คุณสมบัติของเหล็ก สภาพยืดหยุ่น และการเลือกใช้เหล็กให้ตรงกับงาน

เหล็กคือ ทรัพยากรธรรมชาติที่นำมาผ่านกรรมวิธีแปรรูปเพื่อการใช้งาน และถือได้ว่าเป็นวัสดุที่ใช้ได้ทั้งงานก่อสร้าง งานที่ช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับวัตถุและสิ่งของต่างๆ มาอย่างแพร่หลายตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน อย่างที่กล่าวมาขั้นต้นนั้น การนำแร่ธาตุจากธรรมชาติมาแปรรูปเพื่อใช้งาน จำเป็นต้องมีมาตรฐานที่เป็นรูปแบบเหมือนกันในการแปรรูปเพื่อให้เกิดความปลอดภัยในการใช้งานของผู้บริโภค

คุณสมบัติของเหล็ก

คุณสมบัติของเหล็กที่ผ่านการแปรรูปแล้วที่สามารถนำไปใช้ในงานได้หลักๆ คือความทนทานทั้งต่อการใช้งานและสภาพแวดล้อม พร้อมทั้งต้องมีความยืดหยุ่นที่ดี สามารถนำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ หลังจากนั้นในกระบวนการเลือกใช้เหล็กให้เหมาะสมกับงานนั้นก็ขึ้นอยู่กับดุลพินิจของวิศวกรผู้ควบคุมงาน ที่ต้องคิดและคำนวณดูปัจจัยในเรื่องต่างๆ ทั้งปัจจัยภายในและภายนอกเพื่อให้เกิดความปลอดภัยต่อผู้ใช้งานมากที่สุด ซึ่งคุณสมบัติของเหล็กก็มีดังนี้

1. สภาพยืดหยุ่น (Elasticity)

เป็นคุณสมบัติที่ของแข็งหรือเหล็กสามารถเปลี่ยนรูปร่างรูปทรงได้ เมื่อมีแรงกระทำที่พอดี สามารถแบ่งออกได้อีก 2 ประเภท

1. สภาพยืดหยุ่น (elasticity) คือ คุณสมบัติที่วัตถุหรือของแข็งเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปเมื่อได้รับแรงกระทำที่เพียงพอและสามารถคืนกลับสู่สภาพปกติได้เมื่อไม่มีแรงมากระทำ
2. สภาพพลาสติก (plasticity) คือ คุณสมบัติที่วัตถุเปลี่ยนแปลงรูปร่างไปอย่างถาวรเมื่อได้รับแรงกระทำที่เพียงพอ โดยที่พื้นผิวภายนอกไม่แตกหักหรือฉีกขาด

2. ความเค้น (Stress)

เป็นคุณสมบัติทางฟิสิกส์ สามารถอธิบายได้ว่า เป็นความเข้มข้นของแรงกระทำระหว่างอนุภาคภายในของวัตถุหรือของแข็งชิ้นนั้นๆ ต่อแรงภายนอกที่กระทำเพิ่มเข้าไป โดยในกระบวนการทดสอบมาตรฐานของเหล็กนั้น จะใช้การวัดความเข้มข้นของแรงกระทำภายในเฉลี่ยต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวภายใน

3. ความเครียด (Strain)

เป็นคุณสมบัติที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัตถุเมื่อได้รับแรงภายนอกมากระทำ หรือกล่าวง่ายๆ คือ อัตราส่วนของรูปร่างที่เปลี่ยนไปต่อรูปร่างเดิม การวัดและคำนวณหาความเครียดสามารถทำได้ 2 ลักษณะ คือ แบบเส้นตรง (แรงที่มีกระทำมีละกษณะเป็นแรงกด แรงดึง) และแบบเฉือน (แรงที่มีกระทำเป็นแรงแบบเฉือน)

4. การดึงเป็นเส้น (Ductile)

เป็นคุณสมบัติของวัตถุหรือเหล็กที่สามารถทำให้เพิ่มความยาว ขึ้นรูป หรือดึงออกมาเป็นเส้นได้โดยง่าย ถึงแม้ว่าจะได้รับแรงกระทำเข้าไปเพียงเล็กน้อย ซึ่งเหล็กที่มีคุณสมบัติเหล่านี้จะมีคุณสมบัติความยืดหยุ่นแบบพลาสติก ที่เป็นการแปรรูปอย่างถาวรสามารถคืนสภาพเดิมได้ยาก ตัวอย่างของเหล็กและโลหะแปรรูปที่มีคุณสมบัตินี้คือ ตะกั่ว และทองแดง เป็นต้น

5. ความเปราะ (Brittle)

เป็นคุณสมบัติของวัตถุทุกชนิดที่จะมีขีดกำจัดของความยืดหยุ่นเป็นของตนเอง เมื่อวัตถุชิ้นนั้นๆ ได้รับแรงกระทำที่มากเกิดขีดจำกัดก็จะทำให้เกิดการเปราะแตกได้ ซึ่งวัตถุที่มีความเปราะสูงไม่ได้หมายความว่าเป็นวัตถุที่ไม่ทนทาน ยกตัวอย่างเช่น แก้วหรือเซรามิกที่มีความเปราะสูงแต่สามารถทนแรงดึงได้มากกว่าโลหะบางชนิด ดังนั้นคุณสมบัติข้อนี้นั้นใช้เป็นตัวเลือกที่ใช้ในการพิจารณาเลือกใช้ให้เหมาะสมกับงาน

การเลือกใช้เหล็กให้ตรงกับการใช้งานควรเลือกอย่างไร

ในการเลือกใช้งานของเหล็กแปรรูปนั้น เนื่องจากประเภทของเหล็กมีความหลายหลายมาก อาจทำให้เกิดความสับสนและการเลือกใช้งานที่ผิดรูปแบบ ส่งผลต่อเนื่องไปยังความแข็งแรง ความทนทานและความปลอดภัยของผู้บริโภค ทำให้สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมมีการกำหนดมาตรฐาน มอก.เพื่อให้เกิดความเข้าใจที่ตรงกันของทั้งผู้ผลิตและผู้บริโภคทั่วประเทศไทย ซึ่งได้มีการทำป้ายระบุรายละเอียดต่างๆ ไว้ ได้แก่ บริษัทผู้ผลิต, ประเภทของเหล็ก, ขนาดทั้งเรื่องของความยาว ความกว้างหน้าตัด, วัน เดือน ปีที่ผลิต และที่สำคัญคือ มีการระบุเครื่องหมายมอก.ที่แสดงให้เห็นว่าวัสดุชนิดนี้ได้ผ่านการรับรองมาตรฐานเรียบร้อยแล้ว

เหล็กกับภัยพิบัติจากธรรมชาติครั้งใหญ่

ปัญหาภัยพิบัติทางธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของแผ่นดินไหวหรือวาตภัย โครงสร้างของอาคารบ้านเรือนมีความสำคัญเป็นอย่างมาก เนื่องจากอาคารเหล่านั้นต้องได้รับแรงสั่นสะเทือนของพื้นดินที่รุนแรงหรือต้องทนทานต่อการสั่นไหวจากลม ซึ่งจะอาศัยคุณสมบัติความแข็งแรงอย่างเดียวไปเพียงพอ แต่จำเป็นต้องมีการเสริมคุณสมบัติความเหนียวและความทนทานเข้าไปด้วย ดังนั้นในโครงสร้างอาคารและบ้านเรืองจึงจำเป็นต้องมีการเสริมเหล็ก เพื่อเสริมสร้างคุณสมบัติที่คอนกรีตอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ อีกทั้งการเสริมเหล็กยังเอื้อต่อการออกแบบโครงสร้างสถาปัตยกรรมให้มีความหลายหลากมากยิ่งขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การสร้างโครงสร้างให้ยื่นออกไปเพื่อเป็นการรองรับแรงสั่นสะเทือน หรือการโค้งการดัดต่างๆ เพื่อให้เกิดสะพานเกิดรูปร่างที่สวยงามแตกต่างและการรับน้ำหนักที่มากขึ้น

เหล็กโครงสร้างรูปพรรณ หรือการเสริมเหล็ก

เป็นวิธีหนึ่งที่ได้รับการยอมรับว่ามีมาตรฐาน ในการออกแบบก่อสร้างอาคารบ้านเรือนที่มีความทนทานต่อภัยพิบัติทางธรรมชาติได้เป็นอย่างดี เพราะโครงสร้างที่มีการเสริมเหล็กเข้าไปจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติของคอนกรีตที่มีเพียงความทนทานให้เพิ่มความเหนียวและความยืดหยุ่นเข้ามา

คอนกรีตเสริมเหล็ก

คอนกรีตเสริมเหล็กถือว่าเป็นโครงสร้างที่ใช้ในการออกแบบและก่อสร้างอาคารบ้านเรือน เช่น ใช้เป็นพื้นหรือฐานของอาคาร ใช้เป็นบันได และคานรับน้ำหนัก เป็นต้น ที่มีคุณสมบัติทางกลในเรื่องของการรับน้ำหนัก ซึ่งทำหน้าที่หลักในการรับแรงดึงและแรงอัดเท่านั้น

ประเภทของเหล็กแปรรูปที่ใช้เป็นเหล็กเสริมในคอนกรีตนั้นมีอยู่ด้วยกันทั้งหมด 2 ประเภท ได้แก่ เหล็กเส้นกลมและเหล็กข้ออ้อย ที่เป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมของคาร์บอนต่ำทำให้เหล็กเหล็กหนาแน่นละเอียดมากกว่าเหล็กประเภทอื่นๆ และเพื่อความปลอดภัยในการใช้งานก่อนนำเหล็กเหล่านี้ออกมาใช้ ทางผู้ผลิตจะต้องทำการทดสอบคุณสมบัติของเหล็กกล้าทั้งคุณสมบัติทางกายภาพ และคุณสมบัติทางกลของเหล็กก่อนเสมอ

จึงสามารถสรุปได้แล้วว่าเหล็กนั้นถือว่าเป็นวัสดุแปรรูปจากธรรมชาติที่มีความสำคัญมากในสังคมปัจจุบัน ทั้งช่วยในเรื่องเพิ่มความแข็งแรง ป้องกันอันตรายจากภัยพิบัติและสร้างความปลอดภัยในชีวิตประจำวัน ส่วนในเรื่องของการเลือกใช้งานให้เหมาะสมนั้นควรอยู่ในดุลพินิจของผู้เชี่ยวชาญเพื่อให้เกิดความปลอดภัยสูงสุดต่อผู้ใช้งาน