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