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 “การแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจน”มีนิยามแบบกว้างๆ และเป็นการนำเอากลไกต่างๆ ที่เป็นผลจากไฮโดรเจนทั้งหมดมารวมไว้ด้วยกัน และบางกรณีอาจใช้แทนคำว่า“การแตกร้าวจากการเหนี่ยวนำของไฮโดรเจน (hydrogen-induced cracking)” “การแตกเปราะจากไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement)” และ“การเสียหายจากไฮโดรเจน (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”ว่า“การเกิดรอยแตกเนื่องจากความเค้นในสภาวะกัดกร่อน” ส่วนหนังสือการกัดกร่อนและการเลือกใช้วัสดุ ของ รศ.ศิริลักษณ์ นิวิฐจรรยงค์ ใช้ว่า “การเกิดการกัดกร่อนแล้วแตกจากความเค้น”

[2]      พจนานุกรมศัพท์วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี บัญญัติ “Corrosion Fatigue; CF” ว่า “การกัดกร่อนร่วมกับความล้า”