โครงสร้างจุลภาค

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)

                        แต่ถ้าหากอนุภาคนี้เป็นอนุภาคที่เกิดจากความตั้งใจของผู้พัฒนาส่วนผสมของโลหะ โดยอนุภาคเกิดจากการตกตะกอนออกมา ไม่ว่าจะจากสภาพของเหลวหรือของแข็ง จะเรียกอนุภาคนั้นว่า ตะกอน (Precipitate) แต่ถ้าหากอนุภาคนั้นเกิดจากสารมลทิน (เช่น แมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) ในเนื้อเหล็กกล้าและเหล็กหล่อ) จะเรียกอนุภาคนั้นว่า อินคลูชัน (Inclusion) 

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