Grain Size Effect

Grain Size Effect เป็นกลไกหนึ่งในการเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งให้กับโลหะ ถ้าโลหะมีขนาดเกรนเล็กก็จะทำให้โลหะนั้นแข็งและแข็งแรงมากกว่าโลหะที่มีขนาดเกรนใหญ่กว่า

เกรน (Grain) คืออะไร :-

ก่อนที่จะอธิบายว่าเกรนคืออะไร ขอเท้าความไปถึงโครงสร้างผลึกของโลหะเสียก่อน โลหะมีโครงสร้างแบบผลึก (Crystalline structure) โดยอะตอมในผลึกจะจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบและมีรูปแบบ เรียกว่า สเปซแลททิซ (Space lattice) ดังแสดงในภาพ A สเปซแลททิซเกิดจากยูนิตเซล (Unit cell) หลายๆ ยูนิตเซลประกอบเข้าด้วยกัน (ภาพ B) ซึ่งยูนิตเซลก็คือหน่วยย่อยซ้ำๆ ของสเปซแลททิซนั่นเอง สำหรับของแข็งที่ไม่มีโครงสร้างที่มีรูปแบบดังกล่าว เราจะเรียกว่า เป็นวัสดุอสัณฐาน (Amorphous)

ภาพ A ภาพสเปซแลททิซแบบคิวบิค (Simple Cubic Space Lattice)
ที่มา : http://genchem.chem.wisc.edu/

ภาพ B ภาพสเปซแลททิซที่ประกอบจากยูนิตเซลหลายๆ ยูนิตเซลรวมตัวกัน
ที่มา : http://www.ul.ie/~walshem/fyp/

ภาพ C โครงสร้างผลึก (Crystal structure)
ที่มา : http://www.ami.ac.uk/

โลหะที่ใช้ในงานวิศวกรรมส่วนใหญ่จะมีโครงสร้างแบบจัดเรียงตัวกันแน่น (close-packed structure) เนื่องจากโครงสร้างแบบนี้จะส่งผลให้โลหะมีความเหนียว เมื่อโลหะรับแรง จะยืดออกก่อนที่จะแตกหัก ซึ่งสามารถใช้ทำนายสมบัติของโลหะได้ว่าโลหะนั้นเปราะหรือเหนียว สามารถรับแรงได้มากน้อยเพียงใดก่อนที่จะเกิดความเสียหายหรือแตกหักขึ้น

มาเข้าเรื่องเกรนกันดีกว่า จากที่กล่าวแล้วก่อนหน้านี้ว่าโลหะมีโครงสร้างแบบผลึก เราสามารถใช้คำว่า “เกรน” อธิบายลักษณะของผลึกที่อยู่ในเนื้อโลหะได้ ลองนึกถึงเมื่อเราตีน้ำสบู่ให้เกิดฟอง ฟองสบู่ที่ลอยอยู่บนน้ำจะวิ่งจับตัวกัน เกาะกัน ขยายขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ โดยจุดเริ่มต้นที่ให้ฟองสบู่แต่ละฟองมาเกาะตัวนั้น จะไม่ใช่แค่จุดเดียว แต่จะมีหลายๆ จุด ซึ่งเปรียบเสมือนนิวเคลียสของเนื้อโลหะนั่นเอง แต่ละฟองของฟองสบู่ก็จะมาเกาะฟองที่เป็นจุดเริ่มต้น ฟองสบู่ที่อยู่รอบๆ ฟองที่เป็นจุดเริ่มต้น ก็จะวิ่งมาเกาะกัน จัดเรียงตัวแบบเดียวกันซ้ำๆ กัน และแต่ละกลุ่มของฟองสบู่ก็จะมีลักษณะการเรียงตัวที่ต่างกัน เมื่อฟองสบู่เกาะกัน ขนาดของกลุ่มฟองก็โตขึ้นเรื่อยๆ จนฟองสบู่ของแต่ละกลุ่มมาชนกันเอง กลุ่มฟองสบู่หนึ่งกลุ่ม ก็เปรียบเสมือนเกรนหนึ่งเกรน (Grain) ซึ่งแต่ละเกรนก็จะมีการจัดเรียงตัวของอะตอมที่ต่างกัน ส่วนบริเวณที่ฟองสบู่แต่ละกลุ่มมาชนกัน จะเป็นบริเวณที่แบ่งความแตกต่างของการจัดเรียงอะตอมในแต่ละเกรน เปรียบเสมือนขอบเกรน (Grain boundary) นั่นเอง

ภาพ D ลักษณะเกรนของฟองสบู่
ที่มา : http://www.ami.ac.uk/

ถึงตอนนี้ ทุกคนคงรู้จักเกรนกันแล้ว คราวนี้เรามาทำรู้จักเกรนในโลหะที่เกิดจากการแข็งตัวของน้ำโลหะกันบ้าง เมื่อน้ำโลหะเย็นตัวลง จะเกิดการแข็งตัวเป็นขั้นๆ โดยขั้นแรกจะเกิดการฟอร์มตัวของนิวเคลียสก่อน ขั้นนี้เราเรียกว่าเกิด Nucleation ขึ้น (ภาพ E1) หลังจากนั้นนิวเคลียสจะขยายขนาดขึ้นจนเป็นผลึก (ภาพ E2) ผลึกจะรวมตัวกันขยายขนาดใหญ่ขึ้นจนชนกันเกิดเป็นเกรนขึ้น บริเวณที่เกรนชนกันก็คือขอบเกรนนั่นเอง (ภาพ E5)

ภาพ E การแข็งตัวของโลหะ
ที่มา : http://www.ami.ac.uk/

เมื่อรู้จักเกรนกันแล้ว เราก็มาดูสิว่าขนาดของเกรนมีผลต่อความแข็งและความแข็งแรงของโลหะอย่างไร โลหะที่มีเกรนอยู่จำนวนมาก หรือมีขนาดเกรนเล็ก จะส่งผลให้โลหะนั้นมีความแข็งและความแข็งแรงมากกว่าโลหะที่มีเกรนอยู่จำนวนน้อย หรือมีขนาดเกรนใหญ่ (เกรนหยาบ) เนื่องจากว่ากลไกในการทำให้โลหะมีความแข็งมากขึ้นก็คือ การทำให้ดิสโลเคชั่น (Dislocation) ในโครงสร้างของโลหะนั้นเคลื่อนที่ได้ยากขึ้น – ‘Make dislocations hard to move’ ดิสโลเคชั่นก็คือ จุดบกพร่องภายในเนื้อของโลหะนั่นเอง เกรนที่มีขนาดเล็กจะมีปริมาณเกรนจำนวนมาก นั่นหมายถึงการมีขอบเกรนจำนวนมากตามไปด้วย บริเวณขอบเกรนจะมีการจัดเรียงตัวของอะตอมที่ไม่เป็นระเบียบ ขอบเกรนจึงเป็นตัวขัดขวางการเลื่อนตัว (slip) ของอะตอม เป็นผลให้ระนาบการเลื่อนตัว ( slip plane) ขาดความต่อเนื่องในการเลื่อนตัวจากเกรนหนึ่งไปยังอีกเกรนหนึ่ง ทำให้ดิสโลเคชั่นเคลื่อนที่ยากขึ้น เมื่อดิสโลเคชั่นเคลื่อนที่ยากเมื่อถูกแรงกระทำ นั่นก็เป็นสาเหตุให้โลหะแข็งขึ้นนั่นเอง เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Grain Size Effect” นั่นหมายความว่า ยิ่งโลหะมีขนาดเกรนละเอียดมาก โลหะนั้นก็จะมีความแข็งมากขึ้นตามไปด้วย