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.