ชิ้นส่วนยานยนต์เกิดการแตกหักจากการรับแรงดัดซ้ำกันไปมา
ลักษณะของผิวหน้ารอยแตกเป็นแบบเปราะ (brittle fracture) ด้วยกลไกการล้า (fatigue) รอยแตกเกิดขึ้นบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดพื้นที่หน้าตัด
ซึ่งโดยทั่วไปมักเป็นจุดที่มีความเข้มของความเค้นสูง (high stress
concentration) ผิวหน้าแตกในสภาพที่รับมาถูกปกคลุมด้วยสนิม (รูปที่
1) ซึ่งปิดบังรายละเอียดบนผิวหน้าแตกหัก จึงจำเป็นต้องทำความสะอาดผิวหน้าแตกก่อนการตรวจสอบด้วยสารละลาย N,N'-Di-n-butylthiourea (3 mL
of hydrochloric acid (1.19 specific gravity), 4 mL of 2-butyne-1,4-diol (35% aqueous solution), and 50 mL of deionized water)
ซึ่งสารละลายดังกล่าวจะกำจัดเฉพาะผลิตภัณฑ์การกัดกร่อน (สนิม)
ที่ปกคลุมผิวหน้าแตกเท่านั้น โดยจะไม่ทำลายหรือกัดผิวหน้าแตกดั้งเดิม
จึงทำให้สามารถสังเกตเห็นรายละเอียดบนผิวหน้าแตกได้อย่างชัดเจน
รูปที่ 1
ผิวหน้าแตกหลังจากการทำความสะอาด
(ดูรูปที่ 2) แบ่งออกเป็น 3 ส่วนหลักๆ คือ
1. จุดเริ่มต้นรอยแตก
ซึ่งมีหลายจุด (multiple origins) ลักษณะดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าอาจเกิดจากการได้รับความเค้นสูงหรือไม่ก็บริเวณดังกล่าวเป็นจุดรวมความเค้นสูง
(high stress concentration)(1) หรือเกิดความเสียหายจากการเปลี่ยนแปลงของค่าแรงในระดับสูง (high
amplitude loads)(2) ซึ่งต่างจากผิวแตกที่มีจุดเริ่มเพียงจุดเดียว
(single origin) ซึ่งชี้ให้เห็นว่าชิ้นงานมักจะได้รับความเค้นเกินค่าพิกัดที่ระดับต่ำๆ
(low overstress) มีจุดความความเค้นเพียงจุดเดียว หรือมีการเปลี่ยนแปลงของค่าแรงในระดับปานกลาง
(moderate amplitude loads) ลักษณะดังกล่าวยังสามารถยืนยันได้จากสัดส่วนของพื้นที่ที่แตกหักด้วยกลไกการล้า
(fatigue zone) และพื้นที่ที่แตกหักจากการรับแรงเกินพิกัด (overload
zone) ซึ่งจะกล่าวในลำดับถัดไป
รูปที่ 2
2. บริเวณที่ได้รับความเสียหายจากการล้าตัว
(fatigue
zone) เป็นพื้นที่ที่รอยแตกมีการขยายตัวอย่างช้าๆ
เกิดจากการได้รับแรงแบบซ้ำไปซ้ำมาหรือเป็นคาบ
ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงของค่าแรงในระดับปานกลางจะมี fatigue
zone มากกว่า overload
zone และถ้ามีการเปลี่ยนแปลงของค่าแรงในระดับต่ำจะมี fatigue zone ค่อนข้างมาก
ในบางกรณีอาจกินพื้นที่เกือบ 100 เปอร์เซ็นต์ของผิวหน้าแตก ผิวหน้าแตกที่มี fatigue
zone มากมักเป็นการแตกที่รอบสูง (high cycle fatigue) หรืออาจกล่าวได้ว่าเป็นแตกหักจากการได้รับความเค้นเกินค่าพิกัดที่ระดับต่ำๆ
(low overstress)
และสัมพันธ์กับการแตกหักที่มีจุดเริ่มเพียงจุดเดียว แต่ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงของค่าแรงในระดับสูงจะมี fatigue zone น้อยกว่า overload
zone ผิวหน้าแตกที่มี fatigue zone น้อยมักเป็นการแตกที่รอบต่ำ
(low cycle fatigue) ซึ่งในกรณีตัวอย่างดังกล่าวนี้ผิวหน้าแตกมีสัดส่วน
fatigue zone/overload zone ประมาณ
10/90 ดังนั้นการแตกหักดังกล่าวจึงน่าจะเกิดจากการได้รับความเค้นสูงหรือไม่ก็เป็นจุดรวมความเค้น
ซึ่งต้องมีการทดสอบสมบัติด้านอื่นๆ ประกอบด้วย ใน fatigue zone นี้แสดงให้เห็นแนวของการขยายตัวของร้าวเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงขนาดของแรงที่มักเรียกกันว่า
beach marks ซึ่งมีหลายชื่อที่ใช้แทนคำว่า beach mark
ได้แก่ progression mark, clamshell marks, conchoidal
marks, stop marks และ arrest marks ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว
beach mark สามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่าดังแสดงในรูปที่ 3
นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตเห็นรอยร้าวทุติยภูมิ (secondary crack) อย่างชัดเจน ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีกระทำค่อนข้างสูง
รูปที่ 3
3. พื้นที่ที่รับแรงเกินพิกัด
(overload
zone) หรือบริเวณที่เกิดการแตกอย่างรวดเร็ว (fast fracture) คือส่วนของผิวหน้าแตกหักที่เกิดความเสียหายในช่วงสุดท้าย ขนาดของ overload zone
จะสัมพันธ์กับขนาดแรงที่มากระทำในช่วงแตกหักขั้นสุดท้าย
ซึ่งรายละเอียดได้กว่ามาแล้วในหัวข้อ 2 (fatigue zone)
การป้องกันไม่ให้การแตกแบบล้าในกรณีดังกล่าวอาจดำเนินการโดยการตรวจพินิจด้วยสายตา (visual inspection) ตั้งแต่ก่อนการใช้งาน หลังประกอบและมีการตรวจสอบเป็นระยะในระหว่างใช้งาน นอกจากนี้ถ้าผลวิเคราะห์ชี้ว่าการแตกมาจากความเข้มของความเค้นอาจจะต้องทำการออกแบบใหม่ (redesign) เพื่อให้เกิดการกระจายตัวของแรงเค้นที่ไม่เข้มข้นเฉพาะจุดและให้มีค่าที่ต่ำกว่าวิกฤติ หรือถ้ามีปัจจัยมาจากแรงกระทำที่เกินพิกัดเป็นหลักก็ต้องพิจารณาปรับลดหรือควบคุมแรงกระทำไม่ให้เกินค่าวิกฤติ
เอกสารอ้างอิง
1. N.W.
Sachs. Understanding the Surface Features of Fatigue Fractures: How They
Describe the Failure Cause and the Failure History. JFAPBC (2005) 2:11-15.
2. Milella
P.P. (2013) Nature and Phenomenology of Fatigue. In: Fatigue and Corrosion in
Metals. Springer, Milano.
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น