รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การสึกหรอ (Wear)

การสึกหรอ (Wear) หมายถึง การสูญเสียเนื้อวัสดุที่ผิวหน้า เมื่อมีการเสียดสีหรือมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันของวัสดุ 2 ชิ้น แม้ว่าวัสดุที่สูญเสียไปจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยก็ตาม แต่อาจทำให้ชิ้นส่วนนั้นเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วจนไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งชิ้นส่วนที่ต้องการความเที่ยงตรงสูง เช่น แม่พิมพ์ มีดกลึง หรือชิ้นส่วนเครื่องจักรกลบางชนิด เช่น เฟือง ลูกสูบ กระบอกสูบ และโซ่ เป็นต้น บางครั้งการสึกหรอเกิดร่วมกับการกัดกร่อน (รูปที่ 1) ซึ่งถือว่าเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่รุนแรง

รูปที่ 1 ชิ้นงานใบพัดเกิดการสึกหรอร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion Wear)

การสึกหรอเป็นศัพท์ทั่วไปที่ใช้อธิบายการเสื่อมสภาพของผิวหน้าวัสดุจากการเสียดสีที่เริ่มต้นจากการสัมผัสกันระหว่างผิวหน้าสองผิวหน้าที่อันใดอันหนึ่งมีการเคลื่อนที่ และอุณหภูมิจะมีผลต่ออัตราการสึกหรอเป็นอย่างมาก เนื่องจากการเสียดสีทำให้เกิดความร้อนได้ อันส่งผลกระทบต่อโครงสร้างจุลภาคของวัสดุและทำให้เพิ่มความไวต่อการเสื่อมสภาพด้วย ชิ้นส่วนจำพวกแบริ่ง ลูกเบี้ยว และเฟือง เป็นวัสดุที่มักจะเกิดการสึกหรอได้ง่ายมาก การสึกหรอมีหลายรูปแบบเช่น Adhesive wear, abrasive wear, corrosive wear, surface fatigue wear, impact wear และ fretting wear ซึ่งจะได้กล่าวรายละเอียดคร่าวๆ ในลำดับต่อไป

การป้องกันหรือลดปัญหาการเสื่อมสภาพของผิวหน้าวัสดุจากการสึกหรอสามารถปรับปรุงได้หลายวิธีการ เช่น การใช้สารหล่อลื่นและการปรับปรุงผิวหน้าชิ้นงาน เป็นต้น การเลือกใช้วัสดุที่ต้านทานต่อการสึกหรอ เช่น วัสดุที่มีความแข็งสูง เช่นเซรามิกส์ ก็เป็นทางเลือกที่ดีสำหรับป้องกันการสึกหรอที่รุนแรง นอกจากนั้นยังมีการเคลือบผิวแข็งด้วย ทังสเตน-คาร์ไบด์-โคบอลท์ ซึ่งสามารถที่จะเพิ่มความแข็งให้กับวัสดุได้ โดยเฉพาะวัสดุที่มีผิวหน้านิ่ม การปรับปรุงผิวหน้าหรือการอบชุบสามารถใช้ในการเพิ่มความแข็งหรือเพิ่มความเรียบให้กับวัสดุ ยกตัวอย่างการทำคาร์บูไรซิ่งและการเตรียมผิวที่ดี

1. การสึกหรอแบบยึดติด (Adhesive Wear)

เป็นการสึกหรอที่เกิดจากการสัมผัสกันของผิวหน้าชิ้นงาน 2 ชิ้น ที่มีการเคลื่อนที่อันส่งผลให้เกิดความเค้นสัมผัส (Contact Stress) ที่สูงและเกิดขึ้นเนื่องจากธรรมชาติของความหยาบของผิวหน้าวัสดุ หรืออาจกล่าวได้อีกนัยหนึ่งว่าวัสดุ 2 ชนิดเสียดสีกันทำให้เกิดความเครียดเกินจุดครากของวัสดุ เนื้อวัสดุบริเวณที่ถูกเสียดสีจะเกิด plastic zone เมื่อชิ้นงานเคลื่อนที่ไป ชิ้นงานที่มีความแข็งแรงมากกว่าจะพาเอาเนื้อวัสดุของชิ้นงานที่มีความแข็งน้อยกว่าไปด้วย ทำให้เกิดการสึกหรอขึ้น ถ้าผิวหน้าที่เคลื่อนที่มีการเสียดสีกันอย่างต่อเนื่อง ค่าความเค้นแรงเฉือนที่บริเวณที่เกิดพันธะอะตอมมิคจะเพิ่มขึ้นจนมีค่าเกินขีดจำกัดของอีกวัสดุหนึ่งและทำให้จุดที่สัมผัสกันเกิดการแตก พร้อมทั้งนำชิ้นส่วนติดมาด้วย ชิ้นส่วนที่เกิดการแตกสามารถหลุดออกมาเป็นเศษชิ้นโลหะหรือยังคงเหลือพันธะอะตอมมิคไว้บนผิวหน้าชิ้นงานที่อยู่ฝั่งตรงกันข้าม การสึกหรอแบบยึดติดยังมีชื่อเรียกอื่นๆ อีก คือ scoring, scuffing, galling หรือ seizure

ความแข็งสูงแต่มีความแข็งแรงต่ำเป็นสมบัติที่ต้องพิจารณาเมื่อจะนำชิ้นส่วนมาประยุกต์ใช้งานที่ต้านทานการสึกหรอแบบยึดติด อย่างไรก็ตาม สมบัติเหล่านี้อาจจะอยู่ในวัสดุชิ้นเดียวกันก็ได้ ยกตัวอย่างเช่น วัสดุ Resistant monolithic ซึ่งเป็นวัสดุคอมโพสิทที่มีความแข็งแรงต่ำ มีความยืดหยุ่นสูง และมีความแข็งสูง และวัสดุเซรามิกส์ที่มีความหนาแน่นต่ำ เป็นต้น

2. การกะเทาะ (Galling)

(รูปแบบนี้ได้กล่าวไปก่อนหน้านี้แล้ว) เป็นรูปแบบการเสียหายของการสึกหรอแบบยึดติดที่ค่อนข้างรุนแรง เกิดขึ้นเนื่องจากการเสียดสีกันอย่างรุนแรง ส่งผลให้เกิดการเชื่อมติดกันของเฟสของแข็งแบบเฉพาะที่และส่งผลให้เกิดการหลุดร่อนของชิ้นส่วนโลหะ กระบวนการนี้เป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดการเสียหายบนผิวหน้าของวัสดุใดวัสดุหนึ่งหรือทั้งสองวัสดุ

3. การสึกหรอแบบขัดสี (Abrasive Wear)

การเซาะร่อง การขัดหยาบ และการขูดผิว เป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับการเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวที่เกิดขึ้นเนื่องจากผิวหน้าชิ้นงานที่เป็นวัตถุแข็งมีการเปลี่ยนที่หรือมีการเคลื่อนที่ของวัสดุที่มีผลมาจากแรงปฏิสัมพันธ์กับผิวหน้าของวัตถุอื่นหรืออนุภาคอื่น โดยอนุภาคสามารถฝังลึกลงไปผิวหน้าของวัสดุทั้งสองที่สัมผัสกันและมีการเคลื่อนที่เสียดสีระหว่างกันทำให้เกิดการเสียดสี (การเปลี่ยนที่และการเคลื่อนที่ของผิวหน้าวัสดุ) ของผิวหน้าวัสดุที่มีความแข็งน้อยกว่า แหล่งที่มาของอนุภาคอาจเกิดจากสารแปลกปลอม (ที่มาจากสิ่งแวดล้อมด้านนอก) เศษชิ้นส่วนที่เกิดจากการสึกหรอ หรืออนุภาคของแข็งที่เจือปนอยู่ในของไหล ในอีกนัยหนึ่ง การสึกหรอจากการเสียดสีสามารถเกิดได้จากกรณีที่ไม่มีเศษวัสดุหลุดออกมา แต่เกิดขึ้นเนื่องจากความหยาบของผิวหน้าวัสดุอีกอันหนึ่งทำให้เกิดการเสียดสี กลไกการสึกหรอนี้ต่างจากการสึกหรอแบบยึดติดคือไม่มีพันธะอะตอมมิคที่เกิดขึ้นบนผิวหน้าทั้งสอง การสึกกร่อนแบบขัดสี (Abrasive Erosion) อาจเกิดขึ้นเมื่อของไหลมีอนุภาคของแข็งเจือปนและมีทิศทางการเคลื่อนที่ขนานกับผิวหน้าของวัสดุ และอนุภาคเหล่านั้นก็ทำให้ผิวหน้าวัสดุค่อยๆ เกิดการเสื่อมสภาพทีละเล็กทีละน้อย

ความแข็งของวัสดุเป็นตัวแปรที่สำคัญต่ออัตราการสึกหรอแบบขัดสีของผิวหน้าชิ้นงาน คือ ถ้าผิวหน้าวัสดุมีความแข็งสูงจะทำให้อัตราการสึกหรอต่ำ และถ้าความแข็งของผิวหน้าวัสดุมีค่าสูงกว่าความแข็งของอนุภาคที่มาขัดสี เราอาจจะสังเกตเห็นการสึกหรอแม้เพียงเล็กน้อย และอนุภาคเหล่านั้นอาจจะแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยได้ วัสดุที่มีสมบัติด้านความแข็งและความแกร่งสูงจะเหมาะสำหรับใช้งานที่ต้านทานต่อการสึกหรอแบบขัดสี ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าที่มีความแข็งสูงหรือเหล็กกล้าที่ผิวหน้ามีความแข็งสูง โลหะผสมโคบอลท์ และเซรามิกส์ เป็นต้น

4. การสึกหรอจากการกัดกร่อน (Corrosion Wear)

เมื่ออิทธิพลของการกัดกร่อนและการสึกหรอเกิดขึ้นร่วมกัน การเสื่อมสภาพของผิวหน้าวัสดุอาจจะเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว กระบวนการที่เกิดขึ้นนี้เป็นที่ทราบกันดีโดยเราจะเรียกว่า การสึกหรอจากการกัดกร่อน ดังนั้นการสร้างฟิล์มหรือชั้นเคลือบจะนิยมนำมาประยุกต์ใช้เพื่อปกป้องโลหะพื้น (Base Metal) หรือโลหะผสมจากสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงจนนำไปสู่ปัญหาการกัดกร่อน ถ้าผิวหน้าของชั้นเคลือบอยู่ภายใต้สภาวะการรับแรงจากการสึกหรอแบบขัดสีและแบบยึดติด จะทำให้เกิดการสูญเสียชั้นเคลือบจากผิวหน้าของวัสดุได้ ในขณะเดียวกันผิวหน้าของโลหะพื้นที่สูญเสียชั้นเคลือบก็สามารถเกิดการกัดกร่อนต่อเนื่องไปได้อีก ในอีกนัยหนึ่ง ผิวหน้าที่เกิดการกัดกร่อนหรือเกิดออกซิไดซ์อาจจะทำให้สมบัติทางกลลดลงและมีอัตราการสึกหรอสูงขึ้น นอกจากนั้นผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนที่มีอนุภาคของออกไซด์ที่หลุดออกมาจากผิวหน้าของวัสดุสามารถทำตัวเป็นอนุภาคที่ทำให้เกิดการเสียดสีต่อไปได้เช่นกัน

5. การสึกหรอร่วมกับการล้าบนผิวหน้า (Surface Fatigue Wear)

การล้าที่ผิวหน้าหรือการล้าจากการสัมผัสเกิดขึ้นเมื่อผิวหน้าของวัสดุ 2 ชิ้น ที่สัมผัสกับวัสดุอีกอันหนึ่งที่กำลังกลิ้งหรือร่วมกับการกลิ้งและการเคลื่อนที่แบบเลื่อน (Sliding Motion) ทำให้เกิดแรงแบบสลับหรือการวางตัวของแรงเค้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับผิวหน้าของวัสดุ ความเค้นสัมผัส (Contact Stress) ที่เกิดขึ้นบนผิวหน้าเริ่มต้นจากการฟอร์มตัวของรอยร้าวภายใต้ผิวหน้าของวัสดุ และขยายกลับมาที่ผิวหน้าอีกครั้งทำให้เกิดมีลักษณะเป็นหลุม (Pit) การล้าด้วยรูปแบบนี้มักจะพบในวัตถุที่มีการรีดซ้ำแล้วซ้ำเล่าผ่านผิวหน้าของวัสดุ ส่งผลให้เกิดความเค้นตกค้างที่สูงในแต่ละจุดเป็นแนวยาวบนผิวหน้าของวัสดุ ยกตัวอย่าง เช่น เฟือง รางรถไฟที่มักจะเกิดการล้าที่ผิวหน้าชิ้นงาน ตัวอย่างการสึกหรอร่วมกับการล้าบนผิวหน้าแสดงในรูปที่ 2

ก) เฟืองที่เกิดการเสียหาย

ข) ฟันเฟืองที่เกิดการกะเทาะ

รูปที่ 2 เฟืองที่เสียหายด้วยกลไกการสึกหรอร่วมกับการล้าบนผิวหน้าจนเกิดการกะเทาะของฟันเฟือง

6. การสึกหรอแบบถูครูด (Fretting Wear)

ผิวหน้าของวัสดุที่มีการสัมผัสอย่างแนบแน่นกับวัสดุอื่นและมีธรรมชาติการเคลื่อนที่เป็นคาบและมีแอม-ปลิจูดสูงมาก เช่น การสั่นสะเทือน มีแนวโน้มที่จะเกิดการสึกหรอได้ การสึกหรอจากการถูครูดมักจะเกิดร่วมกับการกัดกร่อนหรือการเกิดออกซิเดชันของเศษชิ้นส่วนที่หลุดออกมาและบริเวณที่สึกหรอ กลไกการสึกหรอจะมีเศษชิ้นส่วนโลหะที่หลุดออกมาในปริมาณเล็กน้อยจากระบบแทนที่จะมีเศษชิ้นส่วนตกค้างภายในผิวหน้าที่สัมผัสกับ ผิวหน้าอีกด้านหนึ่งโดยเฉพาะในกรณีที่แสดงให้เห็นการเกิดพันธะทางกลและการเคลื่อนที่แบบส่ายไปมาของผิวหน้าที่แยกตัวออกมา ดังนั้นจึงทำให้เกิดการออกซิไดซ์ของอนุภาคที่หลุดออกมาได้ ถ้าเศษโลหะที่หลุดออกมาถูกฝังอยู่ในผิวหน้าของโลหะที่มีความนิ่มกว่า อัตราการสึกหรออาจจะลดลง ถ้าไม่มีเศษโลหะเหลือค้างอยู่เลยบนผิวหน้ารอยต่อของวัสดุทั้งสอง อัตราการสึกหรออาจจะเพิ่มขึ้นได้ รอยร้าวจากการล้ายังมีแนวโน้มที่จะฟอร์มตัวในบริเวณที่สึกหรอ เป็นผลทำให้เกิดการเสื่อมสภาพบนผิวหน้าของวัสดุต่อไป สารหล่อลื่นที่เป็นของเหลวและของแข็ง (เช่นการปรับปรุงผิวหน้า การเคลือบผิวเป็นต้น) ความเค้นตกค้าง (ที่เกิดจากการยิงเม็ดเหล็กหรือเลเซอร์) การทำผิวให้เป็นร่อง (เพื่อเก็บเศษโลหะที่หลุดออกมา) และ/หรือการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมสามารถที่จะช่วยลดปรากฏการณ์ดังกล่าวหรือต้านทานการสึกหรอแบบถูครูดได้

การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก (Fractography)

สวัสดีครับ สำหรับซีรี่ส์ใหม่นี้ผมจะนำเสนอเกี่ยวกับศาสตร์ของการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก (Fracture surface analysis) โดยจะนำเสนอเป็นเรื่องหรือตอนไปเรื่อยๆ ตั้งแต่ บทนำ ลักษณะที่ปรากฏต่างๆ และอาจมีกรณีตัวอย่างมาให้ชมกันด้วย สำหรับตอนนี้ จะให้ท่านทราบความหมายของคำว่า แตกหัก (Fracture) และการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก (Fractography) กันก่อน

ภาพที่ 1 ผิวหน้าการแตกหักที่สามารถบอกหรือเขียนอธิบายเป็นเรื่องได้มากกว่าพันคำ

การแตกหัก (Fracture) คือ "การแตกหักออกจากกันเป็น 2 ชิ้นหรือมากกว่าของชิ้นส่วน จากการกระทำของความเค้นจนไม่สามารถทำหน้าที่ตามที่ออกแบบไว้ได้อีกต่อไป" ซึ่งในชีวิตประจำวันของเรา คงเคยเห็นการแตกหักกันมาบ้าง ใครที่เคยวิเคราะห์หรือมีความรู้ด้านการวิเคราะห์ผิวแตก เมื่อเห็นภาพที่ 1 ด้านบน ก็สามารถบอกได้เลยว่า การแตกนั้นเป็นรูปแบบใด เกิดจากแรงกระทำแบบใด ใช้เวลามากน้อยเพียงใด เป็นต้น การแตกหักบางครั้งไม่สามารถนำกลับมาใช้งานได้อีก (ภาพที่ 2) เช่น การแตกหักของเพลาขนาดใหญ่ แต่ถ้าเป็นชิ้นส่วนที่มีขนาดเล็กก็อาจนำกลับมาใช้งานได้อีก โดยนำมาเชื่อมต่อกัน แต่แน่นอนว่า สมบัติย่อมเสื่อมลงไป แต่ผมขอยกตัวอย่างการแตกหักบางอย่างที่สามารถนำกลับมาใช้งานได้อีก เช่น แข้งของมนุษย์ (ภาพที่ 3) ซึ่งทุกวันนี้ดารากองหน้าชาวฝรั่งเศสได้กลับมาโลดแล่นในสนามฟุตบอลได้แล้ว

ภาพที่ 2 การแตกหักของเพลา ซึ่งเป็นไปได้ยากที่จะนำกลับมาใช้งานได้อีก

เมื่อวัสดุเกิดการแตกหัก ศาสตร์แห่งการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก (fractography) จะถูกนำมาใช้ในการค้นหาจุดเริ่มต้นของการแตก (fracture origin) ทิศทางการขยายตัว (direction of crack propagation) กลไกการเสียหาย (failure mechanism) จุดบกพร่องของวัสดุ (material defects) การทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อม (environmental interaction) และรูปแบบของแรงที่กระทำ (nature of stresses)


ลักษณะทางมหภาคและจุลภาค (macroscopic and microscopic) ที่ได้จากการตรวจสอบโดยนักวิเคราะห์ความเสียหาย (failure analyst) จะถูกนำไปวิเคราะห์เพื่อหาสาเหตุการแตกหักของโลหะ

ภาพที่ 3 การแตกหักของกระดูกซึ่งสามารถนำกลับมาใช้งานได้อีก แต่ต้องใช้เวลาระยะหนึ่ง เพื่อให้เกิดการเชื่อมประสานโดยธรรมชาติ

การบัญญัติศัพท์ของคำว่า fractography ก็คล้ายกับการเริ่มใช้คำว่า metallography นั่นคือ คำว่า fracto มาจากภาษาลาติน คือ fractus หมายถึง การแตกหัก และคำว่า graphy มาจากภาษากรีก คือ grapho หมายถึง การอธิบายหรือพรรณนา ดังนั้น Fractography จึงควรหมายถึง การอธิบายผลที่ได้จากการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักของวัสดุจากภาพถ่าย

แล้วค่อยเจอกับตอนหน้า ซึ่งอาจมีคำถามชิงรางวัลมาเล่นกันสนุกๆ ด้วย.....

อาลัย "หลวงตามหาบัว"

 หลวงตามหาบัว ละสังขาร เข้าสู่อนุปาทิเสสนิพพานแล้ว ๓๐ มกรา ๕๔ ๐๓.๕๑.๔๙น.

กราบน้อมส่งองค์หลวงตาสู่แดนนิพพาน กรรมใดที่กระผมได้ล่วงเกินหลวงตาไม่ว่าจะด้วยกายกรรม

วจีกรรม หรือ มโนกรรม ไม่ว่าจะอยู่ต่อหน้า หรือลับหลัง ไม่ว่ีาจะด้วยเจตนาหรือไม่เจตนา

หรือด้วยความรู้เท่าไม่ถึงการ ขอหลวงตาได้โปรดงดโทษล่วงเกินอันนั้นด้วยเทอญ

 

การทำเครื่องหมาย การทาสี การใช้ปะเก็น และการแตกร้าวจากคลอไรด์ของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก (Chloride induced cracking of austenitic stainless steel from labeling, painting and gasket using)

ข้อมูลเบื้องต้น

เป็นความจริงที่ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกส่วนใหญ่มักมีความไวต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากการเหนี่ยวนำของคลอไรด์ (Chloride-induced stress corrosion cracking; Cl-SCC) ซึ่งการเสียหายของเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกลไกดังกล่าวนี้ จะต้องมีปัจจัยที่เกิดร่วมกันอยู่ 3 อย่าง คือ วัสดุอยู่ในสภาวะที่มีความไว มีความเค้นจากแรงกระทำและ/หรือตกค้างแบบแรงดึง และสัมผัสอยู่กับสิ่งแวดล้อมที่สามารถส่งเสริมให้เกิด SCC โดยความไวของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกต่อ Cl-SCC นั้น จะขึ้นอยู่กับปริมาณนิกเกิลและเงื่อนไขทางโลหะวิทยาของโลหะผสม เป็นที่ทราบกันดีว่า เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มที่นิยมนำมาใช้งาน คือ ออสเตนนิติก และในกลุ่มดังกล่าวนี้ เกรดที่มักถูกนำมาประยุกต์ใช้งาน ได้แก่ 304 304L 316 316L 321 และ 347 ซึ่งมีปริมาณนิกเกิล (7-10%) ที่สามารถส่งเสริมให้เหล็กกล้าไร้สนิมเหล่านี้มีความไวต่อ Cl-SCC จากความไวดังกล่าวนี้ ในกระบวนการเลือกใช้วัสดุและพิจารณาว่าวัสดุใดที่จะผ่านการประเมินนั้นมักประกอบด้วย การประเมินและทดสอบโดยใช้คูปอง (Coupon) โดยให้สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมการใช้งานจริง การใช้ชิ้นส่วนทดสอบที่ดัดเป็นรูปตัวยู (U-bend) การดึงอย่างช้าๆ ในอัตราที่คงที่ การทดสอบ compact tension และตัวอย่างที่ทดสอบ cantilever beam และผลการทดสอบสามารถประกันได้ว่าวัสดุที่เราเลือกจะไม่เกิด SCC ภายใต้สภาวะการทดสอบ ซึ่งขึ้นอยู่กับ เวลา อุณหภูมิและสิ่งแวดล้อม เมื่อได้วัสดุที่ผ่านการประเมินแล้ว จากนั้นก็มาออกแบบระบบโดยใช้วัสดุที่ผ่านการประเมินโดยที่นักออกแบบและผู้ใช้งานจะต้องมั่นใจว่าไม่เกิดการแตกร้าวเนื่องจากการกัดกร่อนแน่นอน อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาการใช้งานได้ผ่านไปซึ่งอาจเป็นวัน สัปดาห์ เดือน หรือปี เราอาจตรวจพบการเสียหายด้วยรูปแบบ Cl-SCC

รูปที่ 1 ท่อเหล้กกล้าไร้สนิมเกรด 304 ใช้งานใกล้ชายฝั่งเกิดการกัดกร่อนแบบ SCC ในแนวเชื่อม

ปัญหา

แม้ว่าจาการทดสอบและประเมินวัสดุที่เหมาะสมต่อสภาวะการใช้งาน โดยผลการประเมินชี้ให้เห็นว่าไม่เกิด SCC แล้วก็ตาม แต่ถ้าไม่ได้พิจารณาปัจจัยภายนอกที่สามารถส่งเสริมให้วัสดุเกิดการเสื่อมสภาพ ก็อาจทำให้ชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมของเราเกิดความเสียหายได้ เช่น คลอไรด์จากบรรยากาศอาจตกค้างบนผิวด้านนอกของชิ้นงานได้ โดยเฉพาะบรรยากาศใกล้ชายฝั่งทะเล หรืออาจเกิดการละลายของคลอไรด์จากส่วนที่สัมผัสกับผิวหน้าของชิ้นส่วน (รูปที่ 1) การใช้ระบบ chlorine-activated curing ในปะเก็นยางซึ่งสามารถปล่อยสารที่มีองค์ประกอบของธาตุกลุ่มเฮไลด์ที่ส่งผลให้เกิด SCC และบางครั้งสารหล่อลื่นก็อาจเป็นแหล่งที่มีคลอไรด์เจือปนด้วย การทาสีผิวหน้าของท่อเหล็กกล้าไร้สนิม (รูปที่ 2) สามารถนำไปสู่ SCC ได้ ถ้าสีมีองค์ประกอบของคลอไรด์ที่ละลายออกมาได้ ฉนวนโดยส่วนใหญ่มักมีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ และโดยส่วนใหญ่แล้ว ระบบท่อมักอยู่ภายใต้การรับแรงดึง ซึ่งเราจะพบปัญหาการกัดกร่อนภายใต้ฉนวนกันความร้อน (Corrosion Under Insulation; CUI) กันอยู่บ่อยๆ โดยการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นมักขยายตัวด้วยกลไก SCC (รูปที่ 3-4) สารทำความสะอาดและตัวทำละลายหลายชนิดมักมีส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนที่มีคลอไรด์เจือปน (Chlorinate hydrocarbon) ดังนั้นการใช้สารละลายดังกล่าวบนผิวหน้าและบริเวณใกล้เคียงเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถให้คลอไรด์ที่ส่งผล SCC ได้ สารทำความสะอาดและสารแทรกซึมที่ใช้ในการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (Non-destructive testing) เพื่อหารอยร้าวนั้นมีคลอไรด์ และการใช้งานอาจทำให้เกิด SCC ในแนวเชื่อมของชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมในระหว่างการตรวจสอบคุณภาพแนวเชื่อม นอกจากนี้ ถ้าเรามาพิจารณาเหตุการณ์ในชีวิตประจำวันหรับความเสียหายของชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิม แม้ไม่ใช่การเสียหายด้วยกลไก SCC ก็ตาม ยกตัวอย่างเช่น เสาที่บังแดด-ฝนตามป้ายรถเมล์หรือราวสะพานที่เป็นเหล็กกล้าไร้สนิม เราจะพบว่า ในบริเวณที่มีการติดสติกเกอร์หรือแผ่นโฆษณาชนิดที่ลอกออกได้นั้น สามารถสังเกตเห็นการกัดกร่อนได้อย่างชัดเจนในบริเวณที่กาวติดอยู่ ซึ่งนอกจากกาวจะมีองค์ประกอบของคลอไรด์แล้ว ลักษณะที่เหนียวของกาวยังทำให้เกิดการเกาะติดของฝุ่นผงโลหะ เมื่อทำปฏิกิริยากับความชื้น ก็นำไปสู่การกัดกร่อนกับชิ้นส่วนเหล่านั้น

รูปที่ 2 การทาสีบนท่อเหล็กกล้าไร้สนิม

รูปที่ 3 ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304 เกิดการกัดกร่อนภายใต้ฉนวนกันความร้อน

รูปที่ 4 ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304L ลำเลียงไอน้ำเกิดความเสียหายด้วยกลไก SCC ภายใต้ฉนวนกันความร้อน

ในหนังสือตำรับตำรา บทความทางวิชาการ และมาตรฐาน ASTM เช่น C871 ได้อธิบายถึงความสำคัญของการพิจารณาคลอไรด์ที่มาจากปัจจัยภายนอกในขั้นตอนการออกแบบและการเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานไว้แล้วก็ตาม แต่ในทางปฏิบัติแล้ว ส่วนใหญ่มักพิจารณาเฉพาะสิ่งแวดล้อมภายใน จนละเลยที่จะพิจารณาปัจจัยภายนอกที่จะส่งผลเสียหาย เช่นในบางกรณี เราพบว่าหลังจากติดตั้งระบบท่อเหล็กกล้าไร้สนิมไปได้ไม่นาน กลับพบว่าเสียหายด้วยกลไก SCC ยกตัวอย่าง เช่น การเอาหมึกที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบไปทาลบคำว่า “ท่อไอน้ำ” บนผิวท่อ ในกาลต่อมาได้มีเหตุการณ์ต้อง shutdown ระบบทำให้ผิวด้านนอกท่อเกิดการกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ และได้ละลายเอาคลอไรด์ที่อยู่ในหมึกนั้นเกิดเป็นสิ่งแวดล้อมที่คลอไรด์ปริมาณสูง และเกิดการเสียหายด้วย SCC ในที่สุด นี่คือเหตุการณ์จริง ไม่ได้โม้ และไม่ควรมองข้าม (ตัวอย่างที่ไม่ทำแสดงในรูปที่ 5)

รูปที่ 5 การใช้หมึกสีทำเครื่องหมายบนชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิม

สาเหตุและข้อควรระวัง

การเสียหายด้วยกลไก Cl-SCC ในเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกนั้น โดยทั่วไปต้องมีปัจจัยครบทั้ง 3อย่างพร้อมกันดังที่กล่าวมาแล้ว โดยส่วนมากแล้วเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกจะไวต่อการ SCC ถ้ามีความเค้นมากระทำและในขณะเดียวกันก็สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่คลอไรด์ ซึ่งอยู่ในรูปสารละลายจะเป็นอิเลคโตรไลต์ในกระบวนการทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical Process) นำไปสู่การแตกร้าว การพัฒนาของรอยแตกนั้นจะเป็นกระบวนการที่มีการบ่มตัวและขยายตัว โดยเวลาในการบ่มตัว (Incubation time) และอัตราการเติบโตของรอยร้าว (Crack growth rate) จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ สมบัติทางเคมีของอิเล็กโตรไลต์ และสภาวะของความเค้น ดังนั้น การที่เราไม่ตรวจพบรอยร้าวในวันนี้ ไม่ได้หมายความว่าในอนาคตมันจะไม่เกิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่มีความไว เช่น ใต้รอยซ้อนของปะเก็นและฉนวน เป็นต้น การกลั่นตัวของความชื้นบนผิวหน้าระบบสามารถนำไปสู่การละลายของคลอไรด์ และในบางกรณี อาจมีการก่อตัวของอิล็กไตรไลต์ที่มีคลอไรด์สูงถ้าผิวหน้ามีการทำความสะอาดหรือหล่อลื่นด้วยสารประกอบที่คลอไรด์เป็นองค์ประกอบ แม้ว่าความเค้นแรงดึงซึ่งสำคัญต่อการเกิด SCC ไม่ได้เกิดขึ้นในระหว่างการใช้งาน แต่การเชื่อม การเจียรผิวหน้า และการได้รับอุณหภูมิไม่คงที่ ก็สามารถทำให้เกิดความเค้นตกค้างแรงดึง (Residual tensile stress) ก็สามารถทำให้เกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนได้ และแม้ว่าจะมีการรายงานไว้ว่า Cl-SCC ในเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกมักเกิดในช่วงอุณหภูมิไม่ต่ำกว่า 40-50 องศาเซลเซียสก็ตาม แต่มีหลายงานวิจัยได้กล่าวว่าอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการแตกร้าวในเหล็กกล้าไร้สนิมนั้นมีค่าต่ำกว่าระดับดังกล่าว และการแตกร้าวยังสามารถตรวจพบได้แม้การใช้งานที่อุณหภูมิห้อง

โดยสรุป เมื่อใดก็ตามที่ต้องมีการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกประกอบเป็นชิ้นส่วนหรือโครงสร้างทั้งที่สภาวะอุณหภูมิห้องหรือสูงกว่า ควรระมัดระวังในประเด็นดังนี้

1. ลดหรือขจัดการสัมผัสกันระหว่างผิวหน้าโลหะกับสิ่งแวดล้อมที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ

2. งดการใช้งานสารทำความสะอาดที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ และสารที่ใช้ในการตรวจสอบแบบไม่ทำลายควรปราศจากคลอไรด์ (ถ้าไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ควรล้างความสะอาดหลังการตรวจสอบ)

3. หลีกเลี่ยงการเจียรผิวหน้าและการปฏิบัติการอื่นๆที่ส่งเสริมให้เกิดความเค้นตกค้างแรงดึงบนผิวหน้า (โปรดจำไว้ว่า บริเวณที่มีการเย็นตัวสุดท้ายมักจะมีความเค้นตกค้างแรงดึงเกิดขึ้น)

4. ถ้ามีปัญหาการแตกร้าวเกิดขึ้นบนผิวหน้าด้านนอก สิ่งที่ควรดำเนินการคือ การตรวจสอบวัสดุที่สามารถละลายคลอไรด์ออกมาสู่ผิวหน้าได้ โดยควบคุมให้คลอไรด์ที่ละลายออกมาได้ต้องไม่เกิน 100 ppm

5. ดำเนินการลดความเป็นไปได้ในการเกิดการกลั่นตัวของความชื้นเป็นหยดน้ำบนผิวหน้าชิ้นส่วน

การดำเนินการตามข้อเสนอแนะดังกล่าวสามารถลดความเสียหายที่จะเกิดรุนแรงต่อชิ้นส่วนหรือระบบของเราได้

“เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่สัมผัสกับสารสำหรับยึดติด สารที่ทำเครื่องหมาย ปะเก็น ฉนวน หรือแม้แต่หมึกซึ่งสามารถละลายคลอไรด์ออกมาได้อาจทำให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนในบริเวณนั้นๆ ได้”

การวิเคราะห์ความเสียหายเชิงปริมาณโดยใช้ไฟไนต์อิลิเมนต์แบบง่ายๆ (Quantitative failure analysis using a simple finite element)

นักโลหะวิทยาหลายท่านที่ทำงานทางด้านการวิเคราะห์เสียหายโดยส่วนใหญ่ มักดำเนินการวิเคราะห์ตามหลักทางโลหะวิทยา (Metallurgical Approach) ซึ่งทำให้ลูกค้าที่มาขอรับบริการอาจจะพอใจกับแนวทางโดยใช้หลักทางโลหะวิทยาเช่นเดียวกัน ซึ่งเป็นการวิเคราะห์เชิงคุณภาพ (Qualitative) เสียส่วนใหญ่ โดยไม่ได้ถามถึงความเป็นไปได้ในวิเคราะห์ในเชิงปริมาณ (Quantitative Approach) กันเลยในกระบวนการวิเคราะห์ความเสียหาย โดยเป็นที่ทราบกันดีว่า การวิเคราะห์ความเสียหายเชิงปริมาณนั้น มักดำเนินการกับกรณีที่ผลกระทบต่อสังคมมากๆ เช่น การวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนอากาศยาน หรือโครงการใหญ่ของภาครัฐ เป็นต้น แน่นอนว่ากรณีใหญ่ๆ ก็จำเป็นต้องมีทีมใหญ่ในการวิเคราะห์ตามไปด้วย ซึ่งต้องบุคลการที่มีความชำนาญหลากหลายสาขามาร่วมงานกัน ไม่ว่าจะเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการคำนวณ ซึ่งต้องลงทุนจัดหาทรัพยากรค่อนข้างมาก ดังนั้น การวิเคราะห์ความเสียหายเชิงปริมาณจึงจำกัดเฉพาะในแวดวงผู้ที่งบประมาณสูงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันได้มีการพัฒนาอุปกรณ์ช่วยในการคำนวณประเมินผลทั้งซอฟแวร์และฮาร์ดแวร์ ที่บุคลากรด้านนี้ทุกคนสามารถเข้าถึงและนำมาประยุกต์ใช้ในกระบวนการวิเคราะห์ความเสียหายเชิงปริมาณได้ แม้ว่าเมื่อก่อนโปรแกรมทางการค้ามักจะรู้จักกันในเฉพาะแวดวงวิศวกรคำนวณทางคอมพิวเตอร์เท่านั้นก็ตาม แต่ในปัจจุบันนี้ วิศวกรทุสาขาสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในวิชาชีพของตนอย่างกว้างขวาง ซึ่งรวมทั้งวิศวกรโลหการด้วย โปรแกรมการวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์อิลิเมนต์ (Finite Element Analysis) เป็นอีกโปรแกรมหนึ่งที่ถูกพัฒนาขึ้นมาให้วิศวกรโลหการที่มีพื้นฐานความรู้ด้านเครื่องกลและการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ไม่มากนักได้ใช้งาน ทำให้สามารถคำนวณและประเมินผลได้อย่างค่อนข้างแม่นยำและประหยัดเวลา แต่สำหรับวิศวกรโลหการที่มีความชำนาญด้านการวิเคราะห์อยู่แล้ว ก็สามารถใช้งานได้ดีไม้แพ้วิศวกรคำนวณทางคอมพิวเตอร์เลยทีเดียว ซึ่งเราก็ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการวิเคราะห์ความเสียหายเป็นการประยุกต์ใช้สหศาสตร์ (Multi-disciplinary) หรือกล่าวได้อีกนัยหนึ่ง คือ ยิ่งมีเครื่องมือและเทคนิคในการวิเคราะห์มากเท่าไร ก็ยิ่งจะให้ผลที่แม่นยำตามและน่าเชื่อถือตามไปด้วย

วัสดุและจุดบกพร่องทางโลหะวิทยา (Materials and Metallurgical Defects)

วัสดุที่เรานำมาประยุกต์ใช้งานเป็นชิ้นส่วนต่างๆ ในปัจจุบันนั้น อยู่บนพื้นฐานที่ว่ามีความส่ำเสมอของเนื้อวัสดุหรือมีลักษณะเป็น Isotropic แต่ในความเป็นจริงแล้ว ไม่วัสดุใดที่จะสมบูรณ์ร้อยเปอร์เซ็นต์ จุดบกพร่องทางโครงสร้างจุลภาค (Microstructural Defects) จึงมักพบเห็นได้ในวัสดุทางวิศวกรรมทั่วๆไป จุดบกพร่องเหล่านี้มักจะแสดงตัวเป็นจุดเริ่มต้น (Initiation Site) ของกระบวนการเสียหาย เพื่อให้เห็นภาพชัดเจน จึงขอยกตัวอย่างในกรณีของ suspension spring ซึ่งอาจมีจุดบกพร่องหลายลักษณะ เช่น

จุดบกพร่องจากวัสดุตั้งต้น (Raw Material Defects) ซึ่งอาจได้แก่ การมีสารแปลกปลอมพวกอโลหะ และสารฝังในอยู่ภายในวัสดุ เป็นต้น

ความไม่สมบูรณ์ของผิวหน้า (Surface imperfection) สามารถเกิดขึ้นได้ในรูปของรอยแตกร้าวในบริเวณที่แข็งเฉพาะจุด เช่น การเกิดเฟสมาร์เทนไซต์ที่ผิวหน้าด้านนอก (Surface martensite) ซึ่งมีสมบัติที่แข็งและเปราะ โดยสามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่างขั้นตอนการรีดที่อาจมีการหล่อลื่นไม่เพียงพอ เมื่อนำไปขึ้นรูปเป็นสปริงอาจเกิดการแตกหักได้ นอกจากนี้ยังมีรอยเครื่องมือ (Tool marks) คราบที่เกิดระหว่างการรีดขึ้นรูปเย็น หรือรอยความไม่ต่อเนื่องภายในวัสดุตั้งต้น การตรวจสอบชนิดของจุดบกพร่องดังกล่าวสามารถดำเนินการได้ด้วยเทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (Non-destructive testing) ซึ่งบางครั้งสามารถบอกได้ว่า ความไม่ต่อเนื่องดังกล่าวมีอยู่แล้วในวัสดุตั้งต้นหรือเกิดขึ้นจากกระบวนการผลิต (ในกรณีนี้จุดบกพร่องเกิดจากกระบวนการผลิต

การกัดกร่อน (Corrosion) สำหรับการกัดกร่อนและบริเวณที่ถูกแรงกระแทกจากการยิงเม็ดเหล็กเฉพาะจุดมักเป็นจุดบกพร่องที่นำไปสู่การแตกหักของสปริงและควรตรวจสอบทุกครั้งที่สปริงเกิดความเสียหาย อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีในการเคลือบผิวในปัจจุบันสามารถลดความเสี่ยงดังกล่าวได้เป็นอย่างดี

การสูญเสียคาร์บอน (Decarburization) อาจพิจารณาได้ว่าเป็นรูปแบบที่ส่งผลกระทบต่อการเสียหายของวัสดุน้อยที่สุด ซึ่งการเกิดบริเวณที่สูญเสียคาร์บอนบางส่วน (Partial decarburization) มักยินยอมให้เกิดได้ในลวดสปริงได้ แต่ถ้าเมื่อกระบวนการผลิตสปริงเสร็จสิ้นแล้วตรวจพบวงของเฟอร์ไรต์รอบๆสปริงก็มักจะถูกคัดออก

ขั้นตอนในการประยุกต์ใช้ไฟไนต์อิลิเมนต์

เทคนิคและขั้นตอนที่ใช้ในการพิจารณาความเค้นและการกระจายความเค้นในขดลวดสปริงทั้งที่มีและไม่มีจุดบกพร่องสามารถทำได้อย่างง่ายดายในโปรแกรมซอฟแวร์ทางการค้า (แม้ว่าอาจจะมีราคาสูงมาก) โดยการวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์อิลิเมนต์ (FEA) โดยจะใช้ในการตรวจสอบการกระจายตัวของความเค้นแบบเฉพาะจุดรอบๆจุดบกพร่องที่กำหนดในสปริงขดทั่วไปดังแสดงในรูปที่ 1 เบื้องต้นเราจะตรวจสอบการกระจายความเค้นในภาพรวมทั้งในวัสดุที่มีและไม่มีจุดบกพร่องก่อน จากนั้น เมื่อพบบริเวณที่มีความเค้นสูงสุด เราจะใส่จุดบกพร่องแต่ละชนิดลงไปในโมเดล ในเมื่อขนาดของจุดบกพร่องต้องเล็กกว่าโมเดลที่สมบูรณ์แล้ว เราต้องใช้เทคนิค sub-modeling ซึ่งเทคนิคดังกล่าวจะใช้ศึกษาชิ้นส่วนเฉพาะของโมเดลที่เกิดจากการทำให้เมช (mesh) มีขนาดเล็กลง จากนั้น sub-model ที่ 2 ก็จะถูกสร้างขึ้นมาเพื่อจำลองจุดบกพร่องแต่ละชนิด สำหรับข้อกำหนดของสปริงโดยทั่วไปจะกำหนดให้ค่า E=210 GPa และค่า poisson' ratio= 0.3 ยกเว้นในกรณีการสูญเสียคาร์บอนที่ผิว

รูปที่ 1 Global modelling

ผลของ FEA

จากการเปรียบเทียบกับโมเดลที่มีจุดบกพร่อง และ sub-model ที่ 2 ได้เริ่มต้นวิเคราะห์โดยปราศจากจุดบกพร่อง โดยค่าที่ได้ คือ ค่า max. principle stress = 1200 MPa (ค่า Von Mises stress สูงสุด = 1715 MPa) ซึ่งตรงกันกับระดับความเค้นของโมเดลเริ่มต้น ซึ่งในตารางที่ 1 ได้แสดงผลสรุปของการวิเคราะห์ จากที่เราคาดหวังไว้ คือ ความเข้มของความเค้นเฉพาะจุดจะสังเกตเห็นได้ในโมเดลที่มีสารฝังใน ความไม่ต่อเนื่องของผิวหน้า และบริเวณที่เกิดการกัดกร่อนในบริเวณที่มีจุดบกพร่องแต่ละบริเวณ และค่าความเค้นเหล่านี้สูงกว่าโมเดลที่ไม่มีจุดบกพร่องอย่างมาก ซึ่งได้สรุปให้เห็นภาพชัดเจนในรูปที่ 2 ซึ่งค่อนข้างชัดเจนว่า ทั้งขนาด รูปร่าง การวางตัว และการกระจายตัวของจุดบกพร่องจะส่งผลกระทบต่อ FEA

แม้การวิเคราะห์ความเสียหายทางโลหะวิทยาทั่วไป จะแสดงให้เห็นว่าความเสียหายมีจุดเริ่มต้นมาจากจุดบกพร่องที่มีรูปร่างอย่างไร และการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก (Fractography) สามารถบอกรูปแบบการขยายตัวของรอยแตก เช่น การล้า หรือการกัดกร่อนร่วมกับความเค้น เป็นต้น และแนะนำวิธีการป้องกันที่จะเกิดขึ้นอีกในอนาคต อย่างไรก็ตาม ถ้าการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาได้ดำเนินควบคู่ไปกับการประยุกต์ใช้ไฟไนต์อิลิเมนต์ จะช่วยให้การวิเคราะห์มีความน่าเชื่อถือ แม่นยำ และนำไปใช้ในการแก้ไขได้อย่างถูกต้อง

ตารางที่ 1:

สรุปผลจากไฟไนต์อิลิเมนต์

สรุป

การประยุกต์ใช้ FEA ซึ่งเป็นกระบวนการวิเคราะห์เชิงปริมาณ สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมได้เป็นอย่างดี ซึ่งนอกจากจะใช้ทำนายบริเวณที่มีความเสี่ยงต่อความเสียหาย ระดับความเค้นที่กระทำกับวัสดุ ณ ปัจจุบัน และอื่นๆ แล้ว ยังเป็นเทคนิคการวิเคราะห์ความเสียหายที่จะได้ความนิยมในอนาคตเป็นอย่างมาก

รูปที่ 2 ผลจาก sub-model ที่มีการใส่จุดบกพร่องชนิดต่างๆ

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 14) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก (Martensitic Stainless Steel)

วันนี้ผมจะมานำเสนอเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มที่ 3 คือ กลุ่มมาร์เทนซิติก ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกมีลักษณะคล้ายกับโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอน กล่าวคือ สามารถทำการอบชุบทางความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งและทำให้มีสมบัติเป็นแม่เหล็กได้ มีโครเมียมผสมอยู่ในช่วง 10.5-18% และอาจมีคาร์บอนมากถึง 1.2% (เช่น เกรด AISI 440) [85] ปกติมักถูกนำมาใช้งานในสภาพหลังการชุบแข็งและอบคลายความเค้น (Quenching and Tempering) [86-89] ซึ่งกระบวนการอบชุบทางความร้อน (Quenching Heat Treatment) ประกอบไปด้วยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงประมาณ 980-1100 องศาเซลเซียส [88] ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมีของโลหะผสมและวิธีการขึ้นรูป เพื่อให้วัสดุเปลี่ยนโครงสร้างเป็นออสเตนไนต์ (Austenitizing) และสลายคาร์ไบด์ หรืออยู่ในสภาวะสารละลายอิ่มตัวอย่างยิ่งยวด เรียกกระบวนการดังกล่าวว่า Solution Treatment [90] จากนั้นทำให้เย็นตัวในน้ำ น้ำมัน หรือในอากาศ เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นมาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นเฟสที่มีความแข็งสูง นอกจากนี้โครงสร้างผลึกที่ได้หลังจากการเย็นตัวจะเป็นแบบ BCT (Body-Centered Tetragonal) ทำให้วัสดุมีการขยายปริมาตร (Volume Expansion) หรืออาจกล่าวอีกในนัยได้ว่า มีความเค้นตกค้างภายใน (Residual Stress) นอกจากโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ได้หลังจากการชุบแล้ว มักพบคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว (Undissolved Carbides) คาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นใหม่และกระจายตัวอย่างละเอียด ออสเตนไนต์เหลือค้าง (Retained Austenite) และเดลต้าเฟอร์ไรต์ [86-87, 90-91] แม้ว่าโครงสร้างที่ได้หลังจากการชุบแข็งจะมีความแข็งแรงและความแข็งสูง แต่อาจไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงาน ทำให้ทำการตกแต่งทางกลได้ยาก ดังนั้นจึงต้องทำให้เหล็กกล้าอ่อนตัวลง (Softening) รวมทั้งเพิ่มความแกร่ง (Toughening) และความเหนียว (Ductility) และลดความเค้นตกค้างโดยการอบอ่อน (Annealing) ซึ่งโดยทั่วไป มักทำการอบอ่อนที่ช่วงอุณหภูมิ 650-760 องศาเซลเซียส [85] เวลาขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงาน ทำให้เย็นตัวในเตาในอัตราที่ต่ำกว่า 60 องศาเซลเซียส/ชั่วโมง ลงมาจนถึงอุณหภูมิประมาณ 540 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงทำให้เย็นตัวในอากาศจนถึงอุณหภูมิห้อง หลังจากกระบวนการอบอ่อนแล้ว มักทำการอบเพื่อคลายความเค้น (Tempering) โดยให้ความร้อนอีกครั้งในช่วงอุณหภูมิ 540-650 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัว หรือการให้ความร้อนเหล็กกล้าอีกครั้งที่ช่วงอุณหภูมิ 1000-1070 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัว และอบคลายความเค้นในช่วงอุณหภูมิที่กล่าวก่อนหน้านี้ โดยโครงสร้างจุลภาคที่ได้จากการอบคลายความเค้นจะเป็นแบบเทมเปอร์ดมาร์เทนไซต์ (Tempered Martensite)

การให้ความร้อนอีกครั้งกับเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 480 องศาเซลเซียสนั้น จะเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกลเล็กน้อยจากการคลายความเค้น (Stress Relief) ซึ่งเป็นที่ทราบกันทั่วไปว่า การให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 540-650 องศาเซลเซียส จะใช้สำหรับการอบคลายความเค้น ในขณะที่การให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 650-760 องศาเซลเซียส จะใช้สำหรับการอบอ่อน [92] เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดังกล่าวมักเติมธาตุโมลิบดีนัมและนิกเกิล เพื่อปรับปรุงสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนและเพิ่มความแกร่ง นอกจากนี้ยังสามารถเติมธาตุนิกเกิลลงไปเพื่อคงสภาพของโครงสร้างจุลภาคที่ต้องการ และป้องกันการเกิดเฟอร์ไรต์อิสระ (Free Ferrite) ที่มากเกินไปจากการเติมโครเมียมในปริมาณสูง เพื่อปรับปรุงสมบัติต้านทานการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม ต้องระมัดระวังในการเติมธาตุผสมเหล่านี้ เนื่องจาก ถ้ามีปริมาณสูงเกินไปจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ไม่สมบูรณ์

โปรดติดตามตอนต่อไปนะครับ.........จะนำเสนอเกี่ยวกับสมบัติทางกลและด้านต่างๆ

เอกสารอ้างอิง
[85] M. A. Neri, R. Colás. Analysis of a martensitic stainless steel that failed due to the presence of coarse carbides. Materials Characterization 2001; 47(3-4): pp. 283-9.

[86] F. G. Caballero, C. Capdevila, L. F. Alvarez, C. García de Andrés. Thermoelectric power studies on a martensitic stainless steel. Scripta Materialia 2004; 50(7): pp.1061-6.

[87] A. Rajasekhar, G. Madhusudhan Reddy, T. Mohandas, V.S.R. Murti. Influence of austenitizing temperature on microstructure and mechanical properties of AISI 431 martensitic stainless steel electron beam welds. Materials & Design 2009; 30(5): pp. 1612-24.

[88] S. S. M. Tavares, D. Fruchart, S. Miraglia, D. Laborie. Magnetic properties of an AISI 420 martensitic stainless steel. Journal of Alloys and Compounds 2000; 312(1-2): pp. 307-14.

[89] C. García de Andrés, G. Caruana, L. F. Alvarez. Control of M23C6 carbides in 0.45C–13Cr martensitic stainless steel by means of three representative heat treatment parameters. Materials Science and Engineering A 1998; 241(1-2): pp. 211-5.

[90] Jee-Yong Park, Yong-Soo Park. The effects of heat-treatment parameters on corrosion resistance and phase transformations of 14Cr–3Mo martensitic stainless steel. Materials Science and Engineering: A; 449-451: pp. 1131-4.

[91] Y.Y. Song, D.H. Ping, F.X. Yin, X.Y. Li, Y.Y. Li. Microstructural evolution and low temperature impact toughness of a Fe–13%Cr–4%Ni–Mo martensitic stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2010; 527(3): pp. 614-8.

[92] Washko SD. Wrougth stainless steels. In: ASM handbook, vol. 1. Metals Park (OH): ASM, 1997. pp. 841– 3.

การกัดกร่อนของท่อใหม่เมื่อต่อกับท่อเก่า (Galvanic corrosion of new pipe in contact with old pipe)

ผู้อ่านหลายท่านอาจเคยพบเจอด้วยตนเองว่า เมื่อเราเอาท่อใหม่มาซ่อมแซมแทนท่อเก่าที่ถูกกัดกร่อนหรือเสียหาย โดยเฉพาะท่อที่ฝังอยู่ใต้ดิน แต่พอหลังจากใช้งานได้ไม่นาน ปรากฏว่าท่อใหม่เกิดการกัดกร่อนเกิดขึ้น ทั้งๆ ที่ท่อที่นำมาเปลี่ยนนั้นก็มี spec เหมือนท่อเก่า (ดูรูปที่ 1) สาเหตุที่เป็นเช่นนี้ เพราะอะไร? ผมมีเหตุผลมาอธิบายครับ.....

รูปที่ 1 การกัดกร่อนของท่อเหล็กกล้าที่ฝังใต้ดินเมื่อมีการเชื่อมต่อระหว่างท่อเก่ากับท่อใหม่

จากที่เราได้เรียนรู้มาในหัวข้อการกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic corrosion) แล้วว่า โลหะที่มีศักย์ไฟฟ้าที่เป็นลบมาก เมื่อนำมาต่อกับโลหะที่อยู่ในตารางที่ต่ำกว่าจะเกิดการกัดกร่อน  เช่น ถ้านำท่อน้ำที่ทำจากเหล็กกล้า  (steel)  ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า (ติดลบน้อยกว่า) มาต่อกับวาวทองเหลือง (brass valve) จะเกิดการกัดกร่อนที่ท่อน้ำขึ้น (ดังรูปที่ 2)

รูปที่ 2 การกัดกร่อนของโลหะต่างชนิดที่มีศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อน (Corrosion Potential) ต่างกัน

(http://www.corrconnect.com/cp1_inspect_protect/dissimilar-metal-galvanic-corrosion-cell)

จากปรากฏการณ์ดังกล่าวก็สามารถนำมาอธิบายได้ว่า เพราะเหตุใดเมื่อนำท่อใหม่มาต่อเข้ากับท่อเก่าซึ่งเป็นท่อเห็กกล้าคาร์บอนที่ฝังอยู่ใต้ดิน จึงเกิดการกัดกร่อนขึ้นกับท่อใหม่ในอัตราที่เร็วมาก เมื่อพิจารณาจากตารางด้านล่าง จะเห็นว่าท่อเก่าซึ่งมีสนิมเกาะติดจะมีศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อนสูงกว่าท่อที่มีสภาพใหม่ (ค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อนต่ำจะไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อนสูง) เมื่อโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อนที่ต่างกันมาต่อจะส่งเสริมให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic corrosion)

ดังนั้นการกัดกร่อนจึงเกิดขึ้นกับท่อใหม่ และจะเกิดอัตราที่เร็วมากถ้ามีสัดส่วนของพื้นที่อาโนด/คาโธดต่ำ (อาโนดเล็ก คาโธดใหญ่) ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 การกัดกร่อนระบบท่อที่ฝังใต้ดินในกรณีที่นำท่อใหม่มาต่อกับท่อเก่า

(http://www.corrconnect.com/cp1_inspect_protect/dissimilar-metal-galvanic-corrosion-cell)

ลักษณะดังกล่าวนี้ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้เพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับระบบท่อเก่าที่มีการเจียรผิว ซึ่งบริเวณดังกล่าวจะมีสภาพผิวที่ใหม่กว่า และ/หรือระบบท่อที่มีการขูดขีด หรือเสียดสี (รูปที่ 4) ลักษณะทางกายภาพดังกล่าวจะส่งเสริมให้เกิดการกัดกร่อนขึ้นกับชิ้นส่วนของเราได้

รูปที่ 4 ท่อที่มีรอยขีดข่วนสามารถส่งเสริมให้เกิดการกัดกร่อนได้ (ระบบท่อที่ใช้ระบบ Cathodic protection)

(http://www.corrconnect.com/cp1_inspect_protect/dissimilar-metal-galvanic-corrosion-cell)

ความเสียหายจากการแกว่งตัวของสะพาน (Vibration Failure of Bridge)

เหตุการณ์ความเสียหายที่สะเทือนใจชาวโลกที่ผ่านมาอีกเหตุการณ์หนึ่งก็คือ ชาวกัมพูชาเหยียบกันตายบนสะพาน โดยคนที่อยู่ในเหตุการณ์บางคนบอกว่า คนสะพานแกว่ง ผู้คนที่มีมากถึง 7000-8000 คน ก็เลยตกใจแล้วทำให้เกิดการโกลาหลจนเหยียบกันตายในที่สุด (อาจเป็นอีกเหตุผลหนึ่ง)

เพื่อให้ผู้อ่านได้เห็นภาพที่ชัดเจนว่าการแกว่งของสะพานนั้นน่ากลัวเพียงใด โปรดดูจากวีดีโอข้างล่างนี้เลยครับ ซึ่งเป็นการแกว่งของสะพานเนื่องจากแรงลม

เหตุการณ์แบบนี้เราคงไม่อยากเห็นบ้านเรา เพราะมันน่ากลัวจริงๆ.....

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 13) : ข้อเสียของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกและการแก้ไข

ตอนนี้จะเป็นตอนสุดท้ายของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก ซึ่งผมจะกล่าวถึงข้อเสียและแนวทางการแก้ไข มีรายละเอียดดังนี้ครับ..

จากข้อเสียของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกที่ไวต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน เนื่องจากการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์และไนไตรด์ตามขอบเกรน ดังนั้นการลดปัญหาดังกล่าวจึงสามารถดำเนินการได้ 2 แนวทาง [75] กล่าวคือ วิธีที่ 1 ลดปริมาณคาร์บอนและไนโตรเจนที่เจือปนในเหล็กกล้าให้มีปริมาณต่ำสุด คือ มีส่วนผสมของทั้ง 2 ธาตุไม่ควรเกิน 0.01wt% [81] อย่างไรก็ตาม ระดับคาร์บอนที่ต่ำแม้จะหน่วงการตกตะกอนตามขอบเกรนได้ แต่ไม่สามารถป้องกันการตกตะกอนได้ และเป็นที่ทราบกันดีว่า กระบวนการผลิตเหล็กกล้าที่พยายามลดปริมาณคาร์บอนให้ต่ำ มักส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้นและมีขั้นตอนที่ยุ่งยาก ดังนั้นโดยส่วนใหญ่จึงมักเลือกใช้วิธีที่ 2 [70] คือ เพิ่มธาตุผสมที่สามารถจับตัวกับคาร์บอนได้ดีกว่าโครเมียมลงไปในเหล็กกล้า เช่น ไนโอเบียม ไทเทเนียม เซอโคเนียม และวาเนเดียม แต่ธาตุที่นิยมเติมมากที่สุด คือ ไนโอเบียมและไทเทเนียม ผลจากการเติมธาตุทั้งสอง นอกจากจะเพิ่มคุณภาพที่ดีของผิวหน้าชิ้นงานแล้ว ยังเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปและการเชื่อม มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงเพิ่มขึ้น ต้านทานการล้าเนื่องจากความร้อนได้มากกว่าเดิม และต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนจากของเหลวได้ดีขึ้น ในปัจจุบันมีความเชื่อกันว่า การเพิ่มความเสถียรของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก เพื่อให้ได้สมบัติที่ดีนั้นควรมีสัดส่วนของไนโอเบียมต่อไทเทเนียมที่ 2:1 [74] นอกจากนี้เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกยังมีความนิ่มกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มอื่นๆ [69] จึงมักไม่นิยมนำไปประยุกต์ใช้งานที่มีการเสียดสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อถูกใช้งานในช่วงอุณหภูมิ 900-1100 องศาเซลเซียส [83] เช่น ในระหว่างการรีดร้อน (Hot Rolling) ซึ่งความแข็งจะลดลงอย่างมาก

เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่า การตกตะกอนของเฟสซิกม่าและคาร์ไบด์ชนิด M23C6 ส่งผลต่อการลดความเหนียวและความแกร่งของวัสดุนั้น สามารถละลายกลับไปในโครงสร้างพื้นได้ด้วยกระบวนการทางความร้อน โดยทั่วไป การสลายเฟสซิกม่ามักดำเนินการที่ช่วงอุณหภูมิมากกว่า 900 องศาเซลเซียส ในขณะที่ถ้าต้องการป้องกันการตกตะกอนของคาร์ไบด์ชนิด M23C6 ควรทำให้เย็นอย่างรวดเร็วหลังจากการให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 1050-1100 องศาเซลเซียส และใช้เวลาเพียงพอในการสลายคาร์ไบด์ [69] เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกที่ผ่านกระบวนการทางความร้อนอย่างถูกต้องเหมาะสม จะมีความเหนียวและความแกร่งเพิ่มข้น รวมทั้งความต้านทานการกัดกร่อน แต่ต้องไม่อบในสภาวะที่ส่งเสริมให้เกิดคาร์ไบด์ชนิด M23C6 และเฟสซิกม่าอีกครั้ง

ความสัมพันธ์ระหว่างเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดต่าง ๆ ในกลุ่มเฟอริติกแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดต่างๆ ในกลุ่มเฟอริติก

สำหรับตอนหน้าผมจะมานำเสนอเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติกตอนแรก คอยติดตามนะครับ

การทดสอบความต้านทานต่อการสูญเสียสังกะสีในทองเหลือง (Dezincification Testing)

วันนี้มีโอกาสได้ทสอบการกัดกร่อนของทองเหลืองให้กับลูกค้ารายหนึ่ง เขาต้องการทราบความต้านทานต่อ dezincification ผมเห็นว่าน่าจะมีประโยชน์สำหรับหลายท่าน ที่ผลิตชิ้นส่วนสุขภัณฑ์เพื่อการส่งออกทั้งหลาย จึงขออนุญาตนำมาเผยแพร่

จากประสบการณ์ที่ผมเคยทดสอบความต้านทานของชิ้นส่วนทองเหลืองทั้งประเภทหล่อ (Casted brass) และตีขึ้นรูป (Forged brass) จะดำเนินการตาม European Standard คือ BS EN ISO 6509 โดยมีขั้นตอนการทดสอบคร่าวๆ ดังนี้

(เคยเขียนรายงานส่งลูกค้าเป็นภาษาอังกฤษ ขี้เกียจแปล เลยขออนุญาตนำมาวางเลยละกัน ถ้าไม่เข้าใจตรงไหน ถามที่ด้านล่างเลยครับ)

1. Reagent and materials
Use only reagents of recognized analytical grade and distilled water or water of equivalent purity.

1.1 Copper (II) Chloride 1% (m/m) solution, freshly prepared.

Dissolve 12.7 g of copper (II) chloride dehydrate (CuCl2.H2O) in water and make up the volume to 1000 ml.

1.2 Phenolic resin

The other non-conducting material with similar properties, for embedding the test pieces.

1.3 Ethanol for cleaning the test pieces.

2. Test Pieces

2.1 The test pieces as shown in Fig. 1 were taken from the perpendicular and longitudinal shaping direction of casted brass and forged brass samples. They were prepared by sawing and grinding with light pressure, that the properties of the materials are unaffected.

รูปที่ 1 ตัวอย่างชิ้นส่วนทองเหลืองที่ขึ้นรูปต่างกันและใช้ในการทดสอบ

2.2 The areas of each test piece to be exposed were approximately 100 mm2.

3. Preparation of test pieces

3.1 The test pieces were embedded in the phenolic resin, and the test surfaces ground using wet abrasive paper, finishing with 500 grits or finer.

3.2 The test surfaces were cleaned with ethanol prior to testing.

4. Procedures

4.1 Positioning of test pieces for test
The test pieces were placed in the beaker containing the Copper (II) chloride solution so that the test surfaces are vertical and at least 15 mm above the bottom of the beaker. The plastic foil shall then be placed over the beaker and secured.

4.2 Operating conditions
4.2.1 The beaker containing the test pieces were placed in the thermostatically controlled bath, the temperature of which were maintained at 75 +- 5 C during the entire exposure period.
4.2.2 Different alloys shall not be tested simultaneously in the same beaker.

4.3 Duration of test
The pieces were exposed continuously for 24 hours. At the end of this period, they were removed from the beaker, washed in water, in the ethanol and allowed to dry.

4.4 Preparation of section for microscopic examination
Microscopic examination of test pieces was carried out as soon as possible after exposure. If the test pieces that stored before microscopic examination, they were kept in a desiccator. Each test piece were sectioned at right angles to the exposed test surface and ground and polished for microscopic examination. The total lengths of section through the exposed surface were not less than 5 mm.

4.5 Microscopic examination
4.5.1 The micro-section prepared from each test area was examined using an optical microscope and the maximum depths of dezincification were recorded. The appropriate magnifications were used to provide the greatest accuracy of measurement.

4.5.2 The length of the section examined was the maximum possible length. If there is evidence of edge effects, for example a greater depth of dezincification along the line of the interface between the mounting material and the brass, the maximum depth of dezincification were measured at a sufficient distance from the interface to render such edge effects negligible.

สำหรับการประเมินว่าผ่านหรือไม่ผ่าน
The sample passes the test if the maximum depth of dezincification in a forging or in the transverse direction of extruded material does not exceed 100m m. A maximum depth of 200 mm is permitted in the longitudinal direction of extruded material.

รูปที่ 2 ตัวอย่างการวัดความลึกของการเกิด dezincification

รูปที่ 3 ภาพขยายแสดงการเกิด dezincification

การเสียหายของชิ้นส่วนยึดปั๊ม (Failure of Flexible Pump Connector)

ข้อมูลเบื้องต้น

หน้าแปลนคู่ของ Flexible Pump Connector ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 80 มิลลิเมตร ที่ผลิตจากเหล็กกล้าไร้สนิม ได้เกิดการเสียหายหลังจากผ่านการใช้งานได้ 48 ชั่วโมง ระหว่างการใช้งานภายในชิ้นงานได้รับแรงดันประมาณ 140 ถึง 550 kPa ตัวยึดดังกล่าวได้ผ่านการติดตั้งก่อนการใช้งานประมาณ 5 เดือน

การเลือกชิ้นงานสำหรับการตรวจสอบ

ตัดชิ้นงานบริเวณที่มีรอยแตกตามภาคตัดขวาง เพื่อนำไปตรวจสอบผิวหน้าแตกหักด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนและนำไปตรวจสอบโครงสร้างทางจุลภาค

การตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อศึกษาลักษณะทางกายภาพทั่วไป

ภาพที่ 1 ชิ้นงานที่ใช้ยึดปั๊มที่เกิดความเสียหาย

ชิ้นงานที่ใช้ยึดปั๊มแสดงในภาพที่ 1 ข้างนอกถูกห่อหุ้มด้วยตะแกรงสานเหล็กกล้าไร้สนิม ผนังบางของเหล็กกล้าไร้สนิมที่อยู่ด้านล่างได้เชื่อมประสานกับหน้าแปลนบริเวณท้ายสุดของแต่ละด้าน ท่อเกลียวเกิดรอยแตกบริเวณส่วนปลายด้านหนึ่งและทำให้เกิดการรั่วของสารละลาย ภาพที่ 2 แสดงผิวหน้าด้านในของท่อเกลียวบริเวณที่เกิดรอยแตก เมื่อทำการรื้อวัสดุหุ้มออกและทำการตัดตามภาคตัดขวางจากบริเวณที่แตกดังแสดงในภาพที่ 3 รอยแตกมีลักษณะกว้างหลังจากการแตกและด้านข้างที่มีรอยแตกแสดงให้เห็นการกดอัดอย่างแรงก่อนที่จะเกิดการแตกร้าว

ภาพที่ 2 ผิวหน้าด้านในแสดงให้เห็นการแตกร้าวบริเวณรอยต่อระหว่าท่อและหน้าแปลน

ภาพที่ 3 ส่วนของท่อเกลียวที่เกิดการแตกร้าว

การวิเคราะห์ผิวหน้าชิ้นงาน

การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนแสดงให้เห็นว่าชิ้นงานแตกหักจากการล้าตัว ซึ่งสามารถยืนยันได้โดยแนวการขยายตัวจุลภาคที่เรียกว่า fatigue striations ที่ตรวจพบบนผิวหน้าแตกหักทั้งหมด (ภาพที่ 4)

ภาพที่ 4 ภาพถ่ายจาก SEM แสดงให้เห็น striation ลักษณะเฉพาะของการแตกจากการล้าตัว

การวิเคราะห์โครงสร้างทางจุลภาค

โครงสร้างทางจุลภาคของชิ้นงานที่เสียหายแสดงให้เห็นว่าวัสดุขึ้นรูปเย็นในปริมาณสูง มีโครงสร้างเป็นแบบออสเตนนิติก และพบการแตกแบบผ่าเกรน (transgranular)

สรุปผล

การวิเคราะห์ความเสียหายของตัวยึดปั๊มแสดงให้เห็นลักษณะที่สำคัญ 3 ประการ

1. การแตกร้าวเกิดจากกลไกการล้าตัว

2. รอยแตกมีการขยายตัวกว้างขึ้นหลังจากมีการแตกไปแล้ว และ

3. ชิ้นงานมีรอยกดทับอย่างรุนแรงบนด้านข้างของผิวหน้าแตกหักก่อนที่ความเสียหายจะเกิดขึ้น

จากสิ่งที่ปรากฏสามารถสรุปความเสียหายได้ว่าชิ้นงานได้เกิดการเสียหาย (รอยกดทับด้านข้าง) ก่อนการติดตั้ง ภายหลังการติดตั้งผิวหน้าด้านที่ถูกกดทับตกอยู่ภายใต้สภาวะการรับความเค้นแรงดึงสูง เมื่อปั๊มเริ่มการใช้งานจึงทำให้ท่อเกลียวได้รับความเค้นจากการสั่นเป็นคาบ ความเค้นเป็นคาบรวมกับการรับความเค้นแรงดึงสูงเป็นสาเหตุนำไปสู่การเสียหายของท่อเกลียว ค่าความเค้นแรงดึงที่สูงและค่าความเค้นคาบที่ต่ำเป็นประเด็นหลักที่ทำให้เกิดการล้าตัว ค่าความเค้นแรงดึงในบริเวณที่ถูกกดค่อนข้างจะสูง ซึ่งตัดสินจากปริมาณพื้นที่ที่รอยแตกกว้างออก

จรรยาบรรณนักวิเคราะห์ความเสียหาย (8)

จรรยาบรรณของนักวิเคราะห์ความเสียหายข้อที่ 5

"วิศวกรต้องสร้างชื่อเสียงในวิชาชีพ จากคุณค่าของงาน และต้องแข่งขันกันอย่างยุติธรรม" 

บ่อยครั้งที่เราเจอคำถามว่า เราจะตัดสินใจอย่างไร? ใครจะเป็นคนตรวจสอบที่เที่ยงธรรม? ถ้าเรามีความโชคดี ได้รับมอบโอกาสในการรับงาน ถามว่ารายงานของเราที่ตีพิมพ์ออกไปจะทำให้เกิดความยุติธรรมกับคนที่เกี่ยวข้องไหม ความยุติธรรมเป็นแนวคิดที่ยากต่อการประเมิน เพราะบางครั้งไม่ได้วัดกันที่ปริมาณ แต่ขึ้นอยู่ความพึงพอใจของทุกๆฝ่าย แน่นอนความรู้ไม่ใช่ของฟรี ดังนั้นอาจจะพูดได้ว่าการให้บริการที่ดีจะมาคู่กับค่าบริการที่สูง


สำหรับหลักจรรยาบรรณในข้อนี้มีหลักปฏิบัติ คือ เราจะต้องไม่ใช้ข้อได้เปรียบหรือตำแหน่งอันมีอภิสิทธิ์ไปแย่งประมูลงานจากคนอื่น ไม่แอบอ้างผลงานของคนอื่นมาเป็นผลงานของตนเอง ต้องให้เกียรติผลงานของวิศวกรผู้นั้น ไม่ทำให้เกิดการเสื่อมเสียต่อชื่อเสียงของวิชาชีพอื่น ไม่แทรกแซงงานของวิศวกรท่านอื่น ไม่แข่งขันกับวิศวกรท่านอื่นด้วยการตัดราคา และพึงรับงานจากผู้ว่าจ้าง หรือลูกค้า โดยคำนึงถึงความเป็นอิสระทางวิชาชีพเป็นสำคัญ

สหศาสตร์แห่งการวิเคราะห์ความเสียหาย (The interdisciplinary nature of failure analysis)

บทนำ

การวิเคราะห์ต้นเหตุของปัญหา (Root Cause Analysis) ในการเสียหายทางกล (Mechanical Failure) นั้น ถือว่าเป็นงานที่ท้าทายมากสำหรับนักวิเคราะห์ความเสียหาย เนื่องจากการเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมส่วนใหญ่มักมีความสลับซับซ้อน จึงต้องการความเชี่ยวชาญในแต่ละสาขาของความรู้ด้านต่างๆเข้ามาช่วย ไม่ว่าจะเป็นศาสตร์ทางด้านวัสดุ เครื่องกล ความร้อน หรือกลศาสตร์ของไหล เป็นต้น บางกรณีอาจจำเป็นต้องใช้ความรู้ในสาขาอื่นๆ เช่น ชีววิทยา มานุษยวิทยา ตรรกะวิทยา นิติวิศวกรรม หรือแม้แต่สถิติ มาประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์ความเสียหาย บ่อยครั้งที่การวิเคราะห์ความเสียหายได้มีการระดมสมองจากผู้เชี่ยวชาญหลากหลายสาขา จนสามารถหาสาเหตุที่แท้จริงของปัญหาได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญมากอีกอย่างหนึ่งก่อนการเริ่มต้นหาสาเหตุความเสียหาย คือ การพิจารณาว่าศาสตร์ด้านใดจะเป็นหลักในการดำเนินการตรวจสอบ ดังนั้นการสร้างทีมจึงถือว่ามีความสำคัญมาก ทั้งนี้อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการตรวจสอบ ถ้าสามารถพบทางเลือกใหม่ๆในกระบวนการตรวจสอบ ผู้นำในการดำเนินการตรวจสอบความเสียหายนอกจากจะต้องมีความเชี่ยวชาญโดยตรง เพื่อนำความรู้และประสบการณ์มาประยุกต์ใช้กับปัญหาที่เกิดขึ้นนั้นๆ แล้ว ยังต้องมีภาวะความเป็นผู้นำ สามารถประสานงานหรือร่วมงานกับผู้เชี่ยวชาญด้านอื่นๆ ได้เป็นอย่างดี และข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์โดยผู้เชี่ยวชาญแต่ละสาขาจะถูกนำมารวมกัน ทำให้สามารถมองเห็นภาพใหญ่ จนสามารถระบุต้นตอที่แท้จริงของปัญหาได้

จากประสบการณ์ของผู้เขียนที่อยู่ในแวดวงการวิเคราะห์ความเสียหายมากกว่า 10 ปี พบว่าการเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมในแต่ละครั้งโดยส่วนใหญ่ไม่ได้ทิ้งร่องรอยที่สามารถบ่งชี้ได้ว่าจะต้องดำเนินการอย่างใดอย่างหนึ่งที่ชัดเจน หรือไม่ได้บอกว่าวิศวกรสาขาใดที่จะต้องมาตรวจสอบ บางครั้งลักษณะความเสียหายที่ปรากฏบนชิ้นส่วนอาจทำให้เกิดความเข้าใจผิด จนบางครั้งทำให้การตรวจสอบความเสียหายเกิดความผิดพลาดได้

การเลือกใช้ความชำนาญเฉพาะด้านที่ถูกต้อง

จากที่ทราบกันแล้วว่า “ความเสียหาย” หรือ “Failure” มีความหมายในทางวิศวกรรม คือ สิ่งที่ไม่สามารถทำงานตามหน้าที่ได้อีกต่อไป ส่งผลให้วัสดุมีพฤติกรรมที่ไม่สามารถยอมรับได้หรือทำให้เกิดอุบัติเหตุ ดังนั้น จึงมักคำถามตามมาว่า ใครคือผู้ที่สามารถวิเคราะห์ความเสียหายได้ดีที่สุดในกรณีนั้นๆ ไม่ว่าจะเป็นการเข้าใจว่าการเสียหายเกิดขึ้นได้อย่างไร และสิ่งที่เกิดขึ้นเหล่านั้นจะสามารถป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นอีกในอนาคตได้อย่างไร แน่นอนล่ะ มุมมองในแต่ละสาขาวิชาชีพจะแตกต่างกันออกไป อาจจะไม่ครอบคลุม หรือตอบปัญหาได้ถูกต้องแม่นยำ ดังนั้น การเลือกใช้ความชำนาญเฉพาะด้านที่หลากหลายแต่ตรงกับปัญหาที่เกิดขึ้นนั้น จึงถือว่ามีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง

สหศาสตร์ในการวิเคราะห์ความเสียหาย

ถ้าการเสียหายของชิ้นส่วนหรือระบบที่จะวิเคราะห์มีขนาดใหญ่ ซับซ้อน หรือมีมูลค่าทั้งชิ้นส่วนและการวิเคราะห์สูงแล้ว ในตอนเริ่มต้นควรมีการวางแผนเพื่อตรวจสอบอย่างละเอียดรอบคอบ เพราะในการวิเคราะห์ความเสียหายนั้น มีหลายแง่มุมหรือขั้นตอนที่จะต้องดำเนินการตรวจสอบ บางรายการอาจจะมีรายละเอียดค่อนข้างมาก ดังนั้นความต้องการทีมที่เป็นสหศาสตร์จะต้องมีความชัดเจน และสิ่งที่สำคัญคือ จะต้องสามารถทำงานร่วมกันได้ เมื่อสร้างทีมขึ้นมาแล้วก็จะได้รับคำถามกลับมาว่า ใครควรจะถูกเลือกให้เป็นหัวหน้าทีม เพราะคุณลักษณะของหัวหน้าทีมที่ต้องพิจารณามีดังนี้

ความสามารถในการติดต่อสื่อสาร หัวหน้าทีมจะต้องเข้าใจว่าการตรวจสอบจะต้องมีการติดต่อประสานงานกับหลายๆคน ดังนั้นหัวหน้าทีมควรเข้าใจว่าอะไรคือจุดแข็งและจุดอ่อนของแต่ละศาสตร์ เพื่อทำให้มั่นใจว่าแต่ละสาขาได้รับคำถามและตอบคำถามถูกต้องตรงประเด็น

ใช้ความเชี่ยวชาญให้ถูกต้อง หัวหน้าทีมจะต้องรู้ว่าศาสตร์ทางด้านไหนที่เหมาะสมต่อการนำมาประยุกต์ใช้ในปัญหานั้นๆ นักวิเคราะห์เกือบทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะคิดว่าความเชี่ยวชาญของตัวเองสามารถอธิบายทุกสิ่งได้ เช่น ถามว่าทำไมชิ้นส่วนจึงแตก นักโลหะวิทยาอาจจะบอกว่าวัสดุค่อนข้างจะมีความแข็งแรงน้อย แต่วิศวกรเครื่องกลสามารถแสดงให้เห็นความเค้นที่กระทำมีค่าสูงเกินไป ดังนั้นทุกๆ คนที่อยู่ในทีมควรได้รับรู้ข้อมูลของกันและกัน ซึ่งบางครั้งอาจมีความต้องการความเชี่ยวชาญด้านอื่นเพิ่มเติม

ในบางครั้งประสบการณ์ที่ได้สั่งสมมาอาจจะมีความสำคัญอย่างมาก เช่น ในกรณีที่ได้ใช้เวลาและความพยายามมากพอ แต่ไม่สามารถหาต้นตอของปัญหาได้ เคยมีบางครั้งที่ผู้เขียนนำปัญหาไปปรึกษาผู้ที่มีประสบการณ์ท่านอื่น แล้วท่านได้ตอบกลับว่า “ถ้าคุณได้ถามผมก่อนหน้านี้ ผมสามารถให้คำแนะนำคุณถึงแนวทางที่ถูกต้องว่าเกิดอะไรขึ้น เพราะว่าผมเคยเจอความเสียหายแบบคุณมาเมื่อสองเดือนที่แล้ว” ดังนั้นการได้ข้อมูลจากผู้ที่เคยวิเคราะห์กรณีการเสียหายที่คล้ายกันมาก่อนจะทำให้ประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายได้อย่างมาก

สามารถควบคุมการวิเคราะห์ให้ดำเนินไปพร้อมๆ กัน ทุกศาสตร์สาขาที่เกี่ยวข้องในการวิเคราะห์ความเสียหายต่างรับผิดชอบในสิ่งที่ได้รับมอบหมาย แต่ในท้ายที่สุดแล้วจะต้องนำข้อมูลที่ได้มาประมวลผลร่วมกัน ซึ่งหัวหน้าทีมต้องนำผลการวิเคราะห์ในทุกๆด้านมารวมกัน แล้วได้ข้อสรุปไปในทิศทางเดียวกัน ตรวจสอบข้อมูลแต่ละฝ่ายตลอดเวลาเพื่อหลีกเลี่ยงงานที่ไม่จำเป็นหรือซ้ำซ้อน

อย่ามองการวิเคราะห์ความเสียหายเป็นเรื่องยาก

การวิเคราะห์ความเสียของชิ้นส่วนในบางกรณีเราอาจจะเห็นขั้นตอนการวิเคราะห์มากมาย หลายท่านจะสนุกกับการวิเคราะห์ เพราะได้เรียนรู้หลายอย่าง บางท่านแค่เห็นรายการก็เครียดแล้ว แต่เราอย่าไปคาดหวังว่าลำดับขั้นตอนของการวิเคราะห์จะบ่งบอกถึงความยากง่าย บางท่านเมื่อเห็นการเสียหายของชิ้นส่วนเล็กๆ อาจจะหมดความท้าทาย แต่หลายครั้งเราจะพบว่าการเสียหายที่เล็กน้อยและที่เราคิดว่าง่ายๆ สามารถที่จะทำให้เป็นการวิเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่และมีความน่าตื่นเต้นท้าท้ายได้ ถ้าเรามีการทำงานที่มีความหลากหลายของศาสตร์ความรู้ด้านต่างๆ ยกตัวอย่าง เช่น การแตกหักของชิ้นส่วนอันเป็นผลมาจากภาระที่กระทำบนชิ้นส่วนนั้นเกินค่าความแข็งแรงของวัสดุ ซึ่งต้องใช้ความเชี่ยวชาญอย่างน้อย 2 สาขาในการวิเคราะห์ความเสียหาย โดยวิศวกรเครื่องกลอาจจะต้องการประมาณค่าแรงที่กระทำกับวัสดุ และเปรียบเทียบกับค่าที่ได้ออกแบบไว้หรือแรงก่อนที่จำเริ่มปฏิบัติการ และทบทวนปัจจัยอื่นๆ ในระบบที่อาจทำให้แรงกระทำเกินกว่าค่าที่กำหนด และในอีกด้านหนึ่งนักวัสดุอาจจะตรวจสอบว่าทำไมวัสดุจึงมีความแข็งแรงต่ำ ซึ่งบางทีอาจจะมีค่าต่ำมากเนื่องจากวัสดุมีคุณภาพต่ำ ผ่านกระบวนการทางความร้อนที่ไม่ถูกต้องเหมาะสม หรืออันที่จริงแล้วอาจจะเกิดจากความแข็งแรงของวัสดุลดลงตามเวลาเนื่องจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง หรือพื้นที่ภาคตัดขวางของวัสดุลดลงเนื่องจากเกิดการสึกหรอ การกัดกร่อน การล้า เป็นต้น ถ้าตรวจพบการล้าตัวแล้ว วิศวกรเครื่องกลอาจจะต้องการตรวจสอบที่มาของแรงที่มีลักษณะเป็นคาบอีกครั้ง

ในกรณีความเสียหายที่เกิดขึ้นนั้นอาจจะทำให้เกิดการหลงทางหรือให้คำแนะนำที่ผิดพลาดต่อผู้ว่าจ้างก็ได้ เช่น ความเสียหายของหม้อไอน้ำ ผู้ว่าจ้างอาจจะมองหาวิศวกรความร้อน (Thermal Engineer) และเขาอาจจะเลือกถูกต้อง แต่บางครั้งอาจจะผิด เช่น การเสียหายเกิดจากกระบวนการเชื่อมท่อของหม้อไอน้ำ

คุณภาพของนักวิเคราะห์ความเสียหายที่ดี

นักวิเคราะห์ความเสียหายที่ดีไม่จำเป็นต้องมีความเชี่ยวชาญในด้านการออกแบบ หรือมีความรู้เรื่องเครน หม้อไอน้ำหรือการเชื่อม แต่จะต้องเป็นผู้ที่รู้จักถามที่ตรงประเด็นและสามารถจดจำและประยุกต์ใช้ความรู้ด้านต่างๆรู้จักแหล่งข้อมูล พูดคุยกับผู้เชี่ยว

สรุป
ในหลายๆ กรณีการวิเคราะห์ความเสียหาย การดำเนินการตรวจสอบที่ถูกต้องและเหมาะสมมักจะเกี่ยวข้องกับศาสตร์ขององค์ความรู้หลายๆ ด้าน และนักวิเคราะห์ความเสียหายจะต้องแสดงให้เห็นและใช้ความเชี่ยวชาญที่เกี่ยวข้องทั้งหมดในการพิสูจน์ทราบสาเหตุทั้งหมดที่เกิดขึ้นกับการเสียหาย

สาเหตุราก (Root Cause) ของความเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรม

Failure Analysis หมายถึง การวินิจฉัยหาสาเหตุที่แท้จริงของความเสียหายที่เกิดขึ้น สำหรับใช้เป็นแนวทางพิจารณาในการแก้ไข ซ่อมแซม หรือออกแบบใหม่ เพื่อป้องกันความเสียหายในรูปแบบเดิมที่อาจเกิดขึ้นในอนาคต

วัตถุประสงค์ของการวิเคราะห์ความเสียหาย
1. ชี้ชัดหรือระบุปัญหาที่เกิดขึ้น
2. เพื่อหารากของปัญหา (root cause)
3. เพื่อหาแนวทางปฏิบัติที่ถูกต้อง
4. เพื่อตรวจสอบและยืนยันแนวทางปฏิบัติที่ถูกต้อง
5. เพื่อดำเนินการเปลี่ยนแปลงและสร้างมาตรฐาน

รากของปัญหา
สำหรับการเสียหายของชิ้นส่วน อุปกรณ์ทางวิศวกรรมสามารถจำแนกรากของปัญหาได้ 4 ประเภทหลักๆ ดังนี้ :
1. ความบกพร่องจากการออกแบบ
2. วัสดุมีจุดบกพร่อง
3. จุดบกพร่องจากการประกอบ/ติดตั้ง
4. ความผิดปกติจากการใช้งาน

บางครั้งสาเหตุของปัญหาถูกซ่อนอยู่ ทำให้เรามองไม่เห็น คล้ายกับรากไม้ที่ถูกฝังอยู่ใต้ดิน

จากประสบการณ์ในการวิเคราะห์ความเสียหายของผู้เขียน พบว่า บางปัญหาของการเสียหายของชิ้นส่วนแม้ว่าจะสามารถหารูปแบบหรือกลไกในการแตกหักเสียหายได้ แต่เมื่อเจาะลึกลงไปในรายละเอียดกลับพบว่า ความเสียหายนั้นเกิดจากปัญหาด้านบริหาร ยกตัวอย่าง เช่น ฝ่ายซ่อมบำรุงได้ลดจำนวนพนักงานทำให้การดูแลรักษาเครื่องจักรไม่ทั่วถึง หรือเกิดการแกล้งกันระหว่างฝ่ายผลิตกับฝ่ายประกันคุณภาพหรือฝ่ายควบคุมคุณภาพ เป็นต้น



รากของปัญหาในมุมมองที่ต่างจากวิศวกรโลหการ

1. การออกแบบ
2. การปฏิบัติการ
3. ระบบการออกใบอนุญาตทำงาน
4. การทดสอบและซ่อมบำรุง
5. ขาดการเรียนรู้ HAZID
6. ขาดความเข้าใจอย่างถูกต้อง
7. ปัจจัยจากมนุษย์
8. สาเหตุจากปัจจัยภายนอก
9. การจัดการเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลง
10. ไม่ได้เรียนรู้จากเหตุการณ์ที่เกือบเกิดความเสียหาย
11. การตอบสนองของระบบเตือนภัย
12. วัฒนธรรมองค์กร

Stress Corrosion Induced Failure of 316L Stainless Steel Pipe

S. Kaewkumsai, Nirut Bunchoo, and E.Viyanit

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. 4734-9, Fax.66-2564-6332, E-Mail: famd@mtec.or.th

Abstract
The present work aims to highlight how to conduct the failure analysis of 316L stainless steel pipe which has been in service for nearly 10 years. The key factor to cause the serious failure involved a complex reaction of stress corrosion cracking, which was initiated at HAZ of the welded pipe. The laboratory investigation including visual and metallographical examinations with using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS) was performed. The results indicate that the failure of the welded pipe is due to chloride-induced stress corrosion cracking (CISCC). Chloride could be derived from the contamination caused by sea-shore environment. Moreover, the fabrication of the stainless steel pipe by an arc welding process introduces residual stress necessary for SCC. The cross-sectional examination reveals that the crack initiation takes place at HAZ on the outer surface of the pipe. Significant evidence of carbide precipitates, whose surrounding areas have decreased Cr content necessary for the formation of stable oxide film, was also observed in the originated zones. Form those results, it is recommended to control the microstructural aspects and residual stress levels after the arc welding process.

1. Introduction
Stress corrosion cracking (SCC) is a term used to describe service failure in engineering materials that occur by slow environmentally induced crack propagation[1].This phenomenon is associated with a combination of stress (applied or residual) above the threshold value[2].

The failed component was 316 stainless steel pipe used in chemical industry for feeding the chemical solutions composed of Ethylene Dichloride (C2H4Cl2) and catalyst (solid Fe2Cl3 powder) at temperature of 35C and pressure of 3 Bars. The outer surface of the welded pipe was exposed to ambient industrial environment.

Before failure, the welded pipe has been in service for nearly 10 years. The failed position was the T-shape joint as shown in Figure 1a.

2. Experimental
Visual examinations with the aid of a stereo microscope were thoroughly carried out on the failed pipe. Then, the pipe was cross-sectioned at the failed site to prepare the convenient samples for microstructural analysis under an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM). The spark emission spectrometer was used for chemical composition analysis of the stainless steel pipe. Additionally, the corrosion products on the pipe surface were analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS).

3. Results
3.1 Visual Examination
Visual examination revealed that the outer pipe surface was covered with the paint coating. Some areas showed the signs of damaged coating, especially at the T-shape joint. Under the pilling-off of coatings, the oxidation of material as evidence by a dark-brown scale was found. On the other hand, corrosion attacks on the inner pipe surface were observed. On the pipe end, it shows mechanical damage, plastic deformation, with the presence of localized cracks.

Figure 1 a) failed stainless steel pipe; b) branched-cracks; and c) crack initiated at HAZ

 
3.2 Cross-section and Microstructure Analysis

Optical microscopic examination of cross-section specimen reveals the branched crack which is a typical aspect of the stress corrosion cracking (See Figure 1b). Cracks are initiated at HAZ of the outer pipe surface as shown in Figure 1C. The cracking mode is transgranular as observed in the area beneath the outer pipe surface.

3.3 Chemical Composition Analysis

The chemical composition of the pipe conforms to the AISI specification of 316L stainless steel. The chemical composition analysis of the corrosion products indicats the impurity element such as chlorine and sulfur.

4. Discussions

Visual examination on the crack area clearly shows that the failure of the welded stainless steel pipe is caused by the excessive stresses and corrosive atmosphere outside the pipe. The stresses are consisted of residual stress, which was introduced by welding fabrication, and stress introduced during service. The crack initially occurs at a localized region on the outer pipe surface. It could be produced from the corrosion attack at any susceptible points to form pitting corrosion which subsequently acts as the stress concentrators. The branched crack exhibits characteristics of the stress corrosion cracking (SCC). From EDS analysis, the results show that the corrosion products have untypical elements of chlorine and sulfur, which are the aggressive species for stress corrosion cracking of austenitic stainless steel[3].


During welding fabrication of stainless steel pipe, it is expected that increased residual stress in austenitic stainless steel should be attributed to its higher coefficient of thermal expansion.


The interaction between mechanical stress and the presence of chlorine and sulfur results in increasing susceptibility of austenitic stainless steel to cracking.


In general, the corrosion resistance of austenitic stainless steels to SCC depends on the following factors[3]: 1) Alloying composition. Increasing nickel and molybdenum content of austenitic stainless steel enhances the resistance to SCC, 2) Tensile stresses. Lowering residual or applied stresses increases time to failure. Stress relieving or shot peening is usually used to release tensile stresses or introduce compressive stresses, 3) Microstructures. Delta ferrite in austenitic stainless steels generally improves resistance to chloride SCC. Sensitization can promotes SCC; 4) Environmental factors. The formation of SCC is usually promoted by higher temperature, higher concentration of chloride, and lower pH levels.

5. Conclusions
- Stress corrosion cracking is a major reason to explain the failure of the welded austenitic stainless steel pipe
- Metallographic examination is a powerful tool, which can be used for identification of the stress corrosion cracking characteristic

References:
[1] C. Manfredi, J.L. Otegui, 2002, “Failure by SCC in buried pipelines”, Engineering Failure Analysis, Vol.9, pp.495-509.
[2] Kaishu Guan, Xinghua Zhang, Xuedong Gu, Longzhan Cai, Hong Xu, Zhiwen Wang, 2005, “Failure of 304 stainless bellows expansion joint”, Engineering Failure Analysis, vol.12, pp.387-399.
[3] R.C. Yin, A.H.Al-Shawaf, W.Al-Harbi, 2007, “Chloride-induced stress corrosion cracking of furnace burner tubes”, Engineering Failure Analysis, vol.14, pp.36-40.