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/

เหล็กคืออะไร? ความรู้เรื่องเหล็ก และประเภทของเหล็ก

โดย saweang | มี.ค. 10, 2020 | บทความเกี่ยวกับเหล็ก

เหล็ก เป็นแร่ธาตุที่มีบทบาทกับการนำมาใช้งานในชีวิตประจำวันมากที่สุด และเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย โดยเหล็กจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกัน คือเหล็ก (iron) และ เหล็กกล้า (steel) ซึ่งทั้งสองประเภทนี้ มีคุณสมบัติที่ต่างกันหลายประการ แต่ส่วนใหญ่ก็มักจะถูกเรียกอย่างเหมารวมกันว่า “เหล็ก” นั่นเอง

ลักษณะทั่วไปของเหล็กและเหล็กกล้า

เหล็ก จะมีสัญลักษณ์ทางวิทยาศาสตร์ คือ Fe มักพบได้มากในธรรมชาติ ซึ่งจะมีลักษณะเป็นสีแดงอมน้ำตาล เมื่อนำเข้าใกล้กับแม่เหล็ก จะดูดติดกัน ส่วนพื้นที่ที่ค้นพบเหล็กได้มากที่สุด ก็คือ ตามชั้นหินใต้ดินที่อยู่บริเวณที่ราบสูงและภูเขา โดยจะอยู่ในรูปของสินแร่เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งก็ต้องใช้วิธีถลุงออกมา เพื่อให้ได้เป็นแร่เหล็กบริสุทธิ์และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้

เหล็กกล้า เป็นโลหะผสม ที่มีการผสมระหว่าง เหล็ก ซิลิคอน แมงกานีส คาร์บอนและธาตุอื่นๆ อีกเล็กน้อย ทำให้มีคุณสมบัติในการยืดหยุ่นสูง ทั้งมีความทนทาน แข็งแรง และสามารถต้านทานต่อแรงกระแทกและภาวะทางธรรมชาติได้อย่างดีเยี่ยม  ที่สำคัญคือเหล็กกล้าไม่สามารถค้นพบได้ตามธรรมชาติเหมือนกับเหล็ก เนื่องจากเป็นเหล็กที่สร้างขึ้นมาโดยการประยุกต์ของมนุษย์  แต่ในปัจจุบันก็มีการนำเหล็กกล้ามาใช้งานอย่างแพร่หลาย เพราะมีต้นทุนต่ำ จึงช่วยลดต้นทุนได้เป็นอย่างมาก และมีคุณสมบัติที่โดดเด่นไม่แพ้เหล็ก

ประเภทของเหล็กแบ่งได้อย่างไรบ้าง?

สำหรับประเภทของเหล็กนั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ

เหล็กหล่อ

เหล็กหล่อ เป็นเหล็กที่ใช้วิธีการขึ้นรูปด้วยการหล่อขึ้นมา ซึ่งจะมีปริมาณของธาตุคาร์บอนประมาณ 1.7-2% จึงทำให้เหล็กมีความแข็ง แต่ในขณะเดียวกันก็มีความเปราะ และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เหล็กหล่อ สามารถขึ้นรูปได้แค่วิธีการหล่อวิธีเดียวเท่านั้น ไม่สามารถขึ้นรูปด้วยการรีดหรือวิธีการอื่นๆ ได้ นอกจากนี้เหล็กหล่อ ก็สามารถแบ่งย่อยๆ ได้ดังนี้

• เหล็กหล่อเทา เป็นเหล็กหล่อที่มีโครงสร้างคาร์บอนในรูปของกราฟไฟต์ เพราะมีคาร์บอนและซิลิคอนเป็นส่วนประกอบสูงมาก
• เหล็กหล่อขาว เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรงทนทานสูง สามารถทนต่อการเสียดสีได้ดี แต่จะเปราะจึงแตกหักได้ง่าย โดยเหล็กหล่อประเภทนี้ จะมีปริมาณของซิลิคอนต่ำกว่าเหล็กหล่อเทา ทั้งมีคาร์บอนอยู่ในรูปของคาร์ไบด์ของเหล็กหรือที่เรียกกว่า ซีเมนไตต์
• เหล็กหล่อกราฟไฟต์กลม เป็นเหล็กที่มีโครงสร้างเป็นกราฟไฟต์ ซึ่งจะมีส่วนผสมของแมกนีเซียมหรือซีเรียมอยู่ในน้ำเหล็ก ทำให้เกิดรูปร่างกราฟไฟต์ทรงกลมขึ้นมา ทั้งยังได้คุณสมบัติทางกลในทางที่ดีและโดดเด่นยิ่งขึ้น เหล็กหล่อกราฟไฟต์จึงได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายและถูกนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมมากขึ้น
• เหล็กหล่ออบเหนียว เป็นเหล็กที่ผ่านกระบวนการอบเพื่อให้ได้คาร์บอนในโครงสร้างคาร์ไบด์แตกตัวมารวมกับกราฟไฟต์เม็ดกลม และกลายเป็นเฟอร์ไรด์หรือเพิร์ลไลต์ ซึ่งก็จะมีคุณสมบัติที่เหนียวแน่นกว่าเหล็กหล่อขาวเป็นอย่างมาก ทั้งได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานที่สุด
• เหล็กหล่อโลหะผสม เป็นประเภทของเหล็กที่มีการเติมธาตุผสมเข้าไปหลายอย่างด้วยกัน ซึ่งก็จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กให้ดีขึ้น โดยเฉพาะการทนต่อความร้อนและการต้านทานต่อแรงเสียดสีที่เกิดขึ้น เหล็กหล่อประเภทนี้จึงนิยมใช้ในงานที่ต้องสัมผัสกับความร้อน

เหล็กกล้า

เหล็กกล้า เป็นเหล็กที่มีความเหนียวแน่นมากกว่าเหล็กหล่อ ทั้งสามารถขึ้นรูปด้วยวิธีทางกลได้ จึงทำให้เหล็กชนิดนี้ นิยมถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายและกว้างขวางมากขึ้น  ตัวอย่างเหล็กกล้าที่มักจะพบได้บ่อยๆ ในชีวิตประจำวัน คือ เหล็กแผ่น เหล็กโครงรถยนต์หรือเหล็กเส้น เป็นต้น นอกจากนี้คาร์บอนก็สามารถแบ่งได้เป็นกลุ่มย่อยๆ ดังนี้

เหล็กกล้าคาร์บอน จะมีส่วนผสมหลักเป็นคาร์บอนและมีส่วนผสมอื่นๆ ปนอยู่บ้างเล็กน้อย ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับจะมีธาตุอะไรติดมาในขั้นตอนการถลุงบ้าง ดังนั้นเหล็กกล้าคาร์บอน จึงสามารถแบ่งเป็นย่อยๆ ได้อีก ตามปริมาณธาตุที่ผสมดังนี้

1. เหล็กคาร์บอนต่ำ มีคาร์บอนต่ำกว่า 0.2% และมีความแข็งแรงต่ำมาก จึงนำมารีดเป็นแผ่นได้ง่าย เช่น เหล็กเส้น เหล็กแผ่น เป็นต้น
2. เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง จะมีคาร์บอนอยู่ประมาณ 0.2-0.5% มีความแข็งแรงสูงขึ้นมาหน่อย สามารถนำมาใช้เป็นชิ้นส่วนของเครื่องจักรกลได้
3. เหล็กกล้าคาร์บอนสูง มีคาร์บอนสูงกว่า 0.5% มีความแข็งแรงสูงมาก นิยมนำมาอบชุบความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งมากขึ้น และสามารถต้านทานต่อการสึกหรอได้ดี จึงนิยมนำมาทำเครื่องมือเครื่องใช้ที่ต้องการผิวแข็ง

เหล็กกล้าผสม เป็นเหล็ก ที่มีการผสมธาตุอื่นๆ เข้าไปโดยเจาะจง เพื่อให้คุณสมบัติของเหล็ก เป็นไปตามที่ต้องการ โดยเหล็กประเภทนี้มักจะมีความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนและสามารถนำไฟฟ้าได้ รวมถึงมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กอีกด้วย ซึ่งก็จะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ เหล็กกล้าผสมต่ำและเหล็กกล้าผสมสูง นั่นเอง โดยเหล็กกล้าผสมต่ำ จะเป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมด้วยธาตุอื่นๆ น้อยกว่า 10% และเหล็กกล้าผสมสูง จะเป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมด้วยธาตุอื่นๆ มากกว่า 10%

เหล็ก เป็นแร่ธาตุที่ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันมากที่สุด และเป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เหมาะกับการนำมาใช้งานในหลายๆ ด้าน แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง คือมีน้ำหนักมาก ทำให้เคลื่อนย้ายได้ไม่ค่อยสะดวกมากนัก อย่างไรก็ตาม เหล็ก ก็ยังคงเป็นที่นิยมและมีการนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมหรือการผลิตเครื่องจักรกลต่างๆ รวมทั้งใช้ในการสร้างบ้านด้วย เพราะเป็นโลหะที่มีความแข็งแรงและทนทานมาก