สวัสดีครับทุกๆ คน ก่อนอื่นก็ต้องกราบขออภัยด้วยครับ
ที่เงียบหายไป เนื่องจากติดภาระกิจเลยไม่มีเวลาค้นคว้าและหาขอมูลเพิ่มเติม มัวแต่ยุ่งอยู่แต่กับเรื่องการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาค
ไม่ว่าจะเป็นงาน On-Site (Replica) หรืองานใน Lab
เองก็ตามพอทำบ่อยๆ เข้าเลยเกิดข้อสงสัยและสนใจในเรื่องของโครงสร้างจุลภาคจึงได้เขียนบทความนี้ขึ้นโดยมีเนื้อหามาจากหนังสือ
วิศวกรรมย้อนรอย เพื่อการสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์ใหม่และอะไหล่ทดแทน
ซึ่งมีเนื้อหาดังต่อไปนี้ครับ
โครงสร้างจุลภาคคืออะไร ?
โดยนิยาม โครงสร้างจุลภาค (microstructure) คือ
สภาพหรือลักษณะของพื้นผิวที่ปรากฏของชิ้นงานที่ผ่านการเตรียมเพื่อการตรวจสอบภายใต้กล้องจุลทรรศน์
ณ กำลังขยายสูงกว่า 25 เท่า ในทางปฏิบัติ
โครงสร้างจุลภาคของโลหะมักจะประกอบไปด้วยเกรน (Grain) และเฟสต่างๆ ซึ่งหากเป็นเนื้อหลักจะเรียกว่า เมทริกซ์ (Matrix)
แต่หากเป็นก้อนเล็กๆ ในเนื้อหลักจะเหมาเรียกรวมๆ ว่า อนุภาค (Particle)
|
ตัวอย่างภาพถ่ายโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้อง
Optical microscopy
ตัวอย่างภาพถ่ายโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้อง
Scanning electron microscopy ; SEM
เราวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคและส่วนผสมทางเคมีไปทำไม
?
เหตุผลในการวิเคราะห์โครงสร้างและส่วนผสมทางเคมีของโลหะมีหลายประการ
ได้แก่
1.
เพื่อศึกษากลไกลการเกิดโครงสร้างจุลภาค
และความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคกับสมบัติต่างๆ ของโลหะ
2.
เพื่อตรวจสอบและยืนยันระดับคุณภาพของชิ้นงาน
3.
เพื่อวิเคราะห์ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับชิ้นงานในระหว่างการใช้งาน
4.
เพื่อการทำวิศวกรรมย้อนรอยชิ้นส่วนที่ผลิตจากโลหะชนิดหนึ่งๆ
เพิ่มเติม
ในการทำวิศวกรรมย้อนรอยโครงสร้างจุลภาคและส่วนผสมทางเคมีของโลหะนั้น
ผู้ทำการวิเคราะห์ควรมีความคุ้นเคยกับโลหะวิทยาของโลหะชนิดที่กำลังศึกษาอยู่เป็นอย่างดี
ถ้าหากไม่คุ้นเคยมากนัก ก็จำเป็นต้องค้นคว้าจากเอกสารมาตรฐานต่างๆ
สอบถามผู้รู้และอาจจะต้องทำการทดลองในระดับห้องปฏิบัติการ (Lab scale) เพื่อทดสอบสมมติฐานและคำถามที่สงสัย
เอกสารอ้างอิงสำคัญที่ควรกล่าวถึง ได้แก่ ASM Handbook Vol. 9 ซึ่งมุ่งเน้นข้อมูลทางด้าน Metallography and Microstructure และเอกสารอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับแผนภาพเฟส (Phase diagram) การอบชุบ (Heat treatment) และกรรมวิธีการขึ้นรูปแบบต่างๆ
ไม่ว่าจะเป็นการหล่อ (Casting) การขึ้นรูปด้วยแรงทางกล (Metal
forming) และการขึ้นรูปจากโลหะผง (Powder metallurgy) รวมทั้งกรรมวิธีพิเศษเฉพาะทางอื่นๆ อีกมากมาย
โครงสร้างจุลภาคสามารถเปลี่ยนแปลงตามปัจจัยอะไรได้บ้าง
?
โครงสร้างจุลภาคและส่วนผสมทางเคมีอาจเปลี่ยนแปลงไปในขั้นตอนต่างๆ
นับตั้งแต่เริ่มการผลิต จนถึงการใช้งาน ซึ่งปัจจัยที่มีผลกระทบได้แก่ เริ่มจากขบวนการผลิตซึ่งในที่นี้จะขอกล่าวถึงผลกระทบของขบวนการผลิตต่อโครงสร้างจุลภาคและส่วนผสมทางเคมีพอเป็นตัวอย่างเท่านั้น
เช่น
-
การหล่อโลหะ (Casting) อัตราการเย็นตัวของน้ำโลหะเป็นปัจจัยหลักที่สำคัญประการหนึ่งที่กำหนดความหยาบหรือความละเอียดของโครงสร้างจุลภาค
รวมทั้งเฟสต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้นได้ เช่น น้ำโลหะยิ่งเย็นตัวเร็ว
จะได้โครงสร้างที่เล็กละเอียดยิ่งขึ้น โดยลักษณะการกระจายตัวของธาตุผสมและสารมลทินจะแตกต่างกันออกไป
หรือ ถ้าทำให้น้ำเหล็กซึ่งปกติแล้วเย็นตัวช้าๆ จะได้เหล็กหล่อเทา
แต่ถ้าเกิดการเย็นตัวอย่างรวดเร็วมากเพียงพอ ก็จะได้เหล็กหล่อขาว
เนื่องจากคาร์บอนแยกตัวออกมาไม่ทัน จึงรวมตัวกับเหล็กเกิดเป็นเหล็กคาร์ไบด์
เป็นต้น
-
การขื้นรูปโดยใช้แรงทางกล (Deformation processing) ลักษณะของการรับแรงจากการรีดเป็นแผ่น
(Rolling) การทุบขึ้นรูป
(Forging) การดึงเป็นเส้น (Wire drawing) การอัดรีด (Extrusion) การกดลึกขึ้นรูปหรือลากขึ้นรูป
(Deep drawing) จะทำให้เกรนไหลตัว (flow) แตกต่างกันไปตามแนวแรง
นอกจากนี้เครงสร้างจุลภาคยังขึ้นกับอุณหภูมิที่ใช้ในการขึ้นรูปด้วยเช่นกัน
ว่าการขึ้นรูปนั้นเป็นแบบร้อน (Hot deformation) หรือเย็น (Cold
deformation)
-
การอบชุบ (Heat treatment) ทำให้โครงสร้างจุลภาคและการกระจายตัวของธาตุผสมแตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์ของการอบชุบนั้นๆ
เช่น การอบโฮโมจิไนซ์ (Homogenization) เพื่อให้อะลูมิเนียมผสมมีส่วนผสมทางเคมีสม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงาน
หรือการอบชุบเหล็กกล้าเพื่อความแข็งแรง
เป็นการปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคให้เป็นมาร์เทนไซต์หรือเทมเปอร์มาร์เทนไซต์
เป็นต้น
-
การใช้งาน ในระหว่างการใช้งาน
โครงสร้างจุลภาคและส่วนผสมทางเคมีของโลหะอาจเปลี่ยนแปลงไปได้
เนื่องจากสาเหตุหลายประการ เช่น
1.
ความร้อน ถ้าหากโลหะต้องรับความร้อนเป็นเวลานานๆ
เกรนจะเกิดการโต (Grain growth) และอนุภาคต่างๆ
อาจเพิ่มขนาด (Particle coarsening) ซึ่งมักจะส่งผลให้โลหะชิ้นนั้นมีสมบัติทางกลด้อยลง
2.
สารเคมี ถ้าหากผิวโลหะสัมผัสกับสารเคมี
ก็อาจเกิดสนิม หรือสูญเสียธาตุผสมที่สำคัญบางตัวไป เช่น
การสูญเสียสังกะสีของผิวทองเหลือง (Dezincification) เป็นต้น
3.
แรงทางกล โลหะที่รับแรงนานๆ
อาจเกิดการบิดเบี้ยวเสียรูป ถ้าแรงนั้นกระทำกลับไปกลับมาก็อาจเกิดความล้า
และถ้าผิวของโลหะถูกเสียดสีก็จะเกิดการสึกหรอขึ้นได้
เทคนิคที่ใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคและส่วนผสมทางเคมีมีอะไรบ้าง
?
โครงสร้างจุลภาค เทคนิคที่ใช้วิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคอาจเรียกรวมๆ
ได้เป็นเทคนิคทางจุลทรรศน์ (Microscopy) ซึ่งหลักๆ ประกอบไปด้วย
กล้องจุลทรรศน์แบบแสง (Optical microscopy ; OM), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนนิง
(Scanning electron microscopy ; SEM) และ
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบทรานสมิชชัน (Transmission electron microscopy
; TEM)
ส่วนผสมทางเคมี ถ้าหากเป็นส่วนผสมในระดับมหาภาค (Macroscopic)
หรือส่วนผสมของทั้งก้อน เทคนิคที่นิยมใช้ได้แก่
อิมิชชันสเปกโทรเมทรี (Emission spectrometry) เอกซ์เรย์ฟูออเรสเซนส์
(X-ray fluorescence, XRF) แต่ถ้าหากเป็นส่วนผสมในระดับจุลภาค
เทคนิคที่สามารถใช้ศึกษา เช่น Energy Dispersive Spectrometry ; EDS) และ Wavelength dispersive spectrometry ; WDS เป็นต้น
สมบัติทางกล
สมบัติทางกลในระดับจุลภาคที่รู้จักกันดี ได้แก่ ความแข็งระดับจุลภาค (Micro hardness) ซึ่งมีหน่วยเป็น (ไมโคร) วิกเกอร์
(Vickers) และนูป (Knoop) ทั้งนี้ในปัจจุบันเริ่มมีการวัดความแข็งในระดับนาโนที่เรียกว่า
การทดสอบความแข็งในระดับนาโน (Nano hardness test) ซึ่งว่างๆ
จะไปค้นคว้าและนำมาบอกกล่าวให้ได้ทราบกันในโอกาสต่อไป ขอบคุณครับ
