ในโพสต์นี้ เราจะมาศึกษาความแตกต่างระหว่างความเสียหายจากการคืบและความเสียหายจากการล้า
ซึ่งทั้งสองกลไกมีอิทธิพลต่ออายุการใช้งานของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมเป็นอย่างมาก
โดยเฉพาะอย่างอย่างยิ่งการใช้งานในกลุ่มปิโตรเคมีที่มักมีการใช้งานที่อุณหภูมิสูงในขณะเดียวกันก็อาจรับแรงดึงแบบคงที่
(Static load) และแรงแบบคาบ
(Cyclic
load) ซึ่งหลายท่านอาจเคยวิเคราะห์ชิ้นส่วนที่เสียหายด้วย 2
กลไกที่กล่าวมาแล้ว อาจพอแยกแยะได้
ส่วนท่านที่ยังไม่เคยเห็นชิ้นงานจริงหรือยังไม่เคยวิเคราะห์
เรามาเรียนรู้กันในโพสต์นะครับ.....
ท่อในหม้อไอน้ำเสียหายจากการคืบ
เพลาเหล็กกล้าไร้สนิมเสียหายจากการล้า
ความเสียหายจากการคืบและความเสียหายจากการล้าถือเป็นประเด็นที่ต้องพิจารณาอย่างมากในวิศวกรรมการออกแบบและวัสดุศาสตร์ ซึ่งทั้งสองรูปแบบเกิดขึ้นจากสภาวะการรับแรง กลไกและระยะเวลาที่แตกต่างกัน
ขออนุญาตสรุปปัจจัยเด่น 10
ประการที่สามารถระบุกลไกทั้งสอง ดังนี้ (อาจมีปัจจัยมากกว่านี้นะครับ):
ความแตกต่างของกลไก
ความเสียหายจากการคืบและความเสียหายจากความล้าเป็นกลไกการเสื่อมสภาพของวัสดุที่แตกต่างกัน
ซึ่งแต่ละกลไกเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันและส่งผลกระทบต่อวัสดุที่แตกต่างกัน
ความแตกต่างของกลไก
ความเสียหายจากการคืบเป็นผลมาจากการสัมผัสที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานานในขณะเดียวกันก็รับความเค้นแรงดึงคงที่ไปด้วย
ซึ่งนำไปสู่การเสียรูปอย่างค่อยเป็นค่อยไป ในขณะที่ความเสียหายจากความล้าเกิดจากการรับแรงแบบคาบ/รอบ
ทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็กแล้วขยายตัวเป็นรอยแตกขนาดใหญ่และนำไปสู่ความเสียหายในที่สุด
สภาวะการรับแรง:
การคืบเกิดขึ้นภายใต้ความเค้นแรงดึงที่และอุณหภูมิสูงในช่วงระยะเวลาของการยืดขยายตัว
ในขณะที่ความล้าเกิดขึ้นจากการรับแรงแบบคาบหรือรอบ แม้ในระดับความเค้นที่ต่ำกว่าความแข็งแรงที่จุกครากและ/หรือที่จุดสูงสุดของวัสดุ
ระยะเวลา:
การคืบค่อนข้างใช้เวลาซึ่งอาจเกิดขึ้นเป็นระยะเวลานานตั้งแต่ชั่วโมงจนอาจถึงหลายปี
ในขณะที่ความเสียหายจากความล้าจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่สั้นกว่าเนื่องจากมักขึ้นอยู่กับจำนวนรอบที่ได้รับเป็นหลัก
(อาจหลายพันจนถึงล้านรอบ)
ผลของอุณหภูมิ:
การคืบต้องใช้อุณหภูมิที่สูง (0.4-0.5
เท่าของจุดหลอมละลายของโลหะนั้น ๆ) เพื่อให้กระบวนการถูกกระตุ้นจากความร้อน
อย่างไรก็ตาม ความเสียหายจากความล้าสามารถเกิดขึ้นได้ทุกช่วงอุณหภูมิรวมถึงอุณหภูมิห้องด้วย
การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างจุลภาค:
การคืบทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาค
เช่น การเกิดเกรนโต (Grain growth) และมีการเปลี่ยนแปลงเฟส
(Phase transformations) ในทางตรงกันข้าม ความล้าส่วนใหญ่จะนำไปสู่การเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยแตกรอบ
ๆ บริเวณที่มีความเข้มข้นของความเค้น (Stress concentration sites)
การสะสมความเสียหาย:
การคืบมักมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวรแบบค่อยเป็นค่อยไปแม้ว่าจะไม่มีแรงกระทำจากภายนอกก็ตาม
ในขณะที่ความเสียหายจากความล้าจะมีการสะสมเมื่อมีรอยแตกเล็กๆ
และขยายตัวเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในแต่ละรอบการรับแรง และนำไปสู่ความเสียหายในที่สุด
รูปแบบการเสียหาย:
การคืบสามารถส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางมิติ
การบิดเบี้ยว และการแตกร้าว ในขณะที่ความเสียหายจากความล้ามีลักษณะเฉพาะคือการแตกหักที่ค่อย
ๆ ขยายตัวในช่วงเริ่มต้นและแตกแบบทันทีทันใดในช่วงสุดท้ายเนื่องจากรอยแตกมีการขยายตัวเรื่อย
ๆ
ระดับความเค้น:
ความเสียหายจากการคืบเกิดขึ้นที่ระดับความเค้นใกล้ความแรงที่จุดครากหรือสูงกว่า
ในขณะที่การเสียหายจากความล้าอาจเกิดขึ้นได้ที่ระดับความเค้นต่ำกว่าความแข็งแรงที่จุดครากของวัสดุ
อัตราการยืดตัว:
การคืบมักมีอัตราการยืดตัวต่ำเนื่องจากธรรมชาติของมันขึ้นอยู่กับเวลา
ในขณะที่ความล้ามักมีอัตราการยืดตัวสูงกว่าจากการรับแรงแบบคาบ
แนวทางป้องกัน:
การป้องกันความเสียหายจากการคืบจำเป็นต้องเลือกวัสดุและการออกแบบที่เหมาะสมเพื่อลดการสัมผัสกับอุณหภูมิสูงและความเค้นคงที่
ในขณะที่การป้องกันความเสียหายจากความล้า จำเป็นต้องลดค่าความเค้นเฉลี่ย (Mean
stress) ให้ต่ำลง สร้างสภาวะความเค้นแรงกดให้เกิดบนผิวหน้า เช่น
การยิงเม็ดโลหะ (Shot peening) และการใช้วัสดุที่มีความต้านทานความล้าที่ดี
เช่น ชิ้นงานที่ผ่านการชุบผิวแข็ง
ทั้ง 10 ประเด็นสามารถสรุปคร่าว ๆ ได้ตามตารางด้านล่างนะครับ
|
หัวข้อ |
การเสียหายจากการคืบ |
การเสียหายจากการล้า |
|
ความแตกต่างของกลไก |
เป็นการเสียหายที่อุณหภูมิสูงและรับแรงดึงคงที่ |
เป็นการเสียหายจากการรับแรงแบบคาบที่ต่ำกว่าค่าความแข็งแรงที่จุดคราก |
|
สภาวะการรับแรง |
ความเค้นแรงดึงที่และสัมผัสอุณหภูมิสูง |
รับแรงแบบคาบหรือรอบ
|
|
ระยะเวลา |
หลายชั่วโมงถึงหลายปี |
พันถึงล้านรอบ |
|
ผลของอุณหภูมิ |
อุณหภูมิสูง |
เกิดขึ้นได้ทุกช่วงอุณหภูมิ |
|
การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างจุลภาค |
การเกิดเกรนโต
มีการเปลี่ยนแปลงเฟส และมีการเปลี่ยนแปลงอัตราการแพร่ |
ในระยะแรกมีการเกิดจุดเริ่มต้นและมีการขยายตัวในระยะต่อมา |
|
การสะสมของความเสียหาย |
มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวรแบบค่อยเป็นค่อยไป |
มีการยืดขยายตัวของรอยร้าวขนาดเล็กออกมาเรื่อย
ๆ |
|
ระดับความเค้น |
ที่ระดับความเค้นใกล้ความแรงที่จุดครากหรือสูงกว่า |
อาจเกิดขึ้นได้ที่ระดับความเค้นต่ำกว่าความแข็งแรงที่จุดครากของวัสดุ |
|
อัตราการยืดตัว |
มีอัตราการขยายตัวต่ำเนื่องจากเป็นกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับเวลา |
มีอัตราการขยายตัวสูงกว่าเนื่องจากเป็นการรับแรงแบบคาบ |
|
แนวทางป้องกัน |
เลือกวัสดุใหม่
และหาสภาวะที่เหมาะสมในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง |
ควบคุมสภาวะการรับแรงแบบคาบให้เหมาะสม
ลดความเต้นตกค้าง เลือกวัสดุที่ต้านทาน |
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น