ในวิทยาศาสตร์วัสดุการชุบแข็งคือการทำให้ชิ้นงานเย็น ตัวอย่างรวดเร็วในน้ำ ก๊าซ น้ำมัน โพลิเมอร์ อากาศ หรือของเหลวอื่นๆ เพื่อให้ได้ คุณสมบัติของวัสดุ ที่ต้องการ การชุบแข็งเป็นกระบวนการ อบชุบความร้อนชนิดหนึ่งซึ่งช่วยป้องกันกระบวนการที่ไม่พึงประสงค์ที่อุณหภูมิต่ำ เช่น การเปลี่ยนแปลง เฟสโดยการลดช่วงเวลาที่ปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้เกิดขึ้นได้ทั้งในทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ ตัวอย่างเช่น การชุบแข็งสามารถลดขนาดเกรนของผลึก ในวัสดุทั้งโลหะและพลาสติก ทำให้ ความแข็งเพิ่มขึ้น

ในด้านโลหะวิทยาการชุบแข็งมักใช้เพื่อเพิ่มความแข็งของเหล็กโดยการเหนี่ยวนำให้เกิด การเปลี่ยนแปลง มาร์เทนไซต์ซึ่งเหล็กจะต้องเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วผ่าน จุด ยูเทคทอยด์ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ ออส เทนไนต์ไม่เสถียร การเย็นตัวอย่างรวดเร็วจะป้องกันการก่อตัวของ โครงสร้าง ซีเมนต์ไทต์ แต่ จะบังคับให้คาร์บอนอะตอมละลายในแลตติซเฟอร์ไรต์^{[ 1 ] [ 2 ]}ในเหล็กที่ผสมกับโลหะเช่นนิกเกลและแมงกานีสอุณหภูมิยูเทคทอยด์จะต่ำลงมาก แต่สิ่งกีดขวางทางจลนศาสตร์ต่อการเปลี่ยนแปลงเฟสยังคงเหมือนเดิม ทำให้สามารถเริ่มการชุบแข็งได้ที่อุณหภูมิต่ำลง ทำให้กระบวนการง่ายขึ้นมากเหล็กความเร็วสูงยังมีทังสเตน เพิ่มเข้ามา ซึ่งทำหน้าที่เพิ่มสิ่งกีดขวางทางจลนศาสตร์ ซึ่งส่งผลให้คุณสมบัติของวัสดุ (ความแข็งและความต้านทานการสึกหรอ) เหมือนกับว่าชิ้นงานเย็นตัวลงเร็วกว่าที่เป็นจริง แม้แต่การทำให้โลหะผสมดังกล่าวเย็นตัวลงอย่างช้าๆ ในอากาศก็มีผลที่ต้องการส่วนใหญ่ของการชุบแข็ง เหล็กกล้าความเร็วสูงจะอ่อนตัวลงน้อยลงมากจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเนื่องจากการตัดด้วยความเร็วสูง^{[ 3 ]}

การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วมากอาจป้องกันการก่อตัวของโครงสร้างผลึกทั้งหมด ส่งผลให้เกิดโลหะอสัณฐานหรือ "โลหะแก้ว"

การชุบแข็งแบบควench เป็นกระบวนการทางกลที่ใช้ในการเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งให้กับเหล็กกล้าและโลหะผสมเหล็กหล่อ โลหะเหล่านี้ประกอบด้วยโลหะเหล็กและโลหะผสม โดยทำได้โดยการให้ความร้อนแก่โลหะจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ ซึ่งจะทำให้ได้วัสดุที่แข็งขึ้นโดยการเพิ่มความแข็งที่ผิวหน้าหรือเพิ่มความแข็งทั่วทั้งชิ้น ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัวของวัสดุ จากนั้นมักจะนำวัสดุไปอบคืนตัวเพื่อลดความเปราะที่อาจเพิ่มขึ้นจากกระบวนการชุบแข็งแบบควench ชิ้นงานที่อาจผ่านกระบวนการชุบแข็งแบบควench ได้แก่ เฟือง เพลา และชิ้นส่วนกันสึก

ก่อนการชุบแข็ง เหล็กหล่อและเหล็กกล้าจะมี โครงสร้างผลึก แบบเพอร์ไลต์ ที่เป็นเนื้อเดียวกันและเป็นชั้น (หรือเป็นแผ่น) ซึ่งเป็นส่วนผสมของเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไทต์ที่เกิดขึ้นเมื่อเหล็กกล้าหรือเหล็กหล่อถูกผลิตและเย็นตัวลงอย่างช้าๆ เพอร์ไลต์ไม่ใช่วัสดุที่เหมาะสมสำหรับงานโลหะผสมเหล็กทั่วไปหลายประเภท เนื่องจากค่อนข้างอ่อน โดยการให้ความร้อนแก่เพอร์ไลต์เกินอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะยูเทคทอยด์ที่ 727 °C แล้วทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว โครงสร้างผลึกบางส่วนของวัสดุสามารถเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างที่แข็งกว่ามากที่เรียกว่ามาร์เทนไซต์ เหล็กกล้าที่มีโครงสร้างมาร์เทนไซต์นี้มักใช้ในงานที่ชิ้นงานต้องทนต่อการเสียรูปสูง เช่น คมตัดของใบมีด ซึ่งมีประสิทธิภาพสูง

กระบวนการชุบแข็งเป็นกระบวนการต่อเนื่อง โดยเริ่มต้นจากการให้ความร้อนแก่ชิ้นงาน วัสดุส่วนใหญ่จะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 815 ถึง 900 องศาเซลเซียส (1,499 ถึง 1,652 องศาฟาเรนไฮต์) โดยต้องให้ความสำคัญกับการรักษาอุณหภูมิให้สม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงาน การลดความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอและความร้อนสูงเกินไปเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างคุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการ

ขั้นตอนที่สองในกระบวนการชุบแข็งคือการแช่ ชิ้นงานสามารถแช่ในอากาศ (เตาอบอากาศ) อ่างของเหลว หรือในสุญญากาศ เวลาที่แนะนำในการแช่ในอ่างเกลือหรือตะกั่วคือไม่เกิน 6 นาที เวลาในการแช่ในสุญญากาศอาจนานขึ้นเล็กน้อย เช่นเดียวกับในขั้นตอนการให้ความร้อน สิ่งสำคัญคืออุณหภูมิทั่วทั้งชิ้นงานต้องคงที่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในระหว่างการแช่

เมื่อชิ้นงานแช่น้ำเสร็จแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการทำให้เย็นลง ในขั้นตอนนี้ ชิ้นงานจะถูกจุ่มลงในของเหลวสำหรับชุบแข็งชนิดต่างๆ ซึ่งของเหลวสำหรับชุบแข็งแต่ละชนิดจะมีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติสุดท้ายของชิ้นงานที่ผ่านการชุบแข็ง น้ำเป็นของเหลวสำหรับชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดชนิดหนึ่งเมื่อต้องการความแข็งสูงสุด แต่ก็มีโอกาสเล็กน้อยที่จะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวและรอยแตกเล็กๆ เมื่อยอมรับความแข็งระดับหนึ่งได้ มักใช้น้ำมันแร่ ของเหลวที่ใช้น้ำมันเป็นส่วนประกอบเหล่านี้มักจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและก่อตัวเป็นตะกอนในระหว่างการชุบแข็ง ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของกระบวนการลดลง อัตราการเย็นตัวของน้ำมันจะน้อยกว่าน้ำมาก อัตราการเย็นตัวระดับกลางระหว่างน้ำและน้ำมันสามารถทำได้โดยใช้สารชุบแข็งที่คิดค้นขึ้นมาโดยเฉพาะ ซึ่งเป็นสารที่มีความสามารถในการละลายผกผันกับน้ำ ดังนั้นจึงตกตะกอนบนวัตถุเพื่อชะลออัตราการเย็นตัว

การชุบแข็งยังสามารถทำได้โดยใช้ก๊าซเฉื่อย เช่น ไนโตรเจนและก๊าซมีตระกูล ไนโตรเจนมักใช้ที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ โดยอาจสูงถึง 20 บาร์สัมบูรณ์ ฮีเลียมก็ใช้เช่นกันเพราะมีค่าความจุความร้อนมากกว่าไนโตรเจน หรืออาจใช้อาร์กอนก็ได้ แต่ความหนาแน่นของอาร์กอนทำให้ต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนที่มากกว่า และค่าความจุความร้อนก็ต่ำกว่าก๊าซทางเลือกอื่นๆ เพื่อลดการบิดเบี้ยวของชิ้นงาน ชิ้นงานทรงกระบอกยาวควรชุบแข็งในแนวตั้ง ชิ้นงานแบนควรชุบแข็งที่ขอบ และส่วนที่หนาควรใส่ลงในอ่างก่อน เพื่อป้องกันฟองไอน้ำ ควรคนอ่างให้ทั่ว

บ่อยครั้งหลังจากชุบแข็งแล้ว โลหะผสมเหล็กหรือเหล็กกล้าจะแข็งและเปราะมากเกินไปเนื่องจากมีมาร์เทนไซต์มากเกินไป ในกรณีเหล่านี้ จะต้องใช้เทคนิคการอบชุบความร้อนอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่าการอบคืนตัวกับวัสดุที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว เพื่อเพิ่มความเหนียวของโลหะผสมเหล็กการอบคืนตัวมักทำหลังจากชุบแข็งแล้ว เพื่อลด ความแข็งที่มากเกินไปและทำได้โดยการให้ความร้อนแก่โลหะที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดวิกฤตเป็นระยะเวลาหนึ่ง แล้วปล่อยให้เย็นตัวลงในอากาศนิ่ง

การระบายความร้อนเกิดขึ้นในสามขั้นตอนหลัก ได้แก่:

ขั้นตอน A: เกิดฟองไอน้ำขึ้นบนโลหะและเริ่มเย็นตัวลง

ในขั้นตอนนี้ เนื่องจากปรากฏการณ์ไลเดนฟรอสต์วัตถุจะถูกล้อมรอบด้วยไอน้ำอย่างสมบูรณ์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันจากของเหลวส่วนที่เหลือ

ขั้นตอนที่ B: การระบายความร้อนด้วยการถ่ายเทไอ

เมื่ออุณหภูมิลดลงมากพอ ชั้นไอจะสลายตัว และของเหลวจะสามารถสัมผัสกับวัตถุได้อย่างเต็มที่ ความร้อนจะถูกระบายออกไปได้เร็วขึ้นมาก

ขั้นตอนที่ C: การระบายความร้อนด้วยของเหลว

ขั้นตอนนี้เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของวัตถุต่ำกว่าจุดเดือดของของเหลว

มีหลักฐานการใช้กระบวนการชุบแข็งโดยช่างตีเหล็กย้อนกลับไปถึงช่วงกลางยุคเหล็กแต่มีข้อมูลรายละเอียดน้อยมากเกี่ยวกับการพัฒนาเทคนิคเหล่านี้และขั้นตอนที่ช่างตีเหล็กในยุคแรกใช้^{[ 4 ]}แม้ว่าช่างเหล็กในยุคแรกจะต้องสังเกตเห็นอย่างรวดเร็วว่ากระบวนการทำให้เย็นลงสามารถส่งผลต่อความแข็งแรงและความเปราะของเหล็กได้ และอาจกล่าวได้ว่าการอบชุบเหล็กเป็นที่รู้จักในโลกยุคโบราณตั้งแต่ปลายสหัสวรรษที่สองก่อนคริสต์ศักราช^{[ 5 ]}แต่ก็ยากที่จะระบุการใช้การชุบแข็งโดยเจตนาในทางโบราณคดี ยิ่งไปกว่านั้น ดูเหมือนว่าอย่างน้อยในยุโรป "การชุบแข็งและการอบคืนตัวแยกกันดูเหมือนจะไม่เป็นที่นิยมจนกระทั่งศตวรรษที่ 15" การแยกแยะระหว่าง "การชุบแข็งเหล็กอย่างสมบูรณ์" ซึ่งการชุบแข็งเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนเกิดเฉพาะมาร์เทนไซต์ และ "การชุบแข็งแบบหย่อน" ซึ่งการชุบแข็งช้าลงหรือถูกขัดจังหวะ ซึ่งช่วยให้เกิดเพิร์ลไลต์และส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มีความเปราะน้อยลงนั้นเป็นสิ่งที่มีประโยชน์^{[ 6 ]}

ตัวอย่างแรกสุดของเหล็กชุบแข็งอาจมาจากเมโสโปเตเมียโบราณ โดยมีตัวอย่างที่ค่อนข้างแน่นอนของสิ่วชุบแข็งจากศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสต์ศักราชจากอัลมินาในตุรกี^{[ 7 ]}หนังสือเล่มที่ 9 บรรทัดที่ 389-94 ของโอดิสซีของโฮเมอร์ถูกอ้างถึงอย่างกว้างขวางว่าเป็นเอกสารอ้างอิงถึงการชุบแข็งในยุคแรก ซึ่งอาจเป็นเอกสารอ้างอิงที่เป็นลายลักษณ์อักษรฉบับแรกสุด: ^{[ 4 ] [ 8 ]}

เช่นเดียวกับตอนที่ช่างตีเหล็กจุ่มใบขวานหรือสิ่วขนาดใหญ่ที่ส่งเสียงดังลงในน้ำเย็นเพื่อปรับความแข็ง เพราะนี่คือวิธีที่ทำให้เหล็กแข็งแกร่ง ดวงตาของไซคลอปส์ก็ส่งเสียงดังฉ่าๆ ขณะจ้องมองไปที่ลำมะกอก

อย่างไรก็ตาม ยังไม่แน่ชัดว่าข้อความดังกล่าวอธิบายถึงการทำให้แข็งตัวโดยเจตนา มากกว่าการทำให้เย็นลงเฉยๆ^{[ 9 ]}ในทำนองเดียวกัน มีความเป็นไปได้ที่มหาภารตะจะกล่าวถึงการชุบแข็งหัวลูกศรเหล็กด้วยน้ำมัน แต่หลักฐานนั้นมีปัญหา^{[ 10 ]}

พลินีผู้เฒ่าได้กล่าวถึงหัวข้อของสารชุบแข็ง โดยแยกแยะน้ำจากแม่น้ำต่างๆ^{[ 11 ]}บทที่ 18–21 ของDe diversis artis ในศตวรรษที่สิบสอง โดยธีโอฟิลัส เพรสไบเตอร์กล่าวถึงการชุบแข็ง โดยแนะนำว่า 'เครื่องมือจะได้รับการชุบแข็งให้แข็งขึ้นในปัสสาวะของเด็กชายผมแดงตัวเล็กๆ มากกว่าในน้ำธรรมดา' ^{[ 4 ]}หนึ่งในการอภิปรายเกี่ยวกับการชุบแข็งในยุคแรกๆ ที่สมบูรณ์ที่สุดคือหนังสือโลหะวิทยาเล่มแรกที่พิมพ์ในโลกตะวันตกVon Stahel und Eysenซึ่งตีพิมพ์ในปี 1532 ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของตำราทางเทคนิคในยุคกลางตอนปลาย

การศึกษาทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่เกี่ยวกับการดับเย็นเริ่มได้รับความสนใจอย่างแท้จริงตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 โดยมีก้าวสำคัญคือการอภิปรายที่นำโดยการสังเกตโดยGiambattista della PortaในMagia Naturalis ของเขาในปี 1558 ^{[ 12 ]}

• เครื่องบีบเย็น
• การอบชุบ
• การอบลายหินอ่อน
• การอบชุบความร้อนแบบออสเทมเปอร์
• การชุบแข็ง (โลหะวิทยา)

ลองค้นหาคำว่า "quenching"ใน Wiktionary ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับหัวข้อ"การดับความร้อน"ในวิกิมีเดียคอมมอนส์