การล้า : ความเข้าใจเกี่ยวกับลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัว (Fatigue Fracture and Failure)

ท่านทราบหรือไม่ว่าผิวหน้าแตกหักดังกล่าวสามารถบ่งบอกสาเหตุและความเป็นมาของการเสียหายได้อย่างไร?

ผิวหน้าแตกหักของชิ้นงานมีประโยชน์อย่างมากสำหรับนักวิเคราะห์ความเสียหาย เนื่องจากบนผิวหน้าดังกล่าวมีรายละเอียดมากมายที่สามารถบ่งบอกไปถึงสาเหตุของการเสียหายที่เกิดขึ้นได้ ไม่ว่าจะเป็นจุดเริ่มต้น การขยายตัวของรอยแตก ระยะเวลา แรงและทิศทางที่กระทำกับชิ้นงาน จากข้อมูลที่ได้มีการรวบรวมกันไว้ในอดีตที่ผ่านมาจนถึงปัจจุบัน เราพบว่าการแตกหักเสียหายจากการล้าตัวเป็นรูปแบบการเสียหายที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรกลและโครงสร้างต่างๆ ประมาณ 80-90 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัวจึงเป็นศาสตร์ที่น่าศึกษาอย่างยิ่ง


ก่อนอื่นเรามารู้จักกับนิยามของการล้าตัวก่อนดีไหมครับ การล้า (Fatigue) หมายถึงการที่ชิ้นงานรับแรงซ้ำไปซ้ำมาหรือเป็นคาบ (Cyclic stress) ทำให้เกิดรอยร้าวขึ้น จนรอยร้าวที่เกิดขึ้นมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆภายในชิ้นงาน ในที่สุดชิ้นงานจะเหลือพื้นที่รับแรงเพียงเล็กน้อย และจะเกิดการแตกหักอย่างกะทันหันที่ความเค้นต่ำ สำหรับวิศวกรและนักวัสดุที่ได้คลุกคลี สัมผัสและเรียนรู้ ความเสียหายของวัสดุเนื่องจากการล้าตัว คงจะพอมองเห็นภาพได้คร่าวๆ นะครับว่าผิวหน้าแตกหักดังกล่าวมีลักษณะเป็นอย่างไร บางท่านที่มีประสบการณ์มากหน่อย เมื่อเห็นผิวหน้าแตกหักก็สามารถบอกได้เลยว่าชิ้นงานมีจุดเริ่มต้นการแตกหักบริเวณไหน แตกจากแรงกระทำประเภทใด หรือเสียหายจากสาเหตุใด การที่เราศึกษาผิวหน้าแตกหักทำให้เราได้รับข้อมูลเกี่ยวกับสาเหตุที่เกิดขึ้น ผิวหน้าแตกหักสามารถแสดงชนิดและทิศทางของแรงที่กระทำบนชิ้นงาน ขนาดและความผันแปรของแรง นอกจากนั้นยังสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ระยะเวลาจากการเริ่มต้นจนถึงการแตกหักช่วงสุดท้ายได้ ซึ่งบทความที่ผมกำลังจะนำเสนอนี้ให้ถือว่าเป็นการทบทวนความรู้ โดยผมจะนำเสนอด้วยการอธิบายประกอบรูปภาพ และรายละเอียดอื่นๆ ที่จำเป็น เชิญติดตามได้เลยครับ........

ภาพที่ 1 ภาพสเกตแสดงลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัว

ภาพที่ 1 แสดงลักษณะที่ปรากฏหลักบนผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัวที่เกิดขึ้นโดยทั่วไป คำว่า “origin หรือ จุดเริ่มต้น” คือบริเวณที่เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าว จากนั้นรอยแตกจะขยายตัวอย่างช้าๆ ผ่านพื้นที่ที่เรียกว่า “fatigue zone” หรือบริเวณที่ได้รับความเสียหายจากการรับแรงแบบคาบ ซ้ำไปซ้ำมา โดยทั่วไปบริเวณดังกล่าวจะมีอัตราเร็วในการขยายตัวของรอยแตกเฉลี่ย 10-6 นิ้วต่อการได้รับความเค้น 1 รอบ ในช่วงระหว่างการขยายตัวของรอยแตกอย่างช้าๆ จะมีความผันแปรของแรงที่กระทำและมีผลต่ออัตราการขยายตัวของรอยแตก ที่แสดงให้เห็นโดย “progression mark” ซึ่งเป็นแนวเส้นที่แสดงลักษณะการขยายตัวของรอยแตก เมื่อรอยแตกขยายตัวไปได้ระยะหนึ่งจะทำให้วัสดุเหลือพื้นที่ในการรับแรงน้อย และทำให้เกิดเป็นพื้นที่รับแรงเกินพิกัด (overload zone) ในพื้นที่ดังกล่าวพบว่ารอยแตกที่ขยายตัวส่วนใหญ่มีลักษณะทางมหภาคเป็นการแตกแบบเปราะ (brittle fracture) และมีอัตราเร็วในการขยายตัวของรอยแตกประมาณ 0.5 เท่าของความเร็วเสียงในชิ้นงานนั้นๆ อย่างไรก็ตามพื้นที่ที่ได้รับแรงเกินพิกัดนี้ สามารถที่จะเกิดขึ้นจากกลไกการแตกหักแบบเปราะหรือการแตกหักแบบเหนียวก็ได้

ลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักแต่ละอย่างสามารถอธิบายได้ดังนี้

• การมีจุดเริ่มต้นของการแตกหักเพียงจุดเดียว (single origin) แสดงให้เห็นว่าชิ้นงานมักจะเกิดความเสียหายจากการได้รับความเค้นเกินค่าพิกัดที่ระดับต่ำๆ (low overstress) ในขณะที่ชิ้นงานที่ปรากฏให้เห็นจุดเริ่มต้นการแตกหักหลายๆ จุด (multiple origins) อาจจะเกิดจากการได้รับความเค้นสูงหรือไม่ก็บริเวณดังกล่าวเป็นจุดรวมความเค้นสูง (high stress concentration)

• บริเวณที่ได้รับความเสียหายจากการล้าตัว หรือ fatigue zone เป็นพื้นที่ที่รอยแตกมีการขยายตัวอย่างช้าๆ เกิดจากการได้รับแรงแบบซ้ำไปซ้ำมาหรือเป็นคาบที่มีรอบต่ำจนทำให้เกิดการล้าตัว (low cycle fatigue failure) ซึ่งการขยายตัวของรอยแตกจะเกิดขึ้นเมื่อชิ้นงานรับแรงเป็นคาบได้ไม่กี่รอบ โดยทั่วไปแล้วจะต่ำกว่า 100 รอบแล้วขยายตัวจนแตกหัก และจากการวิเคราะห์หาสาเหตุความเสียหายของเครื่องจักรกลส่วนใหญ่ พบว่าจำนวนรอบของความเค้นที่เริ่มทำให้ชิ้นงานแตกหักแล้วขยายตัวผ่านผิวหน้าจนเกิดการแตกหักอย่างสมบูรณ์ อยู่ในช่วง 400,000 ถึง 20,000,000 รอบ ระนาบของบริเวณที่แตกหักจากการล้าตัวมีความสำคัญมาก เนื่องจากมันจะขยายตัวตั้งฉากกับระนาบของความเค้นสูงสุดที่กระทำต่อชิ้นงาน และช่วยให้นักวิเคราะห์ฯ ทราบถึงแหล่งที่มาของแรงเค้นได้เป็นอย่างดี

• ผิวหน้าแตกหักบริเวณที่แสดงแนวของการขยายตัวหรือ progression mark แสดงให้เห็นว่ารอยแตกเกิดการขยายตัวอย่างไร และจะแสดงเฉพาะบนผิวหน้าแตกหักที่เกิดจากการได้รับความเค้นที่ค่าต่างๆ กันระหว่างที่รอยแตกได้ขยายตัวผ่านชิ้นงานนั้นๆ progression mark มีอีกชื่อหนึ่งที่รู้จักกันดีคือ beach mark เนื่องจากผิวหน้าแตกหักส่วนใหญ่ที่เรามองเห็นจะมีลักษณะเป็นเส้นคล้ายคลื่นที่ทิ้งร่องรอยไว้บนชายหาด บางท่านอาจจะเกิดความสับสนระหว่าง progression mark และ fatigue striation โดย fatigue striation แสดงให้เห็นแต่ละคาบของความเค้นหรือรอบของความเค้นแต่ละรอบที่กระทำกับชิ้นงาน ซึ่งเส้นเหล่านี้เราสามารถที่จะเห็นได้ด้วยการตรวจสอบในกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูงเท่านั้น ในขณะที่ progression mark สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่า (ภาพที่ 2) จากการศึกษาพบว่าผิวหน้าแตกหักของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกสามารถตรวจพบ fatigue striation ได้ยากมาก ในขณะที่โลหะชนิดอื่นเช่น อะลูมิเนียมผสมเกือบทุกชนิด สามารถสังเกตเห็น fatigue striation ได้ง่าย

ภาพที่ 2 แสดงแนวการขยายตัวรอยแตกออกจากจุดเริ่มต้นและ fatigue striation

 
• พื้นที่ที่รับแรงเกินพิกัด (overload zone) หรือบริเวณที่เกิดการแตกในอัตราที่รวดเร็ว (fast fracture) คือส่วนของผิวหน้าแตกหักที่เกิดความเสียหายในช่วงสุดท้าย บริเวณนี้ส่วนใหญ่จะมีลักษณะทางมหภาคเป็นการแตกหักแบบเปราะ บางกรณีจะเกิดการแตกหักแบบเหนียวแต่พบในปริมาณน้อยมาก ในบริเวณดังกล่าวจะมีอัตราเร็วการขยายตัวของรอยแตกประมาณ 0.5 เท่าของความเร็วเสียงในวัสดุนั้นๆ ขนาดพื้นที่ของบริเวณที่เกิดจากการรับแรงกินพิกัดจะแสดงถึงขนาดของแรงที่กระทำจนทำให้เกิดการแตกหักช่วงสุดท้าย ดังนั้นถ้าพื้นที่บริเวณที่รับแรงเกินพิกัดมีขนาดใหญ่หรือมีพื้นที่มากกว่าบริเวณที่เกิดความเสียหายจากการล้าตัว (overload zone มากกว่า fatigue zone) จะแสดงให้เห็นว่าชิ้นงานได้รับความเค้นสูงในช่วงการแตกหักขั้นสุดท้าย

ภาพที่ 3 แสดงผิวหน้าแตกหักที่มีจุดเริ่มต้น 2 จุด, progression mark, และ ratchet mark

นอกจากนั้นยังมีอีก 2 ลักษณะที่สำคัญที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัว ซึ่งขาดเสียมิได้เลย อันแรกคือ ratchet mark ดังแสดงในภาพที่ 3 รูปแบบดังกล่าวจะแสดงขอบเขตหรือเส้นแบ่งระหว่างระนาบความเสียหาย 2 ระนาบที่มาชนกัน จากภาพเราจะเห็นจุดเริ่มต้นของรอยแตก 2 จุด และมี ratchet mark อยู่ระหว่างจุดเริ่มต้นทั้งสองนั้น การปรากฏของ ratchet mark บนผิวหน้าแตกหักแสดงให้เห็นว่าการแตกหักมีจุดเริ่มต้นหลายจุด และเป็นผลจากชิ้นงานได้รับความเค้นรวมที่สูง (จากความเค้นที่กระทำ, ความเค้นตกค้าง, และเป็นจุดรวมความเค้น) ratchet mark สามารถเกิดขึ้นได้จากความเค้นที่สูงกระทำต่อชิ้นงานหรือบริเวณนั้นๆเป็นจุดรวมความเค้นสูง จากการสังเกต ratchet mark ทั้งคู่และขนาดพื้นที่ของบริเวณที่เกิดการแตกหักอย่างเฉียบพลัน ทำให้ได้รับความเข้าใจอีกอย่างหนึ่งว่าสาเหตุหลักของความเสียหายที่เกิดขึ้นอาจจะเกิดจากแรงที่กระทำ หรือไม่ก็บริเวณดังกล่าวเป็นจุดรวมความเค้น ยกตัวอย่างเช่น ถ้ามีการเชื่อมกันระหว่าง ratchet mark หลายๆ เส้นและพื้นที่บริเวณที่ได้รับแรงเกินพิกัดมีขนาดเล็ก จะแสดงให้เห็นว่าแรงที่กระทำมีขนาดต่ำแต่บริเวณดังกล่าวเป็นจุดรวมความเค้นสูง

 

ภาพที่ 4 แสดงมุมมองด้านข้างของ ratchet mark ที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหัก

การสังเกตจากมุมมองด้านข้างของ ratchet mark สามารถบอกเราได้ว่าแรงบิด (torsion) อาจจะมีส่วนทำให้เกิดความเสียหาย ซึ่งได้แสดงไว้เป็น 2 ตัวอย่างในภาพที่ 4 ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าถ้าระนาบแรงดัด (plane bending) หรือแรงดึง (plane tension) ทำให้เกิดความเสียหาย มุมมองด้านข้างของ ratchet mark จะตั้งฉากกับผิวหน้าแตกหัก ถ้าแรงหลักที่ทำให้เกิดความเสียหายคือแรงบิด มุมมองด้านข้างจะมีลักษณะลาดเอียง สำหรับการแตกหักที่มีจุดเริ่มต้นหลายจุด การวิเคราะห์มุมของ ratchet mark ในระนาบการแตกหักสามารถใช้ในการตรวจสอบว่าจุดเริ่มต้นอันไหนเกิดขึ้นแรกสุด อย่างที่ปรากฏในภาพที่ 5 ทำให้เราสามารถมองเห็นจุดศูนย์กลางระหว่าง ratchet mark ด้านละ 2 เส้น แสดงให้เห็นว่าความเสียหายเริ่มเกิดขึ้นระหว่าง ratchet mark ทั้งสอง

ลักษณะที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ รูปร่างของการแตกหักเมื่อเราดูจากมุมมองด้านข้าง ถ้าความเสียหายไม่ได้เกิดจากชิ้นงานแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น ผิวหน้าแตกหักจะมีลักษณะเรียบเป็นมันวาวพิเศษ แต่ถ้าชิ้นงานมีลักษณะทางกายภาพเป็นจุดรวมความเค้นเป็นสาเหตุหลักต่อความเสียหาย เช่นบริเวณที่เป็นมุมแหลม รูพรุน รอยบิ่น และบริเวณที่มีการเปลี่ยนขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ผิวหน้าแตกหักจะมีลักษณะเป็นเส้นโค้งในบริเวณที่เกิดความเสียหาย ภาพสเกตในภาพที่ 6 แสดงมุมมองด้านข้างของเพลาและผิวหน้าแตกหักแบบโค้ง ชี้ให้เห็นว่าความเสียหายเกิดจากความเค้นสะสมปริมาณสูงบริเวณมุมที่มีการเปลี่ยนขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง (ถ้าบริเวณดังกล่าวมีรัศมีความโค้งที่พอดีและมีดัชนีการแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้นที่ต่ำ ผิวหน้าแตกหักจะมีลักษณะเป็นมันวาว หรือความเสียหายจะไม่เกิดขึ้นเลยก็ได้)

ภาพที่ 5 แสดงมุมมองด้านข้างของผิวหน้าแตกหักที่มีจุดเริ่มต้นหลายจุด

ภาพที่ 6 แสดงมุมมองด้านข้างของผิวหน้าแตกหักบริเวณที่เป็นจุดรวมความเค้น

ลักษณะที่สำคัญของผิวหน้าแตกหักอันสุดท้ายที่จะนำเสนอและเป็นที่คุ้นหูกันดีคือ river mark เนื่องจากลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักคล้ายกับแม่น้ำสายย่อยต่างๆ ซึ่งรูปแบบดังกล่าวจะแสดงทิศทางการขยายตัวของรอยแตกจากการล้าตัว ภาพที่ 7 แสดงตัวอย่างของ river mark ที่ลอกมาจากผิวหน้าแตกหักของเพลาปั๊มที่เสียหาย รูปแบบดังกล่าวแสดงลักษณะส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นบนพื้นที่ที่มีการขยายตัวอย่างรวดเร็วของบริเวณที่มีการแตกจากการล้าตัว (fatigue zone) และยังแสดงทิศทางการขยายตัวของรอยแตก แต่รูปแบบดังกล่าวนี้ให้ข้อมูลที่น้อยมากต่อการนำไปวินิจฉัยเพื่อหาสาเหตุของความเสียหาย ส่วนภาพที่ 8 แสดงตัวอย่างของ river mark ที่เกิดขึ้นจริงบนผิวหน้าแตกหัก

ในกรณีตัวอย่างของการวิเคราะห์ฯ ส่วนใหญ่ เราพบว่าการวินิจฉัยทิศทางและขนาดของแรงที่กระทำ มีประโยชน์อย่างมากในการวิเคราะห์หาสาเหตุทางกายภาพของการเสียหายได้เป็นอย่างดี

ภาพที่ 7 แสดงตัวอย่างของ river mark ที่ลอกมาจากผิวหน้าแตกหักของเพลาปั๊ม

 

ภาพที่ 8 แสดงตัวอย่างของ river mark บนผิวหน้าแตกหัก

จากที่กระผมได้กล่าวมานั้นขอสรุปข้อสังเกตเบื้องต้นและสาเหตุของการเสียหายจากการล้าตัวดังนี้ คือ

1. ผิวหน้าแตกหักจะเรียบ มีร่องรอยการแตกหักเป็นเส้นๆ ไม่ว่าจะเป็น progression mark หรือ beach mark, striation, ratchet mark, และ river mark อย่างชัดเจน

2. จุดเริ่มต้นของการแตกหักจะเป็นบริเวณที่มีความเค้นสูง ไม่ว่าจะเป็นความเค้นจากแรงกระทำและ/หรือการที่ชิ้นงานเป็นจุดรวมความเค้น

3. การแตกหักขั้นสุดท้ายสามารถเป็นไปได้ทั้งการแตกหักแบบผ่าเกรนและตามขอบเกรน

4. เมื่อศึกษาจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนจะพบ striation

สาเหตุและการตรวจสอบเพื่อแก้ปัญหาของการเสียหายจากการล้าตัว
1. วัสดุมีจุดบกพร่องและกลายเป็นจุดรวมความเค้น ควรตรวจสอบความเรียบของผิว การเชื่อม การประกอบติดตั้ง หลีกเลี่ยงการใช้ชิ้นงานที่มีจุดรวมความเค้นสูง เช่นมีมุมแหลม เป็นร่อง หลุม เป็นต้น

2. ตรวจสอบการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับวัสดุ เนื่องจากการกัดกร่อนทำให้ชิ้นงานเป็นร่องหลุม โดยเฉพาะสนิมขุม (pitting ) ที่สามารถเป็นจุดเริ่มต้นการแตกหักได้

3. ตรวจสอบความสมดุลของแรงที่กระทำ การสั่นสะเทือน การปรับศูนย์

4. ตรวจสอบจากผิวหน้าการแตกหัก โดยถ้าผิวแตกหักส่วนใหญ่เป็นผิวเรียบแสดงว่าชิ้นงานได้รับความเค้นต่ำแต่รอบสูง ถ้าบริเวณที่เป็นผิวเรียบมีน้อยแสดงว่าชิ้นงานได้รับความเค้นสูงแต่ความถี่ต่ำ

เอกสารอ้างอิง
1. Neville W. Sachs, P.E., “Fracture Features”, Journal of failure analysis and prevention, Vol.5, 2005
2. Arther J. McEvily, “Fatigue”, Metal Failure, John Wiley & Sons, 2001.
3. Donald J.Wulpi, “Fatigue fracture”, Understanding How Components Fail, ASM.

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 2) :ฟิล์มที่เกิดขึ้น ไม่ใช่การเคลือบ

คุณสมบัติพิเศษของเหล็กกล้าไร้สนิม คือ สามารถสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ ที่มีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนและมีประสิทธิภาพดียิ่งได้ด้วยตัวเอง [21, 25-28] ที่เรียกกันว่า “ฟิล์มป้องกัน” ซึ่งมีสภาพเฉื่อยต่อการกัดกร่อน (Protective Film หรือ Passive Film) นอกจากนี้ยังสามารถซ่อมแซมฟิล์มได้ด้วยตัวเองทันทีที่พื้นผิวถูกขีดข่วนทำลาย [20] (ดังแสดงในรูปที่ 1.2) โดยฟิล์มดังกล่าวไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า หลายท่านอาจเคยเข้าใจผิด คิดว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่นิยมนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนที่ดียิ่ง สามารถใช้งานได้ดีในเกือบทุกๆ สภาวะสิ่งแวดล้อมนั้น เป็นอิทธิพลของฟิล์มที่มีลักษณะมันวาวบนผิวหน้าที่เกิดจากการเคลือบด้วยวัสดุและเทคนิคพิเศษ แท้ที่จริงแล้วไม่ใช่การเคลือบ แต่เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่อธิบายได้ว่า เหล็กกล้าไร้สนิมนั้นเป็นวัสดุแข็ง (Solid Material) ที่ไม่ได้มีการเคลือบด้วยเทคนิคพิเศษบนผิวหน้า เพื่อให้เหล็กกล้าเดิม (Substrate) มีสมบัติที่ “ไร้สนิม” เหมือนกับที่นำมาประยุกต์ใช้กับเหล็กกล้าและโลหะอื่นๆ ทั่วไป ที่มักทำการเคลือบหรือชุบบนผิวหน้าของวัสดุด้วยโลหะสีขาว (White Metal) เช่น โครเมียม นิกเกิล เงิน หรือสังกะสี เป็นต้น เพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่ผิวหน้า หรือให้มีสมบัติของผิวหน้าที่ดีขึ้น ซึ่งการเคลือบเหล่านี้จะทำให้วัสดุพื้นถูกปกป้องจากสิ่งแวดล้อมภายนอกและนิยมใช้กันอย่างกว้างขวาง แต่ความเสียหายของโลหะที่ถูกเคลือบก็สามารถเกิดขึ้นได้ทุกเมื่อ โดยถ้าชั้นเคลือบถูกทำลาย จะทำให้เกิดการแพร่หรือแทรกซึมของสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้าไปทำปฏิกิริยากับโลหะที่อยู่ใต้ชั้นเคลือบ จนนำไปสู่การเสียหายที่รุนแรงตามมา เช่น แผ่นหลังคาที่ผลิตจากแผ่นเหล็กกล้าเคลือบสังกะสี เมื่อเคลือบสังกะสี (Zinc Coating) ถูกทำลาย เช่นเกิดการขีดข่วนจากวัตถุมีคม ทำให้เหล็กกล้าบริเวณที่อยู่ภายใต้ผิวเคลือบที่ถูกทำลายทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จนมาสู่การเสียหายของแผ่นหลังคาดังกล่าวได้ แต่ในเหล็กกล้าไร้สนิมแล้ว จะมีการสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ (Chromium Oxide Film) ความหนาประมาณ 1-5 นาโนเมตร [13] (มีความบางเทียบเท่ากับวางกระดาษ 1 แผ่นบนตึกสูง 20 ชั้น) ขึ้นมาปกคลุมผิวหน้าด้วยกลไกตามธรรมชาติ ซึ่งมีสมบัติต้านทานการกัดกร่อน โดยที่สามารถประยุกต์ความรู้ด้านเคมีไฟฟ้า (Electrochemical) มาช่วยพัฒนาฟิล์มเพื่อให้มีสมบัติดีขึ้นหรือเป็นไปตามที่เราต้องการได้ เช่น สีและความมันวาว นอกจากนี้ยังสามารถใช้วิธีทางกล เช่นการขัดด้วยกระดาษทราย เพื่อสร้างฟิล์มได้ แต่หลังจากขัดผิวหน้าแล้วควรทิ้งระยะเวลาไว้ประมาณ 24 ชั่วโมงหรือ 1 วัน เพื่อให้ฟิล์มที่เกิดขึ้นมีความสมบูรณ์และต่อเนื่อง และส่งผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีตามมาด้วย ฟิล์มออกไซด์ที่มีโครเมียมในปริมาณสูงดังกล่าวไม่สามารถมองเห็นการฟอร์มตัวและความหนาของฟิล์มได้ด้วยตาเปล่า แต่สามารถมองเห็นลักษณะเป็นมันวาวบนผิวหน้าได้ โดยจะฟอร์มตัวและซ่อมแซมตัวเองได้ในบรรยากาศที่มีปริมาณออกซิเจนเพียงพอ (มีค่าความดันย่อยของออกซิเจนสูงเพียงพอ) และความเสถียรและความต้านทานการกัดกร่อนของฟิล์มป้องกันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเหล็กกล้ามีปริมาณโครเมียมผสมในปริมาณมากขึ้น [25, 29] นอกจากนี้ยังมีธาตุอีกหลายตัว เช่น โมลิบดีนัม [21] และไนโตรเจน [30-31] ที่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม ดังนั้นการที่เหล็กกล้ามีสมบัติที่ไม่เกิดสนิม เราอาจเรียกได้ว่าโลหะผสมนั้นมีความต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion Resistance)

ฟิล์มออกไซด์ของเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีพฤติกรรมต้านทานการกัดกร่อนที่ต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมี ความหนา ความหนาแน่นของฟิล์ม [32] นอกจากนี้ ยังขึ้นอยู่กับโครงสร้าง ปริมาณสารสัมพันธ์ (Stoichiometry) โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิก (Electronic Band Structure) ค่าความนำไฟฟ้าของไอออน (Ionic Conductivity) ฯ [33] สำหรับฟิล์มป้องกันบนผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกประกอบไปด้วย 2 ชั้นอย่างชัดเจน [27] กล่าวคือ ชั้นที่อยู่ด้านในจะมีโครเมียมออกไซด์ในปริมาณสูง (Enriched Chromium Oxide) ในขณะที่ชั้นนอกสุดจะผสมกันกันระหว่างเหล็กออกไซด์ (Iron oxide) และฟิล์มไฮดรอกไซด์ (Hydroxide Film) ซึ่งฟิล์มเหล่านี้มีผลต่อสมบัติทางกลบนผิวหน้าของเหล็กกล้าไร้สนิม และมีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ [34] ดังนั้นสมบัติกึ่งตัวนำจึงมักตรวจสอบได้บนผิวหน้าของโลหะที่สร้างฟิล์มได้ สมบัติทางด้านไฟฟ้าดังกล่าวจึงคาดว่าจะเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่ง ที่ทำให้ทราบถึงสมบัติที่สามารถป้องกันการกัดกร่อน ส่วนผสมทางเคมีของฟิล์มจะแปรผันตามทั้งส่วนผสมทางเคมีของโลหะและค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) ของสารละลายที่ใช้สร้างฟิล์ม ซึ่งปัจจัยเหล่านี้น่าจะส่งผลต่อสมบัติกึ่งตัวนำของฟิล์ม ซึ่งผลกระทบหลักที่เกิดจากการเพิ่มค่า pH คือ จะเพิ่มความหนาของฟิล์ม เนื่องจากเหล็กออกไซด์จะเสถียรเมื่ออยู่ในสารละลายที่เป็นอัลคาไลน์ ในทางกลับกันในสารละลายที่เป็นกรด จะฟอร์มฟิล์มออกไซด์ที่มีโครเมียมสูง เนื่องจากโครเมียมออกไซด์มีการสลายตัวช้ากว่าเมื่อเทียบกับเหล็กออกไซด์ นอกจากนี้ยังพบว่าการเติมไนโตรเจนลงไปในเหล็กกล้าไร้สนิมนอกจากจะเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่แล้ว ยังส่งผลต่อสมบัติกึ่งตัวนำของฟิล์มด้วย [31]

เป็นที่ทราบกันดีว่า การกัดกร่อนของโลหะเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนผิวหน้า (Surface Phenomenon) [35] ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของฟิล์มป้องกันในเหล็กกล้าไร้สนิม จะส่งผลต่อการลดความต้านทานการกัดกร่อนเฉพาะที่ (Localized Corrosion) เช่น การกัดกร่อนแบบรูเข็ม การกัดกร่อนใต้รอยซ้อน การกัดกร่อนตามขอบเกรน และการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน ดังนั้น ความรู้ความเข้าใจและการควบคุมการสร้างฟิล์มป้องกัน จึงเป็นตัวแปรที่สำคัญต่อความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งในปัจจุบันได้มีการใช้เทคนิคในการปรับปรุงผิวหน้าให้มีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนได้ดียิ่งขึ้นหลายวิธี ยกตัวอย่างเช่น การตกผลึกซ้ำในระดับนาโน (Nano-crystallization) [36] การปรับปรุงเกรนให้มีขนาดเล็กที่ผิวหน้า (Surface Grain Refinement) [37-38] การปรับปรุงผิวหน้าด้วยเลเซอร์ (Laser Surface Modification) [39-40] การฝังไอออนที่ผิวหน้า (Ion Implantation) [4, 41] เป็นต้น

รูปที่ 1.2 การสร้างฟิล์มโดยอัตโนมัติที่ผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมเมื่อสัมผัสบรรยากาศที่มีออกซิเจน

สมบัติโดยรวมของเหล็กกล้าไร้สนิมทุกๆ กลุ่มเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอน มีสมบัติที่เด่นกว่าดังนี้


- สามารถขึ้นรูปเย็นด้วยอัตราที่สูงกว่า

- มีความเหนียวมากกว่า

- มีความแข็งแรงและความแข็งมากกว่า

- มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงมากกว่า

- มีความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงกว่า

- มีความแกร่งที่ช่วงอุณหภูมิติดลบมากกว่า

- มีความไวต่ออำนาจแม่เหล็กน้อย (เป็นเฉพาะกลุ่มออสเตนนิติก)

คุณสมบัติเด่นของเหล็กกล้าไร้สนิมเมื่อเทียบกับโลหะหรือวัสดุชนิดอื่นๆ ดังที่กล่าวมาข้างต้น เมื่อรวมกับข้อดีอื่นๆ ได้แก่ มีค่าบำรุงรักษาต่ำ ง่ายต่อการตัด ขึ้นรูป ตกแต่งทางกล และการเชื่อม มีระยะเวลาในการใช้งานคุ้มค่ากับราคา และสามารถนำกลับมาใช้ได้ใหม่ทั้งหมด (รีไซเคิลได้ 100%) ซึ่งเป็นการอนุรักษ์พลังงานและสิ่งแวดล้อมอีกทางหนึ่ง แม้แต่เศษที่เหลือจากการใช้งานก็ยังมีราคาสูง จึงทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นโลหะที่มีคุณค่ายิ่งและมีประโยชน์ใช้สอยที่ไร้ขีดจำกัด นอกจากนี้ ความสามารถในด้านชีวอนามัยและความสะอาด ยังเป็นเหตุผลข้อแรกที่เลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในงานที่เน้นด้านสุขอนามัย เช่นในงานโรงพยาบาล ห้องครัว ด้านอาหาร ระบบลำเลียงน้ำ และด้านเภสัชกรรม เป็นต้น ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 1.3 และ 1.4

รูปที่ 1.3 การประยุกต์ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมในการสร้างอาคารและสถานที่ นอกจากเพื่อความแข็งแรง และต้านทานการกัดกร่อนแล้ว ยังให้ประโยชน์ด้านความสวยงาม

รูปที่ 1.4 การประยุกต์ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในโรงพยาบาลซึ่งเน้นด้านความสะอาดและสุขอนามัย

เอกสารอ้างอิง

[25] S. Zor, M. Soncu, L. Çapan. Corrosion behavior of G-X CrNiMoNb 18-10 austenitic stainless steel in acidic solutions. Journal of Alloys and Compounds 2009; 480(2): pp. 885-8.

[26] N. Padhy, S. Ningshen, U. Kamachi Mudali, Baldev Raj. In situ surface investigation of austenitic stainless steel in nitric acid medium using electrochemical atomic force microscopy. Scripta Materialia 2010; 62(1): pp. 45-8.

[27] R.S. Yassar, L. Scudiero, A.S. Alamr, D.F. Bahr, M.G. Norton. Microstructure–mechanical and chemical behavior relationships in passive thin films. Thin Solid Films, In Press, Corrected Proof, Available online 23 August 2009

[28] Crtomir Donik, Aleksandra Kocijan, Djordje Mandrino, Irena Paulin, Monika Jenko, Boris Pihlar. Initial oxidation of duplex stainless steel. Applied Surface Science 2009; 255(15): pp. 7056-61.

[29] A. Nusair Khan, I. Salam. Failure analysis of ferritic stainless steel locking ring. Materials & Design 2009; 30(10): pp. 4454-8.

[30] C. García, F. Martin, Y. Blanco. Abnormal magnetic behaviour of powder metallurgy austenitic stainless steels sintered in nitrogen. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2009; 321(19): pp. 3171-7.

[31] Y.X. Qiao, Y.G. Zheng, W. Ke, P.C. Okafor. Electrochemical behaviour of high nitrogen stainless steel in acidic solutions. Corrosion Science 2009; 51(5): pp. 979-6.

[32] A. Mikó, J.W. Erning, H. Schlerkmann, T. Mathiesen. Comparative investigation of stainless steels used in drinking water distribution systems. Electrochimica Acta 2009; 54(28): pp. 7507-13.

[33] S. Ningshen, U. Kamachi Mudali. Hydrogen effects on pitting corrosion and semiconducting properties of nitrogen-containing type 316L stainless steel. Electrochimica Acta 2009; 54(26): pp. 6374-82.

[34] A. Fattah-alhosseini, M.A. Golozar, A. Saatchi, K. Raeissi. Effect of solution concentration on semiconducting properties of passive films formed on austenitic stainless steels.Corrosion Science 2010; 52(1): pp. 205-9.

[35] N. Padhy, S. Ningshen, B.K. Panigrahi, U. Kamachi Mudali. Corrosion behavior of nitrogen ion implanted AISI type 304L stainless steel in nitric acid medium. Corrosion Science 2010; 52(1): pp. 104-12.

[36] Wei Ye, Ying Li, Fuhui Wang. The improvement of the corrosion resistance of 309 stainless steel in the transpassive region by nano-crystallization. Electrochimica Acta 2009; 54(4): pp. 1339-49.

[37] Zh. L. Jiang, X. Y. Chen, H. Huang, X. Y. Liu. Grain refinement of Cr25Ni5Mo1.5 duplex stainless steel by heat treatment.Materials Science and Engineering A 2003; 363(1-2): pp. 263-7.

[38] X. Peng, J. Yan, Y. Zhou, F. Wang. Effect of grain refinement on the resistance of 304 stainless steel to breakaway oxidation in wet air. Acta Materialia 2005; 53(19): pp. 5079-88.

[39] C. T. Kwok, F. T. Cheng, H. C. Man. Laser surface modification of UNS S31603 stainless steel. Part I: microstructures and corrosion characteristics. Materials Science and Engineering A 2000; 290(1-2): pp. 55-73.

[40] Wen-Ta Tsai, Cheng-Hung Shieh, Ju-Tung Lee. Surface modification of ferritic stainless steel by laser alloying. Thin Solid Films 1994; 247(1): pp. 79-84.

[41] P. J. Evans, J. Hyvarinen, M. Samandi. Surface modification of austenitic stainless steel by titanium ion implantation. Surface and Coatings Technology 1995; 71(2): pp. 151-8.

การแตกร้าวเนื่องจากการชุบแข็ง (Quench Cracking)

หลายท่านที่เป็นนักวัสดุ โดยเฉพาะนักโลหะวิทยาคงจะเคยรู้จักกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatment) ของเหล็กกล้า ที่นำมาประยุกต์ใช้หลังการขึ้นรูปด้วยกระบวนการต่างๆ เช่น การรีด การหล่อ หรือการตี เป็นต้น เพื่อเพิ่มสมบัติทางกล เพิ่มอายุการใช้งานและลดความเสี่ยงต่อการแตกหักของชิ้นส่วน ท่านเคยสังเกตหรือไม่ว่า ชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการทางความร้อนมาแล้วเกิดการแตกร้าวทั้งๆ ที่มีการควบคุมกระบวนการอบชุบเป็นอย่างดี หรือบางครั้งในระหว่างทิ้งชิ้นส่วนที่ผ่านการอบชุบไว้เป็นสัปดาห์ถึงเกิดรอยแตกร้าวขึ้น จากประสบการณ์ในการวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมที่ผ่านมา ผมจึงอยากนำเสนอรูปแบบการเสียหายของวัสดุอีกรูปแบบหนึ่ง คือ การแตกร้าวเนื่องจากการชุบแข็ง เพื่อแลกเปลี่ยนประสบการณ์ให้ท่านผู้อ่านได้ทราบ


เป็นที่ทราบกันดีในกลุ่มนักโลหะวิทยาว่า ชิ้นส่วนเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสมในปริมาณมากกว่า 0.3% ขึ้นไป เมื่อนำไปผ่านกระบวนการทางความร้อนที่มีการชุบแข็งในน้ำ มักจะนำไปสู่ปัญหาการแตกร้าวแบบเปราะ (Brittle Cracking) [1] ซึ่งความสามารถในการแตกร้าวจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิของน้ำที่ใช้ในการชุบลดลง นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับปัจจัยที่สำคัญอีกอย่างหนึ่ง คือ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างฉับพลันของชิ้นงานที่จะทำการชุบ Xin Yu Liu [2] ได้อธิบายปัจจัยที่มีผลต่อการแตกร้าวจากการชุบแข็งด้วยน้ำอยู่ 3 ประเด็น คือ

1. การกระจายตัวของแรงเค้น (Stress Distribution) อันเกิดจากการเย็นตัวแบบไม่สม่ำเสมอ จากผิวด้านนอกไปสู่ยังภายในของวัสดุในระหว่างการชุบ

2. การเปลี่ยนเฟสที่เกิดขึ้นในระหว่างการชุบ (จากออสเตนไนต์) ไปเป็นมาร์เทนไซต์ ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนเหล็กกล้ามีการขยายปริมาตร (Volume Expansion)

3. อิทธิพลจากน้ำ คือ มีการแตกตัวเป็นไฮโดรเจนในระหว่างสัมผัสกับผิวเหล็กกล้าที่ร้อน และนำไปสู่การเสียหายในรูปแบบ การแตกร้าวเนื่องจากการเหนี่ยวนำของไฮโดรเจน (Hydrogen-induced Cracking)

ความเค้นจากการชุบแข็ง (Quenching Stresses)

ในเหล็กกล้าที่มีการเปลี่ยนเฟสจากออสเตนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ หรืออาจกล่าวได้ว่า มีการเปลี่ยนโครงสร้างผลึกจาก FCC ไปเป็น BCT ทำให้ปริมาตรของเหล็กกล้าเพิ่มขึ้นนั้น ซึ่งจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ และส่งผลให้เกิดความเค้นตกค้าง (Residual Stresses) [3] เนื่องมาจากผิวหน้าด้านนอกของวัสดุเกิดการแข็งตัวก่อน ในขณะที่ภายในจะมีการเปลี่ยนเฟสและขยายตัวทีหลัง ปรากฏการณ์ดังกล่าวนี้ส่งผลให้เกิดความเค้นแรงดึงตกค้าง (Residual Tensile Stresses) ที่ผิวหน้าวัสดุ และนำไปสู่ปัญหาการแตกร้าวในที่สุด นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงมิติหรือรูปร่างของชิ้นงานอย่างฉับพลัน เช่น บริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ไม่มีค่ารัศมีความโค้ง ร่อง รู หรือหลุม เป็นต้น บริเวณดังกล่าวนี้จะมีดัชนีของความเข้มความเค้นสูง (High Stress Concentration Factor) [4] ดังนั้นจุดเริ่มต้นการแตกร้าวจึงมักเกิดขึ้นในบริเวณดังกล่าว

การเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์

ผลที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของปริมาณคาร์บอนในเหล็กกล้า สามารถแยกได้ 2 ประเด็นคือ (1) ความแข็งของมาร์เทนไซต์จะเพิ่มขึ้นอย่างมากตามปริมาณของคาร์บอนที่เพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้เองจะทำให้มาร์เทนไซต์มีความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบพลาสติก (Plastic Deformation) เพื่อคลายความเค้นตกค้างแรงดึงที่ผิวหน้าได้น้อยมาก และ (2) อุณหภูมิที่เหนือกว่าช่วงทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์จะลดลงเมื่อมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น ซึ่งขีดกำจัดเหล่านี้จะเป็นตัวบ่งบอกถึงความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของมาร์เทนไซต์ที่ผิว

กลไกการแตกร้าวจากการชุบแข็ง

รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างการแตกร้าวจากการชุบแข็งของชิ้นส่วนที่ผลิตจากเหล็กกล้าคาร์บอนความแข็งแรงสูงเกรด AISI 4340 ซึ่งมีการเติมนิกเกิล โครเมียมและโมลิบดีนัม เพื่อเพิ่มความสามารถในการชุบผิวแข็ง (Hardenability) และมีคาร์บอน 0.4% เพื่อเพิ่มความแข็งแรง รอยแตกที่เกิดขึ้นจะเห็นว่ามีทิศทางการแตกตามขอบเกรนของออสเตนไนต์ก่อนที่จะกลายเป็นมาร์เทนไซต์ (Prior Austenite) ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกในระดับจุลภาค (Microfractography) ด้วย SEM จะเห็นรูปแบบการตามขอบเกรน (Intergranular Cracking) แสดงในรูปที่ 3 ซึ่งจะเห็นได้ก็ต่อเมื่อชิ้นงานเกิดการแตกออกจากกัน ลักษณะของรอยแตกทั้งสองอย่างคล้ายกับการแตกร้าวเนื่องจากการเหนี่ยวนำของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นลักษณะที่มักตรวจพบในเหล็กกล้าชนิดดังกล่าว

รูปที่ 1 ตัวอย่างชิ้นส่วนที่เกิดการแตกร้าวจากการชุบแข็ง

รูปที่ 2 ภาพถ่ายจาก OM แสดงการแตกร้าวที่เกิดขึ้นภายในวัสดุ

เป็นที่ทราบโดยทั่วไปว่า ในระหว่างการชุบแข็งชิ้นส่วนเหล็กกล้าที่ร้อนด้วยน้ำ การถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วของน้ำจะเกิดขึ้นภายในชั้นไอน้ำ (Water Vapor) ที่เกิดขึ้นรอบๆ ชิ้นงาน ไอน้ำจะเป็นแหล่งทำให้เกิดอะตอมของไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดีเมื่อสัมผัสกับผิวของเหล็กกล้าที่กำลังร้อน และการแตกตัวของโมเลกุลน้ำจะเกิดขึ้นได้ดียิ่งขึ้น ดังนั้น จึงเป็นเหตุผลที่ชวนถามว่า จะเกิดอะไรขึ้นถ้าผิวหน้าเหล็กกล้าไม่ต้องสัมผัสอยู่กับไอน้ำ ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวได้ตรวจพบในกระบวนการทางความร้อนของเหล็กกล้า AISI 4340 โดยก่อนการชุบแข็งได้ทำการเคลือบนิกเกิลด้วยวิธีที่ไม่ใช้กระแสไฟฟ้า (Electroless Plating) ซึ่ง Xin Yu Liu [2] พบว่าถ้าชั้นเคลือบมีความหนาเพียงพอและปกคลุมทั่วทั้งผิวหน้า เหล็กกล้าจะไม่เกิดการแตกร้าวเมื่อชุบในน้ำที่อุณหภูมิ 850 C ซึ่งเป็นช่วงอุณหภูมิที่ทำให้วัสดุเปลี่ยนเฟสเป็นออสเตนไนต์ (Austenitzing Temperature) ก่อนทำการชุบ และเนื่องจากนิกเกิลมีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ close-packed คือ มีระนาบที่อะตอมเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ โดยให้อะตอมอยู่ติดกันมากที่สุดและอยู่ในปริมาตรที่เล็กที่สุด จึงมีความต้านทานต่อการแพร่ของไฮโดรเจนมากกว่าเหล็ก

อย่างไรก็ตาม การแตกร้าวของเหล็กกล้า AISI 4340 นั้น บางครั้งก็พบว่าเมื่อนำชิ้นงานมาตัดแบบเปียก (Wet Cutting) จะสังเกตเห็นการขยายตัวของรอยแตกอย่างช้าๆ แสดงให้เห็นว่าความเค้นตกค้างและความเค้นระหว่างตัดมีส่วนทำให้เกิดการแตก นอกจากนี้ความร้อนจากการตัดสามารถทำให้เกิดการแตกตัวของไฮโดรเจนได้ จนนำไปสู่การแตกเปราะจากไฮโดรเจน

รูปที่ 3 ภาพถ่ายจาก SEM แสดงผิวหน้าแตกตามขอบเกรน (Intergranular Cracking) บริเวณใกล้กับผิวด้านนอก

โดยทั่วไป การแตกร้าวเนื่องจากการชุบแข็ง สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการชุบในน้ำมัน (Oil Quenching) และโดยปกติก็จะต้องชุบอย่างรวดเร็วเพื่อหลีกเลี่ยงการฟอร์มตัวเป็นเฟสเฟอร์ไรต์ในระหว่างการเย็นตัว อย่างไรก็ตาม บางครั้งเราพบว่าการชุบเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงในน้ำมันก็สามารถเกิดการแตกร้าวได้ ถ้าถูกทิ้งไว้ระยะหนึ่งก่อนจะทำการอบเพื่อลดความเค้น (Stress Relief) ดังนั้นจึงมีข้อแนะนำว่า เหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งควรจะดำเนินการอบคลายความเค้นทันที ไม่ควรทิ้งระยะเวลานานเกินไป แต่ถ้าการอบคลายความเค้นไม่สามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องทันทีทันใดหลังจากกระบวนการชุบแข็งแล้ว ก็มีข้อแนะนำว่าควรเก็บชิ้นส่วนเหล็กกล้านั้นไว้สภาวะสิ่งแวดล้อมที่แห้งและมีความชื้นต่ำ

เอกสารอ้างอิง
1. Totten G.E., “Failure Related to Heat Treating Operations”, ASM Handbook, Vol.11, pp.192-223.
2. XinYu Liu, C.J. McMahon Jr., 2009, “Quench cracking in steel as a case of hydrogen embrittlement”, Materials Science and Engineering A, Vol. 449, pp.540-541.
3. Victor K., “Failed Bolts from an Army Tank Recoil Mechanism”, Handbook of Case Histories in Failure Analysis, Vol.2, pp.384-387.
4. Neville W., 2005, “Understanding the Surface Features of Fatigue Fractures: How They Describe the Failure Cause and Failure History”, Journal of Failure Analysis and Prevention, Vol.5 (2), pp.11-15.

การกัดกร่อนของโลหะอะลูมิเนียมผสม (Corrosion of Aluminum Alloys)

โลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมากในโครงสร้างทั่วไป ประเด็นสำคัญเนื่องจากมีค่าสัดส่วนของค่าความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง เช่นอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับการขนส่ง ยานยนต์ เป็นต้น โดยธรรมชาติแล้วอะลูมิเนียมสามารถสร้างฟิล์มขึ้นมาปกป้องตัวมันเองจากการถูกกัดกร่อนได้ แต่ถ้าสัมผัสอยู่กับสภาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ก็สามารถนำไปสู่ความเสียหายได้ ซึ่งถ้ามีการประกอบติดตั้งที่ดีและถูกหลักการ โครงสร้างอะลูมิเนียมเหล่านั้นก็จะมีอายุการใช้งานนานขึ้น จุดประสงค์ของบทความนี้เพื่อให้มองเห็นภาพของกลไกการกัดกร่อนของโลหะอลูมิเนียมผสม เชิญติดตามได้ครับ……

การเกิดฟิล์มป้องกันการกัดกร่อนของอะลูมิเนียม

จากข้อมูลทางเทอร์โมไดนามิกส์ชี้ให้เห็นว่าอะลูมิเนียมค่อนข้างจะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายเมื่อเทียบกับโลหะชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตามในสภาวะแวดล้อมที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ เช่นในอากาศหรือในน้ำ อะลูมิเนียมสามารถสร้างฟิล์มที่มีความหนาแน่นขึ้นมาปกคลุมที่ผิวหน้าอย่างรวดเร็ว [1] ความหนาของฟิล์มที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ อุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมและธาตุผสม ฟิล์มของออกไซด์ที่เกิดขึ้นในอากาศที่อุณหภูมิห้องมีความหนาประมาณ 2-3 นาโนเมตรบนผิวอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ นอกจากนั้นยังพบว่าการเผาไปที่อุณหภูมิ 425 องศาเซลเซียส อาจจะได้ฟิล์มที่มีความหนามากกว่า 20 นาโนเมตร [2] ถ้าฟิล์มของออกไซด์เกิดความเสียหาย เช่นโดยการขีดข่วน จะพบว่ามีฟิล์มเกิดขึ้นทดแทนใหม่อย่างรวดเร็ว [3] ดังนั้นอะลูมิเนียมจึงมีความสามารถในการป้องกันการกัดกร่อนได้ดี

กลไกการกัดกร่อน

ความไม่เสถียรภาพของออกไซด์

ปัจจัยต่างๆ เหล่านี้จะมีผลต่อความมีเสถียรภาพของอะลูมิเนียมออกไซด์และนำไปสู่การเกิดการกัดกร่อน

- ฟิล์มของออกไซด์จะไม่เสถียรเมื่ออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่เป็นกรด (pH ~ 4) หรืออัลคาไลน์ (pH ~ 9)

- ไอออนที่มีฤทธิ์กัดเซาะทำลาย (คลอไรด์ ฟลูออไรด์) จะกัดเซาะทำลายฟิล์มเป็นจุดๆ

- ธาตุบางชนิด (Ga, Ti, In, Sn, Pb) ที่เป็นองค์ประกอบที่อยู่ในฟิล์มของออกไซด์จะทำให้ความมีเสถียรภาพของฟิล์มของออกไซด์ลดลง


การเกิด Microgalvanic

โลหะผสมทางการค้าส่วนใหญ่จะมีองค์ประกอบของโครงสร้างที่เป็น intermetallic phase อยู่ภายในโครงสร้างพื้น (matrix) โดยการศึกษาพบว่าการกัดกร่อนของโลหะอะลูมิเนียมผสมมีปัจจัยสำคัญหลักๆ คือ กระบวนการเกิด microgalvanic ระหว่าง intermetallic phase กับโลหะพื้น (matrix) [4] โดย intermetallic phase จะแสดงตัวเป็นขั้วแคโทด (local cathode) เนื่องจากมีเหล็กผสมอยู่ด้วย โครงสร้างพื้นที่อยู่รอบๆ ซึ่งเป็นอะลูมิเนียมจะเกิดการกัดกร่อนขึ้น (localized attack) ปรากฏการณ์ที่จะเกิดขึ้นต่อไปนี้จึงมีความสำคัญมาก

- เฟสที่ active กว่าจะเกิดการกัดกร่อน

- โดยเฟสที่เกิดการกัดกร่อนจะแสดงตัวเป็นผู้เสียสละ (sacrificial) และทำหน้าเป็นตัวป้องกันการกัดกร่อน (cathodic protection) วัสดุที่อยู่รอบๆ

- เนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าตรงบริเวณที่เกิดการกัดกร่อนและวัสดุที่แสดงตัวเป็นขั้วแคโทด ทำให้องค์ประกอบทางเคมีและค่า pH ของสารอิเล็กโตรไลต์ บริเวณรอยต่อของบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาดังกล่าวจะแตกต่างจาก อิเล็กโตรไลต์ของบริเวณทั่วไป

- ส่วนประกอบที่มีความไวต่อการกัดกร่อนของโลหะผสมในโครงสร้างพื้น และ intermetallic phase จะมีการกัดกร่อนเกิดขึ้นที่เรียกว่าการสูญเสียธาตุบางตัว (dealloying) เป็นผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติด้านการกัดกร่อน

- อัตราส่วนของพื้นที่ระหว่างแคโทดกับแอโนดก็มีความสำคัญเช่นกันโดยพบว่าถ้าพื้นที่แอโนดมีขนาดเล็กแต่พื้นที่ของแคโทดมีขนาดใหญ่ การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นในอัตราที่สูง

ภาพที่ 1 การเกิด pitting corrosion บน aluminum alloys [3]

การเกิด pitting

เป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่ในสภาวะแวดล้อมที่มีไอออนของคลอไรด์เป็นองค์ประกอบโดย ร่อง หลุม (pits) จะเริ่มเกิดขึ้นบริเวณที่มีความอ่อนแอของฟิล์มของออกไซด์โดยการกัดเซาะทำลายของคลอรีน [4, 5] ร่อง หลุม (pits) จะเกิดขึ้นและขยายตัวตามปฏิกิริยาดังนี้

Al = Al 3+ + 3e- (1)

Al3+ + 3H2O = Al (OH)3 + 3H+ (2)

การเกิดขึ้นของไอออนของไฮโดรเจนและ oxygen reduction จะเป็นกระบวน reduction ที่สำคัญที่เฟสของ intermetallic ที่เป็นแคโทด (ดูได้จากภาพที่ 1)

2H+ + 2e- = H2 (3)

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- (4)

เมื่อมีร่อง หลุม (pits) เกิดขึ้นทำให้สภาวะภายในหลุมกลายเป็นแอโนด ตามปฏิกิริยาที่ 2 จะเห็นว่าค่า pH ลดลง เพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างประจุบวกกับประจุลบที่ได้จากปฏิกิริยา 1 กับ 2 คลอไรด์ไอออนจะเคลื่อนที่เข้าไปอยู่ในร่อง หลุม (pits) ทำให้กลายเป็นกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ภายในหลุมและเร่งให้เกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ให้สูงขึ้น

ปฏิกิริยา reduction จะเกิดขึ้นแบบเฉพาะที่ซึ่งเรียกว่า localized alkalinisation รอบๆ อนุภาคที่แสดงตัวเป็นแคโทด จากที่ทราบก่อนหน้านี้ว่าอะลูมิเนียมออกไซด์จะไม่เสถียรในสภาวะแวดล้อมที่กล่าวมาและอะลูมิเนียมรอบๆ อนุภาคจะสลายตัวกลายเป็น alkaline pits และอะลูมิเนียมที่เป็นองค์ประกอบของอนุภาคซึ่งจะ active เกิดการสลายตัวแบบเลือกเฉพาะ (selective) เช่นกัน ดังนั้นการมีเหล็กที่ผิวของอนุภาคเยอะๆ จะเพิ่มความเป็นแคโทด การสัมผัสกับกรดของ aluminum matrix รอบๆ อนุภาคอาจจะทำให้อนุภาคหลุดออกมาได้ และอาจทำให้เกิดฟิล์มเคลือบร่องหรือหลุมอัลคาไลน์ (alkaline pits) ได้อีกครั้งหนึ่ง ปรากฏการณ์นี้อาจจะทำให้ลดความรุนแรงของการกัดกร่อนภายในร่อง หลุม (acidic pit) และนำไปสู่การเกิดฟิล์มเคลือบซ้ำ (repassivation) ในระยะยาวได้ ภาพที่ 2 แสดงการเกิด pitting บน AlMgSi

ภาพที่ 2 ภาคตัดขวางของการเกิด pitting corrosion ของอะลูมิเนียมผสมเกรด AA6082 หลังจากสัมผัสอยู่ในน้ำทะเลเป็นเวลา 6 เดือน จุดสีดำๆ ที่เห็นคือ intermetallic particles



การกัดกร่อนตามขอบเกรน (intergranular corrosion)

การกัดกร่อนตามขอบเกรนเป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่โดยเลือกเกิดบริเวณขอบเกรนในขณะที่เนื้อเกรนภายในไม่ถูกทำลาย [7] เราพบว่าการกัดกร่อนตามขอบเกรนเกิดจากการกระทำของ microgalvanic cell ที่บริเวณขอบเกรน ความไวต่อการเกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรนจะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ส่วนผสมทางเคมีของโลหะและกระบวนการทาง thermomechanical

ขอบเกรนจะเป็นบริเวณสำหรับการตกผลึก (precipitation) และการแยกตัวตกผลึก (segregation) ที่จะทำให้สมบัติทางกายภาพและทางเคมีของขอบเกรนต่างจากโลหะพื้น การตกผลึกของธาตุที่มีความเสถียร (noble particle) บริเวณขอบเกรนจะทำให้เกิดการแยกตัวออกเป็นบริเวณที่แสดงตัวเป็นแอโนดและแคโทด และบริเวณที่เกิดการตกผลึกนี้จะกลายเป็นบริเวณที่ง่ายต่อการกัดกร่อน (active site) และที่สามารถเกิดขึ้นได้อีกเช่นกันคือการตกผลึกของอนุภาคที่ไม่เสถียร (active particle) บริเวณขอบเกรน จะทำให้บริเวณที่อยู่ติดกันกลายเป็นแคโทดหรือมีความเสถียร ซึ่งทั้ง 2 กรณีได้แสดงไว้ในภาพที่ 3
 

ภาพที่ 3 กลไกการกัดกร่อนตามขอบเกรนที่ต่างกัน 2 แบบ

จากข้อความเบื้องต้นท่านจะเห็นว่าอะลูมิเนียมสามารถสร้างฟิล์มขึ้นมาปกป้องตัวเองจากการกัดกร่อนได้โดยธรรมชาติ ความหนาของชิ้นฟิล์มแตกต่างกันไปตามกรรมวิธี แต่ถ้านำไปใช้งานในสภาวะที่ไม่เหมาะสมก็สามารถทำลายเสถียรภาพของชั้นฟิล์มได้ ยกตัวอย่างเช่นสภาวะแวดล้อมที่เป็นกรดหรือเป็นด่างมากไป มีไอออนที่สามารถทำลายฟิล์มได้และอิทธิพลของธาตุบางตัวที่เป็นองค์ประกอบของฟิล์ม การเกิดการกัดกร่อนเริ่มตั้งแต่ความแตกต่างของโครงสร้างภายใน ที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกัน จนนำไปสู่ปัญหาการกัดกร่อนที่เรียกว่า “Micro-galvanic corrosion” และการกัดกร่อนชนิดที่ตรวจพบกันบ่อยคือ pitting และ intergranular ดังนั้นการนำโลหะอลูมิเนียมผสมไปใช้งานควรจะศึกษารายละเอียดก่อนว่าสามารถใช้งานในสภาวะนั้นๆ ได้หรือเปล่า และเลือกเกรดของโลหะให้เหมาะสม


เอกสารอ้างอิง

1. Pourbaix, M., Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, NACE Cebelcor, Huston,1974.

2. Shimizu, K.; Furneaux, R. C.; Thompson, G. E.; Wood, G. C.; Gotoh, A. and Kobayashi, K., On the nature of “easy paths” for the diffusion of oxygen in thermal oxide films on aluminium, Oxidation of aluminium, 35 (5/6):427-439, 1991.

3. Davis, J. R. et. al, editor, Metals Handbook, volume 13, pages 104-122 and 583-609. ninth edition, ASM International, Ohio, 1987.

4. Nisancioglu, K., Corrosion of aluminium alloys. Proceedings of ICAA3, volume 3, pages 239-259. Trondheim, 1992. NTH and SINTEF.

5. Scamans, G. M.; Hunter, J. A.; Holroyd, N. J. H.. Corrosion of Aluminum - a New Approach, Proceedings of 8th International Light Metals Congress, pages 699-705. Leoben-Wien, 1987.

6. Shreir, L. L., editor, Corrosion, volume 1, pages 1:1-1:51, 1:131-1:191 and 4:1-4:32. Newnes-Butterworths, London, 1979.

7. Hatch, J. E., editor. Aluminium - Properties and physical metallurgy, pages 242-264. ASM, Ohio, 1984.

การกัดกร่อนเนื่องจากน้ำ การเคลือบผิวและการทดสอบด้วยหมอกเกลือ

สมัยเด็กๆ ท่านผู้อ่านบางท่านอาจจะสงสัยว่าถ่านไฟฉายหรือแบตเตอรี่มีหลักการทำงานได้อย่างไร ซึ่งหลักการทำงานดังกล่าวสามารถนำมาอธิบายการเกิดการกัดกร่อน (หรือที่เราคุ้นหูกันดีว่าการเกิดสนิม) กับเหล็กกล้าได้ เป็นที่ทราบกันดีในกลุ่มนักโลหะวิทยาว่าโครงสร้างหรือเนื้อภายในของเหล็กกล้ามีความไม่สม่ำเสมอหรือไม่เป็นเนื้อเดียวกันทั่วทั้งชิ้นงาน ไม่ว่าจะเป็นปริมาณและการกระจายตัวของสารฝังในที่ไม่ใช่โลหะ (non-metallic inclusion) ขอบเกรน (grain boundary) เฟสเฟอร์ไรต์และเพิรไลต์ ถ้าผิวหน้าเหล็กกล้าสัมผัสกับสภาวะที่มีความชื้น (อิเล็คโตรไลต์) จะทำให้เกิดกระบวนการกัดกร่อนขึ้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนการทำงานของถ่านไฟฉายหรือแบตเตอรี่


เคยสังเกตหรือเปล่าครับว่า ในระหว่างที่ซื้อรถยนต์มาใหม่ๆ เราจะพบว่าชิ้นส่วนอุปกรณ์กันชนที่ชุบผิวด้วยโครเมียม หรืออุปกรณ์ประดับยนต์ต่างๆ สามารถเกิดสนิมขึ้นได้ ยกเว้นว่าเราจะมีการเคลือบผิว (ลงแวกซ์) ชิ้นส่วนเหล่านั้นอยู่เป็นประจำ ในปัจจุบันเราพบว่ามีการเคลือบผิวด้วยสารประเภทโครมเพื่อเพิ่มความสวยงามซึ่งมีชั้นเคลือบ 3 ชั้นคือ ทองแดง นิกเกิล และโครเมียมบนผิวหน้าเหล็กกล้า โดยพบว่าชั้นเคลือบเหล่านี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการต้านทานการกัดกร่อนจากการสัมผัสกับน้ำของเหล็กกล้าได้ดีขึ้น

ถ้าเราศึกษาเรื่องการกัดกร่อนและปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า เราจะต้องรู้จักศัพท์คำว่า EMF หรือ electro motive force ของปฏิกิริยาครึ่งเซลและลำดับกัลวานิกของแต่ละธาตุ ซึ่งในปัจจุบันได้มีการรวบรวมให้มีความทันสมัยมากขึ้นและนำมาจัดทำเป็นตารางเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ ซึ่งเราสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับโลหะและโลหะผสมหลายชนิดรวมทั้งผิวเคลือบชนิดต่างๆ ที่สัมผัสหรือทำงานในน้ำทะเล แต่บางครั้งเราจะสังเกตเห็นว่าอนุกรมกัลวานิกจะแตกต่างกันบ้างสำหรับผู้ทำการทดสอบหรือทำการวิจัยแต่ละราย ตัวอย่างเช่น กระสุนปืนที่ทำจากทองเหลืองอาจจะมีลำดับกัลวานิกอยู่ในลำดับก่อนหน้าหรืออยู่ข้างหลังบรอนซ์ เป็นต้น ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นกับวัสดุผสมอื่นๆ ที่อยู่ภายใต้สภาวะของสารอิเล็กโตรไลต์ที่ต่างกัน

ประเด็นของการกัดกร่อนของโลหะที่เกิดจากการสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อระบบปฏิบัติการมีองค์ประกอบของน้ำ ออกซิเจน และโลหะ (ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับกระบวนการทำงานของแบตเตอรี่) ซึ่งเราพบว่าอุตสาหกรรมผลิตสีและการเคลือบผิวได้มีการขยายตัวในปริมาณมาก เนื่องจากความต้องการในการป้องกันการกัดกร่อนจากการสัมผัสกับน้ำของภาชนะบรรจุสารละลายที่เป็นโลหะ ผลิตภัณฑ์ที่อยู่กลางแจ้งและยวดยานทั่วไป

ประโยชน์และประสิทธิภาพของผิวเคลือบสมัยใหม่

มี 3 ปัจจัยสำคัญเกี่ยวกับกระบวนการเคลือบผิวด้วยไฟฟ้า และปัจจัยเหล่านี้สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับกระบวนการเคลือบผิวทุกชนิด ได้แก่

1. กระบวนการเตรียมผิวหน้า

2. การควบคุมการผลิต

3. สภาพการเกาะติดของผิวเคลือบ

ปัจจัยที่เพิ่มประสิทธิภาพอื่นๆ คือการปราศจากรูพรุนและความสม่ำเสมอของความหนาผิวเคลือบ ถ้าทำการตรวจสอบภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบแสงที่กำลังขยายอย่างน้อย 200 เท่า จะเห็นชัดเจนว่าชั้นเคลือบโดยส่วนใหญ่จะเกาะติดอยู่บนผิวหน้าชิ้นงานเพิ่มขึ้นมาอีกชั้นหนึ่ง ดังนั้นไม่เฉพาะพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างผิวเคลือบกับผิวหน้าชิ้นงานเท่านั้นที่ต้องควบคุม แต่การเกาะติดแต่ละชั้นเคลือบจะต้องถูกควบคุมโดยกระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพเช่นกัน

การเตรียมผิวหน้า (การล้างทำความสะอาด) จะเกี่ยวกับการกำจัดสิ่งแปลกปลอม เช่นพวกออกไซด์ อนุภาคต่างๆ และคราบน้ำมัน โดยใช้ตัวทำความสะอาดประเภทอัลคาไลน์ กรดและการล้างด้วยไฟฟ้าและการเทราดอย่างทั่วถึง การทำความสะอาดที่ไม่ถูกวิธีจะมีผลต่อคุณภาพและประสิทธิภาพ โดยจะทำให้ได้พันธะการยึดเกาะที่แย่ มีผิวหยาบขนาดเล็กๆ และมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนต่ำ ในกระบวนการที่เกี่ยวกับโลหะทั่วไปจะมีการใช้น้ำมันและจารบีค่อนข้างมาก สิ่งที่จำเป็นต้องกำจัดออกเป็นพิเศษคือสารหล่อลื่นบนผิวหน้าชิ้นงานด้วยกระบวนการที่เรียกว่า “saponification” ซึ่งเป็นปฏิกิริยาของสารไฮดรอกไซด์ที่มีค่า pH สูง (caustic) กับน้ำมันหรือจารบีแล้วกลายเป็นสบู่ที่ถูกทำละลายได้ และทำความสะอาดด้วยสาร chelating เช่น EDTA เป็นต้น เพื่อปกป้องผิวหน้าชิ้นงานที่ทำความสะอาดแล้ว

ตัวแปรด้านการควบคุมกระบวนการผลิตสำหรับการเคลือบผิวด้วยไฟฟ้า ประกอบด้วยความหนาแน่นของกระแส กำลังไฟฟ้า และความไวต่อการเกิดสารปนเปื้อน การทาสีและการเคลือบผิวด้วยสารอินทรีย์ เช่นฟิล์มโพลียูรีเทน จะไวต่อการทำละลายกับ filler mineral และความชื้น ในการตรวจสอบเบื้องต้นเราจะใช้เครื่อง FTIR เป็นเทคนิคที่ใช้ในการตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีของสารอินทรีย์ และเทคนิค SEM/EDS ใช้ในการจำแนก filler mineral การทดสอบการเกาะติด โดยการบิดงอชิ้นงานในมุม 180 องศา หรือขีด และลอกหรือปลอกโดยใช้เทปกาวลอกเอาผิวเคลือบออกมา ซึ่งเป็นเทคนิคการตรวจสอบและประเมินแบบทำลาย

เหตุผลในการชุบเคลือบผิวด้วยไฟฟ้าและการเคลือบผิววิธีอื่นๆ คือนอกจากเป็นการเพิ่มคุณค่าด้านความสวยงามแล้วยังเพิ่มประสิทธิภาพทางด้านความทนทานต่อการกัดกร่อนและการสึกหรอ คุณภาพและประสิทธิภาพด้านการทนทานต่อการกัดกร่อนเรานิยมประเมินด้วย ASTM Fog Tests ซึ่งจะอธิบายในตอนหลัง

การทดสอบเพื่อประเมินสภาพผิวเคลือบด้วยหมอกเกลือด้วย ASTM (ASTM Fog Test)

เป็นที่ทราบกันดีว่าการกัดกร่อนสามารถทำให้โครงสร้างทั่วๆ ไปเสียหายได้ตลอดเวลา แต่เนื่องจากอัตราการกัดกร่อนจะมีค่าที่แตกต่างกันไปตามตำแหน่งหรือทำเลที่ต่างกัน จึงเป็นการยากที่จะทำนายความเสียหายที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากโลหะสัมผัสอยู่กับบรรยากาศต่างๆกัน โดยเฉพาะสภาวะบรรยากาศที่อยู่ใกล้ชายฝั่งทะเลหรืออยู่ในทะเลระหว่างการขนส่ง ในช่วงระยะเวลาที่ผ่านมา การทดสอบด้วยหมอกเกลือ (salt fog testing) ได้ถูกนำมาใช้ในการทดสอบเพื่อทำนายว่าโครงสร้างจะเสื่อมสภาพไปอย่างไรเมื่ออยู่ในสภาวะบรรยากาศที่มีไอเกลือเป็นองค์ประกอบ

มาตรฐานการทดสอบด้วยหมอกเกลือที่กำหนดขึ้นมาใช้ครั้งแรกในปี 1939 คือ ASTM B117 “Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus” ซึ่งเป็นการทดสอบแบบเร่งให้เกิดผล เพื่อศึกษาสมบัติของวัสดุในช่วงระยะเวลาอันสั้น ซึ่งห้องปฏิบัติการอุตสาหกรรมทั่วไปได้ให้ความเชื่อมั่นในการทดสอบด้วยหมอกเกลือแบบต่างๆ เพื่อประเมินคุณภาพของสารหล่อลื่น การแทรกซึมของน้ำมัน สี กาวอุดกันรั่ว การยึดเกาะของผิวเคลือบเป็นต้น ตามข้อกำหนดของ ASTM B117-97 ได้ระบุว่าสารละลายน้ำเกลือจะมีค่า pH อยู่ในช่วงระหว่าง 6.5 – 7.2 ส่วนการทดสอบที่ค่า pH ต่ำกว่าคือทดสอบในกรดอะซิติกที่ค่า pH อยู่ในช่วง 3.1 – 3.3 เป็นข้อกำหนดของ ASTM B287 เพื่อใช้ในการประเมินผิวเคลือบสังกะสีของชิ้นงานหล่อจากแม่พิมพ์ จนกระทั่งปี 1988 ได้กำหนดเป็นมาตรฐานใหม่ขึ้นมาคือ ASTM G85-85 “Modified standard practice” ซึ่งเกิดจากการผสมผสานกันของสองมาตรฐานที่กล่าวมา ส่วนมาตรฐาน ASTM B368 CASS test ได้นำมาใช้แทนมาตรฐาน B287 โดยเพิ่มปริมาณทองแดงในสารละลายทดสอบเล็กน้อย เพื่อให้สามารถเห็นความสัมพันธ์จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการและผลที่ได้จากการใช้งานจริงในภาคสนาม เนื่องจากการทดสอบด้วยหมอกเกลือได้มีการนำมาประยุกต์ใช้ในการตรวจสอบเป็นวงกว้าง จึงได้มีการพัฒนามาตรฐานการตรวจสอบขึ้นมาเรื่อยๆ ซึ่งมาตรฐานที่ได้กำหนดขึ้นมาใช้ใหม่ล่าสุดคือ ASTM D1735-97 condensation test ซึ่งรายละเอียดของมาตรฐานต่างๆ ที่กล่าวมาสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้ในหนังสือ ASTM vol.03.02 และ vol.02.05



กรณีตัวอย่าง

ผลิตภัณฑ์แผ่นเหล็กกล้าม้วนได้ถูกนำมาร้องเรียนกันบ่อย โดยเฉพาะสินค้าจำพวกเหล็กแผ่นเคลือบดีบุก ซึ่งมีการเคลือบผิวอย่างดีในกระบวนการสุดท้ายด้วยพีวีซี หรือการทาสีหลายๆ ชั้นตามข้อกำหนดของมาตรฐาน

ในระหว่างการขนส่งหรือการลำเลียง วัสดุที่ห่อหุ้มอยู่ด้านนอกอาจจะถูกทำลาย มีผลทำให้น้ำทะเลสามารถแทรกซึมเข้าไปตามวัสดุที่ห่อหุ้มและรอยต่อของแผ่นเหล็กที่ม้วนติดกัน จากรายงานของผู้ตรวจสอบสินค้าพบว่าถ้าความเสียหายได้เริ่มเกิดขึ้นในทะเล จะต้องมีการเรียกร้องให้มีการตรวจสอบจากผู้ตรวจสอบอิสระ จากกรณีตัวอย่างส่วนใหญ่แล้วพบว่าปัญหาดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้นถ้ายังไม่แกะวัสดุห่อหุ้มออก และเหล็กกล้าแผ่นที่ยังไม่ได้ม้วนที่เป็นวัสดุที่อยู่ในช่วงการผลิตเดียวกันกับที่ถูกร้องเรียนสามารถนำมาประเมินสภาพได้

สิ่งที่ผู้ทำการตรวจสอบต้องค้นหาคือความเสียหายเกิดขึ้นจากสาเหตุอะไร ไม่ว่าจะเป็นความเสียหายจากน้ำทะเล จากกระบวนการขนส่งหรือลำเลียงเหล็กแผ่นม้วนที่ไม่เหมาะสมหรือจากคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไม่ได้มาตรฐานตั้งแต่ก่อนการผลิต หรือเงื่อนไขต่างๆ ของผลิตภัณฑ์ โดยดำเนินการตรวจสอบตามมาตรฐาน เป็นที่รู้จักกันดีว่าข้อกำหนดของ ASTM ได้นำมาใช้อย่างกว้างขวางสำหรับผลิตภัณฑ์เหล็กแผ่นม้วน รวมทั้งมาตรฐานในการบรรจุภัณฑ์หรือห่อหุ้ม การทดสอบโดยการหยดสาร (spot test) ด้วย silver nitrate บนชิ้นงานที่มีคราบเกลือเกาะติดโดยจะเปลี่ยนเป็นสีขาวประกายแวววาว สามารถนำมาใช้ในการตรวจสอบเหล็กแผ่นม้วนทั้งผิวด้านนอกและผิวด้านในที่เกิดคราบหรือมีการเปลี่ยนสี

บางครั้งการเคลือบผิวที่ไม่สมบูรณ์หลังจากกลายเป็นผลิตภัณฑ์แล้ว เช่น บริเวณขอบด้านข้างหรือวัสดุได้มีการจัดเก็บในสภาวะที่สัมผัสกับบรรยากาศทั่วๆไปเป็นเวลานาน การทดสอบวัสดุด้วยหมอกเกลือ (ASTM Fog Test) ด้วยวิธีต่างๆ สามารถนำมาใช้ในการจำลองสภาพแวดล้อมที่ใกล้เคียงกับสภาพการใช้งานจริง ถ้าการเคลือบผิวได้ถูกผลิตออกมาโดยมีจุดบกพร่องตกค้าง เกิดความเสียหายหรือปรากฏปัญหาจากกระบวนการผลิต (การยึดเกาะของชั้นเคลือบไม่ดี เกิดรอยร้าวหรือช่องว่าง) การทดสอบด้วยหมอกเกลือและการตรวจสอบทางโลหะวิทยาแล้วนำมาวิเคราะห์ จะสามารถรายงานผลที่แท้จริงและจุดเริ่มต้นของปัญหาที่เกิดขึ้นได้ แต่ถ้ามีสารเคมีที่ไม่ปกติและสงสัยว่าทำให้เกิดรอยแตก การกัดกร่อน หรือความเสียหายของแนวเชื่อม เราสามารถนำมามาตรฐานการทดสอบของ ASTM G85-94 หรืออื่นๆ หรือการทดสอบด้วยการจุ่มแช่แบบเป็นคาบหรือวัฏจักรมาใช้ในการประเมินชิ้นงานได้

ตัวแปรในการทดสอบที่สำคัญอีก 2 ชนิดที่ควรจะนำมาประเมินด้วย คืออุณหภูมิการใช้งานและค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) ของผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน โดยปกติแล้วสารปนเปื้อนที่ตกค้างบนเหล็กแผ่นม้วนจะเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความเสียหายภาคสนามได้น้อยมาก นอกจากนั้นเราจะพบว่าผิวเคลือบไม่สามารถที่จะอยู่ยงคงกระพันได้ ซึ่งสามารถถูกทำลายได้โดยสารปนเปื้อน กระบวนการขนส่งที่ไม่ถูกต้องเหมาะสมหรือความเสียหายจากกระบวนการผลิตและการติดตั้ง

จากกรณีตัวอย่างดังกล่าวจะเห็นว่านักตรวจสอบได้ใช้เครื่องมือและเทคนิคหลากหลายในการประเมินปัญหาการกัดกร่อนของแผ่นเหล็กกล้าจากการสัมผัสกับสารละลายที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ และการทดสอบคุณภาพของผิวเคลือบด้วยหมอกเกลือ ดังนั้นสิ่งที่สำคัญคือจะต้องเปิดใจรับฟังปัญหาและทำการประเมินเพื่อหาแหล่งที่มาหรือต้นตอของความเสียหายของผลิตภัณฑ์ แล้วนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ในการปรับปรุงและพัฒนาผลิตภัณฑ์ให้มีคุณภาพดีขึ้นต่อไป

ปัจจุบันห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ความเสียหายและการกัดกร่อนของวัสดุ ของ MTEC ได้เปิดให้บริการทดสอบคุณภาพของผลิตภัณฑ์และผิวเคลือบด้วยหมอกเกลือ (salt fog test) ตาม ASTM B117 ท่านที่สนใจขอรับบริการสามารถติดต่อสอบถามรายละเอียดได้ที่เบอร์โทรศัพท์ 0 2564 6500 ต่อ 4117 และ 4736-9

เอกสารอ้างอิง

1. Practical failure analysis, vol.1 (6) December 2001.
2. ASTM handbook, vol. 03.02 and vol. 02.05.

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 1) :บทนำ (Introduction of Stainless Steel)

ผมอยากถ่ายทดความรู้เรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมที่เคยเขียนไว้นานแล้ว โดยเป็นการรวบรวมจาก paper ทางวิชาการที่ตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติมากกว่า 100 บทความ ซึ่งผมจะมี reference ให้ในตอนท้ายของแต่ละตอน แม้อาจจะยังไม่สมบูรณ์ แต่คาดว่าน่าจะเป็นประโยชน์พอสมควร โดยจะแบ่งออกเป็น 4 บท และผมจะทยอยนำมาลงเรื่อยๆ ถ้าท่านผู้อ่านพบข้อผิดพลาดหรืออยากเสริมจุดใด แจ้งมาที่ผมได้เลยนะครับ ซึ่งตอนแรกจะเสนอเรื่องบทนำของเหล็กกล้าไร้สนิม เชิญติดตามได้เลยครับ

บทนำ: เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel)

ปัจจุบันเราจะเห็นเหล็กกล้าไร้สนิมปรากฏในรูปของผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายและแตกต่างกันออกไปตามการประยุกต์ใช้งาน นับตั้งแต่การใช้งานพื้นฐาน เช่น เครื่องครัวและตกแต่งทั้งภายนอกและภายในบ้าน-อาคาร ไปจนถึงการใช้งานระดับสูง เช่น ชิ้นส่วนอากาศยาน [1-2] ดังนั้น ในชีวิตประจำวัน เราจึงมองเห็นเหล็กกล้าไร้สนิมได้ทั่วไป คำว่า “เหล็กกล้าไร้สนิม” หรือที่เรารู้จักกันทั่วไปว่า “สเตนเลส” นั้น มาจากคำภาษาอังกฤษที่ว่า Stainless Steel โดยคำว่า steel แปลว่า เหล็กกล้า หมายถึง วัสดุที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักและมีคาร์บอนเป็นธาตุผสมไม่เกิน 1.2% โดยน้ำหนัก [3] ส่วนคำว่า stainless ซึ่งเป็นคำคุณศัพท์ หมายถึง ปราศจากคราบ รอยเปื้อนหรือรอยด่างเกาะติด หรือไม่เกิดการกัดกร่อนในบรรยากาศที่เหล็กกล้าทั่วไปมักเกิด [4] แต่ถ้าจุดบกพร่องดังกล่าวเกิดขึ้นกับวัสดุประเภทเหล็กมักเรียกว่า “สนิม” ดังนั้นคำว่า “Stainless Steel” จึงแปลว่า เหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมีความหมายตามศัพท์ว่า เหล็กกล้าที่ไม่เกิดสนิม ศัพท์ดังกล่าวยังไม่มีการบัญญัติไว้ในพจนานุกรมฉบับราชบัณฑิตยสถาน แต่มีการระบุเป็นมาตรฐานของสำนักงานมาตรฐานอุตสาหกรรม (สมอ.) เช่น มอก. 2440-2552 [5]

สำหรับท่านที่ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมอยู่เป็นประจำ โดยเฉพาะวิศวกรด้านการกัดกร่อนของโลหะ อาจเข้าใจว่าชื่อดังกล่าวเป็นแค่นามธรรมที่ใช้เรียกชื่อเหล็กกล้าชนิดนี้ เพราะในความเป็นจริงแล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดสนิมได้ ยิ่งไปกว่านั้นก็คือ สามารถเกิดการกัดกร่อนที่สร้างความเสียหายได้ยิ่งกว่าคำว่า “สนิม” เสียอีก โดยเฉพาะในกรณีที่เกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ (Localized Corrosion) [6-10] ที่มีปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมเป็นตัวเหนี่ยวนำ (Environmentally Induced) เช่น การกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular Corrosion) การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking) การกัดกร่อนใต้รอยซ้อน (Crevice Corrosion) หรือ การกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) เป็นต้น เพราะว่าในปัจจุบันนี้ สิ่งแวดล้อมในโรงงานอุตสาหกรรม มีความซับซ้อนและมีฤทธิ์กัดกร่อนค่อนข้างรุนแรงทั้งทางตรงและทางอ้อม ไม่เหมือนกับสนิมที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) ซึ่งเป็นการกัดกร่อนที่มีลักษณะสม่ำเสมอทั่วผิวหน้า (General Corrosion) และสามารถทำนายอายุการใช้งานหรืออัตราการกัดกร่อนได้ [11]

เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นโลหะผสมที่คล้ายกับเหล็กกล้าผสม (Alloy Steel) ทั่วไป กล่าวคือ เกิดจากการหลอมรวมกันของธาตุต่างๆ ก่อนที่จะถูกแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ โดยมีเหล็กเป็นส่วนผสมหลัก (Iron-based Alloys) และมีปริมาณโครเมียมผสมอยู่อย่างน้อย 10.5% [12-16] (หนังสือบางเล่มได้กล่าวว่าต้องมีโครเมียมอย่างน้อย 11% [17-18]) เพื่อใช้ในการสร้างฟิล์มที่มีสมบัติต้านทานการเกิดสนิม เหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดอาจมีโครเมียมผสมในปริมาณมากกว่า 30% (หรือมีเหล็กผสมในปริมาณที่ต่ำกว่า 50%) ซึ่งมีการเติมธาตุผสมอื่นๆ ลงไปเพื่อเพิ่มสมบัติบางประการ เช่น นิกเกิล โมลิบดีนัม ทองแดง ไทเทเนียม อะลูมิเนียม ซิลิคอน ไนโตรเจน ซัลเฟอร์ และเซลีเนียม ส่วนธาตุคาร์บอนจะถูกเติมลงไปในปริมาณไม่น้อยกว่า 0.03% แต่ไม่เกิน 1.2% (ในเกรด AISI 440) โลหะผสมบางชนิดมีปริมาณโครเมียมและนิกเกิลผสมในปริมาณสูงจะเรียกว่า โลหะผสมต้านทานความร้อน (Heat Resistant Alloy) [19] ทั้งนี้ธาตุผสมโดยรวมจะต้องมีปริมาณน้อยกว่าเหล็ก เพื่อให้โลหะผสมมีสมบัติที่เรียกว่า “เหล็กกล้า” [4] ซึ่งอิทธิพลของธาตุผสมต่างๆ จะแสดงรายละเอียดในลำดับถัดไป

ด้วยข้อจำกัดจำเพาะบางประการของเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละกลุ่ม จึงทำให้เหล็กกล้ามีความสามารถในการขึ้นรูปและแปรรูปด้วยวิธีการที่แตกต่างกันไป [18] บางชนิดสามารถผลิตและใช้งานในสภาพหลังการหล่อ (As-cast Condition) ซึ่งรูปร่างที่หลากหลายของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถขึ้นรูปได้จากเทคนิคการขึ้นรูปโลหะผง (Powder-Metallurgy (P/M) Technique) ส่วนอินกอตจากการหล่อ (Cast Ingots) สามารถนำมารีด (Rolling) หรือทุบ (Forging) และผลิตภัณฑ์ที่เป็นแผ่น (Flat Products) สามารถผลิตได้จากการหล่อแบบต่อเนื่องจากเหล็กแท่งแบนที่ได้จากการหล่อ (Cast Slab) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการรีดสามารถนำมาปั๊มหรือลากขึ้นรูป (Drawing) ดัด (Bending) ดึงผ่านแม่พิมพ์ (Extruding) หรือม้วน นอกจากนี้ เหล็กกล้าไร้สนิมยังสามารถขึ้นรูปด้วยการตกแต่งทางกล (Machining) และสามารถประกอบติดกันด้วยการเชื่อม (Welding) บัดกรีอ่อน (Soldering) บัดกรีแข็ง (Brazing) หรือแม้แต่การสร้างพันธะยึดติด (Adhesive Bonding) เช่น การทากาว บางครั้งเหล็กกล้าไร้สนิมยังสามารถใช้งานในลักษณะการประกบกัน (Integral Cladding) เช่น ประกบกับเหล็กกล้าคาร์บอนหรือเหล็กกล้าผสมต่ำ หรือแม้แต่กับโลหะนอกกลุ่มเหล็กและโลหะผสมบางชนิด ซึ่งตัวอย่างของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีรูปทรงเป็นท่อจากการดึงผ่านแม่พิมพ์แสดงในรูปที่ 1.1

รูปที่ 1.1 ผลิตภัณฑ์ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีฟิล์มโครเมียมออกไซด์ช่วยป้องกันการกัดกร่อน

บางท่านอาจเคยสงสัยว่าทำไมเหล็กกล้าเครื่องมือ (Tool Steel) บางชนิดมีโครเมียมผสมในปริมาณสูง (~10.5%) แต่ไม่มีสมบัติเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม เหตุผลเนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนมากเกินไป ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าธาตุผสมสองธาตุ คือ โครเมียมและคาร์บอน เป็นธาตุที่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมมีความแตกต่างจากเหล็กกล้าละมุน (Mild Steel) และเป็นเหตุผลว่าทำไมเหล็กกล้ากลุ่มนี้มีสมบัติที่ไม่เกิดสนิม (Stainlessness) หรือต้านทานต่อการกัดกร่อน (Corrosion Resistance)

จากความเชื่อที่ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถใช้งานได้ดีในทุกๆ สภาวะแวดล้อม โดยไม่เกิดการกัดกร่อนหรือเกิดสนิมนั้น เป็นความเชื่อที่เกิดจากการเข้าใจผิด เพราะในการใช้งานจริงแล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมจะสามารถใช้งานได้ดีเฉพาะในสภาวะที่เหมาะสำหรับเกรดหรือชนิดนั้นๆ เท่านั้น แต่เมื่อสภาวะแวดล้อมเปลี่ยนไป ก็สามารถเหนี่ยวนำให้เหล็กกล้าไร้สนิมเกิดการเสื่อมสภาพได้ ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 304 จะใช้งานได้ดีในสภาวะแวดล้อมที่เป็นบรรยากาศทั่วไป แต่ถ้าถูกนำไปใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่มีอิออนเฮไลด์ (ธาตุหมู่ 7) เจือปน มักส่งเสริมให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม [20-23] โดยความรุนแรงของแต่ละอิออนเรียงลำดับได้ดังนี้ คือ คลอไรด์ > โบรไมด์ > ไอโอไดด์ [24]
 
เอกสารอ้างอิง
[1] Abhay K. Jha, V. Diwaker, K. Sreekumar. Metallurgical investigation on stainless steel bellows used in satellite launch vehicle. Eng Fail Anal 2006; 13(8): pp. 1437-47.

[2] M. Hashimoto, Y. Miyamoto, Y. Kubo, S. Tokumaru, N. Ono, T. Takahashi, I. Ito. Surface modification of stainless steel in plasma environments. Mater. Sci. Eng: A 1995; 198(1-2): pp. 75-83.

[3] มนัส สถิรจินดา. เหล็กกล้า. วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทย. พิมพ์ครั้งที่ 5 กันยายน 2543.

[4] K.H. Lo, C.H. Shek, J.K.L. Lai. Recent developments in stainless steels. Mater Sci Eng: R: Reports 2009; 65(4-6): pp. 39-104.

[5] http://www.app.tisi.go.th/notices/pdf/a2440-2552.pdf

[6] K.V.S. Ramana, T. Anita, Sumantra Mandal, S. Kaliappan, H. Shaikh, P.V. Sivaprasad, R.K. Dayal, H.S. Khatak. Effect of different environmental parameters on pitting behavior of AISI type 316L stainless steel: Experimental studies and neural network modeling. Materials & Design 2009; 30(9): pp. 3770-5.

[7] Hua Sun, Xinqiang Wu, En-Hou Han. Effects of temperature on the oxide film properties of 304 stainless steel in high temperature lithium borate buffer solution. Corrosion Science 2009; 51(12): pp. 2840-47.

[8] N. Parvathavarthini, S. Mulki, R.K. Dayal, I. Samajdar, K.V. Mani, Baldev Raj. Sensitization control in AISI 316L(N) austenitic stainless steel: Defining the role of the nature of grain boundary. Corrosion Science 2009; 51(9): pp.2144-50.

[9] J.M. Aquino, C.A. Della Rovere, S.E. Kuri. Intergranular corrosion susceptibility in supermartensitic stainless steel weldments. Corrosion Science 2009; 51(10): pp. 2316-23.

[10] S. Ningshen, U. Kamachi Mudali, G. Amarendra, Baldev Raj. Corrosion assessment of nitric acid grade austenitic stainless steels.Corrosion Science 2009; 51(2): pp. 322-9.

[11] M. Suresh Kumar, M. Sujata, M.A. Venkataswamy, S.K. Bhaumik. Failure analysis of a stainless steel pipeline. Eng Fail Anal 2008; 15(5): pp. 497-504.

[12] Ralph M. Corrosion of Stainless Steel. ASM Handbook, Vol.13, “Corrosion of Stainless Steel”, Corrosion and Its Prevention: pp.547-65.

[13] Leif Karlsson, 2004, “Stainless Steels Past, Present and Future”, Svetsaren, No.1, pp. 47-52.

[14] Denny A. Jones, Environmental Induced Cracking, Principles and Prevention of Corrosion, second ed., Prentice Hall International Inc., 1996 : pp. 513-6.

[15] Pierre-Jean Cunat. Alloying Elements in Stainless Steel and Other Chromium-Containing Alloys. Euro Inox 2004: pp.1-24.

[16] ATLAS SPECIALTY METALS, Technical Handbook of Stainless Steels.

[17] M. G. Fontana, Corrosion Engineering, third ed., New York, McGraw-Hill, 1967: 226-36.

[18] General introduction. Introduction to stainless steel, ASM Handbook : 3-12.

[19] A. Ul-Hamid, A.I. Mohammed, S.S. Al-Jaroudi, H.M. Tawancy, N.M. Abbas. Evolution of oxide scale on a Ni–Mo–Cr alloy at 900 °C. Materials Characterization 2007; 58(1): pp. 13-23.

[20] Magdy A.M. Ibrahim, S.S. Abd El Rehim, M.M. Hamza. Corrosion behavior of some austenitic stainless steels in chloride environments. Materials Chemistry and Physics 2009; 15(1): pp. 80-5.

[21] Takatoshi Yamamoto, Koji Fushimi, Masahiro Seo, Shiro Tsuri, Tetsuo Adachi, Hiroki Habazaki. Depassivation–repassivation behavior of type-312L stainless steel in NaCl solution investigated by the micro-indentation. Corrosion Science 2009; 51(7): pp. 1545-53.

[22] K.V.S. Ramana, T. Anita, Sumantra Mandal, S. Kaliappan, H. Shaikh, P.V. Sivaprasad, R.K. Dayal, H.S. Khatak. Effect of different environmental parameters on pitting behavior of AISI type 316L stainless steel: Experimental studies and neural network modeling. Materials & Design 2009; 30(9): pp. 3770-5.

[23] N. Parvathavarthini, S. Mulki, R.K. Dayal, I. Samajdar, K.V. Mani, Baldev Raj. Sensitization control in AISI 316L(N) austenitic stainless steel: Defining the role of the nature of grain boundary. Corrosion Science 2009; 51(9): pp. 2144-50.

[24] M. Kaneko, H. S. Isaacs. Pitting of stainless steel in bromide, chloride and bromide/chloride solutions. Corrosion Science 2000; 42(1): pp. 67-78.

[25] S. Zor, M. Soncu, L. Çapan. Corrosion behavior of G-X CrNiMoNb 18-10 austenitic stainless steel in acidic solutions. Journal of Alloys and Compounds 2009; 480(2): pp. 885-8.

การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic Corrosion)

การกัดกร่อนแบบกัลวานิกเป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเมื่อมีวัสดุที่ต่างกัน 2 ชนิด (เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมและแมกนีเซียม) มาเชื่อมทางไฟฟ้าต่อกัน หรือสัมผัสกันทางกายภาพ หรือสัมผัสกับสารละลายที่นำไฟฟ้า เช่น อิเล็กโทรไลต์ เมื่อครบองค์ประกอบดังกล่าวจะเกิดการสร้างเซลล์ทางเคมีไฟฟ้า (electrochemical cell) ส่งผลให้วัสดุที่มีศักย์ทางไฟฟ้าต่ำกว่าจะแสดงตัวเป็นขั้วอาโนด (anode) มีอัตราการเกิดออกซิเดชันเพิ่มขึ้น ในขณะที่วัสดุที่มีศักย์ทางไฟฟ้าสูงกว่าซึ่งแสดงตัวเป็นขั้วคาโธด (cathode) จะมีความต้านทานการกัดกร่อนดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 1 ในขณะที่ตัวอย่างการกัดกร่อนแบบกัลวานิกที่เกิดขึ้นจริงแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งส่วนใหญ่มักจะสังเกตเห็นได้ในบริเวณที่วัสดุต่างชนิดกันสัมผัสกัน เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและความแตกต่างของโลหะ จึงมีการเรียกการกัดกร่อนแบบนี้ว่า Galvanic Corrosion หรือ Two-metal Corrosion

รูปที่ 1 ลักษณะการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

รูปที่ 2 ตัวอย่างการกัดกร่อนแบบกัลวานิกโดยการยึดติดแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมกับเหล็กกล้าคาร์บอน

มีปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลกระทบต่อการเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกรวมทั้งอัตราในการเกิด ได้แก่

ความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของของโลหะแต่ละชนิด

จากอนุกรมกัลวานิก (ดูรูปที่ 3) จะเห็นว่าถ้าโลหะที่มาสัมผัสกันมีค่าศักย์ไฟฟ้าที่ต่างกันมาก (ห่างกันมาก) จะมีความรุนแรงของการกัดกร่อนมากตามไปด้วย ยกตัวอย่างเช่น ไทเทเนียม (Titanium) สัมผัสกับสังกะสี (Zinc) จะพบว่าสังกะสีถูกกัดกร่อนดังรูปที่ 4 และจะมีความรุนแรงมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบระหว่างระบบที่มีไทเทเนียมสัมผัสกับทองแดง (Copper) เป็นต้น

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงอนุกรมกัลวานิกโดยธาตุที่อยู่ด้านบนจะมีความเสถียร (กัดกร่อนได้ยาก) กว่าที่อยู่ด้านล่างของตาราง

รูปที่ 4 ระบบที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างแพลตินัมกับสังกะสี

อิทธิพลของพื้นที่

ถ้าโลหะ 2 ชนิดที่สัมผัสมีสัดส่วนพื้นที่ที่เป็นคาโธด (เสถียรกว่า) มากกว่าแอโนด (กัดกร่อนง่ายกว่า) ยิ่งมากเท่าใด อัตราการกัดกร่อนจะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นยกตัวอย่างดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 ลักษณะการกัดกร่อนที่มีอิทธิพลของสัดส่วนพื้นที่คาโธดและและอาโนดมาเกี่ยวข้อง

ตัวอย่างอิทธิพลของพื้นที่ เช่น ถังบรรจุที่นำแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนมาเชื่อมกับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304 เพื่อลดค่าใช้จ่าย เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมมีราคาแพงมาก แต่เนื่องจากวัสดุต่างกัน เจ้าของคาดว่าต้องเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกแน่นอนเมื่อนำไปใช้งาน เพราะต้องมีสารละลายแช่ขังภายใน เมื่อเชื่อมเสร็จเขาได้ทาสีเฉพาะส่วนที่เป็นเหล็กกล้า แต่เนื่องจากฝีมือในการทาสีบวกกับคุณภาพของสี ทำให้ได้ชั้นเคลือบที่มีรูพรุนขนาดเล็ก และเป็นที่ทราบกันดีว่าชั้นเคลือบทุกชนิดมักมีจุดบกพร่องในรูปของรุพรุนขนาดเล็กและการเสียหายทางกล เช่น มีรอยแตกร้าว มีรอยขีดข่วน เป็นต้น ดังนั้น การกัดกร่อนแบบกัลวานิกและการสลายตัวของขั้วอาโนดจึงได้เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าคาร์บอนในบริเวณที่มีจุดบกพร่องของชั้นเคลือบ และการรั่วทะลุจะเกิดในอัตราเร็วมากจากอิทธิพลของสัดส่วนของผิวที่มีคาโธด (เหล็กกล้าไร้สนิม) ใหญ่แต่มีอาโนด (เหล็กกล้า) เล็กดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 การกัดกร่อนของถังบรรจุสารละลาย

รูปร่างของระบบ (system geometry) และสิ่งแวดล้อมที่ระบบนั้นสัมผัสอยู่

ตัวอย่างอิทธิพลของค่าความนำไฟฟ้าของสารละลายที่มีต่อการกัดกร่อนแบบกัลวานิกแสดงในรูปที่ 7-8 จากรูปจะเห็นว่าถ้าสารละลายมีค่าความนำไฟฟ้าสูง การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นกับโลหะที่เสถียรน้อยกว่าในบริเวณกว้าง

รูปที่ 7 การกัดกร่อนของระบบที่จุ่มแช่ในสารละลายมีความนำไฟฟ้าสูง

รูปที่ 8 การกัดกร่อนของระบบที่จุ่มแช่ในสารละลายที่มีความไฟฟ้าต่ำ

โดยส่วนใหญ่แล้ว การกัดกร่อนแบบกัลวานิกสามารถป้องกันได้ง่าย โดยการเลือกวัสดุที่เหมาะสมตั้งแต่ในระหว่างการออกแบบระบบ โดยพิจารณาจากค่าความต่างศักย์ของโลหะแต่ละชนิด นอกจากนี้ การป้องกันด้วยวิธีคาโธดิก (cathodic protection) การใช้ฉนวนกั้นระหว่างโลหะ 2 ชนิด (ดังรูปที่ 9) หรือการเคลือบสามารถป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้ วิศวกรออกแบบจะต้องทราบถึงความเป็นไปได้ของการกัดกร่อนแบบกัลวานิกตั้งแต่การระบุรายละเอียดของวัสดุที่จะนำไปใช้ในเครื่องจักร บางครั้งอาจ ใช้วัสดุต่างชนิดกันมาเชื่อมกันโดยเฉพาะโละที่มีค่าความต่างศักย์กันมากเพื่อลดค่าใช้จ่ายควรระมัดระวังให้ดี ความต่างศักย์ที่เกิดจากเซลกัลวานิก (Galvanic Cell) สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามเวลา เนื่องจากผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนที่สะสมอยู่ที่ขั้วคาโธดหรืออาโนดจะทำให้อัตราการกัดกร่อนลดลง

รูปที่ 9 การใช้ปะเก็นเพื่อไม่ให้สัมผัสกันโดยตรงของโลหะ 2 ชนิด

สำหรับการเคลือบนั้นอาจส่งที่รุนแรงมากกว่าการไม่เคลือบได้ โดยเฉพาะในกรณีการเคลือบด้วยวัสดุที่เสถียรกว่า เช่น การเคลือบดีบุกบนแผ่นเหล็กกล้าหรือวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น พอลิเมอร์ แลกเกอร์หรือการทาสี ถ้าผิวที่ผ่านการเคลือบมีจุดบกพร่อง เช่น มีรูพรุน มีรอยแตก (ทำให้สัดส่วนพื้นที่ระหว่างคาโธดคือสารเคลือบกับโลหะพื้นต่างกันมาก) การกัดกร่อนก็จะเกิดขึ้นอย่างรุนแรงกับระบบนั้นๆ ซึ่งการเคลือบดังกล่าวจะต่างจากการเคลือบด้วยโลหะที่เสถียรน้อยกว่า ยกตัวอย่าง เช่น การเคลือบสังกะสีบนเหล็กกล้า (galvanized steel) การกัดกร่อนบนโลหะพื้นจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อสังกะสีหลุดหายไปหมดก่อน ซึ่งแสดงภาพประกอบในรูปที่ 10 หลักการดังกล่าวมักนำมาประยุกต์เป็นวัสดุกันกร่อนในโครงสร้าง เช่น การติดตั้งสังกะสีหรือะลูมิเนียมในโครงสร้างเรือหรือสะพานเหล็ก เป็นต้น ดังนั้นสิ่งที่น่าคิดอีกอย่างหนึ่งคือการโฆษณาเกี่ยวการเคลือบแลกเกอร์รถยนต์ ลองนึกดูว่าถ้ารอยต่อ เช่น บริเวณนอตหรือซอกต่างๆ ภายใต้ท้องรถ ถ้าแลกเกอร์ซึมเข้าไม่ถึงจะเกิดอะไรขึ้น

รูปที่ 10 ตัวอย่างเคลือบด้วยวัสดุที่เสถียรกว่า (ซ้าย) และวัสดุที่เสถียรน้อยกว่า (ขวา)

การป้องกัน

วิธีการลดหรือป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิกมีหลายวิธีดังนี้
1. เลือกใช้วัสดุที่มีค่าตามอนุกรมกัลวานิกใกล้เคียงกันเท่าที่เป็นไปได้
2. หลีกเลี่ยงอัตราส่วนของพื้นที่คาโธด/อาโนด และปรับให้พื้นที่ทั้งสองมีขนาดใกล้เคียงกัน
3. ใช้ฉนวนกั้นในบริเวณที่ใช้โลหะต่างชนิดกันมาสัมผัสกัน
4. ใช้สารเคลือบผิวอย่างระมัดระวัง และดูแลการเคลือบผิวให้อยู่ในสภาพดี
5. เติมสารยับยั้งเพื่อลดความรุนแรงของการกัดกร่อน
6. ออกแบบเพื่อให้สามารถเปลี่ยนชิ้นงานที่เป็นอาโนดได้ง่าย
7. ติดตั้งวัสดุที่สามที่มีค่าความต่างศักย์น้อยกว่าโลหะทั้งสอง เพื่อให้เกิดการกัดกร่อนแทน ซึ่งโลหะที่มักใช้ คือ สังกะสี แมกนีเซียม และอะลูมิเนียม

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอิทธิพลที่เกิดจากต่อท่อเก่ากับท่อใหม่ได้ที่ลิงค์ด้านล่าง
http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2011/01/galvanic-corrosion-of-new-pipe-in.html

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ micro-galvanic corrosion ได้ที่
http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2012/06/aisi-304-corrosion-failure-of-aisi-304.html

การเสียหายแบบเหนียว (Ductile Failure)

วันนี้ขอนำเสนอรูปแบบการเสียหายของวัสดุแบบที่ 2 คือ การเสียหายแบบเหนียว

วัสดุเหนียวที่ถูกใช้งานภายใต้สภาวะการรับความเค้นแรงดึง (Tensile Stress) และความเค้นแรงกด (Compressive Stress) จะเกิดการยืดตัวแบบชั่วคราวและแบบถาวรจากแรงและมีการดูดซับพลังงาน การเสียหายแบบเหนียวบางรูปแบบอาจทำให้วัสดุไม่เกิดการแตกหัก ได้แก่การคราก (Yielding) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัสดุได้รับแรงเกินกว่าค่าความต้านทานแรงดึงจุดคราก และไม่สามารถกลับมาสู่รูปร่างและขนาดเดิมได้ และการเสียหายจากการโก่งงอ (Buckling) ปรากฏการณ์ทั้งสองนำไปสู่การแตกหักแบบเหนียว (Ductile Fracture) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อกระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร (Plastic Deformation) ไม่สามารถดำเนินต่อไปได้อีกภายใต้แรงกระทำนั้นๆ รูปแบบการเสียหายที่กล่าวมามีรายละเอียดต่อไปนี้

1. การคราก (Yielding)
การเสียหายด้วยรูปแบบการครากเกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้สภาวะการรับแรงทางกลแบบสถิต (Static Loading) และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร คือมีการยืดตัวมากเกินไป ลักษณะดังกล่าวทำให้วัสดุไม่สามารถใช้งานตามหน้าที่ที่ออกแบบไว้ได้ต่อไป เช่น ชิ้นส่วนที่เกิดการครากอาจจะประกอบเข้ากับชิ้นส่วนอื่นไม่ได้ และทำให้ชิ้นส่วนอื่นไม่สามารถเคลื่อนที่หรือทำงานต่อไปได้ นั่นหมายถึงอาจทำให้เสียหายทั้งระบบ รูปแบบการเสียหายดังกล่าวนี้จะปรากฏให้เห็นได้จากการบิดเบี้ยว ยืดตัว หรืออื่นๆ ที่ปรากฏบนวัสดุ การครากมักเกิดขึ้นกับวัสดุเหนียว (Ductile Materials) ทั่วไป ได้แก่ โลหะและโพลิเมอร์ ในขณะที่เซรามิกส์และโลหะที่แข็งมากๆ ซึ่งเป็นวัสดุที่ค่อนข้างเปราะจะเกิดการครากตัวได้ยาก ตัวอย่างของรูปแบบการเสียหายดังกล่าวสามารถพบได้ในวัสดุเหนียวที่อยู่ภายใต้สภาวะการรับแรงดึง มีการดูดซับพลังงานจากการเปลี่ยนรูปร่างอย่างถาวรนำไปสู่การยืดตัวของวัสดุ ตัวอย่างชิ้นส่วนที่เสียหายจากการครากแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 เสาของอาคารเกิดการครากตัวจนเกิดความเสียหาย

2. การแตกหักแบบเหนียว (Ductile Fracture)

การแตกแบบเหนียวเป็นรูปแบบความเสียหายที่มีลักษณะปรากฏตรงกันข้ามกับการแตกแบบเปราะ โดยการแตกแบบเหนียวจะเกิดขึ้นเมื่อวัสดุรับแรงหรือความเค้นสูงเกินไปจนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร โดยความเค้นที่กระทำมีค่ามากกว่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield Strength) และมีผลทำให้วัสดุแยกออกจากกันเป็นสองชิ้น กระบวนการเสียรูปอย่างถาวรที่เกิดขึ้นจะมีการดูดซับพลังงานปริมาณมาก (เมื่อเทียบกับการแตกแบบเปราะ) การเริ่มต้นของรอยแตกแบบเหนียวมีลักษณะคล้ายกับที่เกิดขึ้นกับการแตกแบบเปราะ คือจะเกิดบริเวณจุดบกพร่องของวัสดุ เช่น ช่องว่างขนาดเล็ก (Void) และสิ่งเจือปน (Inclusion) ถ้าวัสดุเหนียวเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร จะทำให้ช่องว่างขนาดเล็กมีการเชื่อมรวมตัวกัน (Void Coalescence) กลายเป็นรอยร้าวขนาดเล็ก (Micro-crack) และขยายไปเป็นรอยร้าวขนาดใหญ่จนเกิดการแตกหักในที่สุด (ดังแสดงภาพจำลองในรูปที่ 2) ซึ่งมีลักษณะเป็น Cup and Cone ดังรูปที่ 3 และมีรายละเอียดดังรูปที่ 4 กระบวนการขยายตัวของรอยร้าวจากการแตกหักแบบเหนียวค่อนข้างจะช้า เมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกหักด้วยสายตาจะเห็นว่าไม่มันวาวหรือไม่สะท้อนแสง แต่จะมีลักษณะหยาบ เป็นหลุมเล็กๆ (Dimple) เมื่อตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงจะเห็นการยืดตัวใกล้ผิวหน้าแตกหัก และถ้าตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) จะเห็นช่องว่างขนาดเล็ก (Void) และหลุม (Dimple) ดังรูปที่ 5

Dimple ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของผิวหน้าแตกหักแบบเหนียวทางจุลภาคมี 2 ลักษณะ กล่าวคือ
1. ถ้ารับแรงดึงตั้งฉาก จะเป็น equi-axed dimple
2. ถ้ารับแรงดึงฌฉือน  จะเป็น shear dimple หรือ elongated dimple

รูปที่ 2 ลำดับการเกิดช่องว่างและรอยแตกร้าวขนาดเล็กจนเกิดการแตกหักในที่สุด

รูปที่ 3 ตัวอย่างชิ้นงานทดสอบแรงดึงที่มีลักษณะเป็นรูปถ้วยและกรวย (Cup & Cone)

รูปที่ 4 ลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักแบบเหนียว

รูปที่ 5 ลักษณะทางจุลภาคของผิวหน้าแตกหักแบบเหนียวที่มีลักษณะเป็นร่องหลุม (Dimples)

ในระดับจุลภาคของผิวหน้าแตกแบบเหนียวของโลหะจะแสดงให้เห็นลักษณะเป็นร่องหลุม (dimpled) ที่เกิดจากช่องว่างมาเชื่อมกัน (micro-void coalescence) ดังรูปที่ 5 แม้ว่าบางชิ้นส่วนจะแสดงรูปแบบการแตกแบบภาพรวมเป็นแบบเปราะ แต่บ่อยครั้งที่พบรูปแบบการแตกแบบเหนียวห่างออกไปจากจุดเริ่มต้น ยกตัวอย่าง เช่น final fast fracture มักพบรูปแบบ ductile overload และพบ shear lip ในการเสียหายของโลหะหลายชนิด โดยเฉพาะเมื่อรอยแตกเริ่มเกิดขึ้นและมีการขยายตัวด้วยกลไกของ SCC, fatigue และ hydrogen embrittlement ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 การแตกหักของสลักเกลียวด้วยกลไกการแตกเปราะจากไฮโดรเจนโดยปรากฏให้เห็น dimple ในผิวหน้าแตกหักช่วงสุดท้าย

ผลสรุปของการแตกหักแบบเหนียว
• เกิดการฉีกขาดของโลหะและเกิดการเสียรูปอย่างถาวร (plastic deformation)
• ผิวหน้าแตกมักหยาบเป็นสีเทา หรือเป็นเส้นใย (fibrous)
• เกิดคอคอด (Necking)– ก่อตัวเป็น Cup และ Cone
• ใช้พลังงานในการแตกหักมากกว่าการแตกหักแบบเหนียว

การแตกหักแบบเหนียวล้วนๆ มักจะไม่มีให้เห็นกันบ่อยนัก เพราะการแตกหักแบบเหนียวส่วนใหญ่เกิดจากหลายกลไกรวมกัน การแตกหักแบบเหนียวของวัสดุส่วนใหญ่มักจะเกิดจากความเค้นที่กระทำมีค่ามากกว่าพิกัดความแข็งแรงของวัสดุ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเลือกใช้วัสดุในระหว่างขั้นตอนการออกแบบไม่ได้ประสิทธิภาพตามที่ต้องการ หรือแรงที่กระทำมีค่ามากกว่าค่าที่คำนวณไว้ หรือการประกอบชิ้นส่วนไม่ถูกต้องเหมาะสมหรือมีคุณภาพไม่ดี และชิ้นส่วนที่เลือกใช้มีจุดบกพร่องภายใน

วิธีที่ดีที่สุดเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนเกิดการแตกหักแบบเหนียว คือ การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมระหว่างขั้นตอนการออกแบบ นอกจากนั้นควรมีการควบคุมคุณภาพที่ดีระหว่างกระบวนการผลิตวัสดุ เพื่อลดและกำจัดจุดบกพร่องที่จะเกิดขึ้น การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุสามารถรองรับแรงที่กระทำได้ไม่เกินขีดจำกัดของวัสดุ อย่างไรก็ตามการออกแบบที่ผิดพลาด เช่น การคำนวณแรงทางกลที่ไม่แม่นยำและการประมาณค่าแรงกระทำที่ต่ำเกินไป ก็เป็นปัจจัยนำไปสู่สาเหตุการเสียหายได้

3. การโก่งงอ (Buckling)

การโก่งงอเกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้สภาวะการรับความเค้นแรงอัดและความเค้นแรงบิด จนวัสดุไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำและทำให้เกิดความเสียหายโดยเกิดรอยโป่ง ยุบตัวและบิดเบี้ยว ชิ้นส่วนที่มีโอกาสเกิดความเสียหายโดยการโก่งงอ คือชิ้นส่วนที่มีการขึ้นรูปเป็น แท่ง ท่อ (รูปที่ 7) และเสา นอกจากนั้นชิ้นงานที่เป็นคานรูปตัวไอ (I-beam) และชิ้นส่วนที่มีรูปร่างสลับซับซ้อนอื่นๆ ก็มีโอกาสต่อการโก่งงอภายใต้สภาวะการรับแรงอัดและแรงบิดได้เช่นกัน การโก่งงอขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของวัสดุ นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับค่าโมดูลัสของความยืดหยุ่น (Modulus of Elasticity) ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นการโก่งงอจึงมักจะเกิดในสภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ซึ่งมีผลทำให้วัสดุมีค่าโมดูลัสของความยืดหยุ่นลดลง และมีการอ่อนตัว (Softening)

รูปที่ 7 รางรถไฟและเสาทรงกระบอกที่เกิดการเสียหายด้วยการโก่งตัว