การแตกหักแบบเปราะ (Brittle Fracture)

วันนี้ผมขอนำเสนอรูปแบบการเสียหายของวัสดุแบบแรกนะครับ คือ การแตกหักแบบเปราะ

การแตกแบบเปราะของวัสดุเกิดขึ้นเมื่อการกระทำของแรงทางกลมีค่าสูงกว่าค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดของวัสดุ ทำให้วัสดุแตกออกจากกันเป็นสองชิ้นหรือมากกว่า โดยปรากฏให้เห็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร (Plastic Deformation) หรือการยืดตัวน้อยมากดังรูปที่ 1-2 ปัจจัยที่จะแสดงตัวเป็นจุดเริ่มต้นการเกิดรอยร้าวและนำไปสู่การแตกแบบเปราะได้แก่ลักษณะเฉพาะของวัสดุและจุดบกพร่อง เช่น ร่องหลุม ช่องว่างขนาดเล็ก (Void) สิ่งเจือปน (Inclusion) รอยร้าว (Crack) และความเค้นตกค้าง (Residual Stress) การแตกร้าวมักเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วขณะที่วัสดุกำลังรับแรง มีการดูดซับพลังงานในปริมาณน้อย (เมื่อเทียบกับการแตกแบบเหนียว) รูปแบบการเสียหายนี้ส่วนใหญ่จะเกิดกับวัสดุที่เปราะ เช่นเซรามิกส์และโลหะที่แข็ง เมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกหักจะมีลักษณะที่เรียบและวาว ถ้าตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงจะแสดงให้เห็นลักษณะการยืดตัวน้อยมากดังรูปที่ 3 และอาจสังเกตเห็นจุดบกพร่องหรือบริเวณที่มีความเค้นตกค้างสูง

รูปที่ 1 การแตกหักแบบเปราะของเพลาเหล็กกล้าไร้สนิม

สรุปการแตกหักแบบเปราะ
• มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็วด้วยพลังงานเพียงเล็กน้อย
• ปราศจากการเสียรูปอย่างถาวร (plastic deformation)
• ผิวหน้าแตกจะเรียบเป็นมันวาว
• มีลักษณะเป็นเกรนเกิดคอคอดน้อยมาก – Plane strain condition


การลดหรือกำจัดจุดบกพร่องบนผิวหน้าและภายในวัสดุ เป็นวิธีการสำคัญที่จะปรับปรุงความต้านทานต่อการแตกแบบเปราะ จุดบกพร่องต่างๆ อาจจะเกิดขึ้นระหว่างการประกอบติดตั้งหรือจากกระบวนการผลิต การเลือกใช้และประกอบชิ้นส่วนที่มีผิวหน้าเรียบจึงมีประโยชน์ต่อการป้องกันการแตกแบบเปราะ การมีมุมแหลมและร่องหลุมบนผิวหน้าวัสดุสามารถแสดงตัวเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกแบบเปราะได้เช่นกัน นอกจากนั้นการลำเลียงและขนส่งอย่างระมัดระวังหลังจากการผลิตจะช่วยป้องกันการเสียหายทางกล เช่น รอยขีดข่วนและรอยกัดที่สามารถนำไปสู่การแตกเปราะได้ ท้ายที่สุด กระบวนการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมต่อการใช้งานจะเป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้วัสดุสามารถรองรับแรงที่กระทำได้ การเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวจึงเป็นอันตรายมาก วัสดุบางชนิด เช่น เหล็กหล่อเทา (Cast Iron) และเซรามิกส์ จะเกิดการแตกหักแบบเปราะเท่านั้น ในขณะที่วัสดุบางชนิด เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน จะมีความเหนียวที่อุณหภูมิปกติและอุณหภูมิสูง แต่มีสมบัติที่เปราะและเกิดการแตกหักแบบเปราะที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นสำหรับชิ้นส่วนที่มีความสำคัญสูง ไม่ควรเลือกใช้วัสดุที่เสี่ยงต่อการการแตกหักแบบเปราะในระหว่างใช้งาน

รูปที่ 2 ลักษณะทางมหภาค

รูปที่ 3 ชิ้นงานทดสอบแรงดึงที่เกิดการแตกหักแบบเปราะ

การแตกเปราะของวัสดุเชิงโลหะอาจเกิดจากปัจจัยหลายอย่าง แต่ก็มีลักษณะภาพถ่ายทางจุลภาคของผิวหน้าแตก 3 รูปแบบที่สามารถชี้ให้เห็นกลไกได้อย่างชัดเจน ลักษณะเหล่านั้น ได้แก่ cleavage facets, intergranular facets และ striations

• Cleavage facets มักเกิดขึ้นกับโลหะที่มีโครงสร้างผลึกแบบ body-centered cubic (bcc) และ hexagonal close-packed เมื่อรอยแตกวิ่งผ่าเกรน (เช่น ระนาบ {100} ในโลหะ bcc) ซึ่ง Cleavage เป็นลักษณะเฉพาะของการแตกเปราะแบบผ่าเกรนดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 รอยแตกแบบผ่านเกรนของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ

 

• Intergranular fracture เรียกตามลักษณะที่ปรากฏคล้ายน้ำตาลเกล็ด (rock candy) เกิดขึ้นเมื่อรอยแตกวิ่งตามขอบเกรนดังรูปที่ 5 ซึ่งการแตกด้วยรูปแบบดังกล่าวเป็นลักษณะเฉพาะของรอยแตกร้าวจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (SCC) การแตกเปราะเนื่องจากไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement) และการแตกเปราะของเหล็กกล้าที่ผ่านการอบอ่อน (temper embrittlement)

รูปที่ 5 รอยแตกแบบตามขอบเกรนของเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง

• striations เป็นแนวการขยายตัวแบบจุลภาคของรอยแตกจากการล้า (Fatigue Fracture) ซึ่งจะแสดงให้เห็นแต่ละคาบของความเค้นหรือรอบของความเค้นแต่ละรอบที่กระทำกับชิ้นงาน ซึ่งเส้นเหล่านี้เราไม่สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่สามารถมองเห็นได้ด้วยการตรวจสอบในกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายสูง เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (Scanning Electron Microscope; SEM) เท่านั้นดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 striation patterns