เหล็กกล้าคาร์บอน ( สหรัฐอเมริกา ) หรือเหล็กกล้าไร้โลหะผสม (ยุโรป) คือเหล็กที่มี ปริมาณ คาร์บอนตั้งแต่ประมาณ 0.05 ถึง 2.1 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก นิยามของเหล็กกล้าคาร์บอนจากสถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งอเมริกา (AISI) ระบุไว้ดังนี้:

• ไม่มีการระบุหรือกำหนดปริมาณขั้นต่ำสำหรับโครเมียมโคบอลต์โมลิบเดนัม นิกเกลไนโอเบียมไทเทเนียมทังสเตนวานาเดียมเซอร์โคเนียมหรือธาตุอื่นใดที่จะต้องเติมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การผสมโลหะที่ต้องการหรือ
• ปริมาณทองแดง ขั้นต่ำที่กำหนดไว้ ต้องไม่เกิน 0.40% หรือ
• ปริมาณสูงสุดที่ระบุสำหรับองค์ประกอบใดๆ ต่อไปนี้ต้องไม่เกินเปอร์เซ็นต์ที่ระบุไว้: แมงกานีส 1.65%, ซิลิคอน 0.60%, ทองแดง 0.60% ^{[ 1 ]}

การเติมโลหะอื่นๆ ในปริมาณมาก เช่น นิกเกล โครเมียม วานาเดียม โมลิบเดนัม จะทำให้คุณสมบัติของวัสดุเปลี่ยนจากเหล็กกล้าคาร์บอนเป็นเหล็กกล้าผสม

เมื่อเปอร์เซ็นต์ปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น เหล็กจะมีคุณสมบัติแข็งและแข็งแรงขึ้นเมื่อผ่านการอบชุบด้วยความร้อน อย่างไรก็ตาม ความ ยืดหยุ่นจะลดลง ไม่ว่าจะผ่านการอบชุบด้วยความร้อนหรือไม่ก็ตาม ปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นจะทำให้ความสามารถในการเชื่อม ลดลง ในเหล็กกล้าคาร์บอน ปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นจะทำให้จุดหลอมเหลวลดลง^{[ 2 ]}

เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมีประโยชน์ใช้สอยมากมาย โดยส่วนใหญ่จะใช้ในงานที่ต้องการความแข็งแรงปานกลางและต้นทุนวัสดุต่ำ เช่น ลวดเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง สปริง สลักเกลียว เครื่องมือทำสวนและเกษตรกรรม สิ่วไม้ และขวาน

เหล็กกล้าคาร์บอนมักแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและเหล็กกล้าคาร์บอนสูง นอกจากนี้ยังอาจมีธาตุอื่นๆ เช่น แมงกานีส ฟอสฟอรัส กำมะถัน และซิลิคอน ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของเหล็กได้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำสามารถขึ้นรูปและเชื่อมได้ง่าย ทำให้มีความอเนกประสงค์และเหมาะสำหรับงานต่างๆ ที่ต้องการความแข็งแรงในระดับที่เหมาะสมและต้นทุนวัสดุต่ำ เช่น แผ่นตัวถังรถยนต์ สะพานลอย ราวบันได เฟอร์นิเจอร์สวน/ม้านั่งในสวนสาธารณะ ตะปู ประตู เป็นต้น เหล็กกล้าคาร์บอนสูงนั้นขึ้นรูปได้ยากกว่าและไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมมากนัก แต่สามารถอบชุบความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง และความทนทานได้

เหล็กกล้าคาร์บอนมีความเสี่ยงต่อการเกิดสนิมและการกัดกร่อน โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงและ/หรือมีเกลือสูง สามารถป้องกันการกัดกร่อนได้โดยการเคลือบด้วยสี วานิช หรือวัสดุป้องกันอื่นๆ หรืออาจผลิตจากโลหะผสมสแตนเลสที่มีโครเมียม ซึ่งให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม เหล็กกล้าคาร์บอนสามารถผสมกับธาตุอื่นๆ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติ เช่น การเติมโครเมียมและ/หรือนิกเกลเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนและการออกซิเดชัน หรือการเติมโมลิบเดนัมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียวที่อุณหภูมิสูง

เหล็กกล้าอ่อน (เหล็กที่มีคาร์บอนในปริมาณเล็กน้อย แข็งแรงและเหนียว แต่ไม่สามารถอบชุบได้ง่าย) หรือที่รู้จักกันในชื่อเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาและเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ปัจจุบันเป็นเหล็กกล้าชนิดที่พบได้ทั่วไปมากที่สุด เนื่องจากมีราคาค่อนข้างต่ำ ในขณะเดียวกันก็มีคุณสมบัติของวัสดุที่ยอมรับได้สำหรับการใช้งานหลายประเภท เหล็กกล้าอ่อนมีคาร์บอนประมาณ 0.05–0.30% ^{[ 1 ]}ทำให้มีความอ่อนตัวและเหนียว เหล็กกล้าอ่อนมีความแข็งแรงดึงค่อนข้างต่ำ แต่ราคาถูกและขึ้นรูปได้ง่าย ความแข็งของพื้นผิวสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการคาร์บูไรเซชัน^{[ 3 ]}

ความหนาแน่นของเหล็กกล้าอ่อนอยู่ที่ประมาณ 7.85 กรัม/ซม^³ (7,850 กก./ม^³ ; 0.284 ปอนด์/ลูกบาศก์นิ้ว) ^{[ 4 ]}และโมดูลัสของยังคือ 200 GPa (29 × 10⁶ ^psi  ) ^{[ 5 ]}^

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ^{[ 6 ]}แสดงให้เห็นถึงการหมดจุดครากโดยที่วัสดุมีจุดคราก สองจุด จุดครากแรก (หรือจุดครากบน) จะสูงกว่าจุดครากที่สอง และค่าความครากจะลดลงอย่างมากหลังจากจุดครากบน หากเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำถูกทำให้เครียดเพียงจุดใดจุดหนึ่งระหว่างจุดครากบนและจุดครากล่าง พื้นผิวจะเกิดแถบLüder ^{[ 7 ]}เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมีคาร์บอนน้อยกว่าเหล็กกล้าชนิดอื่นและขึ้นรูปเย็นได้ง่ายกว่า ทำให้จัดการได้ง่ายกว่า^{[ 3 ]}การใช้งานทั่วไปของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ได้แก่ ชิ้นส่วนรถยนต์ ท่อ การก่อสร้าง และกระป๋องอาหาร^{[ 8 ]}

เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่า ~0.3% สามารถปรับความแข็งและความแข็งแรงดึงได้ด้วยการอบชุบความร้อน การให้ความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 850 องศาเซลเซียส ตามด้วยการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว/การชุบแข็งในน้ำหรือน้ำมัน จะเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงดึง แต่ก็จะลดความอ่อนตัว เพิ่มความเปราะ และทำให้เกิดการแตกหักได้ง่ายขึ้น เพื่อลดปัญหาความเปราะเหล่านี้ ในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งและความแข็งแรงดึง ในระดับสูง เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหรือปานกลางจึงถูกผสมกับโลหะอื่นๆเหล็กกล้าผสม เหล่านี้ ยังต้องการการอบชุบความร้อนเฉพาะเพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลที่ต้องการ และ การแลกเปลี่ยนระหว่าง ความแข็งแรงดึง /ความแข็งกับความอ่อนตัวยังคงอยู่ แต่ในระดับที่น้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอนผสมต่ำ ส่วนผสมของโลหะผสม ได้แก่โครเมียม โมลิบเดนัม ซิลิคอนแมงกานีสนิกเกลและวานาเดียม ความหายากและราคาสูงของโลหะเหล่านี้เมื่อเทียบกับเหล็กเป็นปัจจัยหลักที่จำกัดการใช้งาน

• เหล็กกล้า 41xx
  • เหล็กกล้า 4140
  • เหล็กกล้า 4145
• เหล็กกล้า 4340
  • เหล็กกล้า 300 ม.
• เหล็กกล้า EN25 – เหล็กกล้าผสมนิกเกล-โครเมียม-โมลิบเดนัม 2.521%
• เหล็กกล้า EN26

เหล็กกล้าคาร์บอนที่สามารถผ่านกระบวนการอบชุบความร้อนได้สำเร็จจะมีปริมาณคาร์บอนอยู่ในช่วง 0.30–1.70% โดยน้ำหนัก สารเจือปนในปริมาณเล็กน้อยของธาตุ อื่นๆ อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของเหล็กกล้าที่ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กำมะถันในปริมาณเล็กน้อย จะ ทำให้เหล็กกล้าเกิดการเปราะและแตกง่ายที่อุณหภูมิการทำงานสูง เหล็กกล้าคาร์บอนอัลลอยต่ำ เช่น เกรด A36มีกำมะถันประมาณ 0.05% และมีจุดหลอมเหลวประมาณ 1,426–1,538 °C (2,600–2,800 °F) ^{[ 9 ]} มักมีการเติม แมงกานีสเพื่อปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ การเติมเหล่านี้ทำให้วัสดุกลายเป็นเหล็กกล้าอัลลอยต่ำตามคำจำกัดความบางประการ แต่ คำจำกัดความของเหล็กกล้าคาร์บอนของ AISIอนุญาตให้มีแมงกานีสได้ถึง 1.65% โดยน้ำหนัก เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมีสองประเภท ได้แก่ เหล็กกล้าคาร์บอนสูงและเหล็กกล้าคาร์บอนสูงพิเศษ เหตุผลที่เหล็กกล้าคาร์บอนสูงมีการใช้งานอย่างจำกัดคือ มีความยืดหยุ่นและการเชื่อมที่ไม่ดีอย่างมาก และมีต้นทุนการผลิตที่สูงกว่า การใช้งานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนสูงคือการใช้งานในอุตสาหกรรมสปริง อุตสาหกรรมการเกษตร และในการผลิตลวดที่มีความแข็งแรงสูงหลากหลายชนิด^{[ 10 ] [ 11 ]}

เหล็กกล้าไร้โลหะผสมมีหลายประเภท

เหล็กกล้าคาร์บอนแบ่งออกเป็นสี่ประเภทตามปริมาณคาร์บอน: ^{[ 1 ]}

• เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมีปริมาณคาร์บอน 0.05 ถึง 0.15% (เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา) ^{[ 1 ]}
• เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางมีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.3–0.5% ^{[ 1 ]}มีคุณสมบัติที่สมดุลระหว่างความเหนียวและความแข็งแรง และมีความต้านทานการสึกหรอที่ดี ใช้สำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ การตีขึ้นรูป และชิ้นส่วนยานยนต์^{[ 12 ] [ 13 ]}
• เหล็กกล้าคาร์บอนสูง เช่น โลหะผสม 1075 (C75) และ 1095 มีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.6 ถึง 1.0% ^{[ 1 ]}เหล็กกล้าเหล่านี้มีความแข็งแรงมาก และใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น สปริง เครื่องมือมีคม และลวดที่มีความแข็งแรงสูง^{[ 14 ]}
• เหล็กกล้าคาร์บอนสูงพิเศษมีปริมาณคาร์บอนประมาณ 1.25–2.0% ^{[ 1 ]}เหล็กกล้า D2 ที่มีปริมาณคาร์บอน 1.5% จัดอยู่ในประเภทนี้ เหล็กกล้า UHC สามารถอบชุบให้มีความแข็งสูงได้ และใช้สำหรับวัตถุประสงค์พิเศษ เช่น มีด เพลา และเครื่องเจาะ (ที่ไม่ใช่เพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรม) เหล็กกล้าส่วนใหญ่ที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2.5% ผลิตโดยใช้โลหะวิทยาผง

มาตรฐาน EN 10020 แบ่งประเภทเหล็กกล้าไร้โลหะผสมออกเป็นสองกลุ่มหลัก:

• เหล็กกล้าไร้โลหะผสมคุณภาพสูง: เหล็กกล้าประเภทนี้เป็นเหล็กกล้าไร้โลหะผสมที่ใช้กันทั่วไปในงานโครงสร้างทั่วไปและหาซื้อได้ง่าย คุณสมบัติของเหล็กกล้าประเภทนี้รับประกันได้ แต่มีค่าความคลาดเคลื่อนที่กว้างกว่าเหล็กกล้าชนิดพิเศษ ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าโครงสร้าง เช่น S235, S275 และ S355 ซึ่งกำหนดไว้ในมาตรฐาน EN 10025
• เหล็กกล้าพิเศษที่ไม่ผสมอัลลอย: เหล็กกล้าเหล่านี้ผลิตขึ้นด้วยความบริสุทธิ์สูงกว่าและมีองค์ประกอบทางเคมีที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น ออกแบบมาเพื่อใช้งานที่ต้องการคุณสมบัติที่สม่ำเสมอและเฉพาะเจาะจง ซึ่งมักจะทำได้โดยผ่านกระบวนการอบชุบความร้อน เช่น การชุบแข็งและการอบคืนตัว ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าที่ใช้สำหรับชิ้นส่วนเครื่องจักรหรือเฟือง

จุดประสงค์ของการอบชุบเหล็กกล้าคาร์บอนคือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลของเหล็ก โดยทั่วไปคือความยืดหยุ่น ความแข็ง ความแข็งแรงคราก หรือความต้านทานแรงกระแทก โปรดทราบว่าการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย เช่นเดียวกับเทคนิคการเสริมความแข็งแรงของเหล็กส่วนใหญ่ค่าโมดูลัสของยัง (ความยืดหยุ่น) จะไม่ได้รับผลกระทบ การอบชุบเหล็กทุกวิธีจะแลกเปลี่ยนความยืดหยุ่นกับความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน เหล็กมีความสามารถในการละลายของคาร์บอนใน เฟส ออสเทนไนต์ สูงกว่า ดังนั้นการอบชุบความร้อนทั้งหมด ยกเว้นการทำให้เป็นทรงกลมและการอบอ่อนตามกระบวนการ จะเริ่มต้นด้วยการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิที่เฟสออสเทนไนต์สามารถคงอยู่ได้ จากนั้นเหล็กจะถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (ดึงความร้อนออก) ในอัตราปานกลางถึงต่ำ ทำให้คาร์บอนแพร่กระจายออกจากออสเทนไนต์ก่อตัวเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (ซีเมนต์ไทต์) และเหลือเฟอร์ไรต์ หรือในอัตราสูง จะดักจับคาร์บอนไว้ภายในเหล็กจึงก่อตัวเป็นมาร์เทนไซต์ อัตราการเย็นตัวของเหล็กผ่าน อุณหภูมิ ยูเทคทอยด์ (ประมาณ 727 °C หรือ 1,341 °F) ส่งผลต่ออัตราการแพร่ของคาร์บอนออกจากออสเทนไนต์และก่อตัวเป็นซีเมนต์ไทต์ โดยทั่วไปแล้ว การเย็นตัวอย่างรวดเร็วจะทำให้เหล็กคาร์ไบด์กระจายตัวอย่างละเอียดและได้เพิร์ลไลต์ที่มีขนาดเกรนละเอียดใน ขณะ ที่การเย็นตัวอย่างช้าๆ จะให้เพิร์ลไลต์ที่มีขนาดใหญ่กว่า การเย็นตัวของเหล็กไฮโปยูเทคทอยด์ (คาร์บอนน้อยกว่า 0.77% โดยน้ำหนัก) จะส่งผลให้เกิดโครงสร้างแบบลามิลลาร์-เพิร์ลไลต์ของชั้นเหล็กคาร์ไบด์ที่มีอัลฟา -เฟอร์ไร ต์ (เหล็กบริสุทธิ์เกือบทั้งหมด) อยู่ระหว่างชั้น หากเป็นเหล็กไฮเปอร์ยูเทคทอยด์ (คาร์บอนมากกว่า 0.77% โดยน้ำหนัก) โครงสร้างจะเป็นเพิร์ลไลต์ทั้งหมดโดยมีซีเมนต์ไทต์ ขนาดเล็ก (ใหญ่กว่าลามิลลาร์ของเพิร์ลไลต์) ก่อตัวขึ้นที่ขอบเกรน เหล็กยูเทคทอยด์ (คาร์บอน 0.77%) จะมีโครงสร้างเพิร์ลไลต์ตลอดทั้งเกรนโดยไม่มีซีเมนต์ไทต์ที่ขอบเกรน ปริมาณสัมพัทธ์ของส่วนประกอบต่างๆ หาได้โดยใช้กฎคานงัด ต่อไปนี้คือรายการประเภทของการอบชุบด้วยความร้อนที่เป็นไปได้:

การทำให้เป็นทรงกลม

สเฟียรอยไดต์เกิดขึ้นเมื่อเหล็กกล้าคาร์บอนถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 700 °C (1,300 °F) เป็นเวลานานกว่า 30 ชั่วโมง สเฟียรอยไดต์สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า แต่เวลาที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากเป็นกระบวนการที่ควบคุมโดยการแพร่ ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างของแท่งหรือทรงกลมของซีเมนต์ไทต์ภายในโครงสร้างหลัก (เฟอร์ไรต์หรือเพิร์ลไลต์ ขึ้นอยู่กับว่าคุณอยู่ด้านใดของยูเทคทอยด์) จุดประสงค์คือเพื่อทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนสูงอ่อนตัวลงและขึ้นรูปได้ง่ายขึ้น นี่คือรูปแบบของเหล็กที่อ่อนที่สุดและเหนียวที่สุด^{[ 15 ]}

การอบอ่อนอย่างสมบูรณ์

เหล็กกล้าคาร์บอนไฮโปยูเทคทอยด์ (องค์ประกอบคาร์บอนน้อยกว่ายูเทคทอยด์) จะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิออสเทนิกติก (A ₃ ) ประมาณ 30 ถึง 50 °C (54 ถึง 90 °F) ในขณะที่เหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเทคทอยด์จะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่ายูเทคทอยด์ (A ₁ ) เป็นเวลาหลายชั่วโมง ซึ่งจะทำให้เฟอร์ไรต์ ทั้งหมด เปลี่ยนเป็นออสเทนิต (แม้ว่าซีเมนต์ไทต์อาจยังคงมีอยู่ในเหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเทคทอยด์) จากนั้นเหล็กกล้าจะต้องถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ ในอัตรา 20 °C (36 °F) ต่อชั่วโมง โดยปกติแล้วจะใช้วิธีการทำให้เย็นลงในเตาเผา โดยปิดเตาเผาในขณะที่เหล็กกล้ายังคงอยู่ภายใน ซึ่งจะทำให้เกิดโครงสร้างเพิร์ลไลต์หยาบ ซึ่งหมายความว่า "แถบ" ของเพิร์ลไลต์จะหนา^{[ 16 ]}เหล็กกล้าที่ผ่านการอบอ่อนอย่างสมบูรณ์จะอ่อนนุ่มและเหนียวไม่มีแรงเค้นภายใน ซึ่งมักจำเป็นสำหรับการขึ้นรูปที่คุ้มค่า เฉพาะเหล็กทรงกลมเท่านั้นที่อ่อนกว่าและมีความยืดหยุ่นมากกว่า^{[ 17 ]}

กระบวนการอบอ่อน

กระบวนการนี้ใช้เพื่อลดความเค้นในเหล็กกล้าคาร์บอนที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นซึ่งมีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.3% โดยปกติแล้วเหล็กจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 550 ถึง 650 องศาเซลเซียส (1,000 ถึง 1,200 องศาฟาเรนไฮต์) เป็นเวลา 1 ชั่วโมง แต่บางครั้งอาจใช้อุณหภูมิสูงถึง 700 องศาเซลเซียส (1,300 องศาฟาเรนไฮต์) ภาพด้านบนแสดงบริเวณที่ใช้ในการอบอ่อน

การอบอ่อนแบบไอโซเทอร์มอล

กระบวนการนี้เป็นการนำเหล็กกล้าไฮโปยูเทคทอยด์มาให้ความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตบน จากนั้นคงอุณหภูมินี้ไว้ระยะหนึ่ง แล้วลดอุณหภูมิลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤตล่าง และคงอุณหภูมินี้ไว้อีกครั้ง สุดท้ายจึงทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง วิธีนี้ช่วยขจัดความแตกต่างของอุณหภูมิได้

การทำให้เป็นปกติ

เหล็กกล้าคาร์บอนจะถูกให้ความร้อนจนถึงบริเวณออสเทนไนต์ เพื่อให้แน่ใจว่าเหล็กจะเปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์อย่างสมบูรณ์ จากนั้นจึงค่อยๆ เย็นตัวลงในอากาศ การทำให้เหล็กเป็นปกติมักทำเพื่อปรับปรุงโครงสร้างเกรน เพิ่มความแข็งแรงเมื่อเทียบกับเหล็กอบอ่อน และ/หรือเพื่อให้โครงสร้างภายในมีความสม่ำเสมอมากขึ้น^{[ 18 ]}

การชุบแข็ง

เหล็กกล้าคาร์บอนที่มีคาร์บอนอย่างน้อย 0.4 wt% จะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิปกติ แล้วจึงทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (ชุบแข็ง) ในน้ำ น้ำเกลือ หรือน้ำมันจนถึงอุณหภูมิวิกฤต อุณหภูมิวิกฤตขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน แต่โดยทั่วไปแล้วจะต่ำลงเมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นรูปแบบของเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนอิ่มตัวเกินในโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ศูนย์กลาง (BCC) ที่เสียรูป ซึ่งเรียกอย่างถูกต้องว่าโครงสร้างแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสศูนย์กลาง (BCT) โดยมีแรงเค้นภายในมาก ดังนั้นเหล็กชุบแข็งจึงแข็งมากแต่เปราะมักจะเปราะเกินไปสำหรับการใช้งานจริง แรงเค้นภายในเหล่านี้อาจทำให้เกิดรอยแตกบนพื้นผิว เหล็กชุบแข็งจะแข็งกว่าเหล็กปกติประมาณสามเท่า (สี่เท่าหากมีคาร์บอนมากขึ้น) ^{[ 19 ]}

การอบมาร์เทมเปอร์ (การอบมาร์เควนชิ่ง)

การอบชุบมาร์เทมเปอร์ไม่ใช่กระบวนการอบชุบที่แท้จริง ดังนั้นจึงใช้คำว่ามาร์ค วenching แทน มันเป็นรูปแบบหนึ่งของการอบชุบด้วยความร้อนแบบไอโซเทอร์มอลที่ใช้หลังจากทำการชุบเย็นครั้งแรก โดยทั่วไปจะอยู่ในอ่างเกลือหลอมเหลว ที่อุณหภูมิสูงกว่า "อุณหภูมิเริ่มต้นของมาร์เทนไซต์" เล็กน้อย ที่อุณหภูมินี้ ความเค้นตกค้างภายในวัสดุจะถูกคลายออก และอาจเกิดเบไนต์ขึ้นจากออสเทนไนต์ที่คงเหลืออยู่ซึ่งไม่มีเวลาเปลี่ยนไปเป็นอย่างอื่น ในอุตสาหกรรม กระบวนการนี้ใช้เพื่อควบคุมความเหนียวและความแข็งของวัสดุ การอบชุบมาร์ควenching ที่นานขึ้นจะช่วยเพิ่มความเหนียวโดยสูญเสียความแข็งแรงน้อยที่สุด เหล็กจะถูกแช่ในสารละลายนี้จนกว่าอุณหภูมิภายในและภายนอกของชิ้นส่วนจะเท่ากัน จากนั้นเหล็กจะถูกทำให้เย็นลงด้วยความเร็วปานกลางเพื่อรักษาระดับความแตกต่างของอุณหภูมิให้น้อยที่สุด กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดความเค้นภายในและรอยแตกจากความเค้นเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความต้านทานต่อแรงกระแทกอีกด้วย^{[ 20 ]}

การอบชุบ

นี่คือการอบชุบความร้อนที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากคุณสมบัติสุดท้ายสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำโดยอุณหภูมิและเวลาของการอบคืนตัว การอบคืนตัวเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่เหล็กที่ชุบแข็งอีกครั้งที่อุณหภูมิต่ำกว่า อุณหภูมิ ยูเทคทอยด์แล้วจึงทำให้เย็นลง อุณหภูมิที่สูงขึ้นช่วยให้เกิดสเฟียรอยไดต์ในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งช่วยคืนความยืดหยุ่นแต่ลดความแข็งลง อุณหภูมิและเวลาที่ใช้จริงจะถูกเลือกอย่างระมัดระวังสำหรับแต่ละองค์ประกอบ^{[ 21 ]}

การอบชุบความร้อนแบบออสเทมเปอร์

กระบวนการออสเทมเปอร์ริ่งนั้นเหมือนกับกระบวนการมาร์เทมเปอร์ริ่ง ยกเว้นว่าการชุบแข็งจะถูกขัดจังหวะ และเหล็กจะถูกแช่ในอ่างเกลือหลอมเหลวที่อุณหภูมิระหว่าง 205 ถึง 540 °C (400 ถึง 1,000 °F) จากนั้นจึงทำให้เย็นลงในอัตราปานกลาง เหล็กที่ได้เรียกว่าเบไนต์ ซึ่งจะสร้างโครงสร้างจุลภาคแบบเข็มในเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (แต่ต่ำกว่ามาร์เทนไซต์) มีความยืดหยุ่นมากกว่า ทนต่อแรงกระแทกได้ดีกว่า และมีการบิดเบี้ยวน้อยกว่าเหล็กมาร์เทนไซต์ ข้อเสียของออสเทมเปอร์ริ่งคือสามารถใช้ได้กับเหล็กแผ่นเพียงไม่กี่แผ่นเท่านั้น และต้องใช้อ่างเกลือพิเศษ^{[ 22 ]}

กระบวนการชุบแข็งผิวจะทำให้เฉพาะส่วนนอกของชิ้นส่วนเหล็กแข็งตัวเท่านั้น ทำให้เกิดผิวที่แข็งและทนต่อการสึกหรอ (เรียกว่า "ผิว") แต่ยังคงรักษาความเหนียวและความยืดหยุ่นของส่วนภายในไว้ เหล็กกล้าคาร์บอนไม่ สามารถ ชุบแข็งได้ ดี นัก หมายความว่าไม่สามารถชุบแข็งได้ทั่วทั้งชิ้นในชิ้นงานหนาๆ เหล็กกล้าผสมสามารถชุบแข็งได้ดีกว่า ดังนั้นจึงสามารถชุบแข็งได้ทั่วทั้งชิ้นและไม่จำเป็นต้องชุบแข็งผิว คุณสมบัติของเหล็กกล้าคาร์บอนนี้มีประโยชน์ เพราะทำให้พื้นผิวมีคุณสมบัติทนต่อการสึกหรอที่ดี แต่ส่วนแกนกลางยังคงมีความยืดหยุ่นและดูดซับแรงกระแทกได้ดี

^{[ 23 ]}

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเหล็กกล้าคาร์บอน

• DeGarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), วัสดุและกระบวนการในการผลิต (ฉบับที่ 9), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Oberg, E. และคณะ (1996), คู่มือเครื่องจักร (ฉบับที่ 25), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), พื้นฐานของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ (ฉบับที่ 4), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.