เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 6) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก (Austenitic Stainless Steel)

ต่อไปนี้จะเริ่มเข้าสู่เนื้อหาประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทแรก ซึ่งเป็นกลุ่มที่มีการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมมากที่สุด คือ กลุ่มออสเตนนิติก เชิญติดตามครับ....

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกนับว่าเป็นกลุ่มที่มีการนำมาประยุกต์ใช้งานกันมากที่สุด มีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ FCC (Face-Centered Cubic) เหล็กกล้ากลุ่มนี้ไม่สามารถเพิ่มความแข็งได้ด้วยกระบวนการทางความร้อน แต่สามารถทำให้แข็งขึ้นได้โดยการขึ้นรูปเย็น (Work Hardening) มีสมบัติที่ไม่ดูดติดแม่เหล็ก (Nonmagnetic) ในสภาพหลังผ่านการอบอ่อน (Annealed Condition) ยกเว้นในกรณีที่มีการขึ้นรูปเย็นอย่างรุนแรง (มีอัตราในการลดขนาดพื้นที่หน้าตัดในปริมาณสูง) ส่งผลให้เหล็กกล้ามีความเค้นตกค้าง (Residual Stress) และไม่ได้อบอ่อน หรืออาจเกิดจากการมีโครงสร้างเดลต้าเฟอร์ไรต์ (-Ferrite) อยู่ในโครงสร้างพื้นฐานออสเตนนิติกในปริมาณสูง ซึ่งมักเกิดขึ้นในชิ้นส่วนที่ผ่านการหล่อและเชื่อม ลักษณะดังกล่าวส่งผลให้เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกมีสมบัติที่ดูดติดแม่เหล็กได้ ยกเว้นบางเกรด เช่น AISI 904L ที่ไม่ดูดติดแม่เหล็กในทุกสภาวะ

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกมีโครเมียมผสมอย่างน้อย 16% และนิกเกิลอย่างน้อย 6% (เกรดพื้นฐานของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มนี้ คือ เกรด AISI 304 ซึ่งบางครั้งเราจะเรียกเกรดนี้ว่า 18/8 คือ มีส่วนผสมของโครเมียม 18% และนิกเกิล 8%) และมีช่วงของส่วนผสมจนถึงโลหะผสมสูงหรือซุปเปอร์ออสเตนนิติก (Super-austenitic) เช่น เกรด AISI 904L และโลหะผสมเกรดที่มีโมลิบดีนัมผสม 6% นอกจากธาตุนิกเกิลซึ่งเป็นธาตุสำคัญที่สุดที่ทำให้เฟสออสเตนไนต์มีความเสถียรแล้ว ธาตุคาร์บอนและไนโตรเจนก็มักใช้เป็นธาตุผสมเพื่อเพิ่มสมบัติทั้งทางกลและทางเคมีด้วย เนื่องจากธาตุทั้งสองสามารถละลายได้อย่างสมบูรณ์ในโครงสร้างผลึกแบบ FCC ตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่มีสมบัติไม่ดูดติดและดูดติดแม่เหล็กแสดงในรูปที่ 1.8ก และ 1.8ข ตามลำดับ

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกสามารถแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ โลหะผสมโครเมียม-นิกเกิล (Chromium-Nickel Alloy) เช่นเกรด AISI 304 และ AISI 316 เป็นต้น และโลหะผสมโครเมียม-แมงกานีส-ไนโตรเจน (Chromium-Manganese-Nitrogen Alloy) เช่นเกรด AISI 201 และ AISI 241 เป็นต้น โดยโลหะผสมกลุ่มหลังมักมีนิกเกิลผสมในปริมาณต่ำ เนื่องจากในช่วง 2-3 ปีที่ผ่านมา นิกเกิลซึ่งเป็นธาตุผสมหลักของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกมีราคาสูงขึ้นประมาณ 5 เท่า [21] ทำให้ผู้ผลิตมีต้นทุนในการผลิตสูงขึ้น และส่งผลกระทบต่อผู้บริโภคอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้โดยเฉพาะเกรดที่มีนิกเกิลผสมสูง นอกจากนี้ยังมีรายงานว่า [46] นิกเกิลที่ผสมอยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิมสำหรับผลิตเป็นชิ้นส่วนที่ปลูกฝังในร่างกายมนุษย์ (Implant Material) นั้นมีความเป็นพิษกับเนื้อเยื่อ ดังนั้น หนึ่งในการขับเคลื่อนที่แข็งแรงในการพัฒนาอุตสาหกรรมคือการผลิตวัสดุชนิดใหม่ๆ เพื่อให้มีราคาต่ำลง แต่มีสมบัติที่ใกล้เคียงหรือดีกว่าวัสดุเดิม จึงได้มีความพยายามในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มใหม่ขึ้นมาทดแทนกลุ่มออสเตนนิติก โดยเฉพาะเกรด AISI 304 ที่มีการประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลาย เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มใหม่นี้ คือ อนุกรม 200 (Series 200) ซึ่งมีการปรับลดส่วนผสมทางเคมีบางตัว โดยเฉพาะธาตุนิกเกิล ซึ่งนอกจากจะลดต้นทุนการผลิตแล้ว ยังสามารถลดน้ำหนักของโครงสร้าง และปัญหาสิ่งแวดล้อมได้ [47] เนื่องจากธาตุดังกล่าวใช้พลังงานค่อนข้างสูงในการแยกหรือสกัดเพื่อผลิตเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม นอกจากการลดปริมาณธาตุนิกเกิลแล้ว ยังมีการปรับลดโครเมียมเช่นกัน โดยอาจเติมไนโตรเจนและทองแดง เพื่อคงความเสถียรของเฟสออสเตนไนต์ แต่ธาตุที่มักใช้ในการทดแทนนิกเกิล ได้แก่ แมงกานีส คาร์บอน และไนโตรเจน [48] ซึ่งเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดังกล่าวนี้ (CrMnN steel) มีสมบัติทางกลที่ต้านทานการสึกหรอร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosive Wear Resistance) [49] และความต้านทานการกัดกร่อนที่ใกล้เคียงกับเกรด AISI 304 [50] การเติมแมงกานีส (5-20%) เพื่อเพิ่มความสามารถในการละลายของไนโตรเจนในเฟสออสเตนไนต์ รวมทั้งเพิ่มความเสถียรให้กับเฟสออสเตนไนต์ และป้องกันการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ในโลหะผสมที่มีนิกเกิลผสมต่ำ ซึ่งแมงกานีสมีราคาถูกกว่านิกเกิลประมาณ 5-10 เท่า [21] สำหรับการเติมไนโตรเจนนั้น จะเพิ่มทั้งความเสถียรให้กับโครงสร้างออสเตนไนต์ และส่งผลต่อสมบัติกึ่งตัวนำของฟิล์มออกไซด์ ลักษณะดังกล่าวจะเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนใต้รอยซ้อน รวมทั้งเพิ่มสมบัติทางกลโดยไม่ส่งผลกระทบต่อความแกร่งของวัสดุ [31] บางครั้งมักเรียกเกรดดังกล่าวว่า Mn-N Substituted Austenitic Stainless Steel [19, 21] ซึ่งถ้าพิจารณาจากค่าเทียบเท่านิกเกิล (Nickel Equivalent) ดังสมการที่ 1 จะเห็นว่าทั้งคาร์บอน ไนโตรเจน ทองแดงและแมงกานีสนั้น เป็นธาตุที่ช่วยในการฟอร์มตัวของเฟสออสเตนไนต์

ค่านิกเกิลเทียบเท่า = Ni% + 30C% + 30N% + 0.5Mn% + 0.3Cu% (โดยน้ำหนัก) -------สมการที่ 1 [51]

จากสมการดังกล่าวจะเห็นว่าธาตุที่เติมลงไปเพื่อชดเชยสมบัติของนิกเกิลแม้จะมีศักยภาพสูง แต่การเติมแมงกานีสในปริมาณสูงมักเหนี่ยวนำให้เกิดการแตกตามขอบเกรนที่อุณหภูมิติดลบ (Cryogenic Intergranular Fracture) [52] และการเติมไนโตรเจน แม้จะเพิ่มความแข็งแรงของโลหะผสมออสเตนนิติก แต่ถ้าเติมในปริมาณสูงเกินไปจะลดความแกร่งที่อุณหภูมิติดลบ (Cryogenic Toughness) และลดความต้านทานต่อแรงกระแทกของเหล็กกล้าไร้สนิมได้ [53]

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกยังสามารถผสมธาตุโมลิบดีนัม ไทเทเนียม หรือทองแดง เพื่อปรับปรุงให้สามารถใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรงต่างๆ [54] โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรือทนทานการกัดกร่อน ธาตุโมลิบดีนัมจะเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนในสิ่งแวดล้อมที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ ส่วนเกรดที่มีโครเมียมในปริมาณสูง เช่นเกรด AISI 309 และ AISI 310 จะเหมาะสำหรับการใช้งานในสภาวะแวดล้อมแบบออกซิไดซิ่ง (Oxidizing) และมีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง แต่ไม่เกิน 1,150 องศาเซลเซียส [55] เนื่องจากถ้าอุณหภูมิมากกว่านี้จะทำให้ฟิล์มโครเมียมออกไซด์มีความไม่ต่อเนื่อง และสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน ในกรณีที่ต้องการสมบัติต้านทานการกัดกร่อนตามขอบเกรน เมื่ออยู่ภายใต้สภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิสูง มักเติมไทเทเนียมและไนโอเบียม เพื่อเพิ่มเสถียรภาพให้กับคาร์บอน (จับตัวกับคาร์บอนเป็นคาร์ไบด์) เช่นในเกรด AISI 321 และ AISI 347 นอกจากนี้เกรดที่มีคาร์บอนต่ำ (ที่มักต่อท้ายด้วย L และ S) เช่นเกรด AISI 304L หรือ AISI 306L จะมีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนตามขอบเกรนและมีความสามารถในการเชื่อมที่ดี โลหะผสมที่มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงบางเกรด เช่น โลหะผสม 20Cb-3 ซึ่งมีนิกเกิลผสมสูง (32-38%) สามารถจัดอยู่ในกลุ่มของโลหะผสมประเภทที่มีนิกเกิลเป็นธาตุผสมหลัก (Nickel-Based Alloy)

สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่มีนิกเกิล โมลิบดีนัม (6%) และไนโตรเจน (~0.2%) ผสมอยู่บางครั้งจะเรียกเกรดดังกล่าวว่าซุปเปอร์ออสเตนนิติก เช่นเกรด AISI 904L และ UNS S31254 (254SMO) เป็นต้น

โลหะผสมเกรด AL6XN (UNS N08367) เป็นเกรดใหม่ของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่มีโครเมียมและโมลิบดีนัมปริมาณสูง มีการเพิ่มความแข็งแรงโดยการเติมไนโตรเจน (Nitrogen Strengthened Austenitic Stainless Steel) ซึ่งถูกพัฒนาโดยบริษัท Allegheny Ludlum Corporation [56] มีความต้านทานการกัดกร่อนแบบใต้รอยซ้อน แบบรูเข็ม การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน และมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงดีเยี่ยมเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304L และ 316L นอกจากนี้ยังเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์โดยเฉพาะถ้าพิจารณาในเรื่องราคา [57]

แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกถูกนำมาประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ จำนวนมาก โดยเฉพาะประเภทโครงสร้างที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนรุนแรง เช่น ระบบท่อ ระบบแลกเปลี่ยนความร้อน โรงงานผลิตสารเคมี โรงงานผลิตปุ๋ยเคมี โรงงานบำบัดน้ำเสีย ฯ [20] เนื่องจากมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าดีเยี่ยม มีคุณสมบัติทางกลเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูงที่ดี ขึ้นรูปได้ง่าย รวมทั้งมีความสามารถในการเชื่อมที่ดีก็ตาม เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มนี้ยังเหมาะต่อสภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิติดลบ (Cryogenic Condition) เนื่องจากอิทธิพลของธาตุนิกเกิล ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกสามารถป้องกันปัญหาการแตกหักแบบเปราะที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดกับเหล็กกล้าประเภทอื่นๆ แต่มักมีความไวต่อการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ [22] เช่น การกัดกร่อนแบบรูเข็ม การกัดกร่อนใต้รอยซ้อน การกัดกร่อนตามขอบเกรน และการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน ดังนั้นการประยุกต์ใช้ในงานต่างๆ จึงควรพิจารณาเลือกใช้ด้วยความระมัดระวัง

สำหรับชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่ผ่านการเชื่อมนั้น โครงสร้างบริเวณแนวเชื่อมมีลักษณะคล้ายกับชิ้นงานที่ผ่านการหล่อ (Cast Structure) โดยมักมีโครงสร้างเดลต้าเฟอร์ไรต์ (-Ferrite) เกิดขึ้นอยู่ในช่วง 2-10% ในโครงสร้างพื้นแบบออสเตนนิติก ดังนั้นการป้องกันการแตกร้าวขณะร้อน (Hot Cracking) ในระหว่างการเย็นตัว ต้องควบคุมให้มีปริมาณเดลต้าเฟอร์ไรต์น้อยที่สุด นอกจากนี้ ในระหว่างการใช้งาน มักพบว่าความเค้นตกค้างที่เกิดขึ้นจากการเชื่อมสามารถไปเพิ่มศักยภาพของความเค้นจากการใช้งาน (Applied Stress) และความเค้นตกค้างจากการขึ้นรูป ยิ่งถ้าชิ้นงานมีสภาวะการรับแรงดึงโดยธรรมชาติอยู่แล้ว (เช่น ผิวด้านนอกท่อ) สามารถส่งเสริมให้วัสดุมีความไวต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดี และในการปฏิบัติการทางวิศวกรรมนั้น ค่าความเค้นตกค้างสูงสุดที่เกิดจากกระบวนการเชื่อมอาจมีค่ามากกว่าค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดครากของวัสดุ ดังนั้นวัสดุจึงสามารถเกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนได้โดยไม่ต้องมีแรงเค้นกระทำระหว่างใช้งาน และถ้ามีการให้ความร้อนในอัตราสูง (High Heat Input) ในระหว่างการเชื่อมและยิ่งถ้ามีอัตราการเย็นตัวช้า จะเหนี่ยวนำให้เกิดการแยกตัวตกตะกอนของธาตุผสม (Segregation of Alloying Elements) และมีการฟอร์มตัวของบริเวณที่พร่องโครเมียม ส่งผลให้วัสดุมีความต้านทานการกัดกร่อนลดลง สำหรับกลไกในการขยายตัวของการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนนั้น มีทั้งแบบผ่าเกรนและตามขอบเกรน (Transgranular and Intergranular Cracking) โดยการขยายตัวของรอยแตกแบบตามขอบเกรนมักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการทางความร้อนไม่เหมาะสม และ/หรือ ถูกใช้งานในช่วงอุณหภูมิที่ส่งเสริมให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ (Sensitization)

รูปที่ 1.8ก ตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 304L ที่ผ่านการอบอ่อนมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นออสเตนนิติกและไม่ดูดติดแม่เหล็ก

รูปที่ 1.8ข ตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 304 มี slip band ที่เกิดจากการขึ้นรูปเย็นอย่างรุนแรงในโครงสร้างพื้นฐานแบบออสเตนนิติก โดยจะส่งเสริมให้เกิดโครงสร้างแอลฟ่าไพรม์มาร์เทนไซต์ในบริเวณ slip band ที่ตัดกัน และสามารถดูดติดแม่เหล็กได้

ในตอนต่อไปท่านจะได้เรียนรู้กับตัวอย่างเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกที่นิยมนำมาประยุกต์ใช้งาน โปรดติดตามนะครับ..........
 
เอกสารอ้างอิง
[46] A. Turnbull, P.E. Francis, M.P. Ryan, L.P. Orkney, A.J. Griffiths, B. Hawkins, Corrosion 2002 : 58 (12) ; pp. 1039.
[47] J. Johnson, B.K. Reck, T. Wang, T.E. Graedel. The energy benefit of stainless steel recycling. Energy Policy 2008 : 36 (1) ; pp.181-92.
[48] V.G. Gavriljuk, A.I. Tyshchenko, O.N. Razumov, Y.N. Petrov, B.D. Shanina, H. Berns. Corrosion-resistant analogue of Hadfield steel. Materials Science and Engineering A 2006; 420 (1-2): pp. 47-54.
[49] H. Y. Bi, X. X. Jiang, S. Z. Li. The corrosive wear behavior of Cr–Mn–N series casting stainless steel. Wear 1999; 225-229 (2): pp. 1043-49.
[50] J. Charles et al., “A new European 200 series standard to substitute 304 austenitics” [online] http://www.euro-inox.org/
[51] C.P. Cutler et.al.” Nickel in Stainless Steels” Nickel Institute, United Kingdom.
[52] R. Miura, H. Nakajima, in: A.F. Clark, R.P. Reed (Eds.), Advances in Cryogenic Engineering 1986: 32, Plenum Press, New York: pp. 245–52.
[53] J. Erneman, M. Schwind, P. Liu, J. -O. Nilsson, H. -O. Andrén, J. Ågren. Precipitation reactions caused by nitrogen uptake during service at high temperatures of a niobium stabilised austenitic stainless steel. Acta Materialia 2004; 52 (14): pp. 4337-50.
[54] J. Oñoro. Corrosion fatigue behavior of 317LN austenitic stainless steel in phosphoric acid. International Journal of Pressure Vessels and Piping 2009; 86(10): pp. 656-60
[55] Kaewkumsai S. and Tuengsook P., 'Study of the degradation of austenitic stainless steel pipe AISI 310 at high temperature' The First Thailand Metallurgy Conference, 15-16 October 2550.
[56] http://www.alleghenytechnologies.com/ludlum/Documents/AL-6XN_sourcebook.pdf.
[57] L.J. Meng, J. Sun, H. Xing, G.W. Pang. Serrated flow behavior in AL6XN austenitic stainless steel. Journal of Nuclear Materials 2009; 394 (1) : pp. 34-8.

หมายเหตุ : สำหรับเอกสารอ้างอิงที่ 1-45 ดูได้จากตอนที่ 1-5

Corrosion Failure Analysis of Copper Tube of Air Conditioner Parts

S. Kaewkumsai, N. Bunchoo, and W. Khonraeng

National Metal and Material Technology Center (MTEC),
National Science and Technology Development Agency (NSTDA),
114 Thailand Science Park, Paholyothin Rd., Klong 1, Klong Luang, Pathumthani 12120 THAILAND
Phone 66-2564-6500 ext. 4736, Fax.66-2564-6332, E-Mail: siamk@mtec.or.th

Abstract
This paper described a failure analysis of the heat exchanger copper tube of air conditioner. Ant-nest corrosion is a specific type of premature failure of copper tubes which caused the loss of refrigerant liquid and the consequent environment pollution. It is known that the attack requires a combination of moisture, oxygen and a corrodent, e.g. an organic acid, such as formic, acetic, propionic or butyric acid or other volatile organic substances. This type of corrosion usually occurs in thin-wall copper pipes and is known by several names: ant-nest corrosion, formicary corrosion, unusual corrosion, branched-pits, pinhole corrosion, etc. The results indicated that the tube underwent ant-nest corrosion. To avoid corrosion attack, periodical removal of contaminants and cleaning of copper tube surface during and after fabrication was suggested.

Keywords: Ant-nest corrosion, Copper tube, Chromic acid, Tunneling, Heat exchanger

1. Introduction
Formicary or ant-nest corrosion primarily occurrs in heating, ventilation, refrigerators, condensers, radiators, solar-systems, and air-conditioning industry [1, 2]. Ant-nest corrosion can be described a micro-tunneling attack of copper that is initiated on the copper surface. A previous review of this phenomenon describes the mechanisms where the copper base-metal oxidizes to form copper carboxylates [3]. The mechanism is considered to be a modified localized corrosion process (e.g., pitting) involving a micro-anode where copper ions combine with carboxylic acids to form an unstable cuprous complex. The complex is oxidized to cupric formate, acetate, etc., and cuprous oxide (Cu2O). The morphology of corroded surface is characterized by the development of longitudinal pits that form by interconnecting random micro-cavern channels containing porous copper oxide. Microscopic progression of tunnels usually start on the surface of the copper tubing and penetrated through the tube wall. Failures are typically characterized by leaks that form in the fin pack area of the coil [4]. During the corrosion processes, copper oxide is deposited on the inner walls of the tunnels, causing them to turn black. It has been suggested that this type of corrosion may be caused by the decomposition products of chlorinated organic solvents used in degreasing, cleaning and picking treatments of the copper tubes during manufacturing or joining processes, or by certain types of synthetic lubricant oils used during the copper tube stamping process [2].

In this paper, the leaked component was the copper tube of heat exchanger, which was used in the cooler system. It had been in service near the seashore for nearly 10 years. During service, it was found that the cooler had low performance. Then, the failed heat exchanger was subject to pressure test to locate the leaks. As-received heat exchanger for analysis is shown in Fig. 1.

Fig. 1: As-received heat exchanger for analysis

2. Investigation Methods
Visual Examination of the as-received failed components was thoroughly examined visually and with the aids of a stereo microscope. Examine general and physical appearances of the both external and internal surface of copper tube by a stereo microscope to study the characteristics of the damage that occurred. Pressure test with compressed-air was applied for identify the site of leakage. Energy Dispersive Spectrometry (EDS) and Scanning Electron Microscope (SEM) were used to determine the chemical composition of stains on copper tube and compares with normal area. Finally, cut a sample from the stained section and prepared for examination by mounting, polishing, and etching with 10% H2SO4 solution. The microstructure analysis was performed under a reflected light microscope to determine the form of corrosion attack and propagation mechanisms.

3. Results
3.1 Visual Examination
The heat exchanger tube failed by leaking. To identify the source of leakage, randomly selected tubes were pressurized with compressed-air and brushed with soap solution. The leaked tube showed bubble generation over a large area as identified by yellow circles in Fig. 1. The source of these numerous leaks was identified from subsequent cross-section analysis. Visual examination revealed that the copper tube had green stain on the u-bend positions while the white stain occurred on the aluminum fin and zinc-plated surface.

3.2 Surface Analysis
The general appearances of the external copper tube are shown in Fig. 2. Examination of the external tube surface revealed many defects such as cracks, corrosion attack, and corrosion products (Fig. 2b). Pitting defects, which were located at the crack lines, were also found in some areas. The internal surface was found to be smooth without deposits and corrosion products.

Fig. 2 a) Physical appearance of copper tube and b) macro-view of surface of tube

3.3 Chemical Composition Analysis
The chemical composition analysis of stains on external tube surface and normal area from EDS techniques are shown in Fig. 3. The predominant elements were shown to be copper, aluminum, and oxygen, with smaller quantities of carbon, sulfur, and chlorine. A section from a tunnel pitted tube was flattened and the scale picked off; in this case, significant amount of chlorine was found in the vicinity of the pit. Carbon and oxygen could have come from the organic acid.

Fig.3: EDS spectrum of deposit on tube surface

3.4 Cross-section and Microstructure Analysis
Cross-sections of the failed tube through the detected leaked area revealed sub-surface cavities and propagation direction as shown in Fig. 4. The progression of the corrosion is from the exterior of tube and penetrated through the interior tube surface. This kind of progressive pattern called “tunneling”. Finally, leakage of the tube was exhibited.

Fig.4: Corrosion attack morphologies and propagation mechanism called “tunneling” of the copper tube

4. Discussions
Visual examination of the leaked tubes revealed the corrosion products, cracks, and pits on the external surfaces. The internal tubes revealed the normal surfaces without defects. As a result, the pits were initiated from the exterior of copper tubes and propagated to the interior and eventually led to leakage. The presence of cracks on the external tube surface acts as the preferred sites for corrosion attack. The material defect only found at the external surface suggests that the leakage of copper tube must start from this site.

From this analysis, the failure of copper tube heat exchanger could be in form of localized pitting, the type of corrosion observed during this investigation is known as “ant-nest” or “formicary” corrosion due to its unique morphology. Pits created by this type of corrosion are so fine that they are not visible to the naked eye [4]. The studies of others showed that ant-nest corrosion arises because of the presence of undesirable organic species (notably carboxylic acids) on copper tube surfaces [2]. ASTM B 743 [5] calls for certain minimum cleanliness levels for refrigeration or air conditioning grades of copper tube. Typically, the inner tube surface shall be sufficiently clean so that when the ID is washed with a suitable solvent (redistilled chloroform or trichloroethylene) the remaining residue after evaporation of the solvent shall be less than 0.0035 g/ft2 (0.038 g/m2) of the interior surface.

Copper and it alloys are unique among the corrosion-resistant alloys. They do not form a truly passive corrosion product film. In aqueous environments at ambient temperature, the corrosion product that is predominantly responsible for protection is cuprous oxide (Cu2O) [6]. The copper and it alloys resist many saline solutions, alkaline solutions, and organic chemicals. However, copper is susceptible to more rapid attack in oxidizing acid, oxidizing heavy metal salts, sulfur, sulfur- dioxide, ammonia, sulfur and ammonia compounds.

From the above data and chemical composition results may indicate the cause of stains on copper tube surface, the sulfur and chlorine peaks; from EDS results on the stain indicate that it could come from corrosive media. The presence of chlorine in the area of the pit found by EDS is an indication of contamination of the antifreeze solution with chlorides, although most tap water is also chlorine treated and contains traces of chlorides. Carbon and oxygen could have come from organic acid. The aluminum peak indicates that this deposit came from aluminum fin. The analysis of these samples confirmed the presence of significant levels of formate and acetate in the service environments. The acid salts (may be in form of AlCl3), which are hydrolyzing to form acid solution may cause corrosion with combined hydrogen evolution and oxygen depolarization. The oxidizing salt could come from many sources such as seawater, fabrication process and materials handling process.

Industry research report of carrier [4] tells that formicary corrosion or ant-nest corrosion have required three conditions required for generated as follows: the presence of oxygen, the presence of a chemically corrosive agent, and the presence of moisture. In this case, this failure possesses all favorable conditions necessary for ant-nest corrosion to occur.

5. Conclusion
The presence of ant-nest corrosion patterns in the copper tube heat exchanger: a few pinholes on the surface, progressive tunneling, and a discoloration of surface could be in form of cuprous complex. One of the possible sources of organic acids is the different cleaning treatments applied to the copper tube during service and maintenance. Periodical removal of contaminants and careful cleaning of copper tube surface during and after fabrication was suggested for avoiding corrosion attack.

References
[1] O. Albert, C. Richard, 2007, “Formicary corrosion of cupronickel tubing”, Materials Selection and Design, pp.52-54.
[2] D.M. Bastidas, 2006, “Ant-nest corrosion of copper tubing in air-conditioning units”, Revista De Metalurgia, vol.45, pp.367-381.
[3] A. Richard, 2000, “Ant-nest corrosion digging the tunnels”, Corrosion2000, NACE, paper No.00646.
[4] Carrier, “Fin Pack Leaks-Formicary Corrosion”, Indoor Coil Corrosion, Industry Research Report.
[5] Annual Book of ASTM Standards, volume 02.01 (Conshohocken, PA).
[6] Corrosion of copper and copper alloys, ASM Handbook, Vol.13, Corrosion, pp. 610.

Chloride-Induced Stress Corrosion Cracking of 316 Stainless Steel Oil Tube

Hi everybody, today, I would like to show my case study to you. In this case, the most fashion of failure mode in SS is present.

Abstract

The mineral oil tube failed after being in service for nearly 10 years. Pipe leakage was detected during operation. One of the failed pipes was selected for failure analysis by visual examination, chemical analysis, and microstructure analysis techniques. Examination revealed that the oil tube failed by chloride-induced stress corrosion cracking. Chloride contaminants were exposed to come from the service environment. Failure prevention can be achieved by relieving the tube residual stress after forming, removing contaminants from the tube exterior periodically and applying chloride-free protective coating.

Introduction
Corrosion failure of pipelines in petrochemical plants in Thailand was common, especially, in the zone exposed to the coastal environment. The majority of the pipelines used in petrochemical and chemical plants are mostly made of either carbon steel or austenitic stainless steel. Carbon steels mostly degrade in form of general corrosion, while the stainless steel parts mostly fail due to stress corrosion cracking [1]. This failure mode was generally found in stainless steel pipelines that are exposed to coastal environment. Stress corrosion cracking is the formation of cracks in susceptible metals in the presence of certain corrosive media and tensile stresses. In all cases of failure by stress corrosion cracking, the following three factors must be present: tensile stress, corrosive media, and the sensitive material [2]. This paper described the mechanism of chloride-induced stress corrosion cracking of oil tube as a result of improper material selection and lack of maintenance. Although austenitic stainless steels provide excellent resistance to general corrosion, they are susceptible to localized corrosion, such as pitting corrosion, intergranular corrosion, and stress corrosion cracking, especially in chloride containing environments [3]. In this paper, the failure mode of the stainless steel tube was found to be stress corrosion cracking and preventive procedures of such failure were provided. The failed component for analysis was the mineral oil tube which had been in service for nearly 10 years. It was made of AISI 316 stainless steel and used for feeding mineral oil into electronic part production process. The tube was fabricated and installed in the hood. The service temperature at the exterior was around 90 C and the pressure interior was 1 bar. Contaminants and stains on the surface of the tube were removed every shutdown period. During operation, the failure was detected by oil leaking from cracks.

Investigation Methods
Visual and stereo microscopic examinations were carried out on the failed oil tube. Then, the tube was sectioned and prepared for microstructural evaluation by mounting, polishing, and etching. The etchant was the mixture of 3 parts of HNO3, 2 parts of HCl, and 1 part of glycerol. The microstructure was observed under a reflected light microscope. A bulk composition of the failed pipe was determined by a spark emission spectrometer. The corrosion products on the tube surface were analyzed by energy dispersive spectrometry.

Results

Visual Examination

The cracks were oriented about 45° angle to the tube axis as shown in Fig. 1b. Dark brown corrosion products were found on the external tube surface. Cracks were found in single lines. After removing corrosion products, pits were found all over the tube surface. In contrast, the internal tube surface was smooth and free from corrosion product.

Fig. 1: As-received oil tube for failure analysis a) dark brown corrosion products b) appearance of internal surface and crack orientation

Chemical Composition Analysis

The results of chemical analysis of the tube show that its chemical composition complies with AISI 316 specification. Chemical compositions of corrosion products and the normal area are shown in Fig. 2a and b, respectively. The results indicated the presence of chlorine, calcium, potassium, phosphorus, sodium, and sulfur in the corrosion products. Significant high peak of chlorine was found in the pits.

Fig. 2 : EDS spectra taken from (a) dark brown corrosion products and (b) normal area

Microstructural Analysis

Microstructure of cross section of the failed specimen as shown in Fig. 3 indicated that the tube was seamed stainless steel tube. Fig. 3a showed the cross section of the area where the crack was initiated. From Fig. 3a, micro-cracks were initiated from external tube surface, most likely at the pits which acted as stress concentrators. When the micro-cracks coalesced and became continuous throughout the cross section, they became one single visible macro-crack as shown in Fig 1b. Fig. 3a showed that micro-cracks propagated from macro-crack, this supported the argument that macro-crack resulted from coalescence of micro-cracks. Fig. 3b showed microstructure and crack morphology in the tube. The microstructure was mostly austenitic structure and twin grains typical of austenitic stainless steel. Twin grains indicated that the tube was subject to cold forming and retained residual stresses. Cracks were branched and blunt, indicative of stress corrosion cracking. In some area, it was found that corrosion attack tend to propagate along grain boundaries. Furthermore, blunt crack tip was found at the corrosion attacked path.

Fig.3: Cracks propagated from the pits on external surface in transgranular mode.

Discussions

Observation of the failed tube revealed that the external surface of the tube was covered with high quantity of dispersed dark brown corrosion products. Cracks were aligned transversely inclined to the tube axis. In addition, the interior of tube near the crack was smooth and free from corrosion products. This was due to the exposure to oil that is normally not corrosive.

Comparing chemical composition of dark brown corrosion products with that of normal area revealed that the contaminants consisted of sulfur, calcium, potassium, sodium, and chlorine, especially for sulfur and chlorine, the aggressive species that induce stress corrosion cracking in austenitic stainless steel. The contaminants could come from the solution inside hood, washing water, and airborne NaCl in the atmosphere. Sulfur could probably be in form of CaSO4.

Because the passive film under the rust stain was destroyed and defects were produced on the surface of the tube. These defects acted as a preferred site for accumulation of corrosive media which reacted with the base metal. The tube surface lost its corrosion protection property. This combined with the presence of high density of twin grains, residual stress from cold forming give rise to failure of the part. Since the breakdown of passive films has been recognized as key role in pitting and stress corrosion cracking of austenitic stainless steel [3], it is reasonable to correlate the effects of microstructure and residual stress on corrosion resistance to the properties of passive film.

From the above reasons, it indicated that cracking was generated from the external tube surface. The effect of corrosion attack combined with residual stresses during shaping process give rise to corrosion failure of the tube in form of stress corrosion cracking. The chloride and sulfur containing environment were the contributing factors of this failure

Microstructure analysis indicated that the residual stress was generated during shaping process as evident by high density of twin grains during rolling and welding the stainless steel. In service condition, the external tube surface was subject to tensile stresses. Then, the residual tensile stress combined with the destroyed passive film and exposure to high temperature (~90 C) corrosive media made the oil tube prone to stress corrosion cracking. The failure mode was clearly explained by microstructure analysis; cracks were generated in the rust-stained area. Cracks were branched and propagated mostly in transgranular mode. The crack tips were sharp at the primary stage of failure. After long-term service, blunt crack tips were observed.

Normally, stainless steel has a protective film that resists corrosion damage from chemical species. For the failed part, the defects generated from rust caused discontinuities in protective film. Therefore, the failure of the tube was probably caused by the interaction between the base metal and corrosive media at the defected areas followed by crack initiation and propagation. R.A. Cottis [4] said that the temperature usually needs to be above 70 C before SCC can occur. In this case, the service temperature was operated at 90 C, which was ideal for generated chloride-induced stress corrosion cracking. The higher temperature, the higher concentration of chloride that promotes the occurrence of SCC.

Conclusion
The oil tube failed by stress corrosion cracking which was induced by chloride contamination in the ambient environment. Chloride-free coating and periodic cleaning was suggested for preventing the problem. Selection of tube in annealed condition was also recommended.

References

[1] M. Suresh Kumar, M. Sujata, M.A. Venkataswamy, S.K. Bhaumik, 2008, “Failure analysis of a stainless steel pipeline”, Engineering Failure Analysis, Vol.15, pp.497-504.
[2] J. Woodtli, R. Kieselbach, 2000, “Damage due to hydrogen embrittlement and stress corrosion cracking”, Engineering Failure Analysis, Vol.7, pp. 427-450.
[3] B.T. Lu, Z.K. Chen, J.L. Luo, B.M. Patchett, Z.H. Xu, 2005, “Pitting and stress corrosion cracking behavior in welded austenitic stainless steel”, Electrochemica Acta, Vol.5, pp.1391-1403.
[4] R.A. Cottis, “Stress Corrosion Cracking”, Guides to Good Practice in Corrosion Control [online], http://www.npl.co.uk.

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 5) : ประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม

ถึงแม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมทุกประเภท จะมีสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนขึ้นอยู่กับโครเมียมเป็นหลัก แต่ก็ยังมีการเติมธาตุผสมอื่นๆ ลงไป เพื่อเพิ่มสมบัติพิเศษเฉพาะด้าน การที่เหล็กกล้าไร้สนิมมีธาตุผสมในสัดส่วนที่แตกต่างกันนั้น ได้นำมาสู่การแบ่งเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นประเภทต่างๆที่อยู่บนพื้นฐานของลักษณะโครงสร้างทางจุลภาค (Microstructure) / โครงสร้างผลึก (Crystallographic Structure) ของวัสดุ ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่กำลังขยายสูงจากชิ้นงานที่ผ่านการขัดละเอียดและกัดกรด (Polishing & Etching) เป็นที่ทราบกันดีว่า ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ต่างกัน จะทำให้ได้โครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันไปด้วย โดยอาจเกิดเป็นเฟสที่เสถียร คือ ออสเตนไนต์และเฟอร์ไรต์ ส่วนดูเพล็กซ์ (Duplex) จะมีทั้งสองเฟสร่วมกันในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกัน ในขณะที่เฟสมาร์เทนไซต์ (Martensite) เป็นโครงสร้างที่ไม่เสถียรเกิดกับเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนมากกว่า 0.3% หลังจากผ่านกระบวนการทางความร้อน (ชุบแข็ง) หรือผ่านการขึ้นรูปเย็นที่รุนแรง และโครงสร้างที่เพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอน (Precipitation Hardening) ของสารประกอบที่มีขนาดเล็ก ซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของธาตุนิกเกิลและโครเมียมที่ผสมอยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถใช้ในการแบ่งกลุ่มต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 1.7


โดยทั่วไปเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถแบ่งออกได้เป็น 5 กลุ่มหลักๆ [5] โดย 4 กลุ่มแรกจะแบ่งตามลักษณะเฉพาะของโครงสร้างจุลภาคหรือโครงสร้างผลึกของโลหะผสม ได้แก่ กลุ่มเฟอริติก (Ferritic) กลุ่มมาร์เทนซิติก (Martensitic) กลุ่มออสเตนนิติก (Austenitic) และ กลุ่มดูเพล็กซ์ (Duplex) ส่วนกลุ่มที่ 5 เป็นโลหะผสมที่เพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอน (Precipitation Hardening) ด้วยกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatment)

รูปที่ 1.7 แผนภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณของธาตินิกเกิลและโครเมียมที่ผสมอยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มต่างๆ

ตอนหน้าท่านจะได้พบกับเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก ซึ่งเป็นกลุ่มที่มีการนำมาประยุกต์ใช้งานมากที่สุด.....อย่าลืมติดตามนะครับ

ขั้นตอนการวิเคราะห์ความเสียหาย (How to Conduct Failure Analysis)

ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนอุปกรณ์ของโครงสร้าง หรือเครื่องจักรเป็นปัญหาที่มักพบได้เสมอในอุตสาหกรรมประเภทต่างๆ แม้ว่าในปัจจุบันจะมีอุปกรณ์ช่วยในการออกแบบและมีการใช้เทคนิคในการซ่อมบำรุงที่ทันสมัยในการตรวจสอบสภาพการใช้งานของเครื่องจักรมากขึ้นก็ตาม แต่สภาวะการทำงานจริงของเครื่องจักรที่มักไม่เป็นไปตามที่ออกแบบไว้ ทำให้มีโอกาสที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของโครงสร้างหรืออุปกรณ์จะรับภาระกรรมเกิน ซึ่งนำไปสู่การแตกหักเสียหายในที่สุด ความเสียหายที่เกิดขึ้นทำให้เกิดผลเสียทางเศรษฐกิจ สุขภาพ หรือชีวิต ดังนั้นจึงต้องมีการวิเคราะห์ความเสียหาย เพื่อลดความสูญเสียที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต

การวิเคราะห์ความเสียหาย หมายถึง การวินิจฉัยหาสาเหตุที่แท้จริงของความเสียหายที่เกิดขึ้นสำหรับใช้เป็นแนวทางพิจารณาในการแก้ไข ซ่อมแซม หรือออกแบบใหม่ เพื่อป้องกันความเสียหายชนิดดังกล่าวที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต


ขั้นตอนการวิเคราะห์ความเสียหาย

การวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆต้องเริ่มต้นจากประวัติหรือข้อมูลความเป็นมาของชิ้นส่วนที่เสียหายนั้นๆ เช่น ชนิดของวัสดุ ส่วนผสมทางเคมี ข้อกำหนดต่างๆ (Specification) กระบวนการผลิต การอบชุบ การอบชุบทางความร้อน ตลอดจนสภาวะการใช้งาน บางกรณีก็อาจจำเป็นต้องมีแบบของชิ้นส่วนที่เสียหายด้วยหากสามารถหาได้ นอกจากนี้หากสามารถทราบได้ว่าขณะที่ชิ้นส่วนเกิดความเสียหาย สภาวะแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ บรรยากาศรอบๆเป็นอย่างไรอาจจะเป็นประโยชน์ต่อการวิเคราะห์ต่อไป

เมื่อได้รับชิ้นส่วนที่เสียหายแล้ว ต้องวางแผนการวิเคราะห์ทดสอบก่อนว่า ส่วนใดต้องนำมาทดสอบอะไร แล้วจึงทำการตัดชิ้นส่วนที่เสียหายไปทดสอบ การวางแผนต้องพิจารณาถึงความจำเป็นของข้อมูลเพื่อประหยัดเวลาและค่าใช้จ่าย และมีความยืดหยุ่นและพิจารณาลำดับขั้นของการวิเคราะห์ การเลือกตำแหน่งการทดสอบผิดจะไม่เกิดประโยชน์แต่อย่างได

เมื่อทราบข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับข้อมูลที่เสียหายแล้ว ขั้นตอนต่อไปในการวิเคราะห์คือ

1. บันทึกประวัติการทำงาน

ลำดับแรกควรสอบถาม หรือบันทึกข้อมูล รายละเอียดเกี่ยวกับประวัติการใช้งานของชิ้นส่วนที่เสียหาย เช่นการใช้งานในสภาวะปกติเป็นอย่างไร โดยอาจจะสอบถามถึง

• แรงที่กระทำเป็นแรงคงที่ เป็นรอบหรือแรงกระทำเกินขอบเขต(Overload) บ้างเป็นครั้งคราวหรือไม่

• อุณหภูมิการใช้งานมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ หากมีการเปลี่ยนแปลง เปลี่ยนแปลงไปมากน้อยเพียงใด

เนื่องจากอุณหภูมิมีผลต่อการผุกร่อนของโลหะ หากชิ้นส่วนของโลหะนั้นอยู่ในสภาวะกัดกร่อน นอกจากนี้โลหะผสม เมื่ออยู่ในสภาวะที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานานๆ อาจทำให้จุลโครงสร้างเปลี่ยนแปลงไป หรือมีอนุภาคตกตะกอน(Precipitate) อยู่ตามขอบเกรน หรือในเหล็กกล้าที่มีจุลโครงสร้างเป็น Pearlite, cementite ที่เดิมเคยมีรูปร่างเป็นแผ่น (lamellar) อาจเปลี่ยนเป็นรูปกลม

ประวัติการใช้งานของชิ้นส่วนที่เสียหายที่สมบูรณ์ มีความสำคัญต่อการวิเคราะห์ความเสียหายมาก ซึ่งเป็นส่วนที่ช่วยให้การทำงานง่ายขึ้น และมีความมั่นใจในผลการวิเคราะห์ว่าเป็นไปในทางที่ถูกด้วย นอกจากนี้ประวัติการซ่อมแซมชิ้นส่วนที่เสียหายว่าเคยซ่อมเมื่อใด บ่อยหรือไม่ เหตุที่ต้องซ่อมแซมและวิธีการซ่อมเป็นข้อมูลที่ต้องบันทึกไว้ด้วยเช่นกัน

อีกสิ่งหนึ่งที่ต้องทำคือ ควรถ่ายภาพชิ้นส่วนที่เสียหายเอาไว้ทุกแง่ทุกมุม ก่อนที่จะนำชิ้นส่วนนั้นไปทำการวิเคราะห์ต่อไป

2. การตรวจสอบด้วยสายตา (Visual Inspection)

ชิ้นส่วนที่เสียหายทั้งหมด ควรได้รับการตรวจสอบด้วยสายตาอย่างละเอียด ก่อนที่จะมีการทำความสะอาด แล้วบันทึกเอาไว้เช่น หากพบว่ารอยแตกเก่ามีอยู่แสดงว่ารอยแตกเกิดขึ้นมาเป็นระยะเวลาช่วงหนึ่งแล้ว ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย และรอยแตกอาจจะถูกพบมาก่อน แต่ไม่ได้ให้ความสำคัญเท่าที่ควร ลักษณะเช่นนี้ ควรบันทึกเอาไว้ด้วย

นอกจากนี้ลักษณะของรอยแตก สีของผิวที่แตกหักเสียหายเป็นอย่างไร รอยการแตกเริ่มมาจากทางใด
ขนาดของรูปร่างของชิ้นส่วนที่เสียหายควรบันทึกเอาไว้อย่างละเอียด หรืออาจจะใช้ภาพวาดหรือภาพถ่ายช่วย บางครั้งอาจจะต้องใช้กล้องกำลังขยายต่ำหรือแว่นขยาย

3. การเลือกตำแหน่งที่จะนำมาทดสอบ

ผู้วิเคราะห์ต้องตัดสินใจเลือกตำแหน่งในการตัดชิ้นส่วนที่เสียหาย เพื่อจะได้ตำแหน่งที่สามารถชี้บ่งถึง
สาเหตุการเสียหายได้ บางกรณีอาจต้องเปรียบเทียบชิ้นส่วนที่เสียหายกับชิ้นส่วนประกอบประเภทเดียวกันที่ไม่เกิดความเสียหายหรือจากชิ้นเดียวกันแต่ห่างออกไปจากบริเวณที่เสียหาย ทั้งนี้อาจจะสามารถชี้บ่งได้ว่าความเสียหายที่เกิดขึ้นเนื่องมาจากสภาวะการใช้งาน หรือจากกระบวนการผลิต เช่น ท่อใน Boiler เกิดความเสียหายหากมีโครงสร้างที่ต่างกัน แสดงว่าสภาวะการใช้งานทำให้จุลโครงสร้างเปลี่ยนแปลง ซึ่งอาจจะเป็นสาเหตุหนึ่งในข้อสันนิษฐานว่าสาเหตุของความเสียหายอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการใช้งาน

4. การทำความสะอาด การตัด และการรักษาผิวหน้าที่เสียหาย

ผิวที่แตกหักเสียหายของชิ้นส่วนที่ต้องการวิเคราะห์ เป็นหลักฐานที่สำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้นจึงควรรักษาสภาพผิวที่เสียหายไว้ เพราะผิวที่เสียหายอาจเป็นสนิมหรือเกิดออกไซด์เมื่อเก็บไว้ในบรรยากาศ หรืออาจจะลบเลือนไปจากการเสียดสีหรือกระแทกกับชิ้นส่วนอื่นๆ ขณะทำการเก็บตัวอย่าง หรือขนส่งได้ ที่สำคัญไม่ควรเช็ดผิวหน้าที่เสียหายด้วยผ้าเพราะอาจทำให้อนุภาคที่อยู่ที่ผิวหน้าหลุดไป ซึ่งอนุภาคเหล่านี้อาจจะเป็นสิ่งบ่งชี้ถึงสาเหตุความเสียหายได้ และการแตะผิวแตกหักด้วยนิ้วมือไม่ควรทำอย่างยิ่ง รวมทั้งไม่ควรประกอบชิ้นส่วนที่แตกหักเข้าด้วยกัน โดยที่ผิวแตกหักสัมผัสกัน สิ่งเหล่านี้ไม่ช่วยต่อการวิเคราะห์แต่อย่างใด

การกัดกร่อนที่อาจจะเกิดขึ้นที่ผิวหน้าที่แตกหัก อาจจะป้องกันได้โดยพ่นด้วยอากาศอัดกระป๋องบนผิวที่แตกหัก เพื่อกำจัดสิ่งสกปรก แล้วใส่ในตู้ดูดความชื้น (Descicator) ควรหลีกเลี่ยงการเคลือบผิวหน้าที่แตกหักที่ยังไม่ได้ทำการวิเคราะห์

ส่วนผิวหน้าที่เสียหายหากสัมผัสน้ำทะเลหรือสิ่งสกปรกอื่นๆ หากจำเป็นต้องล้างผิวที่เสียหายด้วยน้ำและตามด้วยอัลกอฮอล์หรือะซิโตน เป่าให้แห้งแล้วเก็บไว้ในตู้ดูดความชื้น

การทำความสะอาดผิวหน้าที่แตกหักเพื่อส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ในขั้นแรกเป่าด้วยอากาศอัดกระป๋อง ล้างในอัลกอฮอล์หรืออะซีโตน ใน Ultrasonic Cleaner หรือล้างในกรดหรือด่างอ่อนๆ เพื่อกำจัดชั้นของ Corrosion ที่อยู่ที่ผิวหน้าชิ้นส่วนที่เสียหาย

การตัดชิ้นส่วนตัวอย่างที่เสียหายไปทดสอบ ควรวาดรูปอย่างคร่าวๆไว้ว่าตัดจากส่วนใด การตัดควรเป็นการตัดแบบแห้ง ในขณะตัดควรคำนึงถึงความร้อนที่เกิดขึ้น หากการตัดทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นมาก โครงสร้างของวัสดุอาจเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นจึงควรตัดห่างผิวแตกพอประมาณ หากตัดด้วยความร้อนต้องระวังไม่ให้โลหะเหลวจากการตัดไปติดที่ผิวหน้าที่แตกหักได้ การตัดแห้งดีกว่าแบบที่ใช้น้ำหล่อเย็น เพราะน้ำหล่อเย็นอาจจะกัดกร่อนผิวหน้าที่แตกหัก หรือทำให้อนุภาคที่อยู่ที่ผิวหลุดออกไปได้

5. ลำดับขั้นตอนการวิเคราะห์และการทดสอบ

การวิเคราะห์และทดสอบ จะเลือกใช้วิธีการทดสอบต่างๆ ตามความเหมาะสมในขณะนั้น โดยทั่วไปการ
ทดสอบจะมีวิธีการทดสอบต่างๆดังนี

การตรวจสอบสภาพผิวแตก (Fractography)

ระดับมหภาค (Macroscopic) โดยการใช้แว่นขยายหรือกล้อง stereo microscope ระดับจุลภาค (Microscopic) โดยการใช้ Scanning Electron Microscope (SEM) การตรวจสอบสภาพผิวแตกทำให้ทราบข้อมูลเกี่ยวกับจุดเริ่มต้นของรอยแตก ชนิด และลักษณะการขยายตัวของรอยแตก และลักษณะการแตกว่าเป็นการแตกแบบเปราะ แบบเหนียวหรือการล้าตัว เป็นต้น

การวิเคราะห์ทางเคมี (Chemical Analysis)

-การวิเคราะห์สารปนเปื้อน และผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการกัดกร่อน การตกผลึก (Precipitation) เพื่อวิเคราะห์หาสิ่งเจือปนที่มีอิทธิพลต่อการกัดกร่อน หรือชนิดของสารฝังใน ซึ่งจะเป็นสาเหตุให้วัสดุลดความสามารถในการรับภาระกรรม

-การวิเคราะห์ส่วนผสมของวัสดุเพื่อให้พบว่าวัสดุที่ใช้เป็นวัสดุชนิดใด เลือกใช้ถูกต้องตามข้อกำหนดที่ออกแบบไว้หรือไม่

-การวิเคราะห์องค์ประกอบของตัวกลางที่ใช้ร่วมกับชิ้นงานที่เสียหาย เพื่อหาตัวกลางที่ทำให้เกิดการกัดกร่อน

การทดสอบทางกล (Mechanical Testing)

การทดสอบความแข็ง เป็นการทดสอบทางกลที่ง่ายที่สุด ชิ้นทดสอบที่ใช้มีขนาดเล็กและไม่ต้องเตรียมชิ้นทดสอบมากนัก เมื่อเปรียบเทียบกับการทดสอบทางกลอื่นๆ ความแข็งเป็นสิ่งที่บ่งชี้ว่าชิ้นส่วนที่เสียหายผ่านกระบวนการอบชุบทางความร้อนมาตรงตามที่ระบุไว้ในข้อกำหนดของวัสดุนั้นหรือไม่ การเปรียบเทียบความแข็งชิ้นส่วนที่เสียหายกับไม่เสียหายสามารถสะท้อนถึงลักษณะการใช้งาน เช่น มี Work hardening, softening หรือมีการสูญเสียคาร์บอนที่ผิว เหล็กกล้าค่าความแข็งบริเนลล์ สามารถใช้ประมาณค่าความต้านทาทนแรงดึงได้ (Tensile strength)

UTS = 0.35 HB (เหล็กกล้ารีด)

UTS = 0.21 HB (เหล็กกล้าอบชุบ)

UTS = 0.22 HB (เหล็กกล้าผสมคาร์บอนปานกลาง)

UTS = 0.23 HB (เหล็กกล้าผสมคาร์บอนต่ำ)

(UTS คือ Ultimate Tensile Strength)

การทดสอบความต้านทานแรงดึงและแรงกระแทก การทดสอบโดยวิธีนี้ ชิ้นทดสอบต้องมีขนาดใหญ่พอสมควร ทั้งนี้เป็นไปตามมาตรฐานด้วย ในบางครั้งอาจต้องทำการทดสอบที่อุณหภูมิต่ำหรือสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เพื่อให้สอดคล้องกับสภาพการทำงานจริง

การประเมินผลการทดสอบ หากผลการทดสอบมีค่า 5-10% ต่างไปจากค่าที่ควรเป็น (ตาม specification) ไม่ได้หมายความว่า ชิ้นส่วนนี้มีค่าความแข็งแรงลดลง หรือมีคุณภาพต่ำลงจนเป็นสาเหตุของการแตกหักได้ เพราะชิ้นทดสอบมีขนาดเล็ก ซึ่งไม่สามารถจะแทนชิ้นส่วนทั้งชิ้นได้ เช่น ชิ้นส่วนที่เสียหายอาจจะแตกหักแบบเปราะได้ที่อุณหภูมิปกติ แต่ถ้านำชิ้นส่วนมาทดสอบการกระแทกพบว่าวัสดุชนิดเดียวกันจะแตกหักที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส (ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุชิ้นทดสอบด้วยว่าขึ้นอยู่กับขนาดของชิ้นทดสอบด้วยหรือไม่)

การตรวจสอบจุลโครงสร้างด้วยกล้อง Light Microscope ทำให้ได้รับข้อมูล
• Microcracks

• ขนาดและรูปร่างของเกรน (grain size)

• สิ่งเจือปน(impurity)

• การตกผลึก รูพรุน โพรงอากาศ (precipitate,porosity,blow hole)

• ลักษณะและคุณภาพของการผลิต เช่น การหล่อ การทุบ การเชื่อมต่อ การเคลือบผิว การกลึง การไส การอบชุบ เป็นต้น

การตรวจสอบแบบไม่ทำลาย เพื่อตรวจหารอยบกพร่อง เช่น รอยร้าวขนาดเล็กบนผิวชิ้นงาน และรอยบกพร่องที่มีอยู่ภายในชิ้นงาน หรือรอยแตกร้าวที่เกิดอยู่ภายในชิ้นงาน

การวิเคราะห์ความเค้นและการทดสอบจำลอง (Stress Analysis and Simulation Test)

การวิเคราะห์ความเค้นด้วยสเตรนเกจ หรือทรานดิวเซอร์ เพื่อหาภาระกรรม(Load) ที่เกิดกับชิ้นงานในขณะทำงานตามสภาวะที่ใช้งานของชิ้นงาน จะช่วยทำให้ทราบสาเหตุของความเสียหายได้

นอกจากนั้นยังมีวิธีการทำการทดสอบจำลองหลายวิธี เพื่อวิเคราะห์สาเหตุของความเสียหาย เช่น การนำชิ้นงานไปทดสอบสภาพทนต่อการกัดกร่อน (Corrosion Test) หรือการทดสอบการคืบ (Creep Test ) เป็นต้น

6. การประเมินผลและการสรุปผลวิเคราะห์

ต้องนำข้อมูลผลการวิเคราะห์ทั้งหมด รวมทั้งประวัติและข้อมูลเกี่ยวกับชิ้นงานมาประกอบกันอย่างสมเหตุสมผล บางครั้งความเสียหายอาจมีสาเหตุมาจากหลายเหตุผล ดังนั้นในการหาสาเหตุของความเสียหาย ควรแยกสาเหตุแรกหรือสาเหตุหลักออกจากสาเหตุอื่นที่อาจมีผลทำให้เกิดความเสียหายได้ง่ายขึ้นเท่านั้น

7. ข้อเสนอแนะและวิธีการแก้ไข

ข้อเสนอแนะและวิธีการแก้ไขเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดขึ้นได้ในอนาคต ขึ้นอยู่กับชนิดของความเสียหาย เช่น ความเสียหายอาจเกิดเนื่องจากการติดตั้ง โครงสร้าง การออกแบบ การผลิต การใช้งาน หรือการเลือกใช้วัสดุ

ท่านสามารถศึกษาข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ลิงค์ด้านล่างครับ
http://www.tms.org/Students/Winners/Davidson/Davidson.html

การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม (Stress corrosion cracking of stainless steel)

การแตกร้าวเนื่องความเค้นร่วมกับการกร่อน (Stress Corrosion Cracking; SCC) สามารถเกิดขึ้นได้กับวัสดุหลายชนิดและสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกันออกไปดังตารางด้านล่าง ซึ่งไม่จำเพาะเฉพาะเหล็กกล้าไร้สนิมเท่านั้น แต่ถ้าเกิดกับวัสดุชนิดอื่นอาจเรียกแตกต่างกันออกไปตามแหล่งที่มา เช่น SCC ที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าคาร์บอน เราอาจจะเรียกว่า Caustic SCC เป็นต้น ซึ่งสิ่งแวดล้อมที่เหนียวให้เกิดสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ผ่านการอบอ่อน (CS annealed) จะไวต่อ SCC เมื่ออยู่ในสิ่งแวดล้อมที่เป็น ไฮดรอกไซด์ คาร์บอเนต ไนเตรต และแอมโมเนีย ป็นต้น แต่สำหรับบทความนี้ผมจะนำเสนอ SCC ที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิม โอกาสหน้าจะมานำเสนอ SCC ที่เกิดขึ้นกับวัสดุอื่น..........

ในปัจจุบันเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมากในอุตสาหกรรมทั่วไป เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีความสามารถในการทนต่อสภาพการกัดกร่อนได้ดี และเป็นวัสดุที่สามารถสร้างฟิล์มที่เป็นออกไซด์ขึ้นมาได้เองเมื่อสัมผัสอยู่ในบรรยากาศที่มีออกซิเจน เพื่อป้องกันการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อมที่สัมผัสอยู่ แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมจะให้สมบัติความต้านทานการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าที่ดีเยี่ยมก็ตาม แต่ก็มีความไวต่อการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ (Localized Corrosion) เช่น การกัดกร่อนแบบสนิมขุม การกัดกร่อนตามขอบเกรน และการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน โดยเฉพาะเมื่อสัมผัสกับสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน


การแตกร้าวของเหล็กกล้าไร้สนิมเนื่องจากอิทธิพลของความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนนั้น มักพบได้ทั่วไปโดยเฉพาะโรงงานอุตสาหกรรมประเภท โรงไฟฟ้า ปิโตรเคมี ผลิตสารเคมี ผลิตกระดาษ ฯ เนื่องจากวัสดุที่นิยมใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มักเป็นเหล็กกล้าหรือไม่ก็เหล็กกล้าไร้สนิม ในกรณีการประยุกต์ใช้วัสดุประเภทเหล็กกล้านั้น การเสื่อมสภาพมักเกิดจากการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้า (Uniform Corrosion) ซึ่งเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่สามารถประเมินและทำนายอายุการใช้งานได้ ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิมมักจะเกิดการเสียหายด้วยกลไกการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking; SCC) โดยเกิดจากการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน การเสียหายแบบ SCC ของโลหะทั่วไปต้องมีปัจจัย 3 อย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งได้แก่ (รูปที่ 1)

1. ความเค้น ต้องเป็นความเคนดึงซึ่งอาจเป็นความเค้นตกค้างในเนื้อวัสดุ ความเค้นมาจากภายนอก ความเค้นเนื่องจากความร้อนหรืออาจจะเกิดจากการเชื่อมก็ได้

2. วัสดุที่ไวต่อการเกิด SCC ซึ่งได้แก่วัสดุที่มีฟิล์มปกป้อง

3. สภาวะแวดล้อม

รูปที่ 1 องค์ประกอบของ SCC

การกัดกร่อนแบบ SCC มีลักษณะพิเศษคือ

1. ปรากฏการณ์นี้จะเกิดเฉพาะในโลหะผสมเท่านั้น มักไม่เกิดในโลหะบริสุทธิ์

2. ประเภทของสิ่งแวดล้อมที่ส่งเสริมให้เกิดการแตกหักนั้นมีลักษณะเฉพาะตัวสำหรับโลหะผสมแต่ละชนิด


ตัวแปรที่มีอิทธิพลกับ stress corrosion cracking ได้แก่

- อุณหภูมิ

- องค์ประกอบและความเข้มข้นของสารละลาย

- ขนาดของแรงเค้น

- องค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาคของโลหะ

การกัดกร่อนแบบนี้ทำให้โลหะเกิดความเสียหายโดยการแตกร้าว ที่เกิดขึ้นโดยการกระทำร่วมกันของสิ่งแวดล้อมที่มีผลกระทบต่อการกัดกร่อนกับความเค้นแรงดึง ซึ่งอาจเป็นไปได้ทั้งความเค้นที่กระทำกับโลหะ (Applied stress) และความเค้นภายใน (internal residual stress) ในบางกรณีความเค้นอาจเกิดจากการสะสมตัวของผลิตภัณฑ์อันเนื่องจากการกัดกร่อน ตัวอย่าง เช่น นอตและสกรู เมื่อถูกวางไว้ในสิ่งแวดล้อมที่เอื้อต่อการกัดกร่อน ผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนจะถูกสะสมตัวอยู่ระหว่างนอตและสกรู อย่างไรก็ตามปริมาตรของผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะมีการขยายปริมาตร มันจึงทำให้เกิดความเค้นแรงดึงขึ้นบนสกรูซึ่ง จึงนำไปสู่การแตกร้าวได้ สำหรับรูปแบบของการแตกร้าว (cracking path) พบว่ามีทั้งแบบแตกไปตามขอบเกรน (intergranular cracking) (ดังรูปที่ 2) และแบบผ่ากลางเกรน (transgranular cracking) (ดังรูปที่ 3) โดยการแตกตามขอบเกรนนั้นมักเกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิมที่ถูกใช้งานในอุณหภูมิช่วงที่ส่งเสริมให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ (sensitization temperature) โดยเฉพาะในช่วงอุณหภูมิ 450–850 °C ซึ่งสภาวะดังกล่าวนี้จะส่งเสริมให้เหล็กกล้าไร้สนิมเกิดการสูญเสียโครเมียมบริเวณที่อยู่ใกล้ขอบเกรน (มี Cr เหลือน้อยกว่า 10.5wt%) ทำให้ขอบเกรนมีความไวต่อการกัดกร่อน (ดังรูปที่ 4) โดยเฉพาะในกรณีที่ใช้งานในบรรยากาศที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ การเสียหายที่เกิดจากการกัดกร่อนของชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก เป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในชิ้นส่วนทางวิศวกรรม ในระหว่างการใช้งาน ถ้าเหล็กกล้าไร้สนิมมีความเค้นตกค้างจากการเชื่อม เมื่อไปรวมกับความเค้นที่เกิดขึ้นในปฏิบัติการ และถ้าธรรมชาติของชิ้นส่วนนั้นอยู่ภายใต้สภาวะการรับภาระกรรมความเค้นแรงดึงอยู่แล้ว ปัจจัยเหล่านี้ จะส่งเสริมให้เกิด SCC ได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าในการปฏิบัติการทางวิศวกรรม ค่าความเค้นตกค้างแรงดึงสูงสุดที่เกิดจากการเชื่อม อาจมีค่ามากกว่าค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดครากของวัสดุ ดังนั้น ถึงแม้วัสดุจะไม่มีความเค้นแรงดึงมากระทำในระหว่างการปฏิบัติการ ก็สามารถทำให้เกิดการแตกหักได้

รูปที่ 2 การแตกร้าวแบบตามขอบเกรน

รูปที่ 3 การแตกร้าวแบบผ่าเกรน

รูปที่ 4 การพร่องของโครเมียมบริเวณขอบเกรน

ถ้าสิ่งแวดล้อมที่เหล็กกล้าไร้สนิมสัมผัสอยู่มีองค์ประกอบของธาตุที่มีฤทธิ์กัดกร่อน โดยเฉพาะธาตุซัลเฟอร์และคลอรีนเป็นธาตุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง จะสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (SCC) ในเหล็กกล้าไร้สนิมได้เป็นอย่างดี ธาตุดังกล่าวอาจอยู่ในรูปของความชื้น สารเคมี ไอเกลือ หรืออยู่ในรูปของสารประกอบ เช่น โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ส่วนซัลเฟอร์อาจจะอยู่ในรูปของซัลเฟต (เช่น CaSO4) เป็นต้น อุณหภูมิที่มักเหนี่ยวนำให้เกิดการเสียหายด้วยรูปแบบ SCC คือ สูงกว่า 60 องศาเซลเซียส โดยทั่วไปแล้วถ้าสิ่งแวดล้อมที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบมีความเข้มข้นและอุณหภูมิสูงขึ้น ก็ยิ่งทำให้วัสดุมีความไวต่อการเกิด SCC ได้มากขึ้น

เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าถ้าฟิล์มป้องกัน (Passive Film) บนชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมมีจุดบกพร่อง จะทำให้ผิวหน้าวัสดุสูญเสียความต้านทานต่อการกัดกร่อน จุดบกพร่องดังกล่าวจะยินยอมให้ไอออนของสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสามารถแทรกเข้าไปในวัสดุ ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกับวัสดุ เมื่อโลหะสูญเสียอิเล็กตรอนจึงทำให้เกิดการกัดกร่อนขึ้นและขยายตัวอย่างต่อเนื่องตามช่วงอายุการใช้งานซึ่งเบื้องต้นอาจเกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) ก่อน ซึ่งรูเข็มมักแสดงตัวเป็นจุดรวมความ (Stress Concentrator) เมื่อรวมกับผลของความเค้นตกค้างและความเค้นในระหว่างปฏิบัติการมักจะนำไปสู่การเสียหายด้วยรูปแบบ SCC รูปแบบความเสียหายดังกล่าวสามารถยืนยันได้จากผลการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค กล่าวคือ รอยแตกมีการขยายตัวเป็นกิ่งก้านสาขา (Branched Cracks) และมีรูปแบบการแตกแบบผ่าเกรน (Transgranular Cracking) เป็นส่วนใหญ่ ส่วนปลายของรอยแตกจะมีลักษณะแหลมคม (Sharp Tip) ในระยะความเสียหายช่วงเริ่มต้น แต่เมื่อระยะเวลานานไปกระบวนการกัดกร่อนอาจทำให้ส่วนปลายของรอยแตกมีลักษณะมนหรือทื่อ (Blunt) ได้ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 การขยายตัวของ SCC และปลายรอยแตกที่แหลมคม

การป้องกัน

1. ลดความเค้นที่กระทำกับผิวโลหะ

2. ลดความรุนแรงและเลือกใช้สภาวะแวดล้อมที่เหมาะสม

3. ใช้การป้องกันแบบคาโธด (cathodic protection)

4. ใช้สารยับยั้ง (inhibitor)

5. ควรมีการทำความสะอาดผิวหน้าโลหะเพื่อกำจัดสารตกค้างอย่างสม่ำเสมอ

6. เคลือบด้วยวัสดุที่ไม่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ

7. เลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกชนิดที่เพิ่มนิกเกิลและโมลิบดีนัม เพื่อเพิ่มสมบัติความต้านทานต่อการกัดกร่อน

8. ลดความเค้นตกค้างแรงดึงที่เกิดขึ้นหลังจากการขึ้นรูปและประกอบ

9. ลดอิทธิพลของความเค้นตกค้างแรงดึงโดยการพ่นเม็ดเหล็ก (shot peening) เพื่อส่งเสริมให้เกิดความเค้นตกค้างแรงอัดที่ผิวหน้าชิ้นงาน


เอกสารอ้างอิง

[1] M. Suresh Kumar, M. Sujata, M.A. Venkataswamy, S.K. Bhaumik, Failure analysis of a stainless steel pipeline, Eng Fail Anal 2008 ; 15 : 497-504.

[2] J. Woodtli and R. Kieselbach, Damage due to hydrogen embrittlement and stress corrosion cracking, Eng Fail Anal 2000 ; 7 : 427-50.

[3] R.C. Yin, A.H. Al-Shawaf, W. Al-Harbi, Chloride-induced stress corrosion cracking of furnace burner tubes, Eng Fail Anal 2007 ; 14 : 36–40.

[4] B.T. Lu, Z.K. Chen, J.L. Luo, B.M. Patchett, Z.H. Xu, Pitting and stress corrosion cracking behavior in welded austenitic stainless steel, Electrochemica Acta 2005 ; 50 : 1391-403.

[5] R.A. Cottis, Stress Corrosion Cracking, Guides to Good Practice in Corrosion Control, http://www.npl.co.uk.

[6] A. Yae Kina, V.M. Souza, S.S.M. Tavares, J.M. Pardal, J.A. Souza, Microstructure and intergranular corrosion resistance evaluation of AISI 304 steel for high temperature service, Materials Characterization 2008 ; 59 : 651–5.

[7] ASM handbook Vol.8 , Mechanical Testing “tests for stress corrosion cracking”

[8] ASTM G129-00 “standard practice for slow strain rate testing to evaluate the susceptibility of metallic materials to environmentally assist cracking” Vol 03.02.

[9] N.Tottsuka, Y.Nishikawa, and Y.Kaneshima, “Effect of Strain Rate on Primary Water Stress Corrosion Cracking Fracture Mode and Crack Growth Rate of Nickel Alloy and Austenitic Stainless Steel”, Corrosion, Vol.61, No.3.

[10] Shenghan Zhang, Toshio Shibata, and Takumi Haruna, “A HSAB concept applied to inhibition effect of anions on IGSCC of sensitized type 304 stainless steel”, Corrosion science 42 (2000) p.1071-1081.



การกัดกร่อนโดยจุลชีพ (Microbiologically Influenced Corrosion; MIC)

การกัดกร่อนโดยจุลชีพ (Microbiologically Influenced Corrosion; MIC) หมายถึง การกัดกร่อนโดยมีจุลชีพเป็นตัวเหนี่ยวนำให้เกิด โดยจุลชีพจะสร้างสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมในการเกิดการกัดกร่อนขึ้น ยกตัวอย่างเช่น แบคทีเรียที่อยู่ในดินสามารถไปเกาะผิวท่อที่ฝังอยู่ใต้ดิน เมื่อแบคทีเรียไปอยู่รวมกันมาก ๆ เข้าจนกลายเป็นอาณานิคม (colonies) ย่อม ๆ ของพวกมัน เราก็จะพบเมือกลื่น ๆ เกาะอยู่ที่ผิวท่อ ซึ่งเมือกลื่น ๆ นี้ก็คือ ฟิล์มชีวภาพ (biofilms) ที่แบคทีเรียสร้างขึ้นมาป้องกันตนเองจากสภาพแวดล้อมและเพื่อเกาะติดพื้นผิววัสดุได้ดี เมื่อแบคทีเรียใน colonies กินและขับถ่ายของเสียซึ่งเป็นกรดและมีปริมาณซัลไฟด์ไอออนสูง ของเสียเหล่านี้ก็จะหมักหมมอยู่ใต้เมือกนั้นเอง ทำให้ใต้เมือกมีสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการกัดกร่อนมากขึ้นเรื่อย ๆ ลักษณะของแบคทีเรียแสดงในรูปที่ 1 ดังนั้นจึงมักพบบ่อย ๆ ว่า ใต้เมือกหรือใต้ชั้นวัตถุที่เป็นหรือเกิดจากของเสียจากแบคทีเรียนี้จะถูกกัดกร่อนจนเป็นหลุมลึกหรือเป็นรูทะลุเลยทีเดียว หากเราเช็ดเมือกหรือขัดคราบที่เกิดจากแบคทีเรียออกแล้ว ลักษณะของการกัดกร่อนก็จะคล้ายคลึงกับการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (pitting corrosion) หรือการกัดกร่อนใต้รอยซ้อน (crevice corrosion) ดังรูปที่ 2

รูปที่ 1 ลักษณะของแบคทีเรีย

รูปที่ 2 การกัดกร่อนของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 316L ที่มีการกัดกร่อนจากจุลชีพร่วมด้วย

สำหรับเครื่องมือ อุปกรณ์ และชิ้นส่วนต่าง ๆ ในโรงงานซึ่งใช้งานในสภาพแวดล้อมที่เสี่ยงต่อการเกิดการกัดกร่อนโดยจุลชีพ ได้แก่ บริเวณที่มีความชื้นสูง มีกระแสน้ำไหลเอื่อย ๆ หรือน้ำนิ่ง มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ มีจุลชีพและสารอินทรีย์ที่เป็นอาหารปะปนอยู่ ตัวอย่างเช่น ท่อแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้งานในอุณหภูมิต่ำ โดยใช้น้ำบาดาลตามธรรมชาติที่มักมีจุลชีพและสารอินทรีย์ต่าง ๆ ซึ่งเป็นอาหารของจุลชีพปะปนมาด้วย ต้องมีมาตรการป้องกันให้ดี เพื่อจะได้ยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ เครื่องมือ และชิ้นส่วนต่าง ๆ ได้นาน ๆ

มาตรการป้องกันก็มีหลายอย่าง เช่น เติมสารฆ่าจุลชีพลงไปในน้ำบาดาลหรือในบริเวณที่คิดว่ามีจุลชีพ ซึ่งอาจต้องปรึกษาผู้เชี่ยวชาญ หรือบริษัทที่ขายสารเคมีเหล่านี้เกี่ยวกับการใช้สารเคมีเหล่านี้ให้ถูกต้อง หรือระวังไม่ให้สารอินทรีย์ต่าง ๆ เช่น น้ำมันปะปนในสภาพแวดล้อมที่อาจพบจุลชีพ หรือปรับสภาพการใช้งานให้มีอุณหภูมิสูงขึ้น รวมถึงการป้องกันการกัดกร่อนด้วยวิธี cathodic protection ฯลฯ

การเพิ่มอายุการใช้งานเมื่อวัสดุรับแรงแบบคาบ (Improving Fatigue Life)

"การล้า หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของวัสดุที่บริเวณใดบริเวณหนึ่งอย่างต่อเนื่อง และถาวร เมื่ออยู่ภายใต้สภาวะรับแรงซ้ำไปซ้ำมา ทำให้เกิดรอยร้าวขึ้น และมีการขยายตัวขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ภายในชิ้นงาน จนเหลือพื้นที่รับแรงเพียงเล็กน้อย และเกิดการแตกหักแบบทันทีทันใดที่ความเค้นต่ำ "

วันนี้ผมมีคำแนะนำง่ายๆ เกี่ยวกับการเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นส่วนเมื่อต้องรับแรงแบบคาบ (Cyclic Load) ซึ่งมีดังนี้

1. ลดระดับของค่า mean stress ((σmax + σmin)/2) ให้ต่ำลง

รูปที่ 1 mean stress = (σmax + σmin)/2

รูปที่ 2 ผลการลดค่า mean stress

2. ปรับสภาพของผิวหน้าชิ้นงานให้อยู่ภายใต้ความเค้นแรงอัด (Comprssive stress) ทั้งนี้เพื่อเป็นการยับยั้งการขยายตัวของรอยแตก ซึ่งที่นิยมทำกันมี 2 วิธี คือ การยิงเม็ดโลหะ (Shot peening) และการเพิ่มผิวแข็งด้วยกระบวนการทางความร้อนที่เรียกว่า คาร์บูไรซิ่ง (Carburizing)

รูปที่ 3 วิธีการเพิ่มความเค้นแรงอัดบนผผิวหน้า

3. กำจัดบริเวณที่เป็นจุดรวมของความเค้น หรือบริเวณที่ความเค้นชอบมาชุมนุมกัน (Stress concentrator) ได้แก่ ร่อง หลุม รอยข่วน รอยกด มุมแหลม มุมฉาก สำหรับการออกแบบอาจเพิ่มรัศมีความโค้ง (R curve)

รูปที่ 4 การออกแบบเพื่อลดการแตกหัก

สำหรับผู้อ่านท่านใดมีข้อเสนอแนะที่นอกเหนือจากนี้ เชิญเลยนะครับ ขอบคุณมากครับ

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การกระแทก (Impact)

สำหรับบทความเกี่ยวกับรูปแบบการเสียหายของวัสดุครั้งก่อนผมได้เสนอเกี่ยวกับการคืบและการล้า ครั้งนี้ผมจะนำเสนอเกี่ยวกับการเสียหายของวัสดุเนื่องจากการได้รับแรงกระแทก มีเนื้อหาคร่าวๆ ดังนี้ครับ

เป็นการปะทะกันของมวล 2 ชนิด โดยมวลอันหนึ่งอาจจะนิ่งอยู่กับที่ ในขณะที่มวลอีกอันมีการเคลื่อนที่ ลักษณะดังกล่าวจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของความเค้นแบบทันทีทันใดเฉพาะที่ หรือมีความเข้มข้นเพิ่มขึ้น (เช่น การยิงเม็ดโลหะ) แรงแบบกระแทกที่เกิดขึ้นนี้สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร หรือแตกหักของชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่งหรือทั้งสองที่เกิดการปะทะกัน ซึ่งไม่สามารถใช้งานได้ตามหน้าที่ที่ออกแบบไว้ การรับแรงกระแทกแบบทันทีทันใดสามารถทำให้เกิดคลื่นกระแทกที่เหนี่ยวนำให้เกิดแรงเค้นและแรงเครียดแบบเฉพาะที่ เป็นผลทำให้เกิดการเสียหายทางกลของวัสดุ ตัวอย่างรูปแบบของการเสียหายจากแรงกระแทกมีดังนี้



1. การแตกหักจากแรงกระแทก (Impact Fracture)

สิ่งที่เกิดขึ้นตามมาอย่างรวดเร็วหลังจากการรับแรงกระแทกแบบทันทีทันใดของวัสดุ คือ การแตกหัก ลักษณะดังกล่าวนี้สามารถทำให้เกิดรูปแบบของการเสียหายอย่างรุนแรงได้ เช่น การเกิดอย่างรวดเร็วภายใต้แรงกระแทกแบบทันทีทันใด และส่วนใหญ่มักเป็นวัสดุที่เปราะ เช่นเซรามิกส์ ยกตัวอย่างเช่น กระเบื้องของยานเกราะที่ถูกกระแทกจากวัสดุที่มีวิถีการเคลื่อนที่แบบโปรเจคไตล์จะเกิดการแตกแบบหลายชิ้นส่วน (Multiple Fracture) ซึ่งตัวอย่างชิ้นส่วนที่เกิดการแตกหักของชั้นเคลือบระหว่างการขึ้นรูปถ้วยเซรามิกส์แสดงในรูปที่ 1

2. การเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากแรงกระแทก (Impact Deformation)


พลังงานที่เกิดขึ้นกับวัสดุในระหว่างการรับแรงกระแทกแบบทันทีทันใดสามารถดูดซับและเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวรที่เกิดขึ้นจากการรับแรงกระแทกแบบทันทีทันใดนั้นสามารถทำให้โครงสร้างของวัสดุหมดสภาพหรือไม่สามารถใช้งานต่อไปได้ การเสียหายรูปแบบนี้มักเกิดขึ้นกับวัสดุเหนียว เช่นโลหะ

3. การสึกหรอจากการกระแทก (Impact Wear)

การสึกหรอจากการกระแทกเกิดขึ้นจากวัสดุรับแรงกระแทกแบบซ้ำแล้วซ้ำเล่าจากมวลของแข็งอีกอันหนึ่ง นำไปสู่การเสื่อมสภาพทีละเล็กทีละน้อยของผิวหน้าชิ้นงาน การกระแทกของมวลที่มีขนาดใหญ่และเล็กหรืออนุภาคสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุที่ถูกกระแทกได้ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างสามารถเกิดขึ้นได้จากการพุ่งชนของอนุภาคที่หลุดจากผิวหน้าของวัสดุเองหรือจากการฟอร์มตัวของรอยแตกภายใต้ผิวหน้าชิ้นงาน (Subsurface Crack) ที่อยู่ภายใต้บริเวณที่ถูกกระแทกซ้ำๆ ทำให้เกิดเศษวัสดุหลุดออกมาจากการแตก ในกรณีที่วัสดุถูกกระแทกจากอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของวัสดุที่ถูกกระแทก การสึกหรอที่เกิดขึ้นดังกล่าวสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นรูปแบบ Erosive Wear ซึ่งการเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวเป็นการเสื่อมสภาพที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องของวัสดุจากของไหลที่มีอนุภาคของแข็งเจือปน เมื่อของไหลไหลผ่านในทิศทางทำมุมตั้งฉากกับผิวหน้าของวัสดุ จะถือว่าเป็นการเสียหายแบบ Impact Wear

การกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion)

สำหรับเนื้อหาเรื่องการกัดกร่อนของโลหะนั้น ล่าสุดผมได้นำเสนอเรื่องการกัดกร่อนในที่อับอากาศ (Crevice Corrosion) สำหรับตอนนี้ผมจะนำเสนอการกัดกร่อนแบบรูเข็มหรือบางท่านอาจจะเรียก การกัดกร่อนแบบสนิมขุม (Pitting Corrosion) ซึ่งมีเนื้อหาคร่าวๆ ดังนี้ครับ...........


การกัดกร่อนแบบรูเข็มหรือบางท่านอาจเรียกว่าการกัดกร่อนแบบสนิมขุม หรือการกัดกร่อนแบบจุด ถือว่าเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเฉพาะจุด (Localized Attack) ที่รุนแรงมาก ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโลหะถูกสารละลายกัดกร่อนเฉพาะจุด ส่งผลให้เกิดรูขนาดเล็กเกิดขึ้นดังแสดงภาพจำลองในรูปที่ 1 รูเหล่านี้อาจมีขนาดเล็กหรือใหญ่ก็ได้ แต่โดยส่วนมากจะมีขนาดเล็ก บางครั้งอาจเห็นรูกระจายอยู่ห่างกัน หรืออาจอยู่ใกล้กันจนดูคล้ายผิวโลหะที่ขรุขระ รูปแบบการกัดกร่อนดังกล่าวมักเกิดขึ้นเมื่อชั้นเคลือบป้องกันการกัดกร่อนหรือฟิล์มออกไซด์ถูกทำลายทั้งจากแรงกระทำทางกลหรือจากสารเคมี หรือวัสดุที่มีฟิล์มปกป้อง (Protective Film) เหล็กกล้าไร้สนิม อะลูมิเนียม เป็นต้น โดยเฉพาะเมื่อสัมผัสอยู่กับสารละลายที่มีอิออนของธาตุหมู่ 7 เจือปนอยู่ ยกตัวอย่าง เช่น คลอไรด์ โบรไมด์ ฟลูออไรด์ สำหรับภาพจำลองการขยายตัวจากกัดกร่อนแบบรูเข็มของวัสดุเมื่อสัมผัสกับสารละลายโซเดียมคลอไรด์ที่มีอากาศเจือปนแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 1 ภาพจำลองแสดงการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

รูปที่ 2 ภาพจำลองการขยายตัวจากกัดกร่อนแบบรูเข็มของวัสดุเมื่อสัมผัสกับสารละลายโซเดียมคลอไรด์ที่มีอากาศเจือปน

การกัดกร่อนแบบรูเข็มเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่ถือว่าอันตรายอีกรูปแบบหนึ่ง เนื่องจากจุดบกพร่องที่เกิดจากการแตกร้าวเฉพาะจุดของฟิล์มสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการกัดกร่อนเฉพาะที่และขยายตัวลึกลงไปเรื่อยๆ เป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่สังเกตเห็นด้วยตาเปล่าได้ยาก เนื่องจากรูเข็มที่เกิดขึ้นมักแสดงให้เห็นเป็นจุดเล็กๆและถูกปกคลุมด้วยผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน แต่ข้างในวัสดุถูกกัดกร่อนเป็นโพรงดังรูปที่ 3-4 จึงเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่ทำนายได้ยากแม้ว่าจะทำการทดสอบในห้องปฏิบัติการก็ตาม โดยทั่วไปการกัดกร่อนแบบรูเข็มมักขยายตัวในทิศทางเดียวกันกับแรงโน้มถ่วงของโลก แต่การขยายตัวของการกัดกร่อนในแนวอื่นก็เกิดได้ดังรูปที่ 5 นอกจากนั้นยังยากที่จะตรวจวัดเชิงปริมาณและตรวจวัดการขยายตัวของสภาพการกัดกร่อนแบบรูเข็มได้ เพราะความลึกและจำนวนของรูเข็มที่เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาวะเฉพาะสภาวะใดสภาวะหนึ่ง บางครั้งอาจใช้เวลานานจึงปรากฏสภาพของการกัดกร่อนให้เห็น

รูปที่ 3 รูเข็มเล็กๆ บนผิวหน้าท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304L

รูปที่ 4 ภาคตัดขวางท่อบริเวณที่ตรวจพบรูเข็มบนผิวหน้าในรูปที่ 3

รูปที่ 5 การขยายตัวของรูเข็มในรูปแบบต่างๆ

ดังนั้นจึงเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว และในการขยายตัวไม่ปรากฏให้เห็นการสูญเสียน้ำหนักของของวัสดุ (Weight loss) ที่มีนัยสำคัญ นอกจากนี้การกัดกร่อนแบบรูเข็มยังส่งผลกระทบข้างเคียงด้วยด้วย เนื่องจากเป็นที่ทราบกันดีว่า รูที่เกิดขึ้นจะแสดงตัวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress concentrator) เมื่อโลหะต้องรับแรงทางกลทางกล จุดบกพร่องดังกล่าวมักเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกหัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการรับภารพทางกลแบบคาบ (Cyclic load) มักนำไปสู่กลไกการเสียหายที่เรียกว่าการแตกร้าวเนื่องจากการกัดกร่อนร่วมกับความล้า (Corrosion fatigue cracking) ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 ผิวหน้าแตกหักของลวด 316L จากการแตกร้าวเนื่องจากการกัดกร่อนร่วมกับความล้าโดยมีจุดเริ่มมาจากรูเข็มที่ผิวหน้าด้านนอก

ในบางกรณี การกัดกร่อนแบบรูเข็มอาจมีการกัดกร่อนรูปแบบอื่นมาช่วยในการขยายตัวให้เกิดการเสียหายได้เร็วยิ่งขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การรั่วของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L ที่เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็มร่วมกับการกัดกร่อนแบบจุลชีพ (Microbiologically induced corrosion) ซึ่งมักจะปรากฏให้เห็นการขยายตัวเชื่อมกันของรูเข็มแต่ละรูจนเกิดเป็นโพรงขนาดใหญ่ดังรูปที่ 7 และการกัดกร่อนของท่อทองแดงแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีการกัดกร่อนแบบรังมด (Formicary Corrosion หรือ Ant’ nest Corrosion) ที่เกิดจากการสัมผัสกับกรดฟอมิกหรืออะซิติก โดยมีการขยายตัวเป็นอุโมงค์เข้าไปในวัสดุดังรูปที่ 8 ซึ่งความแตกต่างของการกัดกร่อนแบบรูเข็มทั่วไปกับการกัดกร่อนแบบรังมดแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 7 การกัดกร่อนแบบรูเข็มที่มีการกัดกร่อนจากจุลชีพร่วมด้วย

รูปที่ 8 การกัดกร่อนแบบรังมด (Ant' nest Corrosion)

รูปที่ 9 ความแตกต่างของการกัดกร่อนแบบรูเข็มทั่วไปและแบบรังมด

ในบรรดาโลหะและโลหะผสม เหล็กกล้าไร้สนิมมีแนวโน้มต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มมากที่สุด การขัดมันผิวหน้า (Polishing) สามารถเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มซึ่งตรงกันข้ามกับการกัดกรดและการขัดหยาบ สำหรับเหล็กกล้าที่ใช้งานทั่วไป (Conventional steel) จะมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ก็ยังถือว่ามีความไว โดยเฉพาะเหล็กกล้าที่ไม่มีการป้องกัน สำหรับอะลูมิเนียมที่ใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบและอะลูมินัม-ทองเหลือง (Aluminum brass; Cu-20Zn-2Al) ที่สัมผัสกับสารปลอมปนหรือน้ำสกปรกมักมีความไวต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็ม ในขณะที่โลหะไทเทนียมค่อนข้างมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

รูปที่ 10  Critical Pitting and Crevice Temperatures as a Function of Pitting Resistance Equivalent Number ( PREN )

จากข้อมูลที่กล่าวมาชี้ให้เห็นว่า การกัดกร่อนแบบเฉพาะที่เป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่อันตรายต่อเหล็กกล้าไร้สนิมมาก จึงจำเป็นต้องมีการศึกษาข้อมูลอย่างละเอียด โดยเฉพาะเมื่อจะพิจารณาเลือกไปใช้งาน ซึ่งข้อมูลที่ต้องพิจารณาเพิ่มขึ้นอีก คือ ดัชนีที่แสดงว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมีความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มและใต้รอยซ้อน นั่นคือ ค่าเทียบเท่าความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Resistance Equivalent Number) หรือ PREN ซึ่งถ้าเหล็กกล้าไร้สนิมมีค่าดังกล่าวสูง แสดงว่าความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มและใต้รอยซ้อนจะสูงตามไปด้วย ซึ่งแสดงในรูปที่ 10 โดยสมการที่ใช้คำนวณกันในปัจจุบันมีหลายสมการ แต่ที่นิยมใช้กันมากโดยใช้ส่วนผสมทางเคมีของวัสดุ (Bulk Composition) สามารถคำนวณได้จากสมการดังนี้

PREN16 = %Cr + 3.3 %Mo + 16 %N

จากค่า PREN ในสมการข้างต้น สามารถกล่าวได้ว่า ธาตุโครเมียม โมลิบดีนัมและไนโตรเจน เป็นธาตุที่ส่งผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มและใต้รอยซ้อน โดยเฉพาะธาตุไนโตรเจน สำหรับค่า PREN16 มักนิยมใช้กับเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์แต่สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับลุ่มออสเตนนิติกได้

ค่า PREN ของเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดตัวอย่างที่นิยมใช้ทั่วไปแสดงในตารางที่ 1 ดังนี้

ตารางที่ 1
ดัชนี PRE แสดงค่าความต้านทานต่อการเกิดสนิมรูเข็ม

เกรด                    กลุ่ม                            PREN16

AISI 430             เฟอริติก                      17

AISI 303             ออสเตนนิติก              18

AISI 304/304L    ออสเตนนิติก              18

AISI 316/316L    ออสเตนนิติก              24

AISI 2205           ดูเพล็กซ์                     34

AISI 904L           ออสเตนนิติก              34

UNS S31254      ออสเตนนิติก               43

UNS S32750      ดูเพล็กซ์                      43

UNS S32520      ดูเพล็กซ์                      43


PREN16 เป็นค่าที่นักวิจัยหลายท่านนิยมใช้กัน แต่อาจมีบางท่านเลือกใช้ค่า PREN30 ในกรณีที่ต้องการเน้นย้ำความสำคัญของธาตุไนโตรเจนที่มีผลต่อการหน่วงการกัดกร่อนแบบรูเข็ม ในขณะที่ค่า PREN20 ก็ได้มีการกำหนดใช้ในการออกแบบเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีไนโตรเจนผสมสูง ยังมีค่าสัมประสิทธิ์ของไนโตรเจนกันอีกหลายสมการเช่น PREN12, PREN25, และ PREN32 นอกจากค่า PREN ที่ใช้แสดงดัชนีของเหล็กกล้าไร้สนิมต่อความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มและใต้รอยซ้อนแล้ว ยังมีค่า MARC (Measure of Alloying for Resistance to Corrosion) ที่สามารถใช้เป็นตัวแปรสำหรับการประเมินการกัดกร่อนแบบรูเข็มและใต้รอยซ้อนของเหล็กกล้าไร้สนิมได้เช่นกัน

การเลือกใช้วัสดุที่ถูกต้องเหมาะสมสามารถลดปัญหาการกัดกร่อนแบบรูเข็มได้ นอกจากนี้การควบคุมสิ่งแวดล้อมให้มีฤทธิ์กัดกร่อนที่น้อยลง เช่น ลดปริมาณคลอไรด์ ลดค่า pH ก็สามารถลดปัญหาดังกล่าวได้ การเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนบางครั้งอาจช่วยหยุดการกัดกร่อนแบบรูเข็มได้อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ การออกแบบที่ดีของระบบก็สามารถลดการเกิดรูเข็มได้ เช่น การลดสภาวะที่อยู่นิ่งของสารละลายหรือการติดตั้งระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบคาโธดิก ในบางกรณี การเคลือบเพื่อป้องกันผิวโลหะกับสารละลายก็สามารถลดปัญหาดังกล่าวได้เช่นกัน แต่อย่างไรก็ตามถ้าการเคลือบไม่สมบูรณ์ มีจุดบกพร่องก็สามารถเร่งให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข้มได้เร็วยิ่งขึ้น สำหรับแนวทางในการป้องกันการกัดกร่อนแบบรูเข็มมีแนวทางในการปฏิบัติดังนี้

1. เลือกใช้วัสดุที่มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

2. ใช้สารยับยั้งการกัดกร่อนเพื่อปรับสภาวะของสิ่งแวดล้อมให้เป็นกลางในระบบปิด

3. หลีกเลี่ยงบริเวณที่จะเกิดสภาวะการแช่นิ่งของสารละลายโดยการออกแบบที่ดี

4. เลือกใช้ระบบการป้องกันการกัดกร่อนแบบอะโนดิกหรือคาโธดิก

5. ต้องมั่นใจว่าสารเคลือบที่เลือกใช้ต้องต้านทานการซึมผ่านของสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้

6. ปรับปรุงผิวหน้าโลหะโดยการทำอะโนไดซ์และมีการรองพื้นชั้นแรก หรือ metal cladding

7. ขัดมันผิวหน้าเพื่อกำจัดจุดบกพร่องที่ผิวหน้าวัสดุ

8. เพิ่มธาตุผสมเข้าไปในโลหะ เช่น Mo และ Cr เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

สำหรับแนวทางการป้องกันการกัดกร่อนแบบรูเข็มระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมต้านทานการกัดกร่อนแสดงในรูปที่ 11

รูปที่ 11 การป้องกันการกัดกร่อนแบบรูเข็มระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมต้านทานการกัดกร่อน