Removing Specimens from the Fracture Origin

ในการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักเมื่อเราค้นจุดเริ่มรอยแตก (Fracture Origin) ได้แล้ว บางครั้งอาจจำเป็นต้องขยายผลว่าจุดเริ่มมีอะไรแปลกปลอมหรือเกิดอะไรขึ้น มี material defect หรือว่ามีลักษณะของ stress concentrator หรือไม่ ดังนั้นวิธีการที่สามารถพิสูจน์ได้อีกวิธีหนึ่งคือ cross-section ผ่านจุดดังกล่าว ซึ่งผลความนี้ผมจะมานำเสนอวิธีการในการตัดเอาผิวหน้าแตกบริเวณจุดเริ่มต้นไปทำการวิเคราะห์ภาคตัดขวางหรือโครงสร้างจุลภาคดังนี้ครับ (ดูภาพด้านล่างประกอบนะครับ)

- The specimen from the fracture face must be carefully cut, mounted, ground, and polished to reveal the fracture origin.

- Care must be taken when cutting a specimen that was removed from the fracture origin. For example, cuts may be made with a diamond-tipped cutoff wheel.

- Cuts should be made so that the fracture origin is at one edge of a specimen.

The second cut that is made should be approximately 1/16″ from the fracture origin. The second cut is mounted facing upward.

- The mount is then ground and polished using standard procedures.

- The proper amount of grinding brings the fracture origin to the surface of the mount.

- However, excessive grinding to the mount causes the origin to be lost.

ปล. ในระหว่างการขัด อย่าขัดเพลินนะครับ มิเช่นนั้น จุดเริ่มต้นอาจจะหายไป ซึ่งหายแล้วหายเลยนะครับ

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 28) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนชนิดมาร์เทนซิติก (Martensitic PH)) ประเภทโลหะผสมกึ่งออสเตนนิติก (Semi-austenitic)

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนชนิดมาร์เทนซิติก (Martensitic PH)) ประเภทโลหะผสมกึ่งออสเตนนิติก (Semi-austenitic)

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนประเภทกึ่งออสเตนนิติก จะต่างจากประเภทมาร์เทนซิติก กล่าวคือ ถ้าผ่านการอบอ่อนจะนิ่มเพียงพอต่อการขึ้นรูป มีโครงสร้างหลังการเย็นตัวจากขั้นตอนการอบอ่อนมาที่อุณหภูมิห้องเป็นออสเตนไนต์ ดังนั้นจึงมีสมบัติค่อนข้างนิ่ม ยืดตัวได้ดี และสามารถขึ้นรูปได้ง่าย แต่โครงสร้างจะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ที่อุณหภูมิต่ำมาก (ประมาณ -73 องศาเซลเซียส) กล่าวคือ มีอุณหภูมิเริ่มต้นในการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง การเปลี่ยนแปลงดังกล่าว เป็นปัจจัยสำคัญในการเพิ่มความแข็งให้กับวัสดุก่อนที่จะทำการบ่มแข็ง โลหะผสมกึ่งออสเตนนิติกมีสมบัติในการดูดติดแม่เหล็ก นอกจากนี้ปริมาณของธาตุนิกเกิลจะส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนเฟสไปเป็นมาร์เทนไซต์ (ถ้ามีปริมาณนิกเกิลสูงจะเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์ได้น้อย) และอัตราการแข็งขึ้นจากการขึ้นรูปเย็นของโลหะผสมประเภทดังกล่าวนี้ เช่น เกรด 17-7 PH

Learning from Teaching

มีการกล่าวไว้ว่า การเรียนรู้ของเรานั้น หัวใจสำคัญอยู่ที่เราจะได้เรียนรู้จากการสอนคนอื่น (Learning from Teaching)

ซึ่งจากประสบการณ์ในการสอนของผมที่ผ่านก็พบว่าเป็นอย่างนั้นจริงๆครับ เพราะว่าทุกครั้งที่สอน ผมจะได้รับความรู้ใหม่จากผู้เข้าเรียน หลายๆ คำถามที่ผู้เรียนถามมาผมไม่เคยรู้มาก่อนเลยก็มี ผมก็ต้องไปค้นคว้าหาความรู้เพิ่มเติม หรือแม้แต่บางคำถาม ผมอาจจะตอบได้ แต่ยังไม่ใช่ที่สุดหรือยังไม่ใช่แก่น ผมก็ต้องไปเรียนรู้เพิ่มเติมอีกเช่นกัน

การบรรยายหัวข้อการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก

บางครั้งก็ได้รับมอบหมายให้พูดหรือบรรยายในสิ่งใหม่ๆ ในสิ่งที่ตัวเองไม่ถนัดก็มีครับ ซึ่งผมก็ถือว่าเป็นโอกาสที่ดีที่จะได้แสวงหาความรู้ใหม่ๆ ซึ่งเพิ่มพูนองค์ความรู้ ต่อยอดจากที่เคยศึกษาเล่าเรียนมา จึงเป็นดังที่มีคนเคยกล่าวไว้ว่าการเรียนไม่มีที่สิ้นสุดจริงๆ 

การสอนหลักสูตรนายทหารนิรภัยการบินของนักบินกองทัพอากาศ

Do Not Remate Fracture Faces

ผมเชื่อเหลือเกินว่าหลายท่านที่อ่านบทความผมเคยทำพฤติกรรมนี้ กล่าวคือ เมื่อพบการแตกหักของชิ้นส่วนทางวิศวกรรม เช่น เพลาแตกหัก สกรูขาด ก็มักจะเอาผิวหน้าที่แตกหักออกจากกันเป็น 2 ชิ้นนั้นมาประกบกัน ท่านรู้หรือไม่ว่าเป็นสิ่งที่ไม่ควรกระทำเป็นอย่างยิ่งสำหรับนักวัสดุและวิเคราะห์ความเสียหาย เพราะว่าอะไรครับ?

ก็เพราะว่ามันอาจทำลายลักษณะที่ปรากฏในระดับจุลภาคที่มักจะบอกถึงกลไกการแตกหัก (Fracture Mechanism) ได้นั่นเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งผิวหน้าบริเวณจุดเริ่มรอยแตกหักครับ

ดังนั้น ในกรณีที่ต้องการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก ต่อไปอย่าทำนะครับ...

The Development of Fractography and Fracture Mechanics

ว่ากันว่าจุดเริ่มต้นของศาสตร์แห่งการศึกษาผิวหน้าแตกหักและกลศาสตร์การแตกหักนั้นมาจากเหตุการณ์นี้ครับ

สาเหตุรากของการเสียหายของวัสดุ (Root Causes of Materials Failures)

ถ้าเรานำชิ้นส่วนที่เกิดความเสียหายไปวิเคราะห์เพื่อหารูปแบบการเสียหาย (Failure Modes) ได้แล้ว สิ่งหนึ่งที่ต้องดำเนินการต่อ คือ ต้องหาสาเหตุรากของปัญหา (Root Cause) ให้ได้ว่าเกิดจากปัจจัยใด ซึ่งบางครั้งเราจะพบว่ามาจากปัจจัยที่เหลือเชื่อก็ได้ เช่น เกิดจากฝ่าย QC แกล้งฝ่าย QA หรือเกิดจากนโยบายด้านบุคคลของที่องค์ที่ไม่ดี หรือเกิดจากการวางแผนซ่อมบำรุงที่ไม่ดีพอ เป็นต้น

สำหรับสาเหตุรากของการเสียหายของวัสดุสามารถสรุปคร่าวๆ ได้ดังรูปด้านล่าง

ขอบคุณภาพประกอบจากหนังสือ "How to Organize and Run a Failure Investigation" ของ ASM International

วัฏจักรของอุปกรณ์เครื่องจักร (Equipment Life Cycle)

เมื่อชิ้นส่วนทางวิศวกรรมที่เรานำมาประยุกต์ใช้งานเกิดความเสียหาย แล้วนำไปวิเคราะห์หาสาเหตุที่เหนี่ยวนำให้เกิดความเสียหาย ผลการวิเคราะห์จะชี้ให้เห็นว่ามีปัจจัยมาจาก 4 กระบวนการ ได้แก่ (ดูรูปที่ 1)

รูปที่ 1 วัฏจักรของอุปกรณ์เครื่องจักร

       1.       การออกแบบ ที่อาจมีความผิดพลาด ไม่ถูกต้อง-เหมาะสม หรือเป็นจุดรวมความเค้น เป็นต้น

       2.       การเลือกใช้วัสดุ ที่อาจไม่เหมาะต่อการใช้งานในสภาวะนั้นๆ หรือไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำจริงได้

       3.       การผลิตและติดตั้ง ที่อาจทำให้เกิดจุดบกพร่องในวัสดุ เช่น มีโพรงอากาศ มีรูพรุน มีเฟสแปลกปลอม หรือมีรอยร้าวขนาดเล็ก เป็นต้น

       4.       การใช้งาน ที่อาจเกิดจากการใช้งานในสถาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เป็นต้น

การที่เราจะทราบได้ว่าการเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมเกิดจากปัจจัยใดนั้น เราจะต้องนำไปวิเคราะห์เพื่อหาสาเหตุที่เกิดขึ้น ดังนั้น เราจะเห็นได้ว่า การวิเคราะห์ความเสียหาย เป็นกิจกรรมหลักที่นำไปสู่การพัฒนาการพัฒนาและปรับปรุงผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน

การแตกหักของใบมีดกลึง (Fracture of Cutting Blade)

ข้อมูลเบื้องต้น    

            ใบมีดกลึงคาร์ไบด์ (Carbide Blade) ซึ่งทำหน้าที่ตัดเฉือนวัสดุที่เป็นโลหะ ผ่านการขึ้นรูปจากโลหะผงของทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) ได้แตกหักระหว่างขั้นตอนการกลึงผิวของใบมีดเพื่อให้เกิดคมเฉือน ส่วนของใบมีดดังกล่าวได้ถูกเชื่อมติดกับชุดเฟืองของใบตัดด้วยการบัดกรีแข็ง (Brazing) กับทองเหลือง การแตกหักเกิดขึ้นบริเวณส่วนปลายของใบมีด (รูปที่ 1) 

 รูปที่ 1 ชิ้นงานที่ใช้วิเคราะห์และทดสอบ

การตรวจสอบลักษณะทางกายภาพและผิวหน้าแตกหัก

            จากการตรวจสอบด้วยตาเปล่า พบว่า ใบมีดเกิดการแตกหักบริเวณส่วนปลายของใบมีด ซึ่งเป็นบริเวณที่เริ่มกลึงคมใบมีด ทำให้เกิดการกะเทาะออกของชิ้นส่วน เมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกหัก (รูปที่ 2) ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง พบว่า รอยแตกมีจุดเริ่มต้น (ลูกศรสีเหลือง) จากผิวหน้าของใบมีดที่เชื่อมติดกับทองเหลือง มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็ว (Fast Fracture) ซึ่งแสดงให้เห็นด้วย Radial Marks และจากการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบว่าเกิดการแตกหักตามรอยต่อระหว่างอนุภาคของผงโลหะดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 2 ผิวหน้าแตกหักของใบมีดกลึง

รูปที่ 3 ชิ้นงานแตกหักที่แสดงผิวหน้าชิ้นงานเกิดความเสียหาย

การตรวจสอบภาคตัดขวาง

            จากการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบว่าใบมีดตัดที่แตกหักผ่านการขึ้นรูปด้วยโลหะผง (Powder Metallurgy) ที่มีขนาดอนุภาคและขนาดของช่องว่าง ใหญ่กว่าที่ปรากฏในใบมีดที่ไม่เสียหาย (รูปที่ 4-5)

รูปที่ 4 ภาคตัดขวางของชิ้นงานที่ไม่แตกหัก

รูปที่ 5 ภาคตัดขวางของชิ้นงานที่แตกหัก

การทดสอบความแข็ง

            นำชิ้นงานใบมีดกลึงที่เสียหายและไม่เสียหาย ไปทดสอบความแข็งตามมาตรฐาน ASTM E18 C2001 ด้วยน้ำหนักกดขนาด 60 กิโลกรัม ในหน่วยร็อคเวล สเกลเอ (HRA) ผลการทดสอบพบว่าชิ้นงานที่ไม่แตกหักมีความแข็งสูงกว่าชิ้นงานที่แตกหัก

การทดสอบการดัดโค้ง (Bending Test)

            นำชิ้นงานใบมีดกลึงที่เสียหายและไม่เสียหาย ไปทดสอบความต้านทานต่อการดัดโค้งแบบ 3 จุด (3 Points Bending Test) เพื่อศึกษาสมบัติต่างๆ ได้แก่ ค่าความเค้น ณ จุดแตกหัก (Stress at Rupture) และโมดูลัส (Modulus) ผลที่ได้จากการทดสอบแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่าความเค้น ณ จุดแตกหักและโมดูลัสที่ได้จากการทดสอบการดัดโค้ง

ชิ้นงานทดสอบ	ความเค้น ณ จุดแตกหัก (MPa)	โมดูลัส
ใบมีดที่ไม่เสียหาย	1,958.5	477,095
ใบมีดที่เสียหาย	1,260.6	436,294

           

จากตารางจะเห็นได้ว่า ใบมีดที่เสียหายมีความแข็งแรงของพันธะที่เกิดจากการยึดติดกันของอนุภาคโลหะมากกว่าใบมีดที่ไม่เสียหาย ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่า ใบมีดที่ผ่านการอัดขึ้นรูปด้วยอนุภาคของผงโลหะขนาดเล็ก ย่อมมีพื้นที่สัมผัสกันของแต่ละอนุภาคหลังการอัดขึ้นรูป และนำไปสู่การสร้างพันธะติดกันหลังการซินเทอริงได้ดีกว่าผงโลหะที่มีขนาดใหญ่

การทดสอบความหนาแน่นที่ปรากฏ (Apparent density)

            เตรียมชิ้นงานโดยการตัดใบมีดกลึงที่เสียหายและไม่เสียหาย ให้มีมิติ (Dimension) เท่ากัน จากนั้นนำไปทดสอบความหนาแน่นที่ปรากฏ โดยนำตัวอย่างไปชั่งน้ำหนักในบรรยากาศและชั่งน้ำหนักในน้ำที่อุณหภูมิ 24 องศาเซลเซียส ด้วยเครื่องชั่งที่มีความละเอียดที่ทศนิยม 3 ตำแหน่ง ค่าสัดส่วนระหว่างน้ำหนักที่ชั่งในอากาศและ น้ำคือค่าความแน่นที่ปรากฏของชิ้นงานแต่ละชิ้น ผลที่ได้จากการทดสอบแสดงในตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ความหนาแน่นที่ปรากฏของชิ้นงานที่เสียหายและไม่เสียหาย

ตัวอย่าง	น้ำหนักในบรรยากาศ (g)	น้ำหนักในน้ำ (g)	ความหนาแน่น (g/cm3)
ใบมีดที่เสียหาย	5.893	0.414	14.27
ใบมีดที่ไม่เสียหาย	6.101	0.420	14.53

            จากตารางจะเห็นได้ว่าใบมีดที่เสียหายมีความหนาแน่นที่ปรากฏ (Apparent density) ต่ำกว่าใบมีดที่ไม่เสียหาย ผลดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า ใบมีดที่เสียหายมีช่องว่างหรือโพรงอากาศมากกว่า หรือมีเปอร์เซ็นต์การอัดแน่นต่ำกว่าใบมีดที่ไม่เสียหาย

วิจารณ์ผล

            จากผลการวิเคราะห์ใบมีดกลึงที่แตกหักด้วยตาเปล่าพบว่าชิ้นงานเกิดการแตกหักบริเวณจุดเริ่มต้นในการกลึงคมใบมีด และเมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกหัก พบจุดเริ่มต้นรอยแตกบริเวณรอยเชื่อมต่อระหว่างใบมีดกลึงกับแผ่นทองเหลือง ซึ่งยึดติดกับชุดใบตัด (Cutting Body) มีการขยายตัวของรอยแตกอย่างรวดเร็ว ซึ่งบ่งชี้ให้เห็นว่าชิ้นงานอาจเกิดการแตกหักจากแรงภายนอกที่มากระทำในปริมาณสูง หรือเกิดจากคุณภาพของชิ้นงานไม่ได้มาตรฐาน อย่างไรก็ตามจากการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักที่กำลังขยายสูง แสดงให้เห็นว่าอนุภาคของผงโลหะมีการยึดติดกันเป็นพันธะที่ไม่สมบูรณ์ (Poor Bonding) โดยสังเกตได้จากรอยแตกที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคของผงโลหะ คือแตกระหว่างผิวหน้าสัมผัสของอนุภาคผงโลหะ  ซึ่งอาจจะเกิดจากขั้นตอนการอัดขึ้นรูป (Compaction) ที่ใช้แรงในการอัดไม่เพียงพอ ทำให้อนุภาคภาคของผงโลหะเกาะกันในลักษณะที่หลวม ไม่แน่น และขั้นตอนการเผาเพื่อให้เกิดการยึดติดกันของอนุภาคโลหะผงหรือซินเทอริง (Sintering) ไม่ได้คุณภาพ กล่าวคือ อุณหภูมิและเวลาอาจไม่เพียงพอ เป็นต้น

            ผลการตรวจสอบภาคตัดขวางของใบมีดที่เสียหายและไม่เสียหาย ชี้ให้เห็นว่า ชิ้นงานผ่านการอัดขึ้นรูปด้วยขนาดอนุภาค (Particle Size) ที่ต่างกัน คือใบมีดกลึงที่เสียหายมีขนาดอนุภาคและช่องว่างใหญ่กว่า ผลดังกล่าวมีความสอดคล้องกับผลการทดสอบความแข็ง คือใบมีดกลึงที่เสียหายมีความแข็งต่ำกว่าใบมีดกลึงที่ไม่เสียหาย ส่วนการทดสอบการดัดโค้ง ชี้ให้เห็นว่า ชิ้นงานที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยขนาดอนุภาคของโลหะผงที่มีขนาดเล็กกว่า มีพื้นที่ในการสร้างพันธะและความแข็งแรงของพันธะ (Bonding Strength) ที่เกิดขึ้นโดยรวมมากกว่า จึงมีความต้านทานต่อการแตกหักและโมดูลัสมากกว่าชิ้นงานที่ขึ้นรูปจากโลหะผงที่มีขนาดของอนุภาคใหญ่กว่า นอกจากนั้นผลการทดสอบต่างๆ ที่กล่าวมายังสอดคล้องกับผลการทดสอบความหนาแน่นที่ปรากฏ

            ดังนั้นการแตกหักของใบมีดกลึงดังกล่าวน่าจะเกิดจากปัจจัยทางด้านคุณภาพของวัสดุมากกว่าปัจจัยด้านแรงที่มากระทำ เพราะเงื่อนไข (condition) และวิธีการในการกลึงคมใบมีดมีลักษณะเหมือนเดิม

สรุปผล

            จากการตรวจสอบและวิเคราะห์ผลด้วยวิธีต่างๆ ได้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกัน ดังนั้นจึงสามารถสรุปความน่าจะเป็นของการแตกหักของใบมีดกลึงได้ว่า น่าจะเกิดจากคุณภาพในการขึ้นรูปใบมีดกลึงจากโลหะผงไม่ได้คุณภาพ (ทั้งกระบวนการ compacting และ sintering) ทำให้มีความสามารถต่อการรับแรงได้ต่ำ

การแตกร้าวจากการคลายความเค้น (Stress Relaxation Cracking)

การแตกร้าวจากการคลายความเค้นมักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกและโลหะผสมกลุ่มเหล็ก-โครเมียม-นิกเกิล เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม AISI 304H ^[1] โลหะผสม 601 ^[2] โลหะผสม 800 ^[3] โลหะผสม 825 ^[4] โลหะผสม 800H ^[5-6] และโลหะผสม 800HT ^[7] ที่ถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น ท่อที่ใช้งานในเตาปฏิกรณ์ ท่อไอน้ำ และท่อหางหมูที่ใช้งานในกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (Steam Reforming)  เป็นต้น การแตกร้าวในรูปแบบดังกล่าวมักเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิ 500-750 องศาเซลเซียส ^[8] แม้ว่าช่วงอุณหภูมิดังกล่าวจะส่งเสริมให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ขนาดเล็กภายในเกรน ซึ่งทำให้เกรนมีความต้านทานต่อการเสียรูปแบบถาวรจากการคืบ (Creep Deformation Resistance) ก็ตาม แต่ถ้ามีการตกตะกอนของคาร์ไบด์ขนาดเล็กตามขอบเกรน (ดูรูปที่ 1) มักส่งผลให้ขอบเกรนมีความเหนียวลดลง ^[9] เมื่อท่อมีการยืดตัวหรือได้รับความเค้นเนื่องจากความร้อน (Thermal Stress) จะทำให้เกิดการแตกร้าวตามขอบเกรน (Intergranular Cracking) ได้ง่าย (รูปที่ 2)

รูปที่ 1 การตกตะกอนที่เกิดขึ้นทั้งภายในและตามขอบเกรน

รูปที่ 2 การแตกร้าวตามขอบเกรน

แม้ว่าโลหะผสมดังกล่าวจะทนต่อสภาวะมีฤทธิ์กัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงมากก็ตาม แต่มักมีความไวต่อการแตกร้าวเมื่อได้รับความร้อนซ้ำ (Reheat Cracking) และการแตกร้าวจากการคลายความเค้น (Stress Relaxation Cracking) ซึ่งการแตกร้าวทั้งสองรูปแบบมักเป็นสาเหตุการเสียหายของอุปกรณ์ที่กล่าวมา สำหรับ Reheat Cracking นั้นมักเกิดขึ้นในระหว่างการอบเพื่อลดความเค้นตกค้างหลังการเชื่อม (Post Weld Heat Treatment) หรือหลังจากผ่านการใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้ไม่นาน ในขณะที่ Stress Relaxation Cracking นั้น ส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนที่ผ่านการเชื่อมและถูกนำไปใช้งานในช่วงอุณหภูมิ 500-750 องศาเซลเซียสในช่วงระยะเวลา 10,000-100,000 ชั่วโมง ^[10] และความเค้นที่ทำให้เกิดการแตกร้าวมาจากหลายปัจจัย เช่น บริเวณนั้นมีการรั้งตัวสูง (High Degree of Restraint) มีแนวเชื่อมที่แคบในส่วนที่มีความหนาของผนังมาก หรือมีการสะสมของความเข้มของความเค้นเฉพาะจุด (Localized Stress Concentration)

การแตกร้าวจากการอบคลายความเค้นเป็นปรากฏการณ์ที่มีปัจจัยมาจากความเค้นเป็นหลัก ปรากฏการณ์นี้มักเกิดขึ้นในโซนที่มีเกรนหยาบและบริเวณที่ได้รับผลกระทบเนื่องจากความร้อน (HAZ) ของชิ้นส่วนที่ผ่านการเชื่อม (รูปที่ 3) ลักษณะโดยทั่วไปของการแตกร้าวในวัสดุกลุ่มออสเตนนิติกรวมทั้งโลหะผสมในอนุกรม 800 ได้แก่ ^[11]

1.       รอยแตกร้าวขยายตัวตามขอบเกรนและมักมีช่องว่าง (Void) ตามขอบเกรนในตำแหน่งก่อนที่รอยร้าวจะขยายตัวผ่าน

2.       รอยร้าวมักเกิดขึ้นในบริเวณที่ได้รับผลกระทบเนื่องจากความร้อน (HAZ) แนวเชื่อม หรือพื้นที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น

3.       โดยส่วนมากมักปรากฏให้เห็นเส้นใยโลหะ (Metallic Filament) บนขอบเกรนที่เกิดการแตกร้าว เส้นใยเหล่านี้มักถูกห่อหุ้มด้วยชั้นออกไซด์ที่มีโครเมียมสูง และในชั้นออกไซด์ดังกล่าวจะมีปริมาณของนิกเกิลและเหล็กต่ำ องค์ประกอบทางเคมีของใยโลหะขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ แต่โดยทั่วไปมักมีโครเมียมต่ำแต่มีนิกเกิลและเหล็กสูง

4.       รอยร้าวมักเกิดขึ้นในบริเวณที่มีความแข็งมากกว่า 200 HV

5.       การแตกร้าวมักเกิดขึ้นกับโลหะที่ถูกใช้งานที่อุณหภูมิในช่วง 500-750 องศาเซลเซียส และแปรผันตามชนิดของวัสดุ

รูปที่ 3 โครงสร้างจุลภาคแสดงรอยแตกร้าว

Van Wortel ^[8] และ Shoemaker และคณะ ^[12] ได้อธิบายการลดความเสียหายด้วยกลไกการแตกร้าวจากการคลายความเค้น โดยแนะนำให้ทำการอบคลายความเค้นที่อุณหภูมิอย่างน้อย 885 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชม ต่อความหนา 1 นิ้ว กระบวนการทางความร้อนที่ดำเนินการหลังจากการเชื่อมให้ประโยชน์ 2 แนวทาง กล่าวคือ (1) ลดความเค้นตกค้างหลังการเชื่อม และ (2) ลดความแข็งและบ่มแข็งวัสดุให้นานขึ้นเพื่อลดอิทธิพลจากการเพิ่มขึ้นของความแข็งจากการตกตะกอนของแกมม่าไพรม์

เอกสารอ้างอิง

[1]      Yoon KB, Yu JM, Nguyen TS. Stress relaxation cracking in 304H stainless steel weld of a chemical reactor serviced at 560 °C. Eng Fail Anal (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.01.014.

[2]      Stahl H, Smith G, Wastiaux S. Strain-age Cracking of Alloy 601 Tubes at 600 °C. PFANF8 2001;1:51-54.

[3]      Srivastava SK, Katarki MV. Failure Analysis of Fire Tube Sleeve of Heater Treater. J Fail. Anal. and Preven 2009;9:310–5.

[4]      Daniel JB, Douglas BO, Michael U. High-Temperature Stress Relaxation Cracking and Stress Rupture Observed in a Coke Gasifier Failure. JFAP 2011;11:251–64.

[5]      Ul-Hamid A, Tawancy HM, Mohammed AI, Al-Jaroudi SS, Abbas NM. Failure of Ethylene Furnace Outlet Transfer Line Due to Overheating. JFAPBC 2005;4:54-61.

[6]      Al-Shahrani S, Al-Meshari A, Zyl GN, Ahmad S. Failure Analysis of a Heat Exchanger Shell. J Fail. Anal. and Preven (2013);13:20–25.

[7]      Xu LY, Zhu P, Jing HY, Guo K, Zhong SX, Han YD. Failure analysis of Incoloy 800HT pipe at high temperature. Eng Fail Anal 2013;31:375–86.

[8]      Wortel HV. Control of relaxation cracking in austenitic high temperature components. NACE Corrosion 2007 conference and Expo, NACE paper No. 07423, TNO Science and Industry, NACE International, Houston, 2007.

[9]      Daniel JB, Douglas BO, Michael U. High-Temperature Stress Relaxation Cracking and Stress Rupture Observed in a Coke Gasifier Failure. JFAP 2011;11:251–64.

[10]    Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: John Wiley & Sons; 2005.

[11]    Spyrou LA, Sarafoglou PI, Aravas N, Haidemenopoulos GN. Evaluation of creep damage of INCOLOY 800HT pigtails in a refinery steam reformer unit. Eng Fail Anal 2014;45:456–69.

[12]           Shoemaker LE, Smith GD, Baker BA, Poole JM. Fabricating nickel alloys to avoid stress relaxation cracking. Paper No. 07421, NACE International Corrosion 2007 Conference & Expo; 2007.