟอรไ รต+ ซีเมนไตต • ไดค วามเหนยี วสูงสดุ สําหรบั นาํ ไปขน้ึ รูปตอไป • การเผา...เหมอื นกรณชี บุ แข็ง • แลวทิง้ ใหเ ย็นตวั ในเตา (เยน็ ชามาก ๆ)