Failure of Boiler Tube in Heat Recovery Steam Generator (HRSG) System by Flow-accelerated Corrosion

I would like to show my case study of failure analysis of boiler tube. It failed by FAC .

Introduction


Flow-accelerated corrosion (FAC) is metal loss through the dissolution of the protective oxide film by localized turbulence in water or wet steam piping system [1]. The metal corrosion is accelerated by the continuous erosive destruction of the protective layers. Under certain water chemistry, fluid velocity, and operating conditions, FAC can cause internal wall thinning of condensate and feed-water piping, heater drip and drain lines, and other carbon steel piping [2]. In some cases, this thinning has led to catastrophic failures and fatalities.

Fig.1 Boiler tube for failure analysis

In this case study, the failed component was the evaporator tube, which had been in service for nearly 4 years. The tube was the component of the evaporator outlet of the low-pressure steam in the heat recovery steam generator (HSRG). The tube was used for feeding water to the continuous process for boiler. During operation, it was exposed to hot water (120-200 C) and the pressure of 4-6 Bar (depends on the flow rate). The water solution has pH around 8.4-9.4, conductivity 3.8-7.5 micro-S/cm, silica content 4-20 microgram/l and iron content 3-24 microgram/l. The fluid flow velocity was about 0.3 M/s (flow rate 0.217 kg/s). The liquid ammonia was added into the water to control the pH value, and the hydrazine was also added to reduce oxygen content. The outer part of the tube was exposed to exhaust gas from the gas turbine (520 C and atmospheric pressure). The tube material was made of carbon steel grade ASTM SA-178A, which was 1.5 inches diameter and 0.094 inch thick. One section of the tube was replaced with a new ASTM SA106B steel tube by welding.

Fig.2 Longitudinal cross cut showing metal loss patterns

Fig.3 Horse shoe patterns, indicative of FAC was found on the inner tube surface

The bended surface of the tube revealed the damage from an erosion-corrosion type mechanism which is known as flow-accelerated corrosion (FAC). The attack was caused by a combination of flow velocity (mechanical factors) and corrosion (electrochemical factors). Especially at the site where a continuity surface was uneven such as weld bead at the inner wall of the tube during welding process, the erosion corrosion was extremely severe. Also the metal on the surface was removed and became particles. The most significant effect of erosion corrosion is the constant removal of protective films from the metal surface, thus resulting in localized attack at the area at which the film is removed [3]. This phenomenon is usually caused by movement at high velocities, and will be particularly prone to occur by the solution containing solid particle (e.g. silica, iron, insoluble salts, sand and silt) that has an abrasive action. Affected tube surface will often contain horseshoe pattern, grooves, or wavelike marks that indicate the attack direction. From the internal inspection of evaporator tubes using SEM, it revealed that the tube had an internal weld bead. This defect can be a potential source of small particles when these sites are attacked by erosion corrosion. In addition, hydrazine, a reducing agent, was added to the feed-water system in petrochemical plant to maintain a reducing environment in the steam generators. Hydrazine is reactive and unstable. It reacts with oxygen forming water and nitrogen. Un-reacted hydrazine would thermally decompose to form ammonia. FAC rate increases with increasing hydrazine level as the oxidizing–reducing potential becomes more reducing. The service temperature around 120-200 C is susceptible to FAC [1]. High flow rates, turbulence, and flow impingement increase water-steel contact and thereby increase the rate of iron dissolution and corrosion. FAC is most severe at abrupt flow discontinuities. Corrosion rate is higher at turbulence promoters such as irregular welds or changes in pipe diameter that is consistent with our results. In the area of FAC, the interaction between flow and the electrochemical processes of corrosion produces a characteristic abrasion pattern. The surface appearance ranges from smooth to pitted, but a distinctive wave-like appearance or horseshoe pattern with smooth scallops and sharp crests is found on the severe site as confirmed by microstructural analysis. The metal particles in the working fluid combine with silica also cause wear damage.

Fig.4 Macrostructure showing the wave patterns

Suggestions

Most cases of erosion corrosion can be minimized by

1. Redesigning or replacing the bended section with a larger radius tube.
2. Controlling the weld bead inside the tube during and after welding process.

3. Operating under homogenization of the water temperature and flow rate.

4. Maintaining the cleanliness of the fluid.

5. Selecting the material with high erosion corrosion resistant

6. Choosing the same grade and diameter of the pipe to be joint together

7. Avoiding overfeed of hydrazine and control the feed rate to match the water rate.

References:
[1] R.B. Dooley, V.K. Chexal, 2000, “Flow-accelerated corrosion of pressure vessels in fossil plant”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol.77, pp.85-90.
[2] Crispin Hales, Kelly J. Stevens, Philip L. Daniel, Mehrooz Zamanzadeh, Albert D. Owens., 2002, “Boiler feedwater pipe failure by flow-assisted chelant corrosion”, Engineering Failure Analysis, Vol.9, pp.235-243.
[3] R.D. Port, 1998, “Flow Accelerated Corrosion”, Nace International, paper no.721.

จะป้องกันรถของท่านไม่ให้เกิดการกัดกร่อนได้อย่างไร (How to prevent your car from corrosion)

“การกัดกร่อนสามารถสร้างความเสียหายให้กับรถของคุณได้ ลองใช้วิธีดังกล่าวเพื่อป้องกันไม่ให้รถของคุณเกิดการกัดกร่อน”

รูปที่ 1 รถในสภาพที่เจ้าของดูแลดี (รถผมเองครับ อิอิ)

สำหรับรถยนต์นั้น บางท่านอาจถือว่าเป็นแค่เครื่องอำนวยความสะดวกสำหรับการเดินทางเท่านั้น แต่อาจเป็นทุกสิ่งทุกอย่างสำหรับบางท่าน (เป็นทั้งบ้าน ที่นอนและอื่นๆ) แต่เจ้าของรถทั้งหลายเหล่านี้ไม่สามารถอยู่นิ่งได้ถ้าพบรอยขีดข่วนบนรถตัวเอง และจะเจ็บปวดมากถ้าพบว่ารถของตัวเองเกิดสนิม ดังนั้นวิธีที่จะป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อน (สนิม) คือการดูแลเอาใจใส่อย่างดี

รูปที่ 2 รถยนต์ที่เกิดการกัดกร่อนบนผิวเหล็กที่อยู่ภายใต้สีเคลือบที่หลุดร่อน

เป็นที่ทราบกันดีว่า สาเหตุสำคัญของการกัดกร่อนในรถยนต์ ก็คือ เกิดการสะสมของสิ่งสกปรก ความชื้นหรือสารเคมี (แต่ถ้าในต่างประเทศก็อาจจะมาจากการสะสมของเกลือที่ใช้ในการละลายหิมะบนท้องถนน) โดยเฉพาะในบริเวณที่เข้าถึงหรือกำจัดได้ยาก (ซอกหรือหลืบทั้งหลาย) เช่นบริเวณใต้ท้องรถ กรอบประตู รอยบิ่น รอยขีดข่วนหรือความเสียหายใดๆ ที่เกิดบนผิวสีอันเกิดจากอุบัติเหตุเล็กน้อยหรือรอยถลอกที่เกิดจากการกระแทกของหินและกรวด จุดบกพร่องเหล่านี้แหละครับ จะเป็นกักเก็บสะสมของสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (Corrosive Media)

รูปที่ 3 บริเวณใต้ท้องรถมักเป็นที่สะสมของดินและโคลน

รูปที่ 4 ท่อลำเลียงน้ำมันเกิดการกัดกร่อนจนรั่วเนื่องจากใช้งานในแถบบางขุนเทียนซึ่งมีไอเกลือสูง

(จากรูปที่ 4 จากลักษณะที่ปรากฏดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าผิวหน้าชิ้นงานด้านที่สัมผัสบรรยากาศภายนอกสามารถสัมผัสกับบรรยากาศที่มีองค์ประกอบของสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จนทำให้ผิวหน้าของเหล็กชิ้นส่วนรถยนต์ถูกทำลายนำไปสู่การกัดกร่อน ซึ่งเป็นบริเวณที่ง่ายต่อการกัดกร่อนและเป็นจุดเริ่มต้นการแตกร้าว และเกิดผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน (corrosion products) เป็นสนิมสีน้ำตาล-แดง และสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งปะปนอยู่กับสิ่งแวดล้อม เช่น ปะปนกับดินโคลน เป็นต้น รูปแบบการกัดกร่อนแบบนี้เกิดขึ้นทั่วผิวหน้าของโลหะ ทำให้โลหะเกิดการสูญเสียเนื้อโลหะ ทำให้ชิ้นงานบางลงและเกิดรูรั่วบริเวณที่บางที่สุด)

สภาวะสิ่งแวดล้อม เช่น ฝุ่นสารเคมี บรรยากาศใกล้ชายฝั่งทะเล หรือมลพิษจากอุตสาหกรรมมักเป็นปัจจัยเร่งให้เกิดการกัดกร่อน โดยเฉพาะในสภาวะที่มีความชื้นสูงเหนือจุดเยือกแข็งมักเป็นสภาวะที่เลวร้ายที่สุดสำหรับรถยนต์ กล่าวคือ อัตราการกัดกร่อนจะเร็วมากในสภาวะดังกล่าว

ดังนั้น วิธีการที่ดีที่สุดในการรักษาผิวหน้ารถของคุณและช่วยหลีกเลี่ยงการกัดกร่อน คือ การทำความสะอาดโดยการล้างรถอยู่เป็นประจำ (นอกจากนี้ การล้างรถเป็นประจำในช่วงฤดูหนาวและทันทีหลังฤดูหนาวยังช่วยป้องกันการกัดกร่อนในรถยนต์ได้สำหรับประเทศที่มีหิมะ) และที่สำคัญก็คือรักษาสภาพภายใต้ท้องรถให้สะอาดและแห้งที่สุดเท่าที่จะทำได้ จากประสบการณ์ในการวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนยานยนต์ของผม พบว่าเกือบทุกส่วนประกอบของรถยนต์มีโอกาสเกิดการกัดกร่อนได้ทั้งนั้น ไม่ว่าจะเป็น Radiator ชิ้นส่วนชุบโครเมียมเพื่อความสวยงาม ชิ้นส่วน torsion bar แตร หม้อน้ำ ล้อแม็ก หรือแม้แต่แบตเตอรี่

สำหรับสีเคลือบรถยนต์แล้ว ถ้ามีสิ่งแปลกปลอม เช่น เกลือ ทาร์ มูลนก และเศษจากอุตสาหกรรมที่ร่วงหล่นมาเกาะติดและถ้าทิ้งไว้อาจทำลายผิวหน้าสีเคลือบรถยนต์ได้ ดังนั้นควรกำจัดสารตกค้างให้เร็วที่สุด แต่ถ้ากำจัดออกยากควรเลือกใช้สารทำความสะอาดที่เหมาะสม โดยสารเหล่านั้นต้องไม่ทำลายผิวหน้าสีเคลือบของรถยนต์

ควรซ่อมรถและให้เสร็จทันทีในบริเวณที่เกิดการเสียหายของรถโดยเฉพาะบริเวณที่เกิดรอยขีดข่วนหรือเกิดการหลุดออกของสีเพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่จะเกิดขึ้นกับเหล็ก

ความชื้น สิ่งสกปรกหรือโคลนสามารถสะสมตามพื้นและสามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนได้ ดังนั้นจึงควรตรวจสอบบริเวณดังกล่าวอยู่เป็นประจำ เพื่อให้แน่ใจว่ามีความสะอาดและแห้ง และจะต้องตรวจสอบบ่อยยิ่งขึ้นถ้าคุณนำรถไปวิ่งนอกถนน เข้าป่าเข้าดง (Off-road) หรือวิ่งในฤดูฝน ควรทำความสะอาดรถของคุณด้วยสารละลายที่มีส่วนผสมของสบู่หรือสารทำความสะอาดที่มีฤทธิ์อ่อนๆ ผสมกับน้ำอุ่น เพื่อกำจัดสิ่งสกปรกที่ติดตัวรถเพื่อป้องกันการกัดกร่อน

รูปที่ 5 รถยนต์ประเภท OFF-Road ถ้าทำความสะอาดไม่ดีก็เกิดการกัดกร่อนได้ง่าย

สถานที่จอดรถยนต์เป็นปัจจัยที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่ช่วยป้องกันการกัดกร่อน เราจะต้องมั่นใจว่ารถไม่ได้จอดในบริเวณที่มีความชื้นหรือบริเวณที่มีการถ่ายเทอากาศไม่ดี เนื่องจากถ้าโรงเก็บรถมีความชื้นสูงจะเร่งการกัดกร่อนได้เร็วยิ่งขึ้น ถ้าคุณไม่สามารถจอดรถในโรงเก็บรถได้ ก็แนะนำให้หาอุปกรณ์มาปกคลุม การปกคลุมด้วยวัสดุที่มีคุณภาพนอกจากจะช่วยป้องกันรังสียูวี ซึ่งมักทำลายสีของรถ ชิ้นส่วนที่เป็นพลาสติกและผ้าให้ซีดจางลงแล้ว ยังช่วยป้องกันการเกาะติดของฝุ่นและมลพิษทางอากาศบนพื้นผิวของรถท่านได้

รูปที่ 6 ล้อแม็กที่มักเกิดการกัดกร่อนแบบใต้ชั้นเคลือบ (Filiform Corrosion)

รูปที่ 7 การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับแบตเตอรี่

รูปที่ 8 การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วน torsion bar ซึ่งมีดินโคลนเกาะติด โดยเจ้าของรถไม่ทำการชะล้างออกจนเกิดการกัดกร่อนและเป็นจุดเริ่มต้นการแตกหักในที่สุด

รูปที่ 9 การกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนประตูเนื่องจากการเตรียมผิวไม่ดีก่อนการเคลือบ เมื่อนำไปใช้งานจึงเกิดการบวมของสีรถ ถ้าอย่ในช่วงประกันก็สามารถเคลมได้

ปล. หลืบ = crevice site แปลว่าซอก ที่อับอากาศ

เพื่อให้เข้าใจเพิ่มขึ้น โปรดศึกษาเพิ่มเติมได้จาก
http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2010/05/galvanic-corrosion.html
ซึ่งจะกล่าวถึงความแตกต่างระหว่างการเคลือบด้วยสารที่เสถียรกว่าและด้อยกว่าบางส่วน

Hydrogen embrittlement of steel

Fig.1 : The bolt used in many contructions

Hydrogen embrittlement is a form of environmentally assisted failure which is caused by the action of hydrogen often in combination with residual or applied stress resulting in the reduction of the load bearing capacity of a component [1]. The cause of the embrittlement is the penetration of atomic hydrogen into the structure of metal. Generally a small quantity of hydrogen is sufficient to cause failures because it has the ability to magnify its effect by migrating to regions of high tri-axial stress. Hydrogen embrittlement manifests itself in diverse modes of material failures each of which is highly specific to the alloy system. In all cases, the fracture of bolt takes place starting from the root of the last engaged thread [2]. Hydrogen can be formed on the material surface both during a manufacturing process and during service. During manufacturing the most common sources of hydrogen is in acid cleaning and electrolytic plating. In the service life, hydrogen can be generated by the dissolution of hydrocarbon gases and cathodic protection system [3].

Fig.2 : Macrofractography of the failed bolt

The fractography revealed the concave fracture surface, typical indicates that there was a serious stress concentration [4]. The stress concentration played an important part in causing the failure, such as a sharp corner on a step in a shaft.

Fig.3 : Microfractography showing the intergranular in the case hardend layer

The material did not exhibit much plasticity during fracture, which was anticipated from an embrittlement type of failure [5]. The presence of intergranular hairline cracks indications along grain facets on the fracture surface point to hydrogen embrittlement.

The presence of a ductile fracture mode at the core and an intergranular fracture mode at the outer surface of a case hardening bolt is typical of hydrogen embrittlement [6], but could also be stress corrosion cracking (SCC). However, SCC can be eliminated, because the microstructure analysis results showed no presence of branched cracks.

Many hydrogen embrittlement mechanisms have been proposed, but none is universally accept. However, the phenomenon of hydrogen embrittlement is widely present. Evidences found in this case can be explained in a supportive manner through several mechanisms as mono-atomic hydrogen as small interstitial atom diffuse very rapidly above room temperature, eventually accumulates at voids/defects and other metallurgical discontinuities. With increase in concentration of hydrogen at such discontinuities, a high internal pressure is produced that enhances void growth and results in separate of grains. The hydrogen diffusion took place under the influence of residual stress, introduced in the material during thermal quenching treatment. The presence of hydrogen in steel reduces the strength of materials. It can be cause premature failure under static load. The time for failure depends on the stress applied to the component and the amount of hydrogen that has diffused in to steel. Because of this characteristic, hydrogen embrittlement is sometimes called hydrogen induced crack failure.

The probable causes for entrapment of hydrogen in this material were heat treatment of the steel under uncontrolled furnace atmosphere and subsequent of quenching process. Similar failure of cadmium plated 4140 steel [7] accumulator ring for aerospace application due to hydrogen embrittlement, on account of insufficient stress relieving after cadmium plating has been reported else where.

References

[1] R.K. Dayal and et al., “Hydrogen embrittlement in power plant steels”, Sadhana, Vol. 28, Parts 3&4, 2003, pp. 431–451.
[2] Milan M.T., “Failure analysis of a SAE 4340 steel locking bolt”, Eng Fail Anal, Vol. 11, 2004, pp. 915–924.
[3] Karl P. Fischer, “Bolter og Bolteforbindelser offshore”, MATERIALDAGEN 2003, 2003.
[4] Sachs N.W., “Understanding the Surface Features of Fatigue Fractures: How They Describe the Failure Cause and the Failure History”, JFAP, Vol.5, 2005, pp.11-15.
[5] Victor K., “Failed Main Rotor Pitch Horn Bolt from an Army Attack Helicopter”, Handbook of Case Histories in Failure Analysis, ASM, Vol. 2, pp.338-391, 1996.
[6] Mark Tanner, G., Hydrogen Embrittlement Failure of Socket Head Cap Screws, “Handbook of Case Histories in Failure Analysis”, ASM, Vol.1, pp.332-334, 1996.
[7] A.K. Jha et al., “Hydrogen embrittlement of 3.5Ni–1.5Cr–0.5Mo steel fastener”, Eng Fail Anal, Vol. 15, 2008, pp. 431–439.

Corrosion Fatigue Cracking of Austenitic Stainless Steel

Today, I would like to present the corrosion fatigue cracking, the mode of failure that found in the austenitic stainless steel. The details are as following;

Figure 1: CFC initiated from surface pit

Corrosion fatigue cracking (CFC) is the failure mode normally found in various metals and alloys under cyclic load in various environments [1]. Although austenitic stainless steel is resistant to uniform corrosion, it is sensitive to localized corrosion. It is widely known that austenitic stainless steel components are susceptible to pitting corrosion when exposed to chloride containing environment. In case of service under cyclic load, pitting corrosion is normally followed by subsequent corrosion fatigue cracking [2,3].

Corrosion fatigue cracks generally propagated from the pits or discontinuities initiated by chemical reaction or mechanical action [4,5]. In case of chemical reaction, especially for 300 series stainless steels, pits normally result from the corrosive action of chloride [6,7].

In case of mechanical action, discontinuities resulted from the abrasion between meshes which caused the metal loss via extensive plastic deformation, as indicated by deformation twins. Under cyclic load, pits and discontinuities become the stress concentration sites [8] which are the initiation sites for corrosion fatigue cracks. In addition, residual stress introduced from cold drawing as seen by the high density of twin grains could contribute to the failure by increasing the susceptibility of wire to pitting and cracking.

CFC is in certain aspects similar to stress corrosion cracking (SCC) [9]. As a result, fractography is required to distinguish between CFC and SCC. The failure by CFC can be confirmed by macroscopic beach marks, which indicate the propagation of cracks due to fatigue, and microscopic striation pattern, which indicates the crack propagation distance in each loading cycle. However, in austenitic stainless steels, striation pattern can hardly be identified [10] even at high magnification. Therefore, striation pattern cannot be identified in this work. Moreover, CFC can be confirmed by the characteristics of cracks which must have blunt crack tips, unbranched and consist mostly of transgranular cracks [11].

Figure 2: Single crack and blunt tip

In addition to corrosive species and loading condition, temperature is also another factor influencing the failure of engineering components, especially stainless steel components. As the temperature increases, the pitting potential decreases, causing the component to be more susceptible to pitting corrosion in chloride solution [12]. Once pitting occurs, it becomes an initiation site for CFC.

References
[1] B.D. Craig. Material Failure Modes, Part I: A Brief Tutorial on Fracture, Ductile Failure, Elastic Deformation, Creep, and Fatigue, JFAP 2005; 5(5): 13-14, 39-45.

[2] S. Roychowdhury et al., Effect of pH and specimen orientation on the corrosion fatigue behavior of a duplex stainless steel in chloride solutions, Trans. Indian Inst. Met. 2004; 57(3): 265-70.

[3] C.R. Gagg and P.R. Lewis, In-service fatigue failure of engineered products and structures – Case study review, Eng Fail Anal 2009; 16(6): 1775-93.

[4] R. Ebara, Corrosion fatigue phenomena learned from failure analysis, Eng Fail Anal 2006; 13: 516–25.

[5] C.R. Gagg and P.R. Lewis, Failure of components and products by engineered-in defects – case studies, Eng Fail Anal 2005; 12(6): 1000–26.

[6] M. G. Fontana, Corrosion Engineering, third ed., New York, McGraw-Hill, 1967: 51-4.

[7] S.A.M. Refaey, Corrosion and Inhibition of 316L stainless steel in neutral medium by 2-Mercaptobenzimidazole, Int. J. Electrochem. Sci. 2006; 1: 80-91.

[8] M. Cerit, K. Genel, S. Eksi, Numerical investigation on stress concentration of corrosion pit, Eng Fail Anal 2009; 16(7): 2467–72.

[9] T. Magnin, Recent advances for corrosion fatigue mechanisms, ISIJ Int 1995; 35(3): 223-33.

[10] N.W. Sachs, Understanding the Surface Features of Fatigue Fracture: How They Describe the Failure Cause and the Failure History, JFAPBC 2005: 11-5.

[11] Denny A. Jones, Environmental Induced Cracking, Principles and Prevention of Corrosion, second ed., Prentice Hall International Inc., 1996 : 244-8

[12] N.J. Laycock and R.C. Newman, Temperature dependence of pitting potentials for austenitic stainless steels above their critical pitting temperature, Corrosion Science 1998; 40(6):887-902.

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การล้า (Fatigue)

วันนี้เราเรียนรู้รูปแบบการเสียหายของวัสดุในรูปแบบถัดมา นั่นก็คือ การล้า หรือ Fatigue จะมีรายละเอียดเป็นอย่างไร เชิญติดตามได้เลยครับ

คำว่า "fatigue" มาจากคำภาษาละติน "fatigare" แปลว่า "เหนื่อย" ซึ่งหมายความว่าวัสดุเสียหายเร็วกว่าที่คาดไว้หลังจากเกิดการล้าภายใต้การรับแรงแบบคาบหรือรอบ (Cyclic Loading) ความล้าเป็นเกณฑ์ที่สำคัญที่สุดในการออกแบบวัสดุทางวิศวกรรม ความรุนแรงของความเสียหายจากการล้าคือบ่อยครั้งเกิดขึ้นที่ความเค้นต่ำกว่าค่า yielding of materials อายุการใช้งานของความล้าขึ้นอยู่กับจำนวนรอบที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนเกิดการแตกหัก การแตกหักอาจเกิดขึ้นได้ภายในไม่กี่รอบ หรือบางครั้งอาจใช้เวลานานหลายรอบจึงจะเกิดการแตกหักได้

รูปที่ 1 ผิวหน้าแตกหักจากการล้าของเพลาเหล็กกล้าไร้สนิม

การล้า เป็นรูปแบบการเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุมากที่สุด และน่าสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากเป็นรูปแบบการเสียหายที่มีแรงเค้นมากระทำกับวัสดุในค่าที่ต่ำกว่าค่าที่ออกแบบไว้มาก โดยจากข้อมูลที่มีการสำรวจ พบว่าการเสียหายด้วยด้วยรูปแบบดังกล่าวคิดเป็นประมาณ 90% ของการแตกหักของวัสดุทั้งหมด 

การล้า (Fatigue) หมายถึง การที่ชิ้นงานรับแรงซ้ำไปซ้ำมาหรือเป็นคาบ (Cyclic Load) เช่น ดัดไป-ดัดมาดึงปล่อย-ดึงปล่อย หมุนไป-หมุนมา บิดไป-บิดมา หรือแรงดันเพิ่ม-ลดลงไปมา เป็นต้น ส่งผลให้เกิดรอยร้าวขึ้น รอยร้าวที่เกิดจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ภายในชิ้นงาน จนในที่สุดชิ้นงานจะเหลือพื้นที่ในการรับแรงเพียงเล็กน้อย และเกิดการแตกหักทันทีทันใดเมื่อได้รับความเค้นเพียงเล็กน้อย แรงที่ว่านี้เมื่อนำมาคำนวณต่อพื้นที่ (Stress) จะพบว่ามีค่าต่ำกว่าค่าความเค้นที่ใช้ในการออกแบบ เช่น ค่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Stress) ความเสียหายเนื่องจากการล้าถือว่าเป็นการเสียหายแบบเปราะมักไม่ปรากฏลักษณะที่เตือนล่วงหน้าเหมือนการแตกหักแบบเหนียวที่มีการยืดตัวให้เห็นจึงเป็นอันตรายมาก ตัวอย่างชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมที่เสียหายจากการล้าแสดงในรูปที่ 1 และ Liberty Ship ที่เสียหายด้วยกลไกการล้าแสดงดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 Liberty Ship เสียหายด้วยกลไกการล้า

การเสียหายเนื่องจากการล้าเกิดขึ้นเมื่อวัสดุเกิดการแตกหักออกเป็นสองชิ้นหรือมากกว่า หลังจากรับแรงเค้นแบบคาบ (Cyclic Stress) เป็นระยะเวลาที่ยาวนานต่อเนื่องกัน ค่าความเค้นสูงสุดสำหรับการเสียหายเนื่องจากการล้าจะต่ำกว่าค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength) ของวัสดุ ถ้าสามารถควบคุมแรงเค้นที่กระทำให้มีค่าต่ำ และอยู่ในระดับที่คงที่ การเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ยากมาก แรงกระทำที่เป็นคาบทำให้เกิดจุดเริ่มและการขยายตัวของรอยแตก และถ้าวัสดุเกิดการแตกร้าวจนไม่สามารถที่จะรองรับแรงได้อีกก็เกิดการแตกหักในที่สุด


กลไกการเสียหายจากการล้าแบ่งได้เป็น 3 ขั้นตอน (ดังรูปที่ 3) คือ

1. การเริ่มต้นของรอยแตก (Crack Initiation)

2. การขยายตัวของรอยแตก (Crack Propagation) และ

3. การแตกหักของวัสดุ (Material Rupture)

รูปที่ 3 แสดงตำแหน่งการขยายตัวของรอยแตกจากการล้าภายความเค้นตามแนวแกนทั้ง 3 ขั้นตอน

ลักษณะที่เกิดขึ้นคล้ายกับการแตกหักแบบเหนียวและการแตกหักแบบเปราะ คือ รอยแตกจากการล้า จะเริ่มบริเวณที่เป็นจุดบกพร่องของวัสดุ ได้แก่ ร่อง หลุม ความไม่ต่อเนื่องของผิวหน้า รอยบิ่น และจุดบกพร่องอื่นๆ จุดบกพร่องที่เกิดขึ้นบนผิวหน้าวัสดุดังกล่าวจะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น เมื่อเกิดการสะสมของแรงเค้นจนเกินขีดจำกัดของค่าความแข็งแรง ณ จุดนั้นของวัสดุ และเกิดเป็นรอยร้าวตามมา วิธีที่ดีเพื่อป้องกันการเสียหายจากการล้าตัวคือ ต้องกำจัดจุดที่แสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น คือพยายามกำจัดหรือลดจุดบกพร่องบนผิวหน้าวัสดุ และลดค่าความกว้างของแรงเค้น (Stress Amplitude) รอยแตกจากการล้าจะขยายตัวไปตามบริเวณที่เป็นจุดอ่อนในวัสดุ ดังนั้นการลดจำนวนจุดบกพร่องภายในเนื้อวัสดุ เช่น ช่องว่างและสารเจือปนจะเพิ่มระยะเวลาการขยายตัวของรอยแตก เมื่อรอยแตกที่เกิดขึ้นทำให้วัสดุไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำต่อไปได้ จึงเกิดการแตกหัก ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งจากแรงเฉือนและแรงดึง

แม้ว่าการล้าจะเป็น time dependent process แต่การล้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับเวลามากนักแต่จะขึ้นอยู่กับจำนวนรอบของแรงที่กระทำมากกว่า โดยรอบ (Cycle) ประกอบด้วยแรงเค้นที่กระทำจะเพิ่มขึ้นจากจุดเริ่มต้น (ในบางกรณีมีค่าเป็นศูนย์หรือติดลบ) จนถึงค่าสูงสุดที่เป็นบวก และลดลงผ่านค่าเริ่มต้นจนถึงค่าต่ำสุด (ในบางกรณีจะเป็นค่าของแรงกระทำที่มีค่าติดลบมากที่สุด) และสุดท้ายก็จะกลับมายังค่าเริ่มต้น (รูปที่ 4) อย่างไรก็ตาม แรงกระทำที่มีค่าเป็นลบจะไม่ใช่ค่าเป็นจุดเริ่มของการล้า แต่จะเกิดขึ้นกับค่าแรงเค้นมีค่าเป็นบวก มากไปกว่านั้นความเค้นแบบคาบไม่จำเป็นต้องมีลักษณะที่สมมาตร แต่สามารถเกิดขึ้นได้แบบสุ่ม โดยทั่วไปโลหะกลุ่มเหล็ก หรือโลหะเหล็กผสม เป็นวัสดุที่มีขีดจำกัดความทนทาน (Endurance Limit; SL) ค่านี้จะบอกว่าเมื่อวัสดุได้รับความเค้นน้อยกว่าความเค้นนี้ จะไม่เกิดความเสียหาย ไม่ว่าจะรับความเค้นไปกี่รอบก็ตาม แต่ถ้าเป็นโลหะนอกกลุ่มเหล็ก (Non-ferrous Metals)  เช่น อะลูมิเนียม และไทเทเนียม จะไม่มีค่าขีดจำกัดความทนทาน โลหะจะเสียหายเมื่อการรับแรงแบบคาบมีค่าเกินจำนวนรอบที่เหมาะสมกับวัสดุนั้นๆ (ต้องมีการทดลองหาจำนวนรอบที่ทนได้เมื่อกำหนดค่าความเค้นให้) ในขณะเดียวกัน การเพิ่มค่าความเค้นสูงสุด (Stress Amplitude) สามารถทำให้เกิดการเสียหายด้วยการล้าที่จำนวนรอบต่ำๆ ส่วนโลหะนอกกลุ่มเหล็กดังแสดงในรูปที่ 5 นอกจากนี้ยังเป็นการชี้ว่าเมื่อวัสดุได้รับภาระและมีความเค้นเปลี่ยนแปลงเป็นรอบกลับไป-กลับมาหรือซำ้ไป-ซ้ำมา วัสดุจะมีขีดจำกัดที่จะรับความเค้นได้น้อยลง

ปล.ตามทฤษฎีแล้ว Endurance Limit หรือ ขีดจำกัดความทนทาน 

รูปที่ 4 Fatigue loading cycle

รูปที่ 5 S-N Curves ของโลหะกลุ่มเหล็กและนอกกลุ่มเหล็ก

โลหะและโพลิเมอร์จะมีความไวต่อการเสียหายจากการล้าตัว ในขณะที่เซรามิกส์มีความต้านทานที่ดี 

ปัจจัยที่ช่วยลดความเสี่ยงต่อการเสียหายแบบล้า ได้แก่ การเลือกวัสดุ ความเข้มข้นของความเค้น ผิวสำเร็จ และความต่อเนื่องของวัสดุ

• การเลือกใช้วัสดุ มีความสำคัญยิ่งต่อการพิจารณาการออกแบบทั้งหมด การเลือกวัสดุอาจถูกจำกัดด้วยปัจจัยหลายประการ รวมถึงข้อจำกัดด้านเศรษฐกิจ สิ่งแวดล้อม และข้อจำกัดในการใช้งาน การเลือกวัสดุที่มีขีดจำกัดความทนทานสูง (Endurance Limit) เป็นวิธีปฏิบัติที่ดี
• ความเข้มข้นของความเค้น โดยพื้นฐานแล้ว มุมที่แหลมทั้งหมดควรทำเป็นรัศมีถ้าเป็นไปได้ มุมแหลมจะให้ความเข้มข้นของความเค้นและมักเป็นสาเหตุของรอยแตกเริ่มต้น
• การตกแต่งพื้นผิว เป็นองค์ประกอบที่สำคัญอีกประการหนึ่ง จากที่เรียนมาเราจะพบว่าในการกำหนดค่าการแรงหลายๆ แบบ เช่น การดัดและการบิด ความเค้นวิกฤตมักจะอยู่ที่พื้นผิว ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วพื้นผิวที่ปราศจากตำหนิจะเพิ่มความต้านต่อการล้าได้ดี
• ความไม่ต่อเนื่องของวัสดุ เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในระดับจุลภาค แต่กระบวนการขึ้นรูปที่ดีจะช่วยลดปัญหาเหล่านี้ได้

การเสียหายด้วยรูปแบบการล้ามีหลายชนิด ได้แก่ การล้าที่รอบสูง การล้าที่รอบต่ำ การล้าเนื่องจากความร้อน การล้าที่ผิว การล้าเนื่องจากการกระแทก การล้าร่วมกับการกัดกร่อน และการล้าเนื่องจากการถูครูด รายละเอียดจะเป็นอย่างไร โปรดติดตามตอนต่อไปโดยคลิคที่ด้านล่าง

http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2010/07/fatigue.html
สำหรับการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักจากการล้าสามารถดูได้จากลิงค์ด้านล่าง
http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2010/05/fatigue-fracture.html

Ten Mechanical Failure Modes

วันนี้จะมานำเสนอรูปแบบการเสียหายทางกลพื้นฐาน 10 รูปแบบในฉบับภาษาอังกฤษ แต่ผมจะทยอยลงรายละเอียดที่เป็นภาษาไทยในหัวข้อรูปแบบการเสียหายวัสดุ ซุ่งก็ได้ลงรายละเอียดไปบ้างแล้ว

มีการกล่าวขานกันว่าแรงที่กระทำกับระบบของเราสามารถนำไปสู่ความเสียหายได้หลายรูปแบบ
(Forces imposed on systems can cause failures in many different ways)


Engineers have to take system and environmental forces into account when designing a system or a component , whether the system is a microchip or a skyscraper.


How Understanding Mechanical Failure Modes Improves the Design Process

Components can fail in a variety of different ways based on geometry, load direction, environmental conditions, or other variables. By understanding how something could fail, engineers can design the component to minimize the probability of failure. Designers generally use a factor of safety when designing critical parts. A factor of safety is a multiplier added to design criteria to ensure that not only does the part perform properly under normal loadings, but also performs properly under occasional overloadings

The ten primary modes for failure of mechanical components include:


Buckling - Buckling is the failure of a long, slender column that has been subjected to a compressive, axial load. As the load is applied, the center of the column span bulges outward, and then either cracks or yields, depending on the material properties of the specific component.

Corrosion - Corrosion is the chemical alteration (generally, but not always, oxidation), of a material due to environmental exposure to corrosive elements. For example, iron or steel that is exposed to air can undergo oxidation, forming iron oxide, commonly known as rust. This reddish-brown material has virtually no structural strength, and can reduce the effective material cross section, and therefore strength of a structure.

Creep - Creep is the slow deformation of a solid material over time due to applied loads and often increased temperatures. Creep can result in changes in material properties and part geometries that can cause failures.

Fatigue - Fatigue is a reduction in the ultimate strength of a material due to cyclic loading of a part. Micro-deformations can occur in loads that are larger than the normal working load. Even elastic deformations can result in material changes that can reduce the ultimate strength over a large number of cycles.

Fracture - Fracture begins as a localized microcrack in a part that slowly grows over time, or grows rapidly when exposed to a large overload. Failure occurs when the crack growth becomes critical and the part breaks. Crack growth often begins in areas of high stress concentration, such as corners.

Impact - Impact failure, just as it sounds, is the failure of a part due to impact with or by another object. A baseball shattering a window is an impact failure.

Rupture - Rupture generally occurs in pressure vessels or other containers when the pressure within the vessel exceeds the strength of a vessel, either globally or locally. Overpressure can cause rupture, as well as localized reduction in wall thickness due to corrosion or wear.

Thermal Shock - Thermal shock is the result of a component moving quickly from one temperature extreme to another. For example, brittle materials such as cast iron experience thermal shock if a hot part is suddenly cooled. The part can then crack or shatter because the material does not have the ductility to withstand the sudden thermal contraction of the material.

Wear - Wear is the gradual removal of material by two parts rubbing against each other, or environmental contact with a part, such as water or sand. As material is removed, the effective cross section of a load bearing part is reduced, increasing the stress on the part even though the applied load is constant.

Yielding - Yielding is the stress failure of a part due to overloading. As a load is applied to the component, the stress in the part increases. Based on the stress-strain curve for that particular material, the yield point is essentially the peak load that the part can hold before the material stretches apart.

While every operating environment contains different variables, engineers need to understand the different modes of failure so that they can design their parts with a factor of safety large enough to minimize the probability of failure during normal working operations and during potential overloading conditions.

รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถอ่านได้ที่ http://mechanical-engineering.suite101.com/article.cfm/ten_mechanical_failure_modes

Determination of Trace Metals in Lubricating Oils

น้ำมันหล่อที่ไม่ดี (มีสารปลอมปน) สามารถนำสู่การสึกหรอของชิ้นส่วนได้ โดยเฉพาะส่วนประกอบของเครื่องยนต์และกังหัน เป็นต้น ดังนั้นเราจะตรวจสอบหาโลหะแปลกปลอมในน้ำมันหล่อลื่นได้อย่างไร

เขียนโดย Prof Ricardo Aucelio (Pontificia Universidade Catolica do Rio de Janeiro)
อ่านเพิ่มเติมได้ที่ http://www.scitopics.com/Determination_of_Trace_Metals_in_Lubricating_Oils.html

Engine and turbine components undergo continual wear under normal operating conditions; this is minimized by the use of lubricating oils. Lubricating oils from petroleum are mainly composed of paraffinic, naphthenic and, to a lesser extent, aromatic hydrocarbons. Several additives, including metallo-organic ones, are also part of the final composition of commercial lubricating oil. Wear has both physical (friction between metallic parts, high temperature and pressure) and chemical (corrosion) sources. Chemical wear may produce not only metallic particles but also soluble metallo-organic species, whereas physical wear generates metallic particles of varying sizes (up to a few micrometers). Part of the metallic debris is not retained by filters and collectors, remaining in the lubricating oil and being transported through the whole system. Increasing amounts of some key elements in the lubricating oil may indicate the extent of the wear of wetted components. For instance, an abrupt increase of Ni, Sn or Cr indicates corrosion in bearings, valves and pistons, Fe indicates corrosion in various parts, Na indicates oil contamination with anti-freeze fluids and so on. The diagnosis based on elemental analysis of used lubricating oils may indicate the need for preventive maintenance of engines and turbines before irreversible damage occurs. Besides bringing economic benefits, such diagnoses save lives. The Spectroscopy Oil Analysis Program (SOAP) of the United States Air Force was the pioneer program based on this type of monitoring.Elements such as Ag, B, Ba, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, Hg, Mg, Mo, Ni, P, Sb, Se, Sn, Ti and Zn, are also deliberately introduced in small portions to lubricating oils to address requisites for special applications. In these cases, metallo-organic compounds containing these elements act as additives, improving lubricating capability and properties such as antioxidant, anticorrosive, dispersing, antiwear, and others. The improvement of performance of the oil is dependent upon the amount of the additive introduced; therefore, these amounts must be strictly controlled. Sensitive techniques are required for analysis of used lubricating oils since the capability of monitoring small concentration changes in the key elements is needed. The complexity of the oil matrix, its viscosity and the high organic load impose serious difficulties for elemental analysis. Such determinations are also an analytical challenge because all wear metals (solid particles of different sizes and metallo-organic species) must be accurately determined for information purposes. Apart from the existence of a few electroanalytical and XRF methods for the determination of Zn, Cu, Pb, Fe, Cr, Ni, As and Cd in lubricating oils, the majority of analytical methods reported in the literature are based on atomic spectrometric techniques such as FAAS, ET AAS, DC or ICP OES, ICP MS and AFS (From Aucélio R.Q. et al. (2007, The Determination of trace metals in lubricating oils by atomic spectrometry. Spectrochim. Acta ., 62: 952-961).

Engine and turbine components undergo continual wear under normal operating conditions; this is minimized by the use of lubricating oils. Lubricating oils from petroleum are mainly composed of paraffinic, naphthenic and, to a lesser extent, aromatic hydrocarbons. Several additives, including metallo-organic ones, are also part of the final composition of commercial lubricating oil. Wear has both physical (friction between metallic parts, high temperature and pressure) and chemical (corrosion) sources. Chemical wear may produce not only metallic particles but also soluble metallo-organic species, whereas physical wear generates metallic particles of varying sizes (up to a few micrometers). Part of the metallic debris is not retained by filters and collectors, remaining in the lubricating oil and being transported through the whole system. Increasing amounts of some key elements in the lubricating oil may indicate the extent of the wear of wetted components. For instance, an abrupt increase of Ni, Sn or Cr indicates corrosion in bearings, valves and pistons, Fe indicates corrosion in various parts, Na indicates oil contamination with anti-freeze fluids and so on. The diagnosis based on elemental analysis of used lubricating oils may indicate the need for preventive maintenance of engines and turbines before irreversible damage occurs. Besides bringing economic benefits, such diagnoses save lives. The Spectroscopy Oil Analysis Program (SOAP) of the United States Air Force was the pioneer program based on this type of monitoring.Elements such as Ag, B, Ba, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, Hg, Mg, Mo, Ni, P, Sb, Se, Sn, Ti and Zn, are also deliberately introduced in small portions to lubricating oils to address requisites for special applications. In these cases, metallo-organic compounds containing these elements act as additives, improving lubricating capability and properties such as antioxidant, anticorrosive, dispersing, antiwear, and others. The improvement of performance of the oil is dependent upon the amount of the additive introduced; therefore, these amounts must be strictly controlled. Sensitive techniques are required for analysis of used lubricating oils since the capability of monitoring small concentration changes in the key elements is needed. The complexity of the oil matrix, its viscosity and the high organic load impose serious difficulties for elemental analysis. Such determinations are also an analytical challenge because all wear metals (solid particles of different sizes and metallo-organic species) must be accurately determined for information purposes. Apart from the existence of a few electroanalytical and XRF methods for the determination of Zn, Cu, Pb, Fe, Cr, Ni, As and Cd in lubricating oils, the majority of analytical methods reported in the literature are based on atomic spectrometric techniques such as FAAS, ET AAS, DC or ICP OES, ICP MS and AFS (From Aucélio R.Q. et al. (2007, The Determination of trace metals in lubricating oils by atomic spectrometry. Spectrochim. Acta ., 62: 952-961).

Further reading

Aucélio R.Q. et al. (2007). The Determination of trace metals in lubricating oils by atomic spectrometry. Spectrochim. Acta ., 62: 952-961.

Varnes A.W. (1985). Analytical methods for the analysis of petroleum products, Spectrosc. 1: 28-33.

Sychra V. et a.. (1981) Analysis of petroleum and petroleum products by atomic absorption

K.J. Eisentraut (1984) Spectrometric oil analysis. Detecting engine failures before they occur, Anal. Chem. 56: 1086A-1091A.

Vahaoja P. et al. (2005) Determination of Wear Metals in Lubrication Oils: A Comarison Study of ICP-OES and FAAS, Anal. Sci. 21: 1365-1369.

Corrosion inhibition - the natural way

วันนี้ผมอยากเสนอการป้องกันการกัดกร่อนโดยการหน่วงไม่ให้เกิดด้วยสารยับยั้งการกัดกร่อน ซึ่งทุกวันนี้มีเทคโนโลยีและสารละลายมากมาย แต่ที่โลกกำลังต้องกันคือ แนวอนุรักษ์ธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม...
บทความดังกล่าวเขียนโดย Prof Ali El-Etre (Benha University, Faculty of Science)


Corrosion inhibitors are chemical compounds added to the corrosive medium to reduce the rate of its attack on the metal or alloy. The chemicals which can act as corrosion inhibitors may be inorganic or organic. The inorganic compounds such as chromates inhibit the corrosion process via formation of passive oxide film on the metal surface and thus prevent the corrosive medium to attack the bar metal. On the other hand, the organic compounds adsorb on the metal surface forming a barrier between the metal and the corrosive environment. Some structural features of the organic compounds help them to do so. These include the presence of oxygen, nitrogen or sulfur atoms as well as presence of double bonds. The lone pair electrons of the mentioned atoms facilitate the adsorption process.Some criteria should be considered when making a choice of chemical compounds for inhibition of corrosion. Inhibition of metallic corrosion is mainly an economical process. Therefore, the first criterion must be fulfilled by the used inhibitors is their prices. The other very important criterion should be considered when dealing with corrosion inhibitor is its effect on the human and environment. Unfortunately, most of the effective corrosion inhibitors are synthetic chemicals with high cost. At the same time, the use of such synthetic compounds can cause harm to human and environment.Upon looking around we'll find very rich resources for substances with wide varieties of chemical structures. So, why we rush to synthesize harmful chemical while the nature around us full of the safest ones? The plant is the great chemical factory which can supply us with the chemicals required to inhibit the corrosion process. Most of the naturally occurrence substances are safe and can be extracted by simple and cheap procedures.Recent literature full of researches which test different extracts for corrosion inhibition applications. The examples are numerous such as henna, olive, shirsh zallouh, vanillin, natural honey, khella, onion, ficus, opuntia,many oils extracted from different parts of different plants and many others. Many of these naturally occurring substances proved their ability to act as corrosion inhibitors for the corrosion of different metals and alloys in different aggressive media


Further reading

A.Y. El-Etre, M. Abdallah and Z. E.El-Tantawy, Corros. Sci., vol. 47, No 2, p 385 - 395 (2005).

A.Y. El-Etre, Journal of Colloid And Interface Science, vol. 314, No 2, p 578 – 583 (2007).

A.Y. El-Etre, Materials Chemistry and Physics, vol. 108, No 2-3, 15, p 278-282 (2008).

A. Y. El-Etre, Corrosion Sci., vol. 43, No. 6, p 1031 – 1039, 2001

A. Y. El-Etre, Corrosion Sci., vol. 40, No. 11, p 1845 – 1850, 1998.

A. Y. El-Etre and M. Abdallah, Corrosion Sci., vol. 42, No. 3, p 731 – 738, 2000.

A. Y. El-Etre, Applied Surface Science. vol. 252, No.24, p 8521- 8525 ( 2006).

A. Y. El-Etre, Bull. Electroch., vol. 22, No 2, p 75–80 (2006).

A. Y. El-Etre and Z. El-Tantawy, Portugaliae Electrochim. Acta, vol 24, No 3, p 347 - 356 (2006).

A. Y. El-Etre, Corros. Sci.,vol. 45, No 11, p 2485-2495 (2003).

A.M. Abdel-Gaber, E. Khamis, H. Abo-ElDahab, Sh. Adeel, Materials Chemistry and Physics, Volume 109, Issues 2-3, 15 June 2008, Pages 297-305

.Radojčić, K. Berković, S. Kovač, J. Vorkapić-Furač, Corrosion Science, Volume 50, Issue 5, May 2008, Pages 1498-1504

Pandian Bothi Raja, Mathur Gopalakrishnan Sethuraman, Materials Letters, Volume 62, Issue 1, 15 January 2008, Pages 113-116

Yan Li, Peng Zhao, Qiang Liang, Baorong Hou, Applied Surface Science, Volume 252, Issue 5, 15 December 2005, Pages 1245-1253

B. Müller, Corrosion Science, Volume 44, Issue 7, July 2002, Pages 1583- 1591

D. C. Hansen, S. C. Dexter, J. H. Waite, Corrosion Science, Volume 37, Issue 9, September 1995, Pages 1423-1441

Selected links

http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/pubs/water-eau/consultation/corrosion/ part2_6_e.html

วัสดุฉลาด (Smart materials) เพื่อป้องกันโรคหัวใจล้มเหลว

แม้ว่าเราจะเรียกวัสดุที่ผมจะนำเสนอต่อไปนี้ว่าเป็นวัสดุฉลาดก็ตาม แต่ในมุมมองวิศวกรการกัดกร่อน (Corrosion Engineer) อย่างผมก็ยังมองว่า สรรพสิ่งทั้งหลายต้องกลับไปที่จุดเริ่มต้นของมัน นั่นคือ ต้องมีการเสื่อมสลายในที่สุด เนื่องจากว่ามันครบองค์ประกอบของการกัดกร่อนนั่นเอง (ใครที่เค็มๆ ระวังให้ดี อัตราการกัดกร่อนจะเร็วมากเลยล่ะ...ล้อเล่น)

สเต็นท์ (Stent) สำหรับขยายเส้นเลือดให้สามารถใช้งานได้เป็นปกติ

ในปัจจุบันนี้ได้มีการผลิตวัสดุขึ้นใช้ทดแทนชิ้นส่วนหรืออวัยวะบางส่วนของร่างกายมนุษย์ที่ทรุดโทรมไปตามกาลเวลา หรือถูกทำลายจากเชื้อโรค รวมทั้งอุบัติเหตุ ด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ในปัจจุบัน นักวัสดุสามารถที่จะสร้างชิ้นส่วนทดแทนเหล่านั้นให้สามารถใช้งานร่วมกับเนื้อเยื่อและสารละลายที่อยู่ในร่างกายของมนุษย์ได้โดยไม่มีความเป็นพิษกับร่างกาย ซึ่งเราได้ตั้งฉายาของวัสดุทดแทนบางประเภทว่า วัสดุฉลาด (Smart materials) ซึ่งหมายถึงวัสดุที่มีความสามารถในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ หรือมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมีความเค้น เป็นต้น ซึ่งโลหะจำรูป (shape memory alloys - SMA) ก็จัดเป็นหนึ่งในวัสดุฉลาด ด้วยเหตุที่วัสดุสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงถึงระดับหนึ่ง และวัสดุที่จะนำเสนอต่อไปนี้ นิยมใช้กันอย่างมากในทางการแพทย์ คือ โลหะจำรูปผสมระหว่างไทเทเนียมและนิกเกิล (Nitinol)

จากการทดลองก็พบว่าโลหะผสมนิกเกิลกับไทเทเนียมแสดงสมบัติการคืนตัวของความเครียด (Recovery strain) โดดเด่นกว่าโลหะผสมชนิดอื่น นั่นคือนิกเกิลไทเทเนียมมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่เด่นชัดมากกว่าโลหะผสมอื่น โดยสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างด้วยการเหนี่ยวนำจากความร้อน หรือมีสมบัติยืดหยุ่นยิ่งยวด (superelastic) ซึ่งสองสิ่งนี้เป็นสมบัติสำคัญที่โลหะผสมอย่างนิกเกิลไทเทเนียม หรือโลหะจำรูปชนิดอื่น ๆ มีติดตัว

การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์

เนื่องจากปัจจุบันมีการผลิตโลหะจำรูปออกมาหลากหลายรูปแบบไม่ว่าจะเป็น เส้น ขด แท่ง ฯ จึงทำให้เกิดการประยุกต์ใช้อย่างหลากหลาย เช่น stent

สเต็นท์ - อุปกรณ์ถ่างหรือขยายหลอดเลือด (Stent) มีรูปร่างลักษณะเป็นขดลวดตาข่ายทรงกระบอก ผลิตจากสเตนเลสหรือโลหะจำรูปก็ได้ ในกรณีที่เป็นสเต็นท์ที่ทำจากสเตนเลส แพทย์จะยึดอุปกรณ์นี้ติดกับลูกโป่งหรือบอลลูน (balloon) ด้วยลวดและสอดเข้าทางเส้นเลือดในร่างกายจนถึงหลอดเลือดของอวัยวะเป้าหมาย จากนั้นแพทย์จะอัดลมเข้าไปในลูกโป่งเพื่อให้ลูกโป่งพองตัวออกเพื่อดันสเต็นท์ให้ขยายตัวออกติดผนังของหลอดเลือด จากนั้นแพทย์จะปล่อยลมออกจากลูกโป่ง และถอนเส้นลวดที่ยึดสเต็นท์ออกมา แต่ในกรณีสเต็นท์ที่ทำจากโลหะจำรูป แพทย์ไม่ต้องยึดสเต็นท์เข้ากับลูกโป่ง เพราะเมื่อเลือกใช้โลหะจำรูปที่ออกแบบให้มีการเปลี่ยนรูปร่างที่อุณหภูมิประมาณ 37 องศาเซลเซียสแล้ว สเต็นท์ที่เข้าไปอยู่ในร่างกายจะขยายตัวออกมาดันติดผนังหลอดเลือดได้เอง

โปรดติดตามตอนต่อไป.........................
ตอนที่ 2 http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2010/10/sma-nitinol.html

อาหารสมอง (Foods for Thought) ตอนที่ 1

บางท่านอาจจะแปลกใจว่าหัวข้อดังกล่าวเกี่ยวกับวัสดุอย่างไร แต่เรื่องที่ผมจะกล่าวต่อไปนี้จะเกี่ยวกับเรื่องผิวหน้าแตกหัก (Fractography) ของข้าวปลาอาหารที่เรากินอยู่ทุกวัน คุณเคยสังเกตหรือไม่ว่าอาหารที่คุณรับประทานเข้าไปมากกว่าครึ่งนั้น มีลักษณะที่ปรากฏทางกายภาพที่คล้ายกับวัสดุทางวิศวกรรม คุณอาจจะไม่ได้สังเกต แต่ถ้าคุณเป็นนักวิเคราะห์ความเสียหายที่ได้รับการฝึกฝนสายตาให้สังเกตผิวหน้าแตกหักและลักษณะทางโลหะวิทยาของชิ้นงานมาอย่างโชกโชนแล้ว คุณก็จะเข้าใจพฤติกรรมที่เป็นธรรมชาติของวัสดุ ซึ่งปรากฏการณ์เหล่านี้เราได้เห็นกันอยู่แทบทุกวันโดยเฉพาะในอาหารนับจากผลไม้จนถึงลูกกวาด บางทีเราอาจจะไม่ได้พิจารณาหรือสังเกตเนื่องจากความไม่รู้ หรือไม่เกี่ยวข้องกับงานประจำที่ทำก็ตาม ในโอกาสหน้าถ้าคุณกำลังนั่งรับประทานอาหารมื้อเย็นหรือมื้อไหนๆ โปรดใช้เวลาสักนิดในการพิจารณาอาหารที่คุณกำลังจะรับประทาน ลองสังเกตดูลักษณะของรอยแตกที่ปรากฏ ซึ่งจะเห็นว่ามีลักษณะที่คล้ายกับโลหะ พลาสติกหรือแก้ว แล้วคุณก็จะได้ความรู้ศาสตร์ทางด้านการวิเคราะห์ความเสียหายเพิ่มเติม


ก่อนอื่นเรามาทราบประโยชน์ที่จะได้จากการศึกษา “ผิวหน้าแตกหักของอาหาร” ซึ่งประกอบด้วย

• ราคาของชิ้นงาน (อาหาร) ค่อนข้างถูกและมีรสชาดน่ารับประทานมากกว่าวัสดุ (แน่นอนอยู่แล้วล่ะ)

• ไม่จำเป็นต้องมีการกลึง ไส ตัด เจาะ ชิ้นงานทดสอบ

• ค่าความเค้นที่ต้องการเพื่อให้เกิดการแตกหักนั้นไม่เกินกำลังของคนทั่วไป เช่น ใช้ฟันกัด หรือใช้มือหัก ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือทดสอบที่มีราคาแพง

• ลักษณะของผิวหน้าแตกหักสามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่าโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ เช่น ไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ เป็นต้น

• ลักษณะของรอยแตกหักจะสัมพันธ์กับค่าแรงที่ระดับต่างๆ กัน ไม่ว่าจะเป็นการบิด เฉือน ดัด หรือการบด เป็นต้น และลักษณะที่ปรากฏออกมานั้นคล้ายกับภาพที่อยู่ในหนังสือที่เป็นชิ้นงานทดสอบจริงเลยทีเดียว

บางคนก็มีการจำลองผิวหน้าแตกหักแบบมหภาคของชิ้นงานอะลูมินัมหล่อโดยใช้ช็อคโกแลตเป็นตัวอย่างทดสอบ ซึ่งก็พบว่าผิวหน้าแตกหักได้แสดงรูปแบบบางอย่าง คือ chevron pattern ทำให้สามารถชี้ให้เห็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าวได้

แต่! อุปสรรคของการศึกษาผิวหน้าแตกหักของอาหารอาจจะเกิดขึ้นได้ จึงต้องมีเงื่อนไขว่า

• คนภายในครอบครัวและเพื่อนจะต้องสนุกกับคุณด้วย

• กิจกรรมที่ทำนี้จะต้องเกี่ยวข้องกับงานประจำที่คุณทำ

• โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวัดค่าความเค้นค่อนข้างจะเป็นไปในเชิงคุณภาพ

จากการเปรียบเทียบของเราระหว่างอาหารกับวัสดุด้านวิศวกรรมจะขอเริ่มต้นด้วยกระบวนการผลิตก่อน โดยเราพบว่ากระบวนการหล่อโลหะเป็นกระบวนทั่วไปที่นิยมใช้ในการผลิตวัสดุทางวิศวกรรม ที่คล้ายกับกระบวนการผลิตอื่นๆ คือ ชิ้นงานหล่อจะได้คุณภาพไม่เป็นไปตามที่เราต้องการ ยกตัวอย่างเช่นการเกิดรูพรุนจากอากาศที่ฝังตัวอยู่ภายใน ถ้ามีเกินค่าวิกฤติก็จะทำให้ความแข็งแรงของชิ้นงานหล่อลดลง โดยเฉพาะถ้ารูพรุนเหล่านั้นไปปรากฏอยู่บริเวณที่มีความเค้นสูง จะมีความเสี่ยงต่อการเสียหายได้มาก

ในอาหารก็เช่นกันลักษณะที่ปรากฏในชิ้นงานหล่อคือรูพรุนจะคล้ายกับลักษณะที่ปรากฏในแท่งช็อคโกแลต ที่ขึ้นรูปคล้ายกับการหล่อ โดยช็อคโกแลตเหลวจะถูกเทลงในภาชนะหรือแบบ ตามด้วยการทำให้เย็นและแข็งตัว ภาพที่ ๑ แสดงตัวอย่างของรูพรุนที่เกิดในแท่งช็อคโกแลต โปรดสังเกตว่ารูพรุนดังกล่าวไม่ได้เป็นจุดเริ่มของการแตกหัก แต่รอยแตกหักได้เริ่มเกิดขึ้นจากความเค้นแรงดัด ซึ่งรอยกดของฟันจะไปเพิ่มค่าความเค้นมากกว่าที่มีอยู่ในรูพรุน ดังนั้นการปราศจากรูพรุนภายในจากตัวอย่างดังกล่าวไม่ได้ป้องกันการแตกหัก

ภาพที่ ๑ รูพรุนที่ปรากฏอยู่ในแท่งช็อคโกแลต

โลหะทางวิศวกรรมบางอย่างขึ้นรูปมาจากวัสดุผง โดยเทคโนโลยีนี้จะใช้กับพวกโลหะที่มีจุดหลอมต่ำเพื่อเป็นตัวยึดพันธะกับอนุภาคที่มีความแข็งแรงสูงและจุดหลอมตัวสูงเข้าด้วยกัน ตัวอย่างอาหารที่มีพฤติกรรมคล้ายกับวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยโลหะผงคือข้าวตัง ดังแสดงในภาพที่ ๒ ในที่นี้ข้าวจะคล้ายกับอนุภาคของโลหะผง ส่วนน้ำเชื่อมหวานจะแสดงตัวเป็นตัวประสาน (binder) แน่นอนว่าโลหะที่ผ่านการทำ sinter อย่างถูกวิธี เฟสที่เป็นของเหลวหรือเฟสที่ไม่มีการหลอมเหลวจะยึดติดกันด้วยกระบวนการแพร่ในบริเวณที่มีการสัมผัสกัน ในกรณีของข้าวตังซึ่งเป็นกระบวนการที่อุณหภูมิต่ำจะไม่เกิดพันธะของโมเลกุลข้าวเกาะกับโมเลกุลข้าวเม็ดอื่นอย่างทั่วถึง หรือเกิดการหลอมติดกันอย่างแท้จริง รายละเอียดในระดับดังกล่าวเมื่อจะนำมาเปรียบเทียบกับโลหะก็ถือว่าใช้ไม่ได้ แต่อย่างไรก็ตาม วัสดุทางวิศวกรรมบางอย่างก็ต้องใช้เวลาในการทำให้เกิดการกระจายตัวของรูพรุนที่มีผลต่อกระบวนการผลิต คำถามที่ว่าทำอย่างไรน้ำหวานเหลวจะผสมเข้ากันได้อย่างทั่วถึงและทำให้เกิดพันธะจับกันได้อย่างดีที่เกิดขึ้นคล้ายกับกระบวนการขึ้นรูปโลหะผง แต่ข้าวตังก็เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของสัดส่วนของโลหะและตัวสร้างพันธะ (binder)

ภาพที่ ๒ ข้าวตังที่มีลักษณะเหมือนวัสดุที่ขึ้นรูปจากโลหะผง เม็ดข้าวจะแสดงตัวเหมือนอนุภาคผงโลหะ ส่วนน้ำหวานจะแสดงตัวเหมือนตัวประสานหรือ (binder)

เมื่อวัสดุทางวิศวกรรมเกิดความเสียหาย เครื่องมือ วิธีการต่างๆ จะถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ความเสียหาย การวิเคราะห์ภาพถ่ายผิวหน้าแตกหักระดับมหภาคก็เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ ซึ่งนิยมใช้กำลังขยายที่ต่ำกว่า ๒๕ เท่า จะขอยกตัวอย่างของลูกกวาดให้ดูนะครับ โดยอาหารดังกล่าวได้อุ่นให้ร้อนและทำการยืดโดยมีลักษณะดังแสดงในภาพที่ ๓ เราจะเห็นว่าได้เกิดรอยร้าวขึ้น สามารถมองเห็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของชิ้นงาน โดยเกิดคอคอดบริเวณตรงกลาง รอยร้าวเกิดขึ้นในแนวทำมุม ๙๐ องศากับแนวที่ให้แรง ซึ่งสัมพันธ์กับลักษณะทางมหภาคของชิ้นงานที่เกิดการแตกหักแบบเปราะโดยทั่วไป นี่แสดงให้เห็นความต้องการในการใช้ศาสตร์เฉพาะทางมาอธิบาย บางส่วนของภาพที่ปรากฏไม่ได้แสดงหรือบอกรายละเอียดของคอคอดและสรุปได้ว่าเป็นการแตกหักแบบเปราะอย่างสมบูรณ์

ภาพที่ ๓ ภาพถ่ายผิวหน้าแตกหักของลูกกวาดชนิดหนึ่งที่ผ่านการอุ่นและการยืดและเกิดคอคอด

ในตอนตอ่ไปผมจะแสดงรูปแบบของผิวหน้าแตกหักระดับมหภาคของอาหารที่มีความคล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นในโลหะ เช่น ผิวหน้าแตกหักของแครอทและผิวหน้าแตกหักของแอปเปิ้ล เป็นต้น นอกจากนั้นยังแสดงรายละเอียดต่างๆ เช่น จุดเริ่มต้น การขยายตัว โปรดติดตามตอนต่อไปครับ.........................

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การคืบ (Creep) : ต่อ

บทความก่อนหน้านี้ ได้กล่าวการคืบของโลหะไปบ้างแล้ว แต่เนื่องจากการคืบมีหลายรูปแบบ ซึ่งจะยกตัวอย่างดังต่อไปนี้

1. การโก่งงอจากการคืบ (Creep Buckling) เป็นรูปแบบการเสียหายของวัสดุที่เกิดขึ้นเมื่อกระบวนการการคืบทำให้วัสดุไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำอยู่ต่อไปได้ และเป็นผลทำให้วัสดุเกิดการโก่งงอ


2. การแตกขาดจากกัน (Stress Rupture) หรือการแตกหักจากการคืบ (Creep Fracture) เป็นกลไกที่สัมพันธ์กับการคืบ ยกเว้นวัสดุจะเกิดการแตกหักจากการรับแรงทั่วไป จากที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ การคืบจะเกิดขึ้นโดยการยืดตัวของวัสดุเมื่ออยู่ภายใต้การรับแรง และขึ้นอยู่กับเวลาและอุณหภูมิ เมื่อความเค้นมีค่ามากกว่าความสามารถของวัสดุจะรับได้ จึงเกิดการแตกหัก รอยแตกร้าวที่เกิดขึ้นจากการแตกหักสามารถเป็นไปได้ทั้งแบบผ่าเกรนและตามขอบเกรน ถ้าตรวจสอบบริเวณที่เกิดรอยแตกร้าวจะพบการเสียรูปอย่างถาวร (Plastic Deformation) ทั่วทั้งบริเวณ ซึ่งต่างจากรอยแตกร้าวเนื่องจากผลของความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking) ที่เกิดการเสียรูปอย่างถาวรเฉพาะบริเวณรอบๆ รอยแตก

ตัวอย่าง Creep Voids หลังจากตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 การตรวจสอบในระดับจุลภาคแสดง Creep voids เกิดขึ้นตาม grain boundaries

เพื่อป้องกันความเสียหายจากการแตกขาดจากกัน (Stress Rupture) หรือการแตกหักจากการคืบ (Creep Fracture) สิ่งสำคัญคือต้องทำความเข้าใจอุณหภูมิขีดจำกัดเกณฑ์สำหรับโลหะผสมแต่ละชนิด ตรวจสอบอุณหภูมิการทำงานและระดับความเค้น และดำเนินการตรวจสอบตามวาระเป็นประจำเพื่อระบุสัญญาณหรือตัวบ่งชี้ความเสียหายในระยะเริ่มต้น การออกแบบและติดตั้งชิ้นส่วนอย่างเหมาะสมสามารถช่วยป้องกันการเกิดเป็นจุดรวมความเค้นและลดความเสี่ยงต่อความเสียหายได้อีกด้วย

3. การหลวมเนื่องจากความร้อน (Thermal Relaxation) เป็นรูปแบบหนึ่งของการเสียหายจากการล้าตัว ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การเสียหายจาก thermal relaxation ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นกับวัสดุจำพวกสลักภัณฑ์ หรือวัสดุอื่นๆ ที่มีความเค้นกระทำระหว่างการขึ้นรูป เช่นเหล็กที่เสริมความแข็งแรงของคอนกรีต เพื่อให้รองรับแรงที่กระทำได้มากขึ้น ถ้าวัสดุเกิดการคืบที่อุณหภูมิสูง ความเค้นที่ตกค้างจะถูกกำจัดออกไป ทำให้วัสดุไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำได้ต่อไป ยกตัวอย่าง เช่น แท่งคอนกรีตเสริมเหล็กที่เป็นชิ้นส่วนของทางด่วนดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แท่งคอนกรีตเสริมเหล็กที่มักเกิดการหลวมเนื่องจากความร้อน

Top 10 Reasons for Becoming a Corrosion Engineer

หลายท่านพอได้อ่านหัวข้อมูลค่าความเสียหายจากการกัดกร่อนแล้ว อาจนึกอยากช่วยประเทศไทยเพื่อลดภาระเหล่านั้น มีอยู่อีกอย่างที่ท่านสามารถช่วยได้คือการเป็น วิศวกรการกัดกร่อน (Corrosion Engineer) แม้จะไม่มีสถาบันใดในประเทศไทยเปิดสอนโดยตรง แต่สาขาวิศวกรรมโลหการของทุกมหาวิทยาลัยก็เปิดสอนเป็นวิชาเลือก หรือที่ทำงานของผมเองก็รับฝึกอบรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งนักศึกษาที่ต้องการมาฝึกงานและเรียนรู้ด้านการกัดกร่อนก็ยินดีนะครับ...........

พอดีผมไปอ่านในเวปไซต์อันหนึ่งมา เขาได้โพสต์เหตุผลสุดๆ 10 ข้อ ในการเลือกเป็นวิศวกรการกัดกร่อน (http://www.corrosion-club.com/top10corrosion.htm) ดังนี้

1.... finally convincing yourself that something had to be done about the cost of corrosion;
2.... defying thermodynamics was always an intriguing concept;
3.... having seen the corrosion professor at school drive off in a new Porsche 928S (later you discovered that he also had a MBA, and knew a thing or two about investing);
4.... getting that "swanning around in a white lab coat" out of your system;
5.... knowing more than your neighbor (who works in catering and, yes, was always more popular with the ladies) about potentiodynamic polarization curves;
6.... being "paid to worry";
7.... putting your loved ones (and 99.9999% of the general population) into a peaceful slumber with more detailed mechanistic explanations of corrosion phenomena;
8.... rationalizing your old disintegrating car (or house, or boat, or houseboat) as a practical (but not necessary valuable) corrosion experiment;
9.... surrounding yourself in "an air of mystery" with other engineers or scientists, who can not quite "place you"; but somehow always seem to consult you;
10.... being genuinely needed (but not necessarily appreciated) in most industries.

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ.....อยากเป็นวิศวกรการกัดกร่อนหรือเปล่าครับ

เหล็กกล้าไร้สนิม ตอนที่ 3: ความเป็นมาของเหล็กกล้าไร้สนิม

ท่านผู้อ่านหลายท่านอาจรู้จักเหล็กกล้าไร้สนิมกันเป็นอย่างดี แต่หลายท่านอาจยังไม่ทราบความเป็นมาของเหล็กกล้าไร้สนิมว่าค้นพบได้อย่างไร แต่ขอเรียกน้ำย่อยคร่าวๆ ก่อนว่า ได้มาจากความบังเอิญและจากสงคราม น่าสนใจไหมครับ.............ถ้าอย่างนั้น มาติดตามกันเลยครับ

เทคโนโลยีในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม ได้ค้นพบและพัฒนาขึ้นครั้งแรกในประเทศอังกฤษและเยอรมันในราวปี ค.ศ. 1910 [18] แต่ได้มีการศึกษาในเชิงทฤษฎีด้านความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมเหล็ก-โครเมียม และ เหล็ก-โครเมียม-นิกเกิล ในยุโรปตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1904 และ ค.ศ. 1911 จากนั้นได้มีการพัฒนาในเชิงอุตสาหกรรมขึ้นในราวปี ค.ศ. 1912 [42] อย่างไรก็ตาม เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าในการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมในเชิงการค้าเกิดจากศึกษาของนายแฮรี่ เบรียร์เล่ย์ (รูปที่ 1.5) ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยบราวน์ เฟิร์ท (Brown Firth Research Laboratory) ในเมืองเชฟฟิลด์ ประเทศอังกฤษ โดยในปี ค.ศ. 1913 [16] ก่อนที่จะเกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 (สงครามโลกครั้งที่ 1 เริ่มใน ค.ศ. 1914 สิ้นสุดใน ค.ศ.1918) การผลิตอาวุธเพื่อใช้ในการทำศึกสงครามได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในประเทศอังกฤษ ซึ่งก่อนหน้านี้ได้พบปัญหาในการใช้งาน คือ ที่ผิวหน้าด้านในของกระบอกปืนใหญ่เกิดการสึกกร่อน (Erosion) หรือการเสียดสีอย่างรุนแรง (Excessive Wear) ดังนั้นจึงได้มีการวิจัยเพื่อพัฒนาวัสดุสำหรับผลิตชิ้นส่วนกระบอกปืน ที่มีความต้านทานการสึกกร่อนจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เขาเริ่มศึกษาผลกระทบจากการเติมธาตุโครเมียมลงไปในเหล็กกล้า โดยศึกษาผลกระทบของการปรับเปลี่ยนส่วนผสมของธาตุคาร์บอนและโครเมียม ซึ่งในการศึกษานั้นจำเป็นต้องมีการตรวจสอบทางโลหะวิทยาด้วยภาพถ่าย (Metallography) เพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาคที่สามารถบ่งบอกถึงสมบัติทางกลของเหล็กกล้าได้ โดยในขั้นตอนการตรวจสอบนั้น จำเป็นต้องมีการเตรียมผิวหน้าชิ้นงานตัวอย่างที่ได้จากการทดลองด้วยการขัดละเอียด (Polishing) และกัดผิวหน้าด้วยกรด (Etching) เพื่อให้ปรากฏโครงสร้างจุลภาค ซึ่งเขาได้สังเกตเห็นว่าตัวอย่างที่ได้จากทดลองสุ่มครั้งหนึ่งยากต่อการกัดกรดที่ผิวหน้า ซึ่งปกติเขามักใช้สารละลายกรดไนตอล (กรดไนตริกผสมแอลกอฮอล์) นั่นแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่เขาพัฒนาขึ้นมานั้นมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากสารเคมี เมื่อเขานำชิ้นส่วนตัวอย่างทดสอบดังกล่าวไปตรวจสอบส่วนผสมทางเคมี (Chemical Composition) จึงได้พบว่ามีส่วนผสมของโครเมียมและคาร์บอนอยู่ประมาณ 12.8 และ 0.24 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ซึ่งจัดเป็นโลหะผสมเหล็ก-โครเมียมชนิดมาร์เทนซิติก โดยเทียบเท่าเกรด AISI 420 และเขาได้ตั้งชื่อวัสดุดังกล่าวว่า “Rustless Steel” ก่อนจะเปลี่ยนมาใช้คำว่า “Stainless” ในปัจจุบัน จากการศึกษาดังกล่าวจึงนำมาสู่การพัฒนาและผลิตเป็นเครื่องใช้ในครัวเรือน (ช้อน, ส้อม, มีด) ที่มีชื่อเสียงโด่งดังในเมืองเชฟฟิลด์ในปี ค.ศ. 1914 โดย George Ibberson & Co. บนใบมีดได้ประทับตราผู้ผลิตและคำว่า “Stainless Knife” ซึ่งน่าจะเป็นครั้งแรกที่มีการใช้คำว่า “Stainless” เพื่อเรียกชื่อโลหะผสมดังกล่าว

ในช่วงเวลาเดียวกันก็ได้มีการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมที่ประเทศฝรั่งเศส ซึ่งสามารถผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกได้เป็นครั้งแรก [16] ในขณะเดียวกันที่ประเทศเยอรมันก็ได้มีการพัฒนาโลหะผสมออสเตนนิติกที่มีส่วนผสมของโครเมียม 18% และ นิกเกิล 8% ที่รู้จักกันดีด้วยสัญลักษณ์ “18-8” หรือเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304 นั่นเอง โดยได้พัฒนาที่ห้องปฏิบัติการครัพพ์ (Krupp Laboratory) และที่สหรัฐอเมริกาก็ได้มีการพัฒนาโลหะผสมเฟอริติกในปี ค.ศ. 1911 ซึ่งมีส่วนผสมของโครเมียมในช่วง 14-16% และคาร์บอนในช่วง 0.07-0.15% โลหะดังกล่าวสามารถเพิ่มความแข็งได้เล็กน้อยด้วยกระบวนการทางความร้อน และเรียกชื่อเหล็กไร้สนิม (Stainless Iron) เนื่องจากค่อนนิ่มและยืดหยุ่นได้ดี (Softness and Ductility) โลหะผสมดังกล่าวถูกพัฒนาโดยห้องปฏิบัติการวิจัยเจนเนอรัลอิเล็กทริค (General Electric Research Laboratory) ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ได้ผลิตครั้งแรกในประเทศสวีเดนในราวปี ค.ศ. 1930 โดยนำมาประยุกต์ใช้ในโรงงานผลิตกระดาษ [13] สำหรับประเทศสหรัฐอเมริกาได้มีการผลิตเหล็กกล้าไร้-สนิมเชิงการค้าและนำมาใช้งานในปี ค.ศ. 1920 ส่วนการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทที่ทำให้แข็งโดยการตกตะกอน (Precipitation Hardening Stainless Steel) เกิดขึ้นในราวปี ค.ศ. 1945 โดยบริษัท ยูเอส สตีล จำกัด (US Steel) และได้พัฒนาอนุกรมของเกรดดังกล่าวออกมาเรื่อยๆ ในขณะที่การประยุกต์ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุก่อสร้าง เกิดขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1930 โดยการนำมาใช้ตกแต่งส่วนยอดของตึกไครสเลอร์ (รูปที่ 1.3ง) นับเป็นตึกที่สูงที่สุดในสมัยนั้น จนเวลาล่วงมาเกือบ 80 ปีแล้ว ก็ยังคงสภาพที่ดีและงดงามเช่นเดิม
 

รูปที่ 1.5 นายแฮรี่ เบรียร์เล่ย์ (Harry Brearley) ชาวเชฟฟิลด์ ประเทศอังกฤษ ผู้ค้นพบเหล็กกล้าไร้สนิม จากการวิจัยเพื่อพัฒนาหาวัสดุผลิตกระบอกปืนใหญ่ที่มีความต้านทานต่อการสึกกร่อน (Erosion) ที่อุณหภูมิสูง

ในช่วงเวลาหลายปีที่ผ่านมานี้ เหล็กกล้าไร้สนิมได้ถูกพัฒนาและผลิตออกมาใช้ในเชิงการค้ามากมายหลายด้านซึ่งมีมากกว่า 150 ชนิด [7] ยกตัวอย่าง เช่น สุขภัณฑ์ในครัวเรือน สลักภัณฑ์ มีด กรรไกร จานหรือภาชนะที่มีรูปร่างแบน สิ่งสวยงามทางสถาปัตยกรรม อุปกรณ์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี (รูปที่ 1.6) อุตสาหกรรมผลิตอาหาร สุขอนามัยและความสะอาด ปิโตรเลียมและโรงงานปิโตรเคมี อุตสาหกรรมผลิตเส้นใย อุตสาหกรรมผลิตยา อุตสาหกรรมทางด้านการขนส่ง ฯลฯ เหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดถูกพัฒนาและนำมาประยุกต์ใช้ในงานที่สัมผัสกับสภาวะอุณหภูมิสูงหรือไม่ก็ที่อุณหภูมิต่ำ บางครั้งก็มีการปรับปรุงส่วนผสมเพื่อช่วยในเรื่องการผลิตที่ง่ายขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การปรับปรุงส่วนผสมทางเคมีพื้นฐานเพื่อช่วยในการผลิตผลิตภัณฑ์จำพวกท่อและจากการหล่อให้ง่ายขึ้น


ในปัจจุบันนี้ได้มีการพัฒนาอนุกรมของเหล็กกล้าไร้สนิม เพื่อสนองความต้องการของอุตสาหกรรมใหม่ๆ โดยพบว่า 1 ใน 3 ของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมถูกนำมาประยุกต์ใช้งานเชิงโครงสร้างในอุตสาหกรรมจำพวกเคมีและไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ [43] เช่น อุตสาหกรรมปิโตรเคมี อากาศยาน โรงไฟฟ้า โรงนิวเคลียร์ ฯลฯ มีสภาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง มีอุณหภูมิการใช้งานที่สูง และมีการรับภาระแรงเค้นที่สูง ซึ่งอุตสาหกรรมที่กล่าวมานี้ถือว่าเป็นอุตสาหกรรมหลักที่สร้างรายได้อย่างมหาศาลให้กับประเทศ ถ้าพิจารณาจากปริมาณการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนที่ผลิตทั่วโลกตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002-2008 จะเห็นว่าตั้งปี ค.ศ. 2002 ทั่วโลกมีความต้องการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนสูงขึ้นเรื่อยๆ (แต่มีปริมาณลดลงเล็กน้อยตั้งแต่ปี ค.ศ. 2007) โดยเฉพาะในทวีปเอเชียที่มีประเทศจีนเป็นผู้ผลิตรายใหญ่มีการขยายตัวทางเศรษฐกิจอย่างรวดเร็วผลิตเหล็กกล้าดังกล่าวออกมาในปริมาณสูงดังตารางที่ 1.1

ตารางที่ 1.1
ปริมาณการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนดิบที่ผลิตทั่วโลกตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002-2008
(ในหน่วย x 1000 เมตริกตัน) [44]

เอกสารอ้างอิง
[42] Harold M. Cobb. The naming and numbering of stainless steels. Advanced materials & processing 2007: pp. 39-44.


[43] 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.

[44] www.worldstainless.org (website of International Iron and Steel Institute, accessed on 1 December 2009).

หมายเหตุ : เอกสารอ้างอิงที่ 1-41 ให้ดูจากบทความเรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมตอนที่ 1 และ 2

ขั้นตอนการทำ Field Metallographic Inspection Technique for High Temperature Component

ก่อนหน้านี้ผมได้กล่าวถึงเรื่องการลอกลายโครงสร้างจุลภาคของโลหะ บางท่านอาจอยากทราบว่า มีวิธีการดำเนินการอย่างไรบ้าง จริงๆ ก็ได้กล่าวมาบ้างแล้ว แต่จะขอสรุปพอเป็นสังเขปดังนี้

1.) เลือกจุดที่จะทำ Replica โดยเลือกบริเวณที่มีโอกาสเกิด Creep damage สูง

2.) ทำ Replica ในจุดที่เลือกไว้ ซึ่งขั้นตอนและข้อควรระวัง เป็นไปตาม ASTM E12 “Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas”

2.1 ขั้นตอนการทำ replica ประกอบไปด้วย

2.1.1 เตรียมผิวหน้าด้วยการขัดหยาบด้วยเครื่องขัดและ/หรือขัดมือด้วยกระดาษทราย

2.1.2 ขัดละเอียดหรือขัดมันผิวหน้าด้วยผ้าสักหลาดและผงเพชร

2.1.3 ทำการกัดกรดที่ผิวหน้าด้วยสารเคมีที่เหมาะสมกับโลหะชนิดนั้นๆ

2.1.4 ทำการลอกลายโครงสร้างด้วยแผ่นพลาสติกพิเศษ

2.1.5 ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคที่ปรากฏด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดพกพา

2.1.6 ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคอย่างละเอียดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงและ/หรือ SEM

3.) ให้ Creep damage Rating แก่รูป microstucture ซึ่งมี 2 มาตรฐานได้แก่

- EU standard จะให้ Creep damage rating ตาม มาตรฐาน VGB-TW507

“Guideline for the Assessment of Microstructure and Damage Development of Creep Exposed Materials for Pipes and Boiler Component”

Note : VGB Technische Vereinigung Der Grosskraftwerksbetreiber E. V
Technical Association of large Power Plant Operators

โดย แบ่ง Creep Damage Class ดังนี้

- US standard จะให้ creep damage rating ตาม Restlife Estimation of Creeping components by means of Replicas, in Advance in life Prediction Methods, American Society of Mechanical Engineers, New York , 1983 p 307-314

โดยแบ่ง Creep Damage Class ดังนี้

การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม (Field Metallography)

ท่านผู้อ่านเคยได้ยินคำว่า การลอกลายโครงสร้างไหมครับ ที่จริงเทคนิคนี้ก็คล้ายๆ กับการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของวัสดุในห้องปฏิบัติการนั่นเอง แต่เทคนิคดังกล่าวไม่ต้องเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนมายังห้องปฏิบัติการ ไม่ต้องทำลายชิ้นงาน ตรวจสอบเสร็จใช้งานต่อได้เลย (ถ้าไม่พบจุดบกพร่งอที่วิกฤติ) เหมาะสำหรับการประเมินโครงสร้างที่ผ่านการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน (Longterm Overheating) รายละเอียดจะเป็นอย่างไร มาติดตามกันได้เลยครับ....................

การวิเคราะห์ลักษณะและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม (Field Metallography) หรือ การลอกลาย (Replication) เทคนิคดังกล่าวเป็นการตรวจสอบและประเมินแบบไม่ทำลาย (NDE) โดยใช้ในการศึกษาและวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างต่าง ๆ ที่ปรากฏของวัสดุจำพวกโลหะและโลหะผสม เป็นเทคนิคที่สามารถตรวจสอบที่หน้างาน โดยไม่ต้องเคลื่อนย้ายวัสดุหรือชิ้นส่วนที่ทำการตรวจสอบ แต่บางครั้งอาจจะมีการเคลื่อนย้ายออกมาจากบริเวณที่ติดตั้ง เพื่อความสะดวกและปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน


การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม ได้มีหลายประเทศกำหนดเป็นมาตรฐานการทดสอบ เช่น ASTM E1351 ของสหรัฐอเมริกา และ DIN 54-150 ของเยอรมนี เป็นต้น ซึ่งมีการนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ มากมาย โดยเฉพาะการประเมินการเสียหายหรือการประเมินอายุการใช้งานที่เหลือของชิ้นงาน ยกตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของท่อที่สัมผัสกับไอน้ำอุณหภูมิสูง (540 C) ถ้าวัสดุเกิดช่องว่างจากการคืบ (Creep Void) และช่องว่างเหล่านั้นมีการเชื่อมต่อกันตามขอบเกรน จะทำให้กลายเป็นจุดเริ่มต้นการแตกร้าวได้ จุดบกพร่องของวัสดุต่าง ๆ ถ้าตรวจพบในระยะเริ่มต้นของการเกิด ก็สามารถป้องกันการเสียหายที่รุนแรงได้ นอกจากนั้นยังใช้ตรวจสอบการเกิดเกรนหยาบของคาร์ไบด์ (Carbide Coarsening) ในเหล็กกล้าผสมต่ำ และการเกิดเพิรไลต์ก้อนกลม (Spheroidization of Pearlite) ในเหล็กกล้าคาร์บอน ที่ใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง สำหรับการใช้งานเหล็กกล้าคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงเกิน 425 C จะทำให้เกิดการสลายตัวของคาร์ไบด์ (Graphitized) ได้ โดยซีเมนไตท์ (Cementite) จะสลายตัวเป็นกราไฟต์และเหล็ก (Graphite & Iron) ปริมาณกราไฟต์ที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ชิ้นงานมีความแข็งแรงลดลงตามระยะเวลาที่เพิ่มขึ้นและในที่สุดก็จะเกิดการเสียหาย

สำหรับนักวิเคราะห์การสึกหรอของวัสดุ การศึกษาองค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม เป็นเทคนิคที่มีประโยชน์อย่างมาก เพื่อใช้ในการตรวจสอบหากลไกของการสึกหรอ ยกตัวอย่างเช่น การสึกหรอจากการถูครูด (Fretting Fatigue) และการสึกหรอจากการเสียดสี โดยมีผลของอุณหภูมิมาเกี่ยวข้อง

บทความที่จะนำเสนอต่อไปนี้ จะกล่าวถึงข้อมูลเชิงปฏิบัติการ ได้แก่การนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ ข้อดีและข้อเสียของการนำเทคนิคนี้ไปใช้ การวางแผนเพื่อการตรวจสอบและขั้นตอนต่าง ๆ ของกระบวนการ ดังรายละเอียดต่อไปนี้

การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม เป็นเครื่องมือที่มีความสำคัญ และนิยมใช้กันทั่วโลก จึงมีการนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ ดังนี้

1. ตรวจสอบการเสื่อมสภาพของวัสดุที่มีโอกาสเกิดการเสียหายจากการล้าตัว (Fatigue

Failure) ซึ่งสามารถตรวจสอบหารอยร้าวที่มีขนาดเล็กถึง 10 ไมครอน

2. ตรวจสอบการเสียหายของวัสดุเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น การคืบ การเปราะของเหล็กหล่อ การขยายตัวของเกรน การเกิดคาร์ไบด์ การเพิ่มและการสูญเสียคาร์บอนที่ผิวหน้าชิ้นงาน

3. ใช้ในการตรวจสอบหารูปแบบของรอยแตก เช่น รอยแตกจากการล้าตัว รับแรงเกินพิกัด และการแตกร้าวเนื่องจากผลของความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน หรือตรวจสอบว่ารอยแตกเป็นแบบผ่าเกรนหรือตามขอบเกรน

4. ใช้ในการตรวจสอบขนาดและทิศทางการเรียงตัวของเกรน

5. ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของโลหะที่ผ่านกระบวนการทางความร้อน เช่น การอบอ่อน การชุบและอบคลายความเค้น เป็นต้น

6. ตรวจสอบชนิดของเหล็กหล่อและเหล็กกล้า (ดูจากภาพถ่าย)

7. ตรวจสอบรูปแบบโครงสร้างที่ปรากฏขึ้นใหม่ในโลหะผสมสูง เช่น ซิกมาและแกมม่า เป็นต้น

ตัวอย่างที่กล่าวมาข้างต้นนี้เป็นแค่ส่วนหนึ่งของการประยุกต์ใช้งานของการวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม ซึ่งยังไม่ครอบคลุม ดังนั้นเทคนิคดังกล่าวจึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานต่าง ๆ ได้อย่างหลากหลายตามความเหมาะสม

ข้อดี

1. เป็นเทคนิคที่ใช้อุปกรณ์และเครื่องมือแบบพกพา เคลื่อนย้ายได้สะดวก

2. การเตรียมผิวหน้าและการลอกลายที่ดี จะทำให้ปรากฏโครงสร้างจุลภาคที่มีความคมชัด

3. เป็นเทคนิคการตรวจสอบที่ไม่ทำลายชิ้นงาน (มีการสูญเสียเนื้อวัสดุที่ผิวหน้าเพียงเล็กน้อย)

4. สามารถตรวจสอบบนผิวหน้าชิ้นงานที่โค้งและเรียบได้

5. พื้นผิวโลหะที่ผ่านการตรวจสอบด้วยเทคนิคดังกล่าว สามารถตรวจสอบซ้ำได้ เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุตั้งแต่เริ่มใช้งานจนถึงเวลาที่เหมาะสมต่อการตรวจสอบ เช่น ปีละ 1 ครั้ง เป็นต้น

6. ข้อมูลที่ได้จากการตรวจสอบสามารถบันทึกเป็นประวัติของวัสดุและใช้ในการวางแผนเพื่อซ่อมบำรุงหรือใช้ประโยชน์อื่น ๆ ได้

7. สามารถใช้ตรวจสอบได้กับวัสดุหลายชนิด โดยเฉพาะโลหะ

8. สามารถใช้ในการยืนยันการตรวจสอบด้วยเทคนิคอื่น เช่น การตรวจสอบด้วยคลื่นความถี่สูง (UT) การตรวจสอบด้วยสารแทรกซึม (PT) และการตรวจสอบด้วยผงแม่เหล็ก (MT) เป็นต้น

ขั้นตอนการเตรียมตัวอย่าง (Specimen Preparation)

อันดับแรกต้องพิจารณาตำแหน่งที่จะทดสอบว่ามีสภาพผิวหน้าเป็นอย่างไร ถ้าชิ้นงานมีคราบน้ำมัน จารบี หรือสี ปกคลุม ต้องกำจัดออกด้วยตัวทำละลายที่เหมาะสม ส่วนสนิมและการกัดกร่อนควรมีการกำจัดออกในระดับความลึกที่เหมาะสมตามสภาพที่เกิดขึ้น ขั้นตอนคร่าวๆ ของกระบวนการเตรียมตัวอย่างประกอบด้วย

1. เลือกตำแหน่งที่จะทดสอบ (ภาพที่ 1) และเจียรผิวหน้าและกำจัดผงฝุ่นด้วยกระป๋องอัดลม

ภาพที่ 1 ท่อและตำแหน่งที่ทดสอบ

2. ขัดผิวหน้าแบบหยาบ (Grinding) ด้วยกระดาษทรายจากเบอร์หยาบไปยังเบอร์ละเอียด โดยกระดาษทรายจะติดตั้งอยู่กับจานขัดของเครื่องขัดมือถือ (Handheld Grinding) ทั้งนี้การเลือกใช้กระดาษทรายเบอร์ที่เหมาะสม จะพิจารณาจากสภาพผิวที่ปรากฏของตำแหน่งที่ทดสอบ เช่น ชิ้นงานที่มีผิวหยาบมาก จะเริ่มต้นขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ 120 แต่ถ้าชิ้นงานมีผิวหน้าค่อนข้างเรียบ จะเริ่มต้นขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ 240 เป็นต้น สิ่งควรจำสำหรับการขัดหยาบ คือ เมื่อจะทำการเปลี่ยนกระดาษทรายไปยังเบอร์ละเอียดขึ้น จะต้องเปลี่ยนทิศทางของแนวขัด คือ ขัดในแนวทำมุม 90 องศา กับแนวแรก และทำสลับกันไปจนกว่าจะเข้าสู่กระบวนการขัดละเอียด (Polishing) การขัดหยาบและอุปกรณ์แสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การขัดหยาบ (Grinding)

3. ล้างผิวหน้าที่ผ่านการขัดหยาบด้วยน้ำให้สะอาด เพื่อกำจัดเศษผงฝุ่น

4. ขัดละเอียด มี 2 แบบ คือ การขัดละเอียดด้วยมือ (Manual Polishing) และขัดละเอียดด้วยไฟฟ้า (Electrolytic Polishing)

a. การขัดละเอียดด้วยมือ (Manual Polishing) โดยการเทผงขัดเพชรลงบนผิวหน้าที่ผ่านการขัดละเอียดในปริมาณที่เหมาะสม ผงขัดเพชรที่ใช้อาจเป็นชนิดแท่ง หรือชนิดเหลวก็ได้ แล้วขัดผิวหน้าด้วยเครื่องขัดแบบมือถือ ที่มีการติดตั้งผ้าขัดหรือผ้าสักหลาด การขัดหยาบครั้งแรก ต้องเริ่มในขัดในทิศทางทำมุม 90 องศากับแนวการขัดหยาบสุดท้าย และมีการเปลี่ยนมุมการขัดดังกล่าวทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนขนาดของผงขัด โดยส่วนใหญ่ผงขัดเพชรที่เลือกใช้จะเริ่มจากขนาด 6 ไมครอน 3 ไมครอน และ 1 ไมครอน การขัดละเอียดและเครื่องมือแสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 การขัดละเอียด (Polishing)

b. การขัดละเอียดด้วยไฟฟ้า (Electrolytic Polishing) ส่วนใหญ่จะเลือกใช้กับวัสดุที่เตรียมผิวค่อนข้างยาก และใช้เวลานาน โดยเฉพาะกลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) และโลหะนิกเกิลผสม (Nickel Alloy) วิธีดังกล่าวจะใช้เวลาน้อยมาก เช่นประมาณ 15 วินาที ซึ่งเมื่อเทียบกับการขัดละเอียดด้วยมือ จะใช้เวลาประมาณ 10 ถึง 20 นาที

5. ตรวจสอบการสะท้อนแสงของบริเวณที่ขัดด้วยกระจกสะท้อนแสง เพื่อตรวจสอบหาร่องรอยขีดข่วนที่หลงเหลือจากการขัด และเพื่อกำจัดรอยขีดข่วนออก

6. ทำการกัดกรดที่ผิวหน้าชิ้นงาน (Etching) ด้วยสารละลายที่เหมาะสม ซึ่งอาจกัดกรดด้วยวิธีธรรมดาหรือใช้ไฟฟ้าช่วย

a. การกัดกรดด้วยมือ (Manual Etching) จะใช้เหล็กคีบสำลีจุ่มในสารละลายกรดที่เหมาะสมกับโลหะนั้นๆ แล้วทาหรือกวาดบนผิวหน้าชิ้นงานที่ผ่านการขัดละเอียดด้วยเวลาที่เหมาะสม จากนั้นล้างให้สะอาด แล้วทำการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดพกพา ถ้าพบว่าขอบเกรนที่ปรากฏยังไม่ชัดเจน ให้ทำการกัดกรดซ้ำ จนกว่าจะเห็นขอบเกรนชัดเจน (Deep Etch) ซึ่งจะได้ตัวอย่างแผ่นลอกลายที่มีคุณภาพสูง

b. การกัดกรดด้วยไฟฟ้า (Electrolytic Etching) เป็นการประยุกต์ใช้ศาสตร์ของเคมีไฟฟ้า (Electrochemical) เพื่อให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรน หรือดึงอิเล็กตรอนตามขอบเกรนออกมา รายละเอียดจะไม่ขอกล่าวในที่นี้ (ท่านใดที่สนใจ กรุณาหาอ่านเพิ่มเติมได้ในหนังสือ ASM Handbook Volume 9 “Metallography and Microstructures”)

7. ล้างสารละลายกรดออกจากผิวหน้า เพื่อป้องกันการทำปฏิกิริยากับวัสดุและแผ่นฟิล์ม

8. ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดพกพาตรวจสอบที่ผิวชิ้นงาน (ภาพที่ 4) เพื่อตรวจสอบว่าได้โครงสร้างที่สามารถนำไปประเมินผลได้

ภาพที่ 4 การตรวจสอบโครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง

9. ทำการลอกลายด้วยวัสดุลอกลายที่เตรียมไว้ เช่นอาจใช้แผ่นฟิล์มอะซิเตต (Acitate Film) หรือ ใช้ยางซิลิโคน (Silicone Rubber) ตัวอย่างการลอกลายด้วยแผ่นฟิล์มอะซิเตตแสดงในภาพที่ 5 ลักษณะจุดบกพร่องของวัสดุที่ปรากฏในแผ่นฟิล์มแสดงในภาพที่ 6 คือ ถ้าเป็นคาร์ไบด์จะปรากฏรอยยุบตัวบนแผ่นฟิล์ม แต่ถ้าเป็นรอยแตกร้าว จะปรากฏเป็นรอยนูนบนแผ่นฟิล์ม

ภาพที่ 5 การลอกลายด้วยแผ่นฟิล์มอะซิเตต

ภาพที่ 6 ลักษณะที่ปรากฏบนแผ่นลอกลาย

10. นำแผ่นฟิล์มหรือตัวอย่างที่ได้จากการลอกลายไปตรวจสอบในห้องปฏิบัติการ ถ้าต้องการความคมชัดของโครงสร้างเหมือนที่ปรากฏจากชิ้นงานจริง ควรนำแผ่นลอกลายชนิดแผ่นฟิล์มอะซิเตต ไปเคลือบด้วยคาร์บอน หรือทองคำ หรือทาด้านหลังของแผ่นฟิล์มด้วยปากกาสีดำ แต่วิธีการที่ให้ความคมชัดของโครงสร้างเหมือนที่ปรากฏในชิ้นงานจริงมากที่สุด คือ การเคลือบด้วยทองคำ ซึ่งมีข้อเสีย คือราคาแพง ลักษณะของโครงสร้างที่ได้จากการลอกลายแสดงในภาพที่ 7

ภาพที่ 7 โครงสร้างจุลภาคที่ได้จากการลอกลาย (ถ่ายภาพจากแผ่นฟิล์มลอกลาย)

11. นำลักษณะที่ปรากฏขององค์ประกอบและโครงสร้างที่ได้จากการตรวจสอบไปใช้ประโยชน์ หรือประเมินผลตามหลักวิชาการต่อไป ยกตัวอย่าง เช่น การนำไปประเมินการคืบของวัสดุดังภาพที่ 8 จากรูปถ้าโครงสร้างวัสดุตกอยู่ในช่วง C คือวัสดุเกิดรอยร้าวขนาดเล็ก (Microcrack) จากการเชื่อมรวมกันของช่งว่าง (Void หรือ Cavity) เราควรจะหยุดใช้งานทันทีแล้วทำการซ่อมบำรุงหรือเปลี่ยน เป็นต้น

ภาพที่ 8 กราฟสำหรับประเมินสภาพการคืบของวัสดุซึ่งพิจารณาจากโครงสร้างที่ปรากฏ

การวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างของโลหะภาคสนาม ที่ทางทีมงานของห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ความเสียหายและการกัดกร่อนของวัสดุ (FAMC) ได้ออกปฏิบัติการและให้บริการแก่ภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่ผ่านมานั้น เราเลือกใช้มาตรฐาน ASTM E 1351 “ The Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas” ซึ่งเราพบว่าการประเมินโครงสร้างของวัสดุที่หน้างานสามารถประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายได้อย่างมาก โดยเฉพาะในช่วงระหว่างการหยุดเพื่อซ่อมบำรุง (Shutdown Period) ผลที่ได้จากการตรวจสอบสามารถนำเสนอที่หน้างานให้พนักงานที่เกี่ยวข้องในระหว่างการตรวจสอบได้เลย ซึ่งถ้าผลการตรวจสอบพบว่ามีการเสียหายอย่างรุนแรง ก็สามารถพิจารณาถอดเปลี่ยนหรือซ่อมบำรุงชิ้นส่วนดังกล่าวได้อย่างรวดเร็ว ทั้งนี้ผู้ที่ทำการตรวจสอบและวิเคราะห์ต้องมีความรู้ และประสบการณ์มากพอในการที่จะพิจารณาให้กระทำขั้นตอนต่อไปหลังการตรวจสอบ