บทที่ 9 โลหะอัลลอยย์ METAL ALLOYS

1. บทที่ 9โลหะอัลลอยย์METAL ALLOYS เนื้อหา • การแบ่งชนิดของโลหะอัลลอยย์ • เหล็กกล้าและโลหะผสมชนิดต่างๆ • คุณสมบัติต่างๆและการนำไปใช้งาน 1

2. ชนิดของโลหะอัลลอยย์ 2

3. เหล็กอัลลอยย์(Ferrous Alloys) • มีเหล็กเป็นส่วนประกอบหลัก • นำไปใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจาก • พบได้มากในชั้นของเปลือกโลก • มีกระบวนการและเทคโนโลยีที่ไม่ยุ่งยากและมีราคาถูก • สามารถนำไปใช้ได้หลากหลายและสะดวก 3

4. เหล็กกล้า(STEELS) เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา– นอกเหนือจากคาร์บอนและแมกนีเซียมเพียงเล็กน้อย จะมีเพียงสารปนเปื้อนอื่นๆที่หลงเหลือในระหว่างการผลิต เหล็กกล้าอัลลอยย์- มีธาตุอัลลอยย์ชนิดอื่นผสมในเหล็กกล้า 4

5. เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ(Low-carbon steels) • มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.25%โดยน้ำหนัก • ไม่เหมาะแก่การทำ heat treatmentเพื่อทำให้เกิดเป็น martensite • ทำให้มีความแข็งแรงมากขึ้นโดยวิธีเปลี่ยนรูปเย็น • ประกอบด้วยโครงสร้างแบบ ferriteและ pearlite • มีลักษณะนิ่ม, อ่อน แต่สามารถดัดงอได้และมีความเหนียว • ผ่านเครื่องจักร เช่น กลึง ไส และ ผ่านการเชื่อมได้ • ค่าใช้จ่ายในการผลิตต่ำ • การนำไปใช้ : automobile body, structure shape, sheet 5

6. เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (Medium-carbon steels) • มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.25-0.60%โดยน้ำหนัก • สามารถทำ heat treatmentโดยวิธี austenizing,quenchingและ tempering • ประกอบด้วยโครงสร้างแบบ tempering martensite • มีค่าความแข็งต่ำ มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำแต่มีค่าความสามารถในการดัดงอและความเหนียวน้อยกว่า • ผ่านเครื่องจักร เช่น กลึง ไส และ ผ่านการเชื่อมได้ • ค่าใช้จ่ายในการผลิตต่ำ • การนำไปใช้ : railway wheel and track, gear, crankshaft 6

7. SAE – the Society of Automotive Engineers AISI – the American Iron and Steel Institute ASTM – the American Society for Testing and Materials High-strength, low-alloy (HSLA) – ประกอบด้วยธาตุอัลลอยย์ชนิดอื่นสูงประมาณ10% โดยยน้ำหนัก มีค่าความแข็งแรงสูง ดัดงอได้ ขึ้นรูปง่าย ตัดแต่งโดยเครื่องจักรได้ และมีความต้านทานต่อการกักกร่อน 7

8. First two digits : alloy content Last two digits : carbon concentration Plain carbon steel First two – 1 and 0 Third and fourth – weight percent multiply by 100 Ex. 1060 : plain carbon steel containing 0.60 wt%C 8

9. เหล็กกล้าคาร์บอนสูง(High-carbon steels) • 0.60 – 1.4 wt%C • มีความแข็งและความแข็งแรงสูงสุด แต่มีความสามารถในการดัดงอต่ำสุด • ใช้ได้ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง และ ต้องการความแข็งสูง มีความต้านทานต่อการขูดขีด • มีส่วนประกอบอื่น เช่น chromium, vanadium, tungsten, molybdenum • การนำไปใช้งาน: tool and die 9

10. เหล็กกล้าไร้สนม(Stainless steels) • มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูง • มีโครเมี่ยมอย่างน้อย 11%โดยน้ำหนัก Martensite stainless steel – สามารถผ่านกระบวนการheat treatmentมีคุณสมบัติทางด้านแม่เหล็ก Austenite stainless steel – สามารถทำให้มีความแข็งแรงและความแข็งเพิ่มขึ้นโดยวิธีเปลี่ยนรูปเย็น มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงสุด (เนื่องจากมีโครเมี่ยมและนิเกิลมาก) ไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก Ferritic stainless steel -สามารถทำให้มีความแข็งแรงและความแข็งเพิ่มขึ้นโดยวิธีเปลี่ยนรูปเย็นมีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก 10

11. เหล็กหล่อ(Cast Irons) • มีคาร์บอนมากกว่า2.14 wt%,ส่วนมากมีประมาณ3.0 – 4.5 wt% • เปราะมาก Graphite formation – presence of silicon greater than 1 wt% - slower cooling rate during solidification Fe3C  3Fe() + C (graphite) 11

12. เหล็กสีเทา(Gray Irons) • 2.4 – 4 wt% carbon, 1 – 3 wt%silicon • มีเกล็ดกราไฟต์รอบ ferriteหรือ pearlite • ความแข็งแรงต่ำและเปราะภายใต้แรงดึง แต่มีความแข็งแรงและเหนียวภายใต้แรงอัด • มีความต้านทานต่อการขูดขีด • มีราคาถูกที่สุดในบรรดาวัสดุโลหะทั้งหมด 12

13. เหล็กเหนียว(Ductile or nodular Irons) • มีการใส่แมกนีเซียมและ หรือซีเรียมลงในเหล็กสีเทาก่อนการหล่อ • กราไฟต์ที่เกิดขึ้นมีรูปร่างกลม • มีความแข็งแรงและความสามารถในการดัดงอสูงกว่าเหล็กสีเทา • การนำไปใช้งาน : valve, pump body, crankshaft gear, automotive machine component 13

14. เหล็กสีขาว(White Irons) • มีซิลิกอน น้อยกว่า 1 wt% • เกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว • คาร์บอนปรากฏในรูปของ cementite • รอยแตกที่เกิดขึ้นมีสีขาว • มีความแข็งมาก แต่เปราะ และไม่สามารถผ่านกระบวนการเครื่องจักรได้ • การนำไปใช้งาน : roller and roller mill 14

15. เหล็กอ่อน(Malleable Irons) • การทำให้เหล็กสีขาวร้อนอีกครั้งที่ 800-900Cเป็นระยะเวลานาน และที่บรรยากาศที่นิ่ง • cementiteจะฟอร์มตัวเป็นกราไฟต์ทีเป็นเกล็ดและถูกล้อมด้วย ferriteหรือ pearlite • มีความแข็งแรงสูง และมีความสามารถในการดัดงอและความอ่อนสูง • การนำไปใช้งาน : connecting rods, flanges, pipe fitting, valve parts for railroad, marine 15

16. Composition ranges for cast iron 16

17. โลหะอัลลอยย์ที่ไม่มีเหล็กประกอบโลหะอัลลอยย์ที่ไม่มีเหล็กประกอบ Cast alloy– brittle forming or shape by castingWrought alloy– amenable to mechanical deformation 17

18. ทองแดงและอัลลอยย์ทองแดงทองแดงและอัลลอยย์ทองแดง ทองแดง : นิ่ม, ดัดงอง่าย, ยากต่อการตัดแต่งด้วยเครื่องจักร, มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูง อัลลอยย์ทองแดง : ไม่สามารถเพิ่มความแข็งแรงด้วยวิธี heat treatmentแต่สามารถทำได้โดยวิธีการเปลี่ยนรูปเย็น หรือทำให้เป็นสารละลายของแข็ง Brass– Zinc predominant - soft, ductile, easily to cold work - yellow Bronze– tin, Al, silicon, nickle - stronger than brass - high degree of corrosion resistant, good tensile prop. Heat-treatable copper – beryllium copper - high tensile strength, excellent electrical and corrosion prop. 18

19. อลูมินัมและอัลลอยย์อลูมินัมอลูมินัมและอัลลอยย์อลูมินัม • มีความหนาแน่นต่ำ, การนำความร้อนและไฟฟ้าสูง, ต้านทานต่อการกัดกร่อนสูง • มีความสามารถในการดัดงอสูง : แผ่นฟอยล์อลูมินัม • จุดเดือดต่ำ • เพิ่มความแข็งแรงโดยวิธีการเปลี่ยนรูปเย็น หรือทำให้เป็นสารละลายของแข็ง Low density metal– use in transportation, reduction in fuel consumption Specific strength = tensile strength – specific gravity ratio Al-Ti alloy – use in aircraft and aerospace - low density, high elastic modulus-specific gravity ratio - excellent fatigue, low temp toughness prop. - expensive because of processing technology 19

20. แมกนีเซียมและอัลลอยย์แมกนีเซียมแมกนีเซียมและอัลลอยย์แมกนีเซียม • ความหนาแน่นต่ำ, นิ่ม, ค่า elastic modulusต่ำ • ที่อุณหภูมิห้อง ยากต่อการขึ้นรูป • ขึ้นรูปได้โดยการหล่อ หรือ การเปลี่ยนรูปร้อนที่ 200-350C • จุดหลอมเหลวต่ำ • มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูงที่สภาพอากาศปกติ • ผงที่ละเอียดของแมกนีเซียมสามารถเกิดประกายไฟได้ง่ายเมื่อถูกทำให้ร้อนในอากาศ • การนำไปใช้งาน : aircraft, missile, luggage, replaced plastic 20

21. ไททาเนียมและอัลลอยย์ไททาเนียมไททาเนียมและอัลลอยย์ไททาเนียม • เป็นการรวมเอาคุณสมบัติที่ดีหลายๆ ด้านไว้ด้วยกัน • ความหนาแน่นต่ำ จุดหลอมเหลวสูง • ค่า elastic modulus , ความแข็งแรง, ความสามารถในการดัดงอและขึ้นรูป สูง • ทำปฏิกิริยากับสารอื่นที่อุณหภูมิสูง • ไม่เหมาะกับวิธี conventional refiningหรือการหล่อ เนื่องจากมีราคาสูง • มีค่าความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูงที่สภาพอากาศปกติ • การนำไปใช้งาน: airplane structure, surgery implants, petroleum and chemical industries 21

22. โลหะประเภทRefractory metals • มีจุดหลอมเหลวสูงมาก • ได้แก่ niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta) • พันธะระหว่างอะตอมมีความแข็งแรงมาก, มีค่า elastic modulusสูง, มีความแข็งแรงและความแข็งสูง • การนำไปใช้งาน :Ta and W are alloyed with stainless steel for corrosion resistant, Mo alloys – die, x-ray tube 22

23. โลหะประเภทSuper alloys • รวมเอาคุณสมบัติที่ดีที่สุด หลายอย่างไว้ด้วยกัน • สามารถใช้ในสภาพที่แวดล้อมที่มีการออกซิไดซ์สูง • การนำไปใช้งาน : aircraft turbine, utilized in nuclear reactors, petroleum equipments โลหะประเภทNoble metals • ได้แก่ พวกธาตุที่มีค่าในกลุ่ม 8 : silver, gold, platinum, palladium, rhodium • มีความนิ่ม, เหนียว และต้านทานต่อการเกิดออกซิไดซ์ • การนำไปใช้งาน : aircraft turbine, utilized in nuclear reactors, petroleum equipments 23