Carbon

แผนภูมิสมดุลของเหล็ก-คาร์บอน

1 เฟส, โครงสร้างและปฏิกิริยาที่ปรากฏในแผนภูมิสมดุลของเหล็ก-คาร์บอน
การศึกษาแผนภูมิสมดุลของเหล็กกับคาร์บอน มีความสำคัญมากเพราะคุณสมบัติของเหล็กที่ใช้อยู่ในงานวิศวกรรมเปลี่ยนแปลงตามปริมาณของคาร์บอนที่ผสมอยู่ในเหล็ก และการที่จะเข้าใจถึงคุณสมบัติต่าง ๆ ของเหล็กได้ดี ย่อมต้องเข้าใจเรื่องของแผนภูมิสมดุลของเหล็กกับคาร์บอนเป็นหลัก ในการศึกษาแผนภูมินี้จะต้องทำความเข้าใจความหมายของศัพท์ที่เกี่ยวข้องเสียก่อนดังต่อไปนี้
เฟอร์ไรท์ (Ferrite) บางทีเรียกเหล็กอัลฟา () คือ สารละลายของแข็งของเหล็กอันญรูป (และ/หรือ ) กับคาร์บอน ซึ่งคาร์บอนสามารถละลายได้ในเหล็กมากที่สุด 0.0218% ที่อุณหภูมิ 727C มีระบบผลึกเป็น bcc. (Body Centered Cubic)
ออสเตนไนท์ (Austenite) บางทีเรียกเหล็กแกมมา () คือ สารละลายของแข็งของเหล็กอันยรูป  กับคาร์บอน ซึ่งคาร์บอนละลายในเหล็กแกมมานี้ได้มากที่สุด 2.11% ที่อุณหภูมิ 1148C มีระบบผลึกเป็น fcc. (Face Centered Cubic) สังเกตว่า คาร์บอนเป็นตัวที่ช่วยให้ออสเตนไนท์มีเสถียรภาพมากขึ้น ให้ดูแผนภูมิสมดุลเหล็ก-คาร์บอนในรูปที่ 4.3 ประกอบ เหล็กบริสุทธิ์มีช่วงเป็นออสเตนไนท์เพียง 912-1394C แต่ขอบเขตนี้จะกว้างขึ้นเมื่อมีคาร์บอนละลายอยู่
เฟอร์ไรท์เดลต้า () คือสารละลายของแข็งของเหล็กกับคาร์บอนในช่วงอุณหภูมิใกล้จุดหลอมตัวของเหล็ก (1394C - 1538C) คาร์บอนสามารถละลายได้สูงสุด 0.09% ที่อุณหภูมิ 1495C มีระบบผลึกเป็น bcc (Body Centered Cubic) เช่นเดียวกับ เฟอร์ไรท์หรือเหล็กอัลฟา
ซีเมนไตท์ (Cementite หรือ Iron Carbide) เมื่อปริมาณคาร์บอนในระบบเหล็ก-คาร์บอนมีมากเกินกว่าที่มันจะละลายในเฟอร์ไรท์หรือออสเตนไนท์ได้หมด คาร์บอนที่เหลือจะจับตัวกับเหล็ก เกิดเป็นสารประกอบเชิงโลหะ (Intermetallic compound) ระหว่างเหล็กกับคาร์บอนโดยมีคาร์บอนผสมอยู่ 6.67% มีสูตร Fe3C มีความแข็งสูงแต่จะเปราะแตกหักได้ง่ายเมื่อได้รับแรง
กระแทก
เพิร์ลไลท์ (Pearlite) คือ ผลึกที่เกิดร่วมกันระหว่างเฟอร์ไรท์ (0.0218 %C) กับซีเมนไตท์ (6.67 %C) เกิดจากปฏิกิริยา Eutectoid ในขณะที่ทำให้เหล็กเย็นช้า ๆ ตรงอุณหภูมิ 727C การเกิดเฟอร์ไรท์และซีเมนไตท์ จะเกิดพร้อมกันที่อุณหภูมิคงที่เกิดผลึกเป็นแถบยาว ๆ สลับกันระหว่างเฟอร์ไรท์และซีเมนไตท์ เรียกโครงสร้างแบบนี้ว่า Lamellar Structure (รูปที่ 4.5 และรูปที่ 4.6c) ดังนั้น เพิร์ลไลท์จึงไม่ใช่เฟสเดียวแต่เป็นโครงสร้างที่เกิดจากสองเฟสประกอบกัน
แผนภูมิสมดุลของเหล็กกับคาร์บอนเป็นแผนภูมิประเภทที่เกิดการละลายเข้ากันเป็นเฟสเดียวในสภาพของเหลวแต่มีการแยกเป็นหลายเฟสในสภาพของแข็ง กล่าวคือ ในสภาพของแข็งคาร์บอนจะรวมตัวกับเหล็กทั้งในสภาพสารละลายของแข็ง (Ferrite , Austenite  และ Ferrite ) และสารประกอบเชิงโลหะ (Fe3C)

จากแผนภูมิสมดุลจะปรากฏปฏิกิริยาสามปฏิกิริยาคือ
1. ที่อุณหภูมิ 1495C จะให้ปฏิกิริยา Peritectic โดยมีเฟอร์ไรท์ (0.09 %C)
รวมตัวกับเหล็กหลอมเหลว (0.53 %C) ให้ออสเตนไนท์ (0.17 %C)
Cooling
เฟอร์ไรท์ (0.09 %C)+เหล็กหลอมเหลว (0.53 %C) ออสเตนไนท์ (0.17 %C)
Heating
2. ที่อุณหภูมิ 1148C ให้ปฏิกิริยา Eutectic โดยเหล็กหลอมเหลว (4.3 %C) เกิดการแข็งตัวให้สารละลายของแข็งออสเตนไนท์ (2.11 %C) รวมกับซีเมนไตท์ (6.67 %C)
Cooling
เหล็กหลอมเหลว (4.3 %C) ออสเตนไนท์ (2.11 %C) + ซีเมนไตท์ (6.67%C)
Heating
3. ที่อุณหภูมิ 727C ให้ปฏิกิริยา Eutectoid โดยออสเตนไนท์ (0.77 %C) แตกตัวให้เฟอร์ไรท์  (0.0218 %C) กับซีเมนไตท์ (6.67 %C) จะได้โครงสร้างสุดท้ายเป็นเพิร์ลไลท์
Cooling
ออสเตนไนท์ ( 0.77%C) เฟอร์ไรท์ (0.0218 %C) + ซีเมนไตท์ (6.67 %C)
Heating
เส้นแบ่งอาณาเขตต่าง ๆ ที่ปรากฏบนแผนภูมิสมดุลที่ควรทราบมีดังนี้
A1 คือ เส้นแสดงอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยา Eutectoid คือ ที่อุณหภูมิ 727C
A2 คือ เส้นแสดงการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะแม่เหล็กของเฟอร์ไรท์ ซึ่งจะอยู่ที่อุณหภูมิ 770C เมื่อเหล็กร้อนเกินกว่าอุณหภูมินี้แม่เหล็กจะไม่ดูด เส้น A2 ไม่มีการเปลี่ยนโครงสร้าง ดังนั้นจึงมักไม่ค่อยปรากฏในแผนภูมิสมดุล
A3 คือ เส้นอุณหภูมิแสดงการเปลี่ยนแปลงระหว่างออสเตนไนท์กับเฟอร์ไรท์ 
A4 คือ เส้นแสดงการเปลี่ยนแปลงระหว่างออสเตนไนท์กับเฟอร์ไรท์ 
Acm คือ เส้นแสดงการเปลี่ยนแปลงระหว่างออสเตนไนท์กับซีเมนไตท์

2. ตัวอย่างการศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเหล็กขณะเย็นตัว ขอยกตัวอย่างเหล็กที่มีคาร์บอน 0.4%
จากแผนภูมิสมดุลพิจารณาเหล็กที่มีคาร์บอน 0.4%
ที่อุณหภูมิ 1538C เหล็กจะอยู่ในสภาพหลอมละลาย
ที่อุณหภูมิ 1510C เหล็กจะเริ่มแข็งตัว ให้กำเนิดนิวเคลียสของเหล็ก  (delta) ที่มีธาตุคาร์บอน 0.075%
ที่อุณหภูมิเหนือ 1495C เล็กน้อย เหล็กจะประกอบด้วยเนื้อเหล็ก  ที่มีคาร์บอน 0.09% กับเหล็กหลอมเหลวที่มีธาตุคาร์บอน 0.53%
ที่อุณหภูมิ 1495C เป็นอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยา Peritectic กล่าวคือเหล็กที่มีธาตุคาร์บอน 0.09% จะรวมกับเหล็กหลอมเหลว (0.53 %C) บางส่วนแล้วให้เหล็ก  (Gamma) ที่มีธาตุคาร์บอน 0.17% เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยานี้ จะได้เหล็ก  กับเหล็กหลอมเหลวที่เหลือจากปฏิกิริยา
เมื่ออุณหภูมิลดลงจะปรากฏเหล็ก  เพิ่มปริมาณมากขึ้น ส่วนปริมาณของเหล็กหลอมเหลวจะลดลงตามลำดับ แต่ทั้งเหล็ก  และเหล็กหลอมเหลวจะประกอบด้วยธาตุคาร์บอนมากขึ้น


ที่อุณหภูมิ 1450C จะเป็นจุดที่เหล็กหลอมที่เหลือแข็งตัวหมดกลายเป็นเหล็ก 0.4% คาร์บอน จนถึงอุณหภูมิ 800C จึงจะเริ่มมีการเปลี่ยนแปลงโดยมีบริเวณรอบ ๆ เม็ดเกรนของเหล็ก  จะให้กำเนิดนิวเคลียสของเหล็ก  0.02% คาร์บอน และเมื่ออุณหภูมิลดลง ปริมาณของเหล็ก  จะเพิ่มมากขึ้น ส่วนเหล็ก  จะกลับมีปริมาณลดลง แต่ทั้งเหล็ก  และ  จะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนเพิ่มขึ้นด้วย
ที่อุณหภูมิเหนือ 727C เล็กน้อย จะปรากฏมีเหล็ก  0.0218 %C กับเหล็ก  0.77 %C อย่างละประมาณ 50%
ที่อุณหภูมิ 727C เป็นอุณหภูมิที่ให้ปฏิกิริยา Eutectoid ซึ่งเหล็ก  0.77% คาร์บอนจะแตกตัวให้เหล็ก  0.0218% กับซีเมนไตท์ (Fe3 C) 6.67% คาร์บอนพร้อม ๆ กัน โดยมีปริมาณเหล็ก  0.0218% มากกว่าซีเมนไตท์ประมาณ 8 เท่า



ลักษณะการแตกตัวของเหล็ก  จะให้แถบยาว ๆ ของเหล็ก  0.0218% คาร์บอนกับซีเมนไตท์สลับกันไป เราเรียกโครงสร้างนี้ว่าเพิร์ลไลท์ (ดูรูป 4.5, 4.6c)
เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงอีก จะปรากฏว่าเหล็ก 0.4% คาร์บอนจะมีโครงสร้างที่ประกอบด้วยเหล็ก  0.0218% กับเพิร์ลไลท์ (ซึ่งในตัวเพิร์ลไลท์เองประกอบด้วยสองเฟสคือเฟอร์ไรท์กับซีเมนไตท์ แต่ถ้าหาส่วนผสมเฉลี่ยของส่วนที่เป็นเพิร์ลไลท์จะได้ว่าส่วนผสมเฉลี่ยเป็น 0.77%C) ถ้าอุณหภูมิลดต่ำลงอีกจะปรากฏการเปลี่ยนแปลงอีกเล็กน้อย โดยเหล็ก  0.0218% จะแยกตัวให้เหล็ก  ที่มีธาตุคาร์บอนน้อยกว่า 0.0218% กับซีเมนไตท์ 6.67% แต่ปริมาณที่เปลี่ยนแปลงจะน้อยมาก
การเปลี่ยนแปลงที่อธิบายนี้จะเกิดเฉพาะเมื่ออัตราการเย็นตัว (Rate of Cooling) เป็นไปอย่างช้า ๆ เพื่อเปิดโอกาสให้อะตอมของคาร์บอนสามารถเคลื่อนไหวได้ทัน ทำให้เกิดเฟสต่าง ๆ แต่ถ้าอัตราการเย็นตัวเร็วจะไม่ปรากฏเฟสต่าง ๆ ที่อธิบายมาแต่กลับจะได้โครงสร้างของเหล็กต่างออกไป
ในการคำนวณหาปริมาณของเฟสที่เกิด ณ อุณหภูมิต่าง ๆ อาศัยกฎของ Lever-Arm ดังเช่นเหล็ก 0.4% C ที่ 750 C จะมีปริมาณของเหล็ก  = 34% และเหล็ก  = 66%
สำหรับเหล็กที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน 0.77% โครงสร้างจะปรากฏเป็นเพิร์ลไลท์ทั้งหมด (100%) เพราะที่ 0.77% C จะเป็นจุด Eutectoid พอดี แสดงว่าเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า
727C โครงสร้างจะเป็นออสเตนไนท์ที่ 0.77 %C และเมื่ออุณหภูมิลดลงมาถึง 727C โครงสร้างออสเตนไนท์จะเปลี่ยนไปเป็นเฟอร์ไรท์ (0.0218 %C) กับซีเมนไตท์ (Fe3C 6.67 %C) ซึ่งทั้งเฟอร์ไรท์และซีเมนปรากฏจะปรากฏเป็นแถบบาง ๆ (lamellar) สลับกันทำให้ได้ชื่อว่าเป็นเพิร์ลไลท์ ซึ่งมาจากคำว่า เพิร์ล ซึ่งแปลว่าหอยมุกชนิดหนึ่ง
สำหรับเหล็กที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอนมากกว่า 0.77% ถึง 2 %C โครงสร้างจะประกอบด้วยเพิร์ลไลท์ (สีดำ) กับ Pro-eutectoid ซีเมนไตท์ (สีขาว) ซึ่งจะอยู่รอบ ๆ เกรน ลักษณะโดยทั่ว ๆ ไป จะมีเกรนโตกว่าเหล็กที่มีคาร์บอน 0.4% ปริมาณของ Pro-eutectoid ซีเมนไตท์ จะมีมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณของธาตุคาร์บอนในเหล็ก ยิ่งปริมาณคาร์บอนใกล้ 2% เข้าไป Pro-eutectoid ซีเมนปรากฏจะปรากฏมากยิ่งขึ้นและจะปรากฏตามเส้นรอบเกรนของเหล็ก (ดูรูปที่ 4.4 ประกอบ)
ข้อควรสังเกตประการหนึ่ง คือ ขนาดเกรน (grain size) ในเนื้อเหล็กกล้ามีความสำคัญต่อคุณสมบัติเชิงกลของชิ้นงานเป็นอย่างมาก ชิ้นงานสองชิ้นที่มีส่วนผสมทางเคมีเหมือนกันมีโครงสร้างจุลภาคเป็นเฟอร์ไรท์ เพิร์ลไลท์ เหมือนกัน แต่เมื่อขนาดของเกรนต่างกันแล้ว ชิ้นงานที่มีเกรนเล็กกว่ามาก ๆ จะมีทั้งกำลังวัสดุและความเหนียวสูงกว่าชิ้นงานที่มีขนาดเกรนใหญ่