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