คุณสมบัติของเหล็ก สภาพยืดหยุ่น และการเลือกใช้เหล็กให้ตรงกับงาน

โดย saweang | มิ.ย. 1, 2020 | บทความบ้านๆๆ, บทความเกี่ยวกับเหล็ก

      เหล็กคือ ทรัพยากรธรรมชาติที่นำมาผ่านกรรมวิธีแปรรูปเพื่อการใช้งาน และถือได้ว่าเป็นวัสดุที่ใช้ได้ทั้งงานก่อสร้าง งานที่ช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับวัตถุและสิ่งของต่างๆ มาอย่างแพร่หลายตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน อย่างที่กล่าวมาขั้นต้นนั้น การนำแร่ธาตุจากธรรมชาติมาแปรรูปเพื่อใช้งาน จำเป็นต้องมีมาตรฐานที่เป็นรูปแบบเหมือนกันในการแปรรูปเพื่อให้เกิดความปลอดภัยในการใช้งานของผู้บริโภค

คุณสมบัติของเหล็ก

คุณสมบัติของเหล็กที่ผ่านการแปรรูปแล้วที่สามารถนำไปใช้ในงานได้หลักๆ คือความทนทานทั้งต่อการใช้งานและสภาพแวดล้อม พร้อมทั้งต้องมีความยืดหยุ่นที่ดี สามารถนำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ หลังจากนั้นในกระบวนการเลือกใช้เหล็กให้เหมาะสมกับงานนั้นก็ขึ้นอยู่กับดุลพินิจของวิศวกรผู้ควบคุมงาน ที่ต้องคิดและคำนวณดูปัจจัยในเรื่องต่างๆ ทั้งปัจจัยภายในและภายนอกเพื่อให้เกิดความปลอดภัยต่อผู้ใช้งานมากที่สุด ซึ่งคุณสมบัติของเหล็กก็มีดังนี้

1. สภาพยืดหยุ่น (Elasticity)

เป็นคุณสมบัติที่ของแข็งหรือเหล็กสามารถเปลี่ยนรูปร่างรูปทรงได้ เมื่อมีแรงกระทำที่พอดี สามารถแบ่งออกได้อีก 2 ประเภท

1. สภาพยืดหยุ่น (elasticity) คือ คุณสมบัติที่วัตถุหรือของแข็งเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปเมื่อได้รับแรงกระทำที่เพียงพอและสามารถคืนกลับสู่สภาพปกติได้เมื่อไม่มีแรงมากระทำ
2. สภาพพลาสติก (plasticity) คือ คุณสมบัติที่วัตถุเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปอย่างถาวรเมื่อได้รับแรงกระทำที่เพียงพอ โดยที่พื้นผิวภายนอกไม่แตกหักหรือฉีกขาด

2. ความเค้น (Stress)

เป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ สามารถอธิบายได้ว่า เป็นความเข้มข้นของแรงกระทำระหว่างอนุภาคภายในของวัตถุหรือของแข็งชิ้นนั้นๆ ต่อแรงภายนอกที่กระทำเพิ่มเข้าไป โดยในกระบวนการทดสอบมาตรฐานของเหล็กนั้น จะใช้การวัดความเข้มข้นของแรงกระทำภายในเฉลี่ยต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวภายใน

3. ความเครียด (Strain)

เป็นคุณสมบัติที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุเมื่อได้รับแรงภายนอกมากระทำ หรือกล่าวง่ายๆ คือ อัตราส่วนของรูปร่างที่เปลี่ยนไปต่อรูปร่างเดิม การวัดและคำนวณหาความเครียดสามารถทำได้ 2 ลักษณะ คือ แบบเส้นตรง (แรงที่มีกระทำมีละกษณะเป็นแรงกด แรงดึง) และแบบเฉือน (แรงที่มีกระทำเป็นแรงแบบเฉือน)

4. การดึงเป็นเส้น (Ductile)

เป็นคุณสมบัติของวัตถุหรือเหล็กที่สามารถทำให้เพิ่มความยาว ขึ้นรูป หรือดึงออกมาเป็นเส้นได้โดยง่าย ถึงแม้ว่าจะได้รับแรงกระทำเข้าไปเพียงเล็กน้อย ซึ่งเหล็กที่มีคุณสมบัติเหล่านี้จะมีคุณสมบัติความยืดหยุ่นแบบพลาสติก ที่เป็นการแปรรูปอย่างถาวรสามารถคืนสภาพเดิมได้ยาก ตัวอย่างของเหล็กและโลหะแปรรูปที่มีคุณสมบัตินี้คือ ตะกั่ว และทองแดง เป็นต้น

5. ความเปราะ (Brittle)

เป็นคุณสมบัติของวัตถุทุกชนิดที่จะมีขีดกำจัดของความยืดหยุ่นเป็นของตนเอง เมื่อวัตถุชิ้นนั้นๆ ได้รับแรงกระทำที่มากเกิดขีดจำกัดก็จะทำให้เกิดการเปราะแตกได้ ซึ่งวัตถุที่มีความเปราะสูงไม่ได้หมายความว่าเป็นวัตถุที่ไม่ทนทาน ยกตัวอย่างเช่น แก้วหรือเซรามิกที่มีความเปราะสูงแต่สามารถทนแรงดึงได้มากกว่าโลหะบางชนิด ดังนั้นคุณสมบัติข้อนี้นั้นใช้เป็นตัวเลือกที่ใช้ในการพิจารณาเลือกใช้ให้เหมาะสมกับงาน

การเลือกใช้เหล็กให้ตรงกับการใช้งานควรเลือกอย่างไร

ในการเลือกใช้งานของเหล็กแปรรูปนั้น เนื่องจากประเภทของเหล็กมีความหลายหลายมาก อาจทำให้เกิดความสับสนและการเลือกใช้งานที่ผิดรูปแบบ ส่งผลต่อเนื่องไปยังความแข็งแรง ความทนทานและความปลอดภัยของผู้บริโภค ทำให้สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมมีการกำหนดมาตรฐาน มอก.เพื่อให้เกิดความเข้าใจที่ตรงกันของทั้งผู้ผลิตและผู้บริโภคทั่วประเทศไทย ซึ่งได้มีการทำป้ายระบุรายละเอียดต่างๆ ไว้ ได้แก่ บริษัทผู้ผลิต, ประเภทของเหล็ก, ขนาดทั้งเรื่องของความยาว ความกว้างหน้าตัด, วัน เดือน ปีที่ผลิต และที่สำคัญคือ มีการระบุเครื่องหมายมอก.ที่แสดงให้เห็นว่าวัสดุชนิดนี้ได้ผ่านการรับรองมาตรฐานเรียบร้อยแล้ว

เหล็กกับภัยพิบัติจากธรรมชาติครั้งใหญ่

ปัญหาภัยพิบัติทางธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของแผ่นดินไหวหรือวาตภัย โครงสร้างของอาคารบ้านเรือนมีความสำคัญเป็นอย่างมาก เนื่องจากอาคารเหล่านั้นต้องได้รับแรงสั่นสะเทือนของพื้นดินที่รุนแรงหรือต้องทนทานต่อการสั่นไหวจากลม ซึ่งจะอาศัยคุณสมบัติความแข็งแรงอย่างเดียวไปเพียงพอ แต่จำเป็นต้องมีการเสริมคุณสมบัติความเหนียวและความทนทานเข้าไปด้วย ดังนั้นในโครงสร้างอาคารและบ้านเรืองจึงจำเป็นต้องมีการเสริมเหล็ก เพื่อเสริมสร้างคุณสมบัติที่คอนกรีตอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ อีกทั้งการเสริมเหล็กยังเอื้อต่อการออกแบบโครงสร้างสถาปัตยกรรมให้มีความหลายหลากมากยิ่งขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การสร้างโครงสร้างให้ยื่นออกไปเพื่อเป็นการรองรับแรงสั่นสะเทือน หรือการโค้งการดัดต่างๆ เพื่อให้เกิดสะพานเกิดรูปร่างที่สวยงามแตกต่างและการรับน้ำหนักที่มากขึ้น

เหล็กโครงสร้างรูปพรรณ หรือการเสริมเหล็ก

เป็นวิธีหนึ่งที่ได้รับการยอมรับว่ามีมาตรฐาน ในการออกแบบก่อสร้างอาคารบ้านเรือนที่มีความทนทานต่อภัยพิบัติทางธรรมชาติได้เป็นอย่างดี เพราะโครงสร้างที่มีการเสริมเหล็กเข้าไปจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติของคอนกรีตที่มีเพียงความทนทานให้เพิ่มความเหนียวและความยืดหยุ่นเข้ามา

คอนกรีตเสริมเหล็ก

คอนกรีตเสริมเหล็กถือว่าเป็นโครงสร้างที่ใช้ในการออกแบบและก่อสร้างอาคารบ้านเรือน เช่น ใช้เป็นพื้นหรือฐานของอาคาร ใช้เป็นบันได และคานรับน้ำหนัก เป็นต้น ที่มีคุณสมบัติทางกลในเรื่องของการรับน้ำหนัก ซึ่งทำหน้าที่หลักในการรับแรงดึงและแรงอัดเท่านั้น

ประเภทของเหล็กแปรรูปที่ใช้เป็นเหล็กเสริมในคอนกรีตนั้นมีอยู่ด้วยกันทั้งหมด 2 ประเภท ได้แก่ เหล็กเส้นกลมและเหล็กข้ออ้อย ที่เป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมของคาร์บอนต่ำทำให้เหล็กเหล็กหนาแน่นละเอียดมากกว่าเหล็กประเภทอื่นๆ และเพื่อความปลอดภัยในการใช้งานก่อนนำเหล็กเหล่านี้ออกมาใช้ ทางผู้ผลิตจะต้องทำการทดสอบคุณสมบัติของเหล็กกล้าทั้งคุณสมบัติทางกายภาพ และคุณสมบัติทางกลของเหล็กก่อนเสมอ

จึงสามารถสรุปได้แล้วว่าเหล็กนั้นถือว่าเป็นวัสดุแปรรูปจากธรรมชาติที่มีความสำคัญมากในสังคมปัจจุบัน ทั้งช่วยในเรื่องเพิ่มความแข็งแรง ป้องกันอันตรายจากภัยพิบัติและสร้างความปลอดภัยในชีวิตประจำวัน ส่วนในเรื่องของการเลือกใช้งานให้เหมาะสมนั้นควรอยู่ในดุลพินิจของผู้เชี่ยวชาญเพื่อให้เกิดความปลอดภัยสูงสุดต่อผู้ใช้งาน

ขอบคุณข้อมูลhttps://www.chi.co.th/article/article-2010/

การอบชุบเหล็กกล้าคืออะไรและทำไมถึงต้องทำการอบชุบ

โดย saweang | มี.ค. 19, 2020 | บทความเกี่ยวกับเหล็ก

การอบชุบเหล็กกล้า คือ การปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กกล้าโดยเฉพาะคุณสมบัติเชิงกล โดยอาศัยกรรมวิธีทางความร้อน เพื่อให้เหล็กกล้านั้นมีคุณสมบัติเปลี่ยนไปตามที่ต้องการ ซึ่งการอบชุบจะทำให้เหล็กที่ได้มีคุณสมบัติเฉพาะที่ดีกว่าเหล็กกล้าที่ผลิตด้วยกรรมวิธีปกติ เช่น อบชุบเพื่อให้เหล็กมีความแข็งมากขึ้น หรืออบชุบเพื่อให้เหล็กมีการทนการเสียดสีหรือสึกหรอได้ดีขึ้น

     การคืนตัว (Tempering) เหล็กที่ผ่านการชุบมาแล้วย่อมจะเกิดความเครียด (strain) ขึ้นภายใน และมีความแข็งเพิ่มขึ้น แต่เหล็กจะขาดคุณสมบัติทางด้าน ความเหนียว (Ductility) ทำให้ไม่เหมาะที่จะนำไปใช้งาน เพราะถ้าเกิดมีการกระแทกชิ้นเหล็กอาจจะแตกร้าวได้ จึงจำเป็นต้องปรับปรุงคุณสมบัติเสียใหม่โดยการอบคืนตัว ซึ่งมีวิธีการดังนี้
     นำเหล็กที่ผ่านการชุบมาแล้วเผาภายในเตาที่อุณหภูมิต่ำประมาณ 200 ๐C – 400 ๐C ทิ้งไว้ประมาณ 1 – 3 ชั่วโมงแล้วเอาออกปล่อย
ให้เย็น ในอากาศธรรมดา เหล็กจะมีคุณสมบัติด้านความเหนียว (Ductility) ดีขึ้น แต่ความแข็งจะลดลงเล็กน้อย ในขณะที่เผาที่อุณหภูมิต่ำ มาร์เทนไซต์จะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย โดยอะตอมคาร์บอนจะเคลื่อนไหวออกจากมาร์เทนไซต์มารวมกันเป็นเฟอร์ไรท์และซีเมนไซต์บางส่วน ที่เป็นเช๋นนี้เพราะมาร์เทนไซต์ไม่ใช่โครงสร้างของเหล็กที่สมดุลย์ที่อุณหภูมิบรรยากาศ เมื่อเหล็กได้รับความร้อนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเพื่อกลับไปเป็นโครงสร้างที่สมดุลย์คือเหล็กเฟอร์ไรท์ กับซีเมนต์ที่เราต้องเผาที่อุณหภูมิสูงไม่เกิน 400 ๐C ก็เพื่อไม่ต้องการให้มาร์เทนไซต์คืนตัวหมด เพราะเรายังต้องการความแข็งของเหล็กอยู่ ถ้าเราเผาให้อุณหภูมิสูงเกิน 400 ๐C ความแข็งจะถูกทำลายหมด
     โดยทั่ว ๆ ไปการชุบแข็ง และการคืนตัวจะต้องกระทำติดต่อกันเพื่อให้ได้เหล็กแข็งและทนแรงกระแทกได้ดีด้วย (รูปที่ STEEL-HT1 )

                            รูปที่ STEEL-HT1แสดงช่วงของอุณหภูมิในการทำอบชุบแข็งและการอบคืนตัว.
     การอบคลาย (Annealing) มีความมุ่งหมายเพื่อต้องการให้เหล็กอ่อนตัวลง (softening) หรือเพื่อ ทำให้เหล็กเหนียวขึ้น (Toughening) ส่วนใหญ่เหล็ก ที่ผ่าน
     การขึ้นรูปเย็น (cold working) หรือการหล่อมามักจะมีความแข็งเพิ่มขึ้นและไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดการกลึงหรือไสยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำลายความแข็งของเหล็กเพื่อจะได้กลึงหรือไสได้สะดวกหลักการทำ Annealing แบ่งออกเป็นสองวิธีคือ Full annealing กับ Process annealing โดยมีลักษณะแตกต่างกันดังนี้
Full annealing มีความมุ่งหมายเพื่อทำให้เหล็กแข็งอ่อนลงเพื่อสะดวกต่อการกลึงหรือไส วิธีนี้ต้องเผาเหล็กให้มีอุณหภูมิสูงจน
เหล็กกลายเป็น Austenite ที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C ภายในเตาที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ ทิ้งไว้ที่อุณหภูมินี้ไม่เกิน 2 ชั่วโมง จากนั้นปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ ภายในเตา ถ้าเป็นเตาไฟฟ้าก็เพียงแต่ตัดกระแสไฟเสีย แล้วปล่อยให้เหล็กเย็นอยู่ภายในเตาที่ปิดฝาสนิท เมื่อเหล็กถูกปล่อยให้เย็นช้า ๆ การเปลี่ยนโครงสร้างภายในก็จะปรับสู่สภาพใกล้เคียงสมดุลย์ โครงสร้างที่เป็นอยู่เดิม เช่นมาร์เทนไซต์หรือเบนไนท์ ฯลฯ ก็จะกลับมาเป็นเฟอร์ไรท์ และซีเมนไซต์ ทำให้ความแข็งลดลงกลายเป็นเหล็กอ่อนนิ่ม
Process annealing มีความมุ่งหมายเพื่อทำลายความเครียดภายในให้หมดไป เช่น เหล็กที่ถูกรีดหรือตีขึ้นรูปมา ถ้าจะนำไปทำ ต่อ
     ในขั้นต่อไป เหล็กจะต้องผ่าน Annealing เพื่อให้มีความต้านทานแรงกระทำน้อยลง วิธีนี้เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิต่ำกว่ายูเต็คตอยด์ คือต่ำกว่าเส้น A1 เล็กน้อย ทิ้ไว้นานพอสมควรเพื่อให้เหล็กร้อนทั่วถึงกัน หลังจากนั้นปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ วิธีนี้ความแข็งของเหล็กจะลดลงเล็กน้อย เพราะโครงสร้างของเหล็กแต่เดิมไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก แต่ความเครียดที่มีอยู่จะถูกทำลายหมดไป
การทำ Normalizing มีความมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงความเหนียว โดยขนาดลดขนาดของเม็ดเกรนของเหล็ก (grain size) เพื่อทำให้คุณสมบัติของ เหล็กสม่ำเสมอ และในขณะเดียวกันก็ช่วยในการลดความเครียดภายในด้วย โดยทั่ว ๆ ไปเหล็กที่ผ่านการหล่อ (casting) หรือการรีดขึ้นรูปมามักจะมีความแข็งหรือความเหนียวไม่สม่ำเสมอตลอดทั้งแท่ง จึงจำเป็นต้องนำมาทำ Normalizing โดยการเผาเหล็กให้ร้อนจนกลายเป็นออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C หลังจากทิ้งไว้จนอุณหภูมิเท่ากันหมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางด้วย โดยทั่ว ๆ ไปเหล็กที่ผ่านการหล่อ (casting) หรือมักรีดขึ้นรูปมามักจะมีความแข็งหรือความเหนียวไม่สม่ำเสมอตลอดทั้งแท่ง จึงจำเป็นต้องนำมาทำ Normalizing โดยการเผาเหล็กให้ร้อนจนกลายเป็นออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C หลังจากทิ้งไว้จนอุณหภูมิเท่ากันหมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางด้วย จากนั้นจึงเอาเหล็กออกมาจากเตาทิ้งให้เย็นอากาศธรรมดา การปล่อยให้เหล็กเย็นในอากาศนั้นอัตราการเย็นตัวของเหล็กจะเร็วกว่าการทำ Annealing ดังนั้นเม็ดเกรนของเหล็กจะมีขนาดเล็กกว่า ทำให้เหล็กมีความเหนียวดีและคุณสมบัติสม่ำเสมอ

รูปที่ STEEL-HT2 Heat-treatment Temperatures of Carbon Steelsin Relation to the Equilibrium Diagram

     การทำ spheroidizing เป็นการชุบเหล็กประเภทหนึ่งที่กระทำกับเหล็กที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0.8% ขึ้นไปเพราะเหล็กเหล่านี้จะมีโครงสร้างที่ประกอบด้วยเพิรไลท์เป็นส่วนใหญ่ คือโครงสร้างที่ประกอบด้วยแถบของเฟอร์ไรท์กับซีเมนไซต์สลับกัน ดังนั้นในการกลึงหรือไสจึงไม่เรียบเพราะมีดกลึงจะต้องตัดผ่านของแข็งและอ่อนสลับกัน การทำ spheroidizing เป็นการทำเพื่อเปลี่ยนลักษณะโครงสร้างจากลักษณะที่เป็นแถบยาวของซีเมนไซต์ให้มีลักษณะเป็นเม็ดกลมเล็ก ๆ กระจายอยู่ทั่วไปในขณะทำการกลึง ตัวมีดจะได้ไม่ต้องตัดผ่านซีเมนไซต์ในขณะที่ตัวมีดเคลื่อนที่ผ่านของซีเมนไซต์ก็จะหลุด หรือเบนหนีการตัดผ่านไปได้ทำให้ตัวมีดตัดผ่านแต่เฉพาะเฟอร์ไรท์อย่างเดียว
วิธีการทำ spheroidizing กระทำได้สองแบบ วิธีแรก เผาเหล็กให้ร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่าเส้น A1 เล็กน้อย แล้วทิ้งไว้ที่อุณหภูมินี้ประมาณ 10 – 15 ชั่วโมง เพื่อให้ซีเมนไซต์เปลี่ยนรูปเป็นเม็ดกลม หลังจากนั้นเอาเหล็กออกปล่อยให้เย็นในอากาศ
วิธีที่สอง เผาเหล็กให้ร้อนที่อุณหภูมิเหนือเส้น A1 เล็กน้อย แล้วปล่อยให้เย็นลงมาจนต่ำกว่าเส้น A1 แล้วกลับเผาให้อุณหภูมิเหนือเส้น A1
อีก กระทำสลับกันไปประมาณ 10 ชั่วโมง หลังจากนั้นปล่อยให้เหล็กเย็นในอากาศ

                                               
            รูปที่ STEEL-HT3 แสดงลักษณะโครงสร้างของเหล็กกล้าที่ผ่าน Annealing กับ Normalizing ที่อุณหภูมิต่างกัน.

ขอบคุณข้อมูจากhttp://www.ebuild.co.th

ที่มา : http://www.vcharkarn.com/vblog/44921/2