เส้นโค้งการเย็นตัว

แผนภาพ TTT และ CCT (TTT and CCT diagram)

เนื่องจากวิธีการอบชุบทางความร้อนส่วนใหญ่นั้น ชิ้นงานมักถูกทำให้เย็นตัวเร็วกว่าที่จะเกิดโครงสร้างใกล้เคียงกับแผนภูมิกึ่งสมดุลเหล็ก-ซีเมนไทต์ (ยกเว้นกรณีการอบอ่อนสมบูรณ์) จึงต้องอาศัยแผนภาพแสดงการเปลี่ยนเฟสบนแกนอุณหภูมิและเวลา ซึ่งมีสองแบบคือ

1. แผนภาพแสดงการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิคงที่เทียบเวลา (isothermal transformation diagram, IT or time-temperature transformation diagram, TTT) ซึ่งได้จากการวัดอัตราการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิคงที่ อีกนัยหนึ่งก็คือการทำให้โลหะเย็นตัวอย่างรวดเร็วลงมายังอุณหภูมิที่สนใจจากนั้นคงอุณหภูมิไว้แล้ววัดอัตราการเปลี่ยนเฟสเทียบกับเวลา

2. แผนภาพแสดงการเปลี่ยนเมื่อเกิดการเย็นตัวต่อเนื่อง (continuous cooling transformation diagram, CCT) ซึ่งได้จากการวัดการเปลี่ยนเฟสเมื่อปล่อยให้เย็นตัวอย่างต่อเนื่อง หรืออีกนัยหนึ่งก็คือการทำให้โลหะเย็นตัวอย่างต่อเนื่องแล้ววัดอัตราการเปลี่ยนเฟสเทียบกับเวลาโดยต้องทำที่หลายๆ อัตราการเย็นตัว

แผนภาพ TTT มีลักษณะเส้นโค้งคู่ คล้ายๆ กับคู่ของตัว C โดยเส้นโค้งแรกแสดงเวลาที่ออสเทนไนต์เริ่มเกิดการเปลี่ยนเฟสหากชุบเหล็กกล้าไว้ที่อุณหภูมิคงที่ ส่วนเส้นโค้งหลังเป็นเส้นแสดงเวลาที่การเปลี่ยนเฟส ณ อุหภูมิคงที่นั้นสิ้นสุด โดยทั่วไปคู่ตัว C อาจจะมีเพียง 1 คู่ หรือ 2 คู่ ซ้อนเหลื่อมกันที่ช่วงอุณหภูมิสูงกับต่ำ หรืออาจจะแยกกันก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นกับธาตุผสมรองเป็นสำคัญ โดยคู่ตัว C บนสุดแสดงการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์ (hypoeutectoid steel) หรือเพิลร์ไลต์ (eutectoid steel) หรือ ซีเมนไทต์และเพิร์ลไลต์ (hypereutectoid steel) คู่ตัว C ที่อยู่ต่ำลงมาแสดงการเปลี่ยนเฟสเป็นเบนไนต์ (bainitic transformation) โดยอาจมีแยกย่อยเป็น2 คู่ ซึ่งเป็นการเกิดเบนไนต์อุณหภูมิสูง (upper bainite)และ การเกิดเบนไนต์อุณหภูมิต่ำ (lower bainite) ใต้คู่ตัว C สุดท้ายลงมาจะเป็นเส้นแสดงอุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ (Ms) และมีเส้นแสดงอุณหภูมิที่จะได้เป็นมาร์เทนไซต์ในปริมาณต่างๆ กัน ตามอุณหภูมิที่ลดต่ำลง เช่น เส้น 50%Msเป็นต้น เนื่องจากการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์นั้นเกิดขึ้นได้เร็วมากและปริมาณมาร์เทนไซต์ขึ้นกับอุณหภูมิเท่านั้น เส้นเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์จึงเป็นเส้นแนวนอนและส่งผลให้เส้นเริ่มการเปลี่ยนเฟสตลอดทั้งเส้นดูแล้วคล้ายตัว S จึงนิยมเรียกว่า เส้นโค้ง S (S-curve) แผนภาพ TTT ของเหล็กกล้าคาร์บอน AISI1080 และ เหล็กกล้าผสม AISI4340 โดยการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์  [William D., Jr. Callister,MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: AN INTRODUCTION, John Wiley&Sons, 7th edition 2007]

ส่วนบนของแผนภาพ TTT ของเหล็กกล้าคาร์บอน AISI1080 แสดงให้เห็นการเปลี่ยนจากออสเทนไนต์เป็นเพิร์ลไลต์เมื่อทิ้งไว้ที่อุณหภูมิคงที่ 

โดยที่จุด C ออสเทนไนต์เริ่มเปลี่ยนเป็นเพิร์ลไลต์และดำเนินต่อไปเรื่อยจนกลายเป็นเพิร์ลไลต์ทั้งหมดเมื่อเวลาผ่านไปจนถึงจุด D

[William D., Jr. Callister,MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: AN INTRODUCTION, JohnWiley&Sons, 7th edition 2007]

 

เนื่องจากการเปลี่ยนเฟสจากออสเทนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์นั้นต้องอาศัยการเย็นตัวที่รวดเร็วพอที่จะทำให้การแพร่เกิดขึ้นไม่ทัน และออสเทนไนต์จะต้องมีอุณหภูมิลดต่ำลงกว่าค่า Msด้วย จึงจะเกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ ดังนั้นปัจจัยหลัก 3 อย่างที่ให้ความสนใจบน TTT คือ

 

1. อัตราการเย็นตัวที่จำเป็นต้องใช้ในการยับยั้งการเปลี่ยนเฟสเป็นเฟอร์ไรต์และโครงสร้างเพิร์ลไลต์ (critical cooling rate) ซึ่งแสดงให้เห็นจากตำแหน่งจมูกของคู่ตัว C บน โดยยิ่งขยับไปทางขวา อัตราการเย็นตัววิกฤตจะมีค่าน้อย (ช้าลง) ทำให้สามารถชุบแข็งได้ด้วยอัตราการเย็นตัวที่ต่ำลง

 

2. อุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ (M_s) – ถ้าอุณหภูมิ M_sต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ก็จะไม่เกิดมาร์เทนไซต์ถ้าชุบให้เย็นลงมาที่อุณหภูมิห้อง

 

3. อุณหภูมิสิ้นสุดการเปลี่ยนเฟส เป็นมาร์เทนไซต์ (M_f) –ถ้าอุณหภูมิ M_f สูงกว่าอุณหภูมิห้อง การชุบเย็นลงมาที่อุณหภูมิห้องจะเกิดมาร์เทนไซต์ได้สมบูรณ์ อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วถ้ามีคาร์บอนละลายในออสเทนไนต์สูงกว่า 0.4% แล้ว ปริมาณมาร์เทนไซต์สูงสุดที่เป็นไปได้นั้นไม่ใช่ 100% โดยจะมีออสเทนไนต์เหลือค้างอยู่ด้วย อุณหภูมิ M_f นิยามขึ้นโดยใช้เกณฑ์ เช่น การเปลี่ยนเฟสสิ้นสุดที่ 95% มาร์เทนไซต์

 

ทั้งอัตราการเย็นตัววิกฤต และอุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์นั้นขึ้นกับธาตุผสมเป็นหลัก โดยมีลักษณะดังนี้

- ธาตุผสมส่วนใหญ่ช่วยขยับ เส้นโค้ง TTT ไปทางขวา ยกเว้น โคบอลต์ (Co)

- ปริมาณคาร์บอนมีผลสำคัญที่สุดต่ออุณหภูมิเริ่มการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ ธาตุผสมอื่นก็มีบทบาทเช่นกัน โดยสามารถประมาณการอุณหภูมิดังกล่าวได้จากความสัมพันธ์ เช่น

 

สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมต่ำ

M_s(^oC)»561 - 474C- 33Mn - 17Ni - 17Cr - 21Mo [1]

 

สำหรับเหล็กกล้าผสมสูง

M_s (^oC) »550 - 350C - 40Mn - 20Cr - 10Mo - 17Ni - 8W - 35V - 10Cu + 15Co + 30Al