วันจันทร์ที่ 28 มกราคม พ.ศ. 2556

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 27) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนชนิดมาร์เทนซิติก (Martensitic PH)) เกรด 15-5 PH และ เกรด PH 13-8 Mo


เกรด 15-5 PH มีส่วนผสมของโครเมียม 15% นิกเกิล 5% ทองแดง 3% [141] ไนโอเบียม 0.3% และมีคาร์บอนค่อนข้างต่ำ ~0.02% จึงจัดเป็นโลหะผสมมาร์เทนซิติกที่มีคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Martensitic Stainless Steel) สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้โดยการตกตะกอนของเฟสที่มีทองแดงปริมาณสูงที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอบนโครงสร้างพื้นฐานแบบมาร์เทนซิติก การบ่มแข็งในช่วงอุณหภูมิ 450-470 องศาเซลเซียส จะทำให้วัสดุมีความแข็งและความแข็งแรงสูง อย่างไรก็ตามสมบัติดังกล่าวจะลดลงเมื่อบ่มแข็งในช่วงอุณหภูมิ 490-650 องศาเซลเซียส แต่ความแข็งจะเพิ่มเล็กน้อยอีกครั้งเมื่อบ่มแข็งที่ช่วงอุณหภูมิ 650-850 องศาเซลเซียส  มีอุณหภูมิเริ่มต้นเป็นมาร์เทนไซต์ในระหว่างการเย็นตัวคล้ายกับเกรด 17-4 PH คือ ประมาณ 105 องศาเซลเซียส ดังนั้นโครงสร้างมาร์เทนไซต์จึงเกิดขึ้นได้ง่ายในเกรดดังกล่าวหลังจากขั้นตอนการอบอ่อน หรือผ่านการขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ มักผลิตเป็นชิ้นส่วนเครื่องจักร ใบพัดกังหัน และชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ที่สัมผัสกับอุณหภูมิสูง [144]

เกรด PH 13-8 Mo มีส่วนผสมของโครเมียม 13% นิกเกิล 8% [145] ซึ่งถือว่าเป็นเกรดที่มีนิกเกิลสูงกว่าทุกเกรดในประเภทโลหะผสมมาร์เทนซิติก มีโมลิบดีนัม 2% มีคาร์บอนค่อนข้างต่ำ และมีการเติมอะลูมิเนียมประมาณ 1% เพื่อฟอร์มตัวเป็นอนุภาคเชิงโลหะ (Intermetallic Phase) หลังจากบ่มแข็ง มีความแข็งและความแข็งแรงสูง รวมทั้งความต้านทานการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าและการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน เนื่องจากเป็นเกรดที่มีปริมาณออสเตนไนต์สูง ในสภาวะหลังจากการอบอ่อนวัสดุจะมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นมาร์เทนไซต์แผ่น (Lath Martensite) และมีออสเตนไนต์เหลือค้างในปริมาณเล็กน้อย เมื่อนำไปบ่มที่อุณหภูมิในช่วง 450-620 องศาเซลเซียส จะเกิดการตกตะกอนของอนุภาคนิกเกิล-อะลูมิเนียมก้อนกลม (Round NiAl Particle) ซึ่งจะส่งผลให้เหล็กกล้ามีความแข็งเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ อนุภาคดังกล่าวยังช่วยลดการเกิดเกรนหยาบ สำหรับการแยกตัวตกตะกอนของโมลิบดีนัมและโครเมียมที่รอยต่อระหว่างอนุภาคที่ตกตะกอนและโครงสร้างพื้น จะยับยั้งการขยายตัวของอนุภาค NiAl ในขณะที่ถ้ามีการบ่มแข็งมากเกินไป (ที่อุณหภูมิมากกว่า 620 องศาเซลเซียส) จะเกิดการเปลี่ยนเฟสจากมาร์เทนไซต์ไปเป็นออสเตนไนต์ ลักษณะดังกล่าวจะทำให้วัสดุมีความแข็งลดลง ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากซัลไฟต์ (SSCC) โลหะผสมดังกล่าวมักผลิตเป็นชิ้นส่วนโครงสร้างที่วิกฤติ [146] เช่น โครงสร้างของระบบที่ใช้ในการลำเลียงน้ำมันและแก๊ส เนื่องจากมีความสามารถในการเชื่อมที่ดีและมีความต้านทานการกัดกร่อนจากคาร์บอนไดออกไซด์ดีเยี่ยม และยังสามารถเป็นชิ้นส่วนวาล์ว ข้อต่อ ชิ้นส่วนประกอบของอากาศยาน และชิ้นส่วนในโรงงานปิโตรเคมี เป็นต้น

เอกสารอ้างอิง 

[141]  M. Aghaie-Khafri, F. Adhami. Hot deformation of 15-5 PH stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2010; 527(4-5): pp. 1052-7.

[142]  www.aalco.co.uk/.../Aalco_Datasheet_St_St_Precipitation_Hardening.pd

[143]  Samuels, Leonard. Metals Engineering: A Technical Guide. Editor: Carnes Publication Services Inc. ASM International, 1988, pp. 368-9.

[144]  H. R. Habibi Bajguirani. The effect of ageing upon the microstructure and mechanical properties of type 15-5 PH stainless steel. Materials Science and Engineering A 2002; 338(1-2): pp. 142-59.

[145]  L.W. Tsay, H.H. Chen, M.F. Chiang, C. Chen. The influence of aging treatments on sulfide stress corrosion cracking of PH 13-8 Mo steel welds. Corrosion Science 2007; 49(6): pp. 2461-73.

[146]  Y.S. Ding, L.W. Tsay, M.F. Chiang, C. Chen. Gaseous hydrogen embrittlement of PH 13-8 Mo steel. Journal of Nuclear Materials 2009; 385(3): pp. 538-44.

การแตกร้าวของโลหะจากการช่วยของสิ่งแวดล้อม (Environmentally-assisted cracking of metals) ตอน บทนำ


บทนำ

            จากประสบการณ์ของผมซึ่งเป็นนักวิเคราะห์ความเสียหายชิ้นส่วนโลหะมามากกว่า 13 ปีพบว่า การแตกร้าวมักเป็นสาเหตุส่วนใหญ่ของการเสียหายของชิ้นส่วนโลหะที่ถูกใช้งานในโรงงานปิโตรเคมี เคมีและโรงไฟฟ้า ซึ่งรูปแบบดังกล่าวอาจถือได้ว่าเป็นอันตรายต่อชิ้นส่วนทางวิศวกรรมมากที่สุด เนื่องจากอาจนำไปสู่การแตกหักที่มักเกิดขึ้นแบบทันทีทันใดโดยมีสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเป็นตัวส่งเสริมให้เกิดการแตกร้าว เนื่องจากความรุนแรงของสิ่งแวดล้อมมักเป็นส่วนเสริมให้เกิดการแตกหักและเป็นตัวเร่งอัตราการเสียหายของวัสดุ

            การแตกร้าวจากการส่งเสริมของสิ่งแวดล้อมจึงเป็นหัวข้อที่ควรศึกษาเพื่อให้เกิดความเข้าใจและรู้ข้อแตกต่างระหว่างกลไกความเสียหายแต่ละรูปแบบ แม้ว่ากลไกที่ทำให้เกิดการแตกร้าวจะมีความซับซ้อน โดยทั่วไปมักแยกออกได้เป็น 3รูปแบบ คือ

1. การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน[1] (Stress Corrosion Cracking; SCC)

2. ความล้าร่วมกับการกัดกร่อน[2] (Corrosion Fatigue; CF)และ

3. การแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจน (Hydrogen-Assisted Cracking; HAC)

            รูปแบบเหล่านี้จำเป็นต้องมีการจำแนกความแตกต่าง เนื่องจากมีลักษณะที่ปรากฏบางอย่างคล้ายคลึงกันแต่มีบางอย่างที่แตกต่างกัน ทั้งนี้เพื่อนำไปสู่การหาแนวทางในการป้องกันความเสียหายไม่ให้เกิดขึ้นอีกในอนาคต

            ผู้เขียนขอกล่าวถึงรูปแบบการแตกร้าวที่มีสิ่งแวดล้อมเป็นตัวช่วยเป็นลำดับดังนี้ การแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจน การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน และการแตกร้าวจากความล้าร่วมกับการกัดกร่อน ซึ่งประกอบด้วยกลไกของการเกิด ปัจจัยที่ส่งผลกระทบ และแนวทางในการแก้ไขและป้องกัน นอกจากนี้ยังมีการเปรียบเทียบลักษณะเฉพาะที่ปรากฏของการแตกร้าวทั้งสามรูปแบบ

1.การแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจน

            การที่ชิ้นส่วนโลหะมีไฮโดรเจนเจือปนอยู่ภายในสามารถส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพทางกลและทำให้มีความไวต่อการแตกร้าวได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าไฮโดรเจนเข้าไปกักขังแบบเฉพาะจุดในชิ้นส่วนโลหะ เช่น บริเวณส่วนปลายของรอยร้าว จะสามารถเร่งให้เกิดการขยายตัวของรอยร้าวได้

            ไฮโดรเจนสามารถเข้าไปอยู่ในโลหะได้หลายรูปแบบ โดยอาจอยู่ในรูปของน้ำ อากาศ (แก๊สไฮโดรเจน ไอน้ำ มลภาวะ ฯ) และสารประกอบต่างๆ และเมื่อไฮโดรเจนเข้าไปอยู่ในโลหะจะมีบทบาทสำคัญต่อการแตกร้าวหลายรูปแบบ ได้แก่ การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน การล้าร่วมกับการกัดกร่อน และการแตกร้าวจากการล้า (fatigue cracking)

            อย่างไรก็ตามยังมีปรากฏการณ์การแตกร้าวที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนที่มีความสำคัญภายใต้การรับแรงแบบคงที่และในสภาวะที่มีไฮโดรเจนโดยที่ไม่มีกระบวนการกัดกร่อนมาร่วมด้วย การแตกร้าวด้วยกลไกดังกล่าวนี้ (HAC) ถือว่าเป็นกลไกการแตกร้าวที่แยกมาจาก SCC และ CF และการแตกร้าวจากการล้าทั่วไป

            นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดความเสียหายเล็กน้อยขึ้นกับวัสดุ โดยไม่ส่งผลต่อการแตกหักของวัสดุ ซึ่งคำว่า การแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจนมีนิยามแบบกว้างๆ และเป็นการนำเอากลไกต่างๆ ที่เป็นผลจากไฮโดรเจนทั้งหมดมารวมไว้ด้วยกัน และบางกรณีอาจใช้แทนคำว่าการแตกร้าวจากการเหนี่ยวนำของไฮโดรเจน (hydrogen-induced cracking)” “การแตกเปราะจากไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement)” และการเสียหายจากไฮโดรเจน (hydrogen damage)”

            บทความนี้จะถือว่าการแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจนเป็นกลไกที่ไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญต่อการเป็นจุดเริ่มต้นหรือการขยายตัวของรอยร้าว ส่วนกลไกที่ไฮโดรเจนมีส่วนส่งเสริมให้เกิดความเสียหายขึ้นกับวัสดุ เช่น การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนและการล้าร่วมกับการกัดกร่อนจะอธิบายในลำดับถัดไป

            รอยร้าวที่ขยายตัวจากการช่วยของไฮโดรเจนโดยทั่วไปมักไม่เป็นกิ่งก้านสาขา (อาจพบในปริมาณเล็กน้อย) และการขยายตัวของรอยร้าวอาจเป็นไปได้ทั้งแบบผ่าเกรน (transgranular) หรือตามขอบเกรน (intergranular) วัสดุที่เกิดความเสียหายด้วยกลไกนี้มักไม่พบการเสียรูปอย่างถาวรให้เห็นเด่นชัด ดังนั้นการแตกหักที่เกิดขึ้นจากกลไก HAC จึงมักเป็นการแตกแบบเปราะ (brittle fracture) กลไกความเสียหายจากไฮโดรเจนหลายรูปแบบสามารถแสดงผลร่วมกันหรือเป็นแบบเดี่ยวเพื่อให้เกิดจุดเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยร้าว

ครั้งต่อไปผมจะมากล่าวถึง กลไกและรูปแบบต่างๆ ของการแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจน โปรดรอติดตามนะครับ



[1]      พจนานุกรมศัพท์วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี บัญญัติ “Stress Corrosion Cracking; SCC”ว่าการเกิดรอยแตกเนื่องจากความเค้นในสภาวะกัดกร่อนส่วนหนังสือการกัดกร่อนและการเลือกใช้วัสดุ ของ รศ.ศิริลักษณ์ นิวิฐจรรยงค์ ใช้ว่า การเกิดการกัดกร่อนแล้วแตกจากความเค้น
[2]      พจนานุกรมศัพท์วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี บัญญัติ “Corrosion Fatigue; CF” ว่า การกัดกร่อนร่วมกับความล้า

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation)

Image credit: https://www.safefoodfactory.com/en/editorials/54-pickling-and-passivating-stainless-steel/ เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดการกัดกร่...