รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การคืบ (Creep)

cr : https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103601

เมื่อชิ้นส่วนโลหะถูกนำมาใช้งานภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงในขณะเดียวกันก็รับความเค้นแรงดึงไปด้วย อาจเกิดการเสียรูปอย่างถาวรตามเวลาภายใต้ภาระ (Time-dependent Deformation Under Load) แม้ว่าจะต่ำกว่าค่า elastic yield stress ของโลหะนั้น ๆ ก็ตาม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการคืบ (Creep Damage) และอาจส่งผลให้วัสดุเกิดการเสื่อมสภาพซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายในที่สุด

การคืบเป็นกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับเวลา เมื่อวัสดุอยู่ภายใต้การรับแรงเค้นจนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาด (Dimensional Change) นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยการคืบหรือการเปลี่ยนแปลงขนาดจะเกิดขึ้นเมื่อวัสดุได้รับความเค้นมากระทำและอุณหภูมิการใช้งานสูงขึ้น วัสดุจะเกิดการเสียหายจากการคืบเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดจนไม่สามารถใช้งานได้ตามหน้าที่ที่ออกแบบไว้ การยืดตัวหรือการคืบที่มากเพียงพอสามารถทำให้เกิดการแตกหักได้ หรือที่ทราบกันดี คือ การแตกขาดจากกัน (Stress Rupture) ตัวอย่างชิ้นงานที่ใช้งานในโรงงานผลิตกระดาษเกิดความเสียหายจากการคืบแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ความเสียหายท่อสามทางลำเลียงไอน้ำเกิดการคืบ (Creep) จากการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน

ระยะแรกของความเสียหายจากการคืบเกิดขึ้นเมื่อความเค้นที่อุณหภูมิสูงจะกระตุ้นให้เกิดการก่อตัวของช่องว่าง (Void Formation) ที่ทางสามแพร่งของขอบเขตเกรน (Grain Boundary Triple Points) ดังรูปที่ 2 เมื่อเวลาผ่านไป ช่องว่างเหล่านี้อาจขยายมารวมและต่อเนื่องกันใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นรอยร้าวเล็กๆ (Micro-crack) เป็นรอยแตกร้าวขนาดใหญ่ (Micro-crack) ดังรูปที่ 3 และแตกหักจากกัน (Creep Rupture) ในที่สุด ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายอย่างใหญ่หลวงตามมาได้

รูปที่ 2 ช่องว่างตามขอบเกรนที่เกิดจากการคืบในเหล็กกล้า 0.5CrMoV (P11) ใช้งานที่ 568 C เป็นเวลา 22.5 ปี (

Conference: Metal 2013

At: Brno, Czech Republic)

รูปที่ 3 ช่องว่างลิงค์รวมกันกลายเป็นรอยร้าวเล็ก ๆ (

DOI: 

10.1016/j.jmst.2016.02.014

)

เป็นที่น่าสังเกตว่าการเสียรูปในภาพรวมที่เกิดจากการรับดึงเกินพิกัด (Tensile Overloading) นั้นจะไม่สามารถตรวจพบในความเสียหายจากการคืบ

ลักษณะหรือสัณฐานวิทยาของ creep damage จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับระยะของการเสื่อมสภาพในวัสดุ โดยในระยะเริ่มแรก ช่องว่างของการคืบ (Creep Voids) มักจะปรากฏขึ้นที่ขอบเขตเกรน และสามารถระบุได้ผ่านการตรวจสอบทางโลหะวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) เท่านั้น เมื่อความเสียหายดำเนินไป ช่องว่างจะเติบโตเป็นรอยร้าวขนาดเล็กและกลายเป็นรอยแตกในที่สุด เมื่อรอยแยกทอดยาวตลอดตามขอบเกรน เราสามารถสังเกตหรือตรวจสอบได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง

ที่อุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดเกณฑ์มาก ๆ อาจสังเกตเห็นการเสียรูปได้อย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น ท่อทำความร้อนอาจได้รับความเสียหายจากการคืบจากการใช้งานมาเป็นเวลานาน และเกิด bulging before rupture ที่สามารถวัดได้อย่างชัดเจนก่อนที่จะเกิดการแตกหักออกจากกัน ปริมาณของการเสียรูปก่อนแตกหักขึ้นอยู่กับวัสดุและปัจจัยร่วมกันระหว่างอุณหภูมิและระดับความเค้น

ในภาชนะรับแรงดันและท่อ การแตกร้าวจากการคืบสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิของโลหะสูงๆ และความเข้มข้นของความเค้น เช่น ใกล้บริเวณแนวความไม่ต่อเนื่องของวัสดุ ได้แก่ ข้อต่อสามทางของท่อและ vessel nozzles รวมถึงที่ข้อบกพร่องในการเชื่อม

วัสดุที่ใช้งานในสภาวะที่มีความร้อนสูงมักทำให้เกิดการคืบได้ในช่วงอุณหภูมิต่างๆ ยกตัวอย่าง เช่น วัสดุจำพวก Nickel-based Super Alloy จะมีความไวต่อการคืบที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000 ถึง 1200 C) ในขณะที่วัสดุจำพวกโพลิเมอร์หรือตะกั่วบัดกรีมีความไวต่อการคืบที่ช่วงอุณหภูมิต่ำ (ประมาณ 25 C) โดยทั่วไปการคืบจะเกิดเมื่อวัสดุใช้งานในช่วงอุณหภูมิมากกว่า 0.3 เท่าของจุดหลอมเหลวของวัสดุ (0.3Tm) โดยเฉพาะที่ 0.5 Tm เป็นช่วงที่ต้องระวังเรื่องการคืบตัวของวัสดุเป็นพิเศษ

การคืบสามารถเกิดขึ้นได้ในวัสดุที่เป็นเซรามิกส์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 0.4 ถึง 0.5 Tm แม้ว่าจะมากกว่าที่เกิดขึ้นกับโลหะและพอลิเมอร์ทั่วไป แต่เซรามิกส์มีค่าความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างโดยการคืบค่อนข้างสูง ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากลักษณะจำเพาะที่มีอุณหภูมิของจุดหลอมเหลวสูง อย่างไรก็ตามเซรามิกส์ที่สามารถใช้งานในช่วงอุณหภูมิสูงๆ ได้ ก็มีโอกาสที่จะเกิดการเสียหายโดยการคืบได้เช่นกัน

เพื่อป้องกันการเสียหายที่เกิดจากการคืบ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะทราบสภาวะการใช้งานของระบบเมื่อจะทำการเลือกวัสดุเพื่อใช้งาน การคืบมักเป็นส่วนหนึ่งของปัญหาที่เกิดขึ้นกับใบพัดกังหันไอน้ำที่มีการใช้งานใสภาวะมีแรงเค้นกระทำและอุณหภูมิค่อนข้างสูง จากเงื่อนไขดังกล่าวจึงต้องเลือกใช้วัสดุที่มีจุดหลอมตัวสูง นอกจากนั้นยังจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจสอบคุณภาพของวัสดุหลังการประกอบและผลิต เพื่อลดปัญหาจุดบกพร่องของวัสดุ (Material Defects) และช่องว่าง (Void) ที่เกิดขึ้นภายใน

References:

• API ANSI/API RECOMMENDED PRACTICE 571 THIRD EDITION, MARCH 2020
• Microstructure and Creep Strength of Welds in Advanced Ferritic Power Plant Steels https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/papers/Abe.pdf
• Failure Analysis of Abnormal Bulging and Cracking for High-Pressure Steam Pipe https://link.springer.com/article/10.1007/s11665-022-06799-0
• Creep-fatigue damage mechanisms and life prediction based on crystal plasticity combined with grain boundary cavity model in a nickel-based superalloy at 650°Chttps://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103601
• Effect of temperature variation on the long-term strength of steels
  Trans. ASME, 74 (1952), pp. 777-780