รูปที่ 1 กลไกการแตกแบบเหนียวของโลหะ
ก) กระบวนการเกิดช่องว่างขนาดเล็กจนกระทั่งแตกหัก ข) การเกิดช่องว่างบริเวณรอยต่อระหว่างอนุภาคแปลกปลอมกับโครงสร้างพื้น
ก) equiaxed dimple
ข) shear dimple
รูปที่ 2 ภาพถ่าย
SEM แสดงลักษณะทางจุลภาคของผิวหน้าแตก ก) equiaxed dimple และ ข) shear dimple
นักวิเคราะห์ความเสียหายจำเป็นต้องใช้ผลการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักในการสรุปรูปแบบและสาเหตุของการแตกหัก
ซึ่งเป้นที่ทราบกันดีว่าการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักจะยุ่งยากมากขึ้นถ้าผิวหน้ามีการเสียดสี
ถูกทำลายหลังการแตก และมีการกัดกร่อนเกิดขึ้น แต่ถ้าผิวหน้าแตกหักไม่ได้มีสิ่งเหล่านี้มารบกวน
นักวิเคราะห์จะต้องชี้ชัดรูปแบบของผิวหน้าแตกหักจากลักษณะที่ปรากฏบนผิวแตกให้ได้
และเมื่อทราบรูปแบบของการแตกแล้ว นักวิเคราะห์ยังต้องบ่งบอกถึงเงื่อนไข
(วัสดุหรือสิ่งแวดล้อม) ที่นำไปสู่สาเหตุการแตกหัก
การที่จะเอาลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักไปใช้ในการอธิบายสาเหตุของการแตกหักได้นั้น
นักวิเคราะห์จะต้องทราบและแสดงให้เห็นถึงสหสัมพันธ์ระหว่างลักษณะผิวแตกที่ปรากฏและรูปแบบของการแตก
โดยพิจารณาเทียบกันแบบตัวต่อตัว
ดังนั้นผิวหน้าแตกหักที่ศึกษาจะแสดงให้เห็นการแตกเพียงหนึ่งรูปแบบเท่านั้น
อย่างน้อยที่สุด นักวิเคราะห์ต้องแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างรอยแตกร้าวที่เกิดขึ้นจากการรับแรงแบบคาบหรือการล้าตัว
(Fatigue)
ที่รอยร้าวมีการขยายตัวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ (da/dN) ในแต่ละคาบของความเค้น (N)
และการแตกร้าวที่เกิดจากการรับแรงเกินพิกัด (Overload) ที่รอยแตกมีการขยายตัวจากการรับความเค้นแบบคงที่ตลอด
สำหรับปัจจัยที่ใช้แสดงความแตกต่างของผิวแตกระหว่างการล้าตัวกับการรับแรงเกินพิกัดในวัสดุเหนียวนั้น
มักพิจารณาจากการปรากฏของ striation หรือ dimple แต่ในความเป็นจริง การแตกหักจากการล้าอาจไม่ปรากฏให้เห็น striation
เสมอไป ซึ่งประเด็นนี้หลายคนก็ให้การยอมรับ และ dimple ก็ไม่จำเป็นต้องที่จะเป็นสัญลักษณ์ที่บอกว่าเป็นความเสียหายจากการรับแรงเกินพิกัดเสมอไป
แต่สำหรับคำกล่าวอันหลังนี้อาจมีบางท่านไม่เห็นด้วย
อาจเป็นเพราะไม่เคยเห็นหรือไม่เคยศึกษามาก่อนก็เป็นไปได้ เพราะค่าว่า “Fatigue
dimple” ไม่ค่อยปรากฏให้เห็นในเอกสารทางวิชาการมากนัก ทั้งๆ ที่ในความเป็นจริงแล้ว dimple ก็ได้ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัวมานานแล้ว แต่อาจมีการมองข้ามไปหรือไม่ได้ใส่ใจ
แต่ถ้าใครเคยอ่าน ASM Handbook เล่มที่ 11 [1] ตีพิมพ์ในปี 2002 หน้า 578 เรื่อง “cyclic microvoid process” ก็จะพบว่ามีการกล่าวถึงช่องว่างจากการล้าตัวไว้อยู่เหมือนกัน
เป็นที่ทราบกันดีในกลุ่มนักวิเคราะห์ที่มีประสบการณ์ในการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักว่าลักษณะทางกายภาพของรอยแตกจากการล้าตัวจะเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการขยายตัวของรอยร้าว
(da/dN) เป็นหลัก ซึ่ง striation (ที่เป็นดัชนีที่บ่งบอกถึงการขยายตัวของรอยแตกในแต่ละคาบของแรงที่กระทำ)
จะฟอร์มตัวในช่วงอัตราการขยายตัวของรอยร้าวที่ค่าๆ หนึ่งและเกิดขึ้นในบางวัสดุเท่านั้น
บางวัสดุอาจไม่พบ เช่นเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก [2] ถ้าอัตราการขยายตัวของรอยร้าวต่ำกว่าค่าดังกล่าว ลักษณะที่ปรากฏบนผิวแตกอาจมองเห็นลักษณะของโครงสร้างผลึก
(Crystallographic) แต่ถ้าอัตราการขยายตัวของรอยร้าวสูงกว่าค่าดังกล่าว
ลักษณะที่ปรากฏบนผิวแตกก็สามารถพบ fatigue dimple ได้
มีกรณีตัวอย่างการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกของเพลา
(รูปที่ 3)
จากการวิเคราะห์ลักษณะทางมหภาคพบว่าผิวหน้าแตกหักสามารถแบ่งได้เป็น 2 โซน
โซนแรกมีจุดเริ่มต้นของรอยแตกมาจากผิวหน้าด้านนอกของเพลาและมีจุดเริ่มหลายจุด
(ยืนยันได้จากการตรวจพบ ratchet mark) มีพื้นที่ประมาณ 95%
ของพื้นที่ทั้งหมด จากการตรวจสอบพบ striation ในปริมาณหนาแน่น
(ลักษณะดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าแรงที่กระไม่สูงมากนัก) และเมื่อตรวจสอบห่างออกมาจากจุดเริ่มต้นในช่วงเปลี่ยนผ่านของโซนที่
1 มาโซนที่ 2 พบลักษณะ transgranular fracture แต่จุดสิ้นสุดของโซนที่
2 พบลักษณะของ fatigue dimple ซึ่งชี้ให้เห็นว่าบริเวณดังกล่าวมีอัตราการขยายตัวของรอยร้าวสูงกว่าค่าที่จะทำให้เกิดการฟอร์ม
striation กล่าวคือ โซนที่ 2 เป็นพื้นที่เกิดการแตกหักในขั้นสุดท้ายนั่นเองบางครั้งอาจเรียกว่า
“final overload zone” และบางครั้งในโซนดังกล่าวอาจพบ Transgranular
fracture ทั้งหมดก็ได้
จากกรณีตัวอย่างของผิวหน้าแตกที่กล่าวมาจะเห็นว่าอัตราการขยายตัวของรอยร้าว
(da/dN) จะเพิ่มตามระยะความยาวของรอยร้าว ดังนั้น
ลักษณะที่ปรากฏของผิวหน้าแตกหักจึงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องจากจุดเริ่มต้นจนกระทั่งจุดสุดท้าย
สำหรับ striation ที่ตรวจพบในโซนที่มีจุดเริ่มต้นของรอยแตกดังรูปที่
3ก-ข นั้นสามารถบอกได้เลยว่ารูปแบบของความเสียหายคือการล้า (Fatigue) อย่างไรก็ตามถ้าพิจารณาผิวแตกดังรูปที่ 3ง พบ dimple ซึ่งอาจทำให้เกิดการวิเคราะห์รูปแบบการแตกหักผิดพลาดได้ถ้าไม่มีการแสดงลำดับเหตุการณ์ของการแตกจากจุดเริ่มด้วยการล้า
รูปที่ 3 ผิวหน้าแตกหักของเพลา ก)
จุดเริ่มรอยแตกถูกเสียดสีหลังการแตกหัก ข) striation ใน fatigue zone ค) transgranular cracking ใกล้จุดรอยแตกสุดท้าย และ
ง) fatigue dimple ใน overload zone
ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่สำคัญมากที่นักวิเคราะห์ความเสียหายจะต้องตรวจสอบผิวหน้าแตกหักทั้งหมดโดยพิจารณาทั้งลักษณะทางมหภาคและจุลภาค
ซึ่งอันดับแรกต้องระบุจุดเริ่มต้นรอยแตกให้ได้ก่อน
เพราะในบางครั้งลักษณะผิวหน้าแตกหักในระดับจุลภาคอาจนำไปสู่การสรุปผลรูปแบบการเสียหายที่ผิดพลาดได้
เข้าใจตรงกันนะ...
เอกสารอ้างอิง
1. 1. ASM handbook. Failure Analysis and
Prevention. vol. 11. ASM International; 1996:578.
2.Sachs NW. Understanding
the surface features of fatigue fracture: how they describe the failure cause
and the failure history. JFAPBC 2005:11–5.
ขอขอบคุณคุณวิษณุพงษ์ คนแรง ที่ถ่ายภาพผิวหน้าแตกหักของเพลา (รูปที่ 3)
