การแตกร้าวของโลหะจากการช่วยของสิ่งแวดล้อม ตอน กลไกการแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจน (HAC Mechanisms)

กลไกแรกที่อธิบายการแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจนเกี่ยวกับการแพร่และพัฒนาเป็นแก๊สไฮโดรเจน (H₂) ในบริเวณช่องว่างของโลหะ (เช่น ช่องว่างของรอยแตก และช่องว่างในโครงสร้างจุลภาค) กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นง่ายถ้าโครงสร้างของโลหะสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีไฮโดรเจนปริมาณสูง เนื่องจากแก๊สไฮโดรเจนเหล่านี้จะสร้างแรงดันเพื่อผลักดันผนังของโลหะให้รอยร้าวเกิดการขยายตัว หรือเป็นจุดเริ่มของรอยร้าวในกรณีที่ยังไม่เกิดรอยร้าวขึ้น

โดยกระบวนการอย่างหลังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อแรงดันจากแก๊สไฮโดรเจนไปกระทำกับผิวหน้าของจุดบกพร่องภายในโลหะและไปเสริมแรงเค้นที่กระทำต่อวัสดุ (ความเค้นตกค้างและความเค้นกระทำจากแรงภายนอก) จนทำให้ความเค้นรวมมีค่ามากกว่าความเค้นที่ต้องการให้เกิดรอยร้าว ปรากฏการณ์เหล่านี้ส่งผลให้เกิดบริเวณที่เป็นจุดรวมความเค้น (stress concentrator) และจุดเริ่มต้นของรอยร้าว เมื่อมีรอยร้าวเกิดขึ้นแล้ว การขยายตัวของรอยร้าวยังถูกช่วยจากแรงดันของแก๊สไฮโดรเจนที่ไปผลักดันผนังของรอยร้าวและกระทำร่วมกับแรงเค้นที่กระทำกัน

กลไกที่สองของการแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจนเกิดจากการดูดซับไฮโดรเจนเข้าไปในผิวหน้าของโลหะ ไฮโดรเจนจะไปลดพลังงานพื้นผิวของโลหะในจุดนั้นๆ และการลดลงของพลังงานพื้นผิวสามารถส่งเสริมให้เกิดการขยายตัวของรอยร้าวหรือสามารถนำไปสู่การเพิ่มอัตราการขยายตัวของรอยร้าวได้

กลไกที่สามของการแตกร้าวจากการช่วยของไฮโดรเจนเกี่ยวข้องกับการแพร่ของอะตอมไฮโดรเจนเข้าไปในโครงสร้างจุลภาคของโลหะ ส่งผลให้พันธะของอะตอมมีความแข็งแรงลดลงและบริเวณนั้นจะแสดงตัวเป็นจุดเริ่มรอยร้าวขนาดเล็กหรือเร่งกระบวนการขยายตัวของรอยร้าว

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 27) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนชนิดมาร์เทนซิติก (Martensitic PH)) เกรด 15-5 PH และ เกรด PH 13-8 Mo

เกรด 15-5 PH มีส่วนผสมของโครเมียม 15% นิกเกิล 5% ทองแดง 3% [141] ไนโอเบียม 0.3% และมีคาร์บอนค่อนข้างต่ำ ~0.02% จึงจัดเป็นโลหะผสมมาร์เทนซิติกที่มีคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Martensitic Stainless Steel) สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้โดยการตกตะกอนของเฟสที่มีทองแดงปริมาณสูงที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอบนโครงสร้างพื้นฐานแบบมาร์เทนซิติก การบ่มแข็งในช่วงอุณหภูมิ 450-470 องศาเซลเซียส จะทำให้วัสดุมีความแข็งและความแข็งแรงสูง อย่างไรก็ตามสมบัติดังกล่าวจะลดลงเมื่อบ่มแข็งในช่วงอุณหภูมิ 490-650 องศาเซลเซียส แต่ความแข็งจะเพิ่มเล็กน้อยอีกครั้งเมื่อบ่มแข็งที่ช่วงอุณหภูมิ 650-850 องศาเซลเซียส  มีอุณหภูมิเริ่มต้นเป็นมาร์เทนไซต์ในระหว่างการเย็นตัวคล้ายกับเกรด 17-4 PH คือ ประมาณ 105 องศาเซลเซียส ดังนั้นโครงสร้างมาร์เทนไซต์จึงเกิดขึ้นได้ง่ายในเกรดดังกล่าวหลังจากขั้นตอนการอบอ่อน หรือผ่านการขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ มักผลิตเป็นชิ้นส่วนเครื่องจักร ใบพัดกังหัน และชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ที่สัมผัสกับอุณหภูมิสูง [144]

เกรด PH 13-8 Mo มีส่วนผสมของโครเมียม 13% นิกเกิล 8% [145] ซึ่งถือว่าเป็นเกรดที่มีนิกเกิลสูงกว่าทุกเกรดในประเภทโลหะผสมมาร์เทนซิติก มีโมลิบดีนัม 2% มีคาร์บอนค่อนข้างต่ำ และมีการเติมอะลูมิเนียมประมาณ 1% เพื่อฟอร์มตัวเป็นอนุภาคเชิงโลหะ (Intermetallic Phase) หลังจากบ่มแข็ง มีความแข็งและความแข็งแรงสูง รวมทั้งความต้านทานการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าและการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน เนื่องจากเป็นเกรดที่มีปริมาณออสเตนไนต์สูง ในสภาวะหลังจากการอบอ่อนวัสดุจะมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นมาร์เทนไซต์แผ่น (Lath Martensite) และมีออสเตนไนต์เหลือค้างในปริมาณเล็กน้อย เมื่อนำไปบ่มที่อุณหภูมิในช่วง 450-620 องศาเซลเซียส จะเกิดการตกตะกอนของอนุภาคนิกเกิล-อะลูมิเนียมก้อนกลม (Round NiAl Particle) ซึ่งจะส่งผลให้เหล็กกล้ามีความแข็งเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ อนุภาคดังกล่าวยังช่วยลดการเกิดเกรนหยาบ สำหรับการแยกตัวตกตะกอนของโมลิบดีนัมและโครเมียมที่รอยต่อระหว่างอนุภาคที่ตกตะกอนและโครงสร้างพื้น จะยับยั้งการขยายตัวของอนุภาค NiAl ในขณะที่ถ้ามีการบ่มแข็งมากเกินไป (ที่อุณหภูมิมากกว่า 620 องศาเซลเซียส) จะเกิดการเปลี่ยนเฟสจากมาร์เทนไซต์ไปเป็นออสเตนไนต์ ลักษณะดังกล่าวจะทำให้วัสดุมีความแข็งลดลง ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากซัลไฟต์ (SSCC) โลหะผสมดังกล่าวมักผลิตเป็นชิ้นส่วนโครงสร้างที่วิกฤติ [146] เช่น โครงสร้างของระบบที่ใช้ในการลำเลียงน้ำมันและแก๊ส เนื่องจากมีความสามารถในการเชื่อมที่ดีและมีความต้านทานการกัดกร่อนจากคาร์บอนไดออกไซด์ดีเยี่ยม และยังสามารถเป็นชิ้นส่วนวาล์ว ข้อต่อ ชิ้นส่วนประกอบของอากาศยาน และชิ้นส่วนในโรงงานปิโตรเคมี เป็นต้น

เอกสารอ้างอิง 

[141]  M. Aghaie-Khafri, F. Adhami. Hot deformation of 15-5 PH stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2010; 527(4-5): pp. 1052-7.

[142]  www.aalco.co.uk/.../Aalco_Datasheet_St_St_Precipitation_Hardening.pd

[143]  Samuels, Leonard. Metals Engineering: A Technical Guide. Editor: Carnes Publication Services Inc. ASM International, 1988, pp. 368-9.

[144]  H. R. Habibi Bajguirani. The effect of ageing upon the microstructure and mechanical properties of type 15-5 PH stainless steel. Materials Science and Engineering A 2002; 338(1-2): pp. 142-59.

[145]  L.W. Tsay, H.H. Chen, M.F. Chiang, C. Chen. The influence of aging treatments on sulfide stress corrosion cracking of PH 13-8 Mo steel welds. Corrosion Science 2007; 49(6): pp. 2461-73.

[146]  Y.S. Ding, L.W. Tsay, M.F. Chiang, C. Chen. Gaseous hydrogen embrittlement of PH 13-8 Mo steel. Journal of Nuclear Materials 2009; 385(3): pp. 538-44.

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”

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 26) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนชนิดมาร์เทนซิติก (Martensitic PH))

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท [18, 142] ตามโครงสร้างสุดท้ายที่ได้หลังจากกระบวนการทางความร้อน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเริ่มต้นและสิ้นสุดของการเกิดมาร์เทนไซต์ (M_s และ M_f ตามลำดับ) และพฤติกรรมที่ได้หลังจากการเย็นตัวในตัวกลางที่มีอุณหภูมิเหมาะสม [144] สำหรับบทความนี้จะเสนอประเภทแรกและตัวอย่างเกรดที่นิยมใช้

โลหะผสมมาร์เทนซิติก

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนประเภทมาร์เทนซิติก จะมีโครงสร้างเป็นออสเตนไนต์ระหว่างการอบอ่อนที่ช่วงอุณหภูมิ 1040-1065 องศาเซลเซียส เมื่อเย็นตัวมาที่อุณหภูมิห้อง จะมีการเปลี่ยนเฟสจากออสเตนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ เช่นเกรด 17-4 PH (AISI 630) เกรด 15-5 PH และเกรด 13-8 PH แต่เกรดที่มีการประยุกต์ใช้งานมากที่สุดคือ 17-4 PH

เกรด 17-4 PH มีส่วนผสมของโครเมียมประมาณ 17% นิกเกิล 4% ทองแดง 3% [147] และไนโอเบียม 0.3% มีคาร์บอนไม่เกิน 0.04% ซึ่งทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมประเภทดังกล่าวมีสมบัติทางกลที่ดี โดยเฉพาะสมบัติด้านความแกร่งและความเหนียว อย่างไรก็ตาม ถ้ามีคาร์บอนในปริมาณต่ำเกินไป จะทำให้ความต้านทานต่อการสึกหรอ (Wear Resistance) ลดลงได้ เป็นเกรดที่สามารถปรับปรุงให้มีความแข็งสูงได้โดยไม่ลดความเหนียวของวัสดุ มีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงเท่ากัน ซึ่งเป็นประเด็นที่น่าสนใจของนักออกแบบและวิศวกรอย่างมาก เหล็กกล้าดังกล่าวจะเพิ่มความแข็งแรงได้โดยการตกตะกอนของเฟสที่มีทองแดงปริมาณสูง (Copper Rich Phase) ในโครงสร้างพื้นฐานแบบมาร์เทนซิติกโดยการอบอ่อนและบ่มแข็ง  สำหรับการอบอ่อนสามารถทำได้หลากหลายช่วงอุณหภูมิเพื่อให้ได้สมบัติทางกลตามที่ต้องการ ซึ่งมักเรียกสภาวะดังกล่าวว่า “Condition A” [148] โครงสร้างที่ได้หลังจากสภาวะดังกล่าวประกอบไปด้วยเดลต้าเฟอร์ไรต์ที่สัดส่วน 5-10 % โดยปริมาตร ในโครงสร้างพื้นฐานแบบมาร์เทนซิติกที่มีคาร์บอนต่ำ [149-150] อย่างไรก็ตาม ถ้าต้องการนำไปใช้งานในสภาวะที่วิกฤติ ควรทำการบ่มแข็ง ซึ่งจะเกิดการตกตะกอนของเฟสที่มีทองแดงปริมาณสูงเป็นกลุ่มที่มีความต่อเนื่อง การอบชุบทางความร้อนในสภาวะที่ทำให้เกิดการบ่มแข็งมากเกินไป โดยเฉพาะที่ช่วงอุณหภูมิสูงกว่าค่าที่นิยมใช้กันทั่วไป (มากกว่า 600 องศาเซลเซียส) สามารถลดความเค้นตกค้างของโครงสร้างมาร์เทนไซต์ได้ด้วย ส่งผลให้วัสดุมีความแกร่งมากขึ้น และมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนดีกว่า Condition A นอกจากนี้ การบ่มแข็งมากเกินไปสามารถนำไปสู่การฟอร์มเฟสเอปซิลอนที่ไม่ต่อเนื่อง (Incoherent e Phase) รวมทั้งการเปลี่ยนเฟสจากมาร์เทนไซต์ไปเป็นออสเตนไนต์ตามขอบเกรนของมาร์เทนไซต์แบบแผ่น (Lath Martensite) การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างดังกล่าวนอกจากจะเปลี่ยนสมบัติทางกลแล้ว ยังส่งผลกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ

โดยทั่วไป เหล็กกล้าที่ผ่านการบ่มแข็งมากเกินไป จะมีความต้านทานต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากซัลไฟต์สูงขึ้น [149] เนื่องจากมีความแข็งต่ำกว่าเหล็กกล้าที่ผ่านการบ่มแข็งในสภาวะปกติ สำหรับการอบอ่อนที่อุณหภูมิ 1040 องศาเซลเซียสและเย็นตัวในน้ำหรืออากาศ แล้วทำการบ่มแข็งที่อุณหภูมิ 480-780 องศาเซลเซียส ประมาณ 1-4 ชั่วโมง จะได้สมบัติทางกลดังนี้ [147] มีความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ 900-1400 MPa ความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก 590-1280 MPa และมีความต้านทานต่อแรงกระแทก 20-135 จูล เหล็กกล้าไร้สนิมที่เพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนเกรด 17-4 PH มีความต้านทานการกัดกร่อนในสิ่งแวดล้อมที่หลากหลายเทียบเท่ากับเกรด AISI 304 และต้านทานต่อออกซิเดชันได้ดีกว่าเกรด AISI 410 [151] แต่ข้อเสียของเกรดดังกล่าว คือ มีความแข็งที่ผิวหน้าต่ำ (โดยทั่วไปมีความแข็งประมาณ 34-45 HRC) จึงทำให้มีสมบัติต้านทานการเสียดสีที่แย่ [152-154] จึงเป็นข้อจำกัดเมื่อต้องใช้งานในสภาวะที่มีการสัมผัสการการสึกหรอมาเกี่ยวข้อง ปัญหาดังกล่าวอาจแก้ไขได้โดยการเพิ่มความแข็งที่ผิวหน้าด้วยวิธีการพลาสมาไนไตรดิง [147, 155] หรือคาร์บูไรซิ่ง โลหะผสมเกรดดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลายประเภท เช่น วาล์วในโรงกลั่นน้ำมัน อุปกรณ์ในกระบวนการเคมี ข้อต่อในอากาศยาน ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ไอพ่น สลักภัณฑ์ ชิ้นส่วนเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เกียร์ อุปกรณ์ย่อยกระดาษ เพลาปั๊ม [139, 147] ชิ้นส่วนวาล์วไฮดรอลิกส์  และเครื่องมือผ่าตัด [151] 

Shaft

Impeller

Rod end

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานของเกรด 17-4 PH

สำหรับตอนหน้าผมจะมานำเสนอเกรด 15-5 PH และ เกรด PH 13-8 Mo โปรดรอติดตามนะครับ

เอกสารอ้างอิง

[18]    General introduction. Introduction to stainless steel, ASM Handbook : 3-12.

[142]  www.aalco.co.uk/.../Aalco_Datasheet_St_St_Precipitation_Hardening.pd

ตรวจสอบความเสียหายของโรงกลั่น (Failure investigation of refinery plant)

หลังจากที่เกิดเหตุระเบิดในโรงกลั่นน้ำมันแถวเขตพระโขนงเมื่อวันที่ 4/07/55 ตอนเช้า จากนั้นได้มีการติดต่อจากเจ้าหน้าที่ให้เข้าไปร่วมตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุ ซึ่งทีมงานพวกผมก็ได้เข้าไปตรวจสอบเมื่อวาน (5/07/55)

จากการเข้าตรวจสอบสถานที่เกิดเหตุ พบว่า เหตุการณ์ไฟไหม้และระเบิดครั้งนี้เกิดขึ้นค่อนข้างรุนแรง เนื่องจากตัวอาคารสำนักงานบางส่วนในพื้นที่โรงกลั่นได้รับความเสียหายจากแรงอัดของการระเบิด และมีชิ้นส่วนของหอกลั่นจากการระเบิดตกกระจัดจายในพื้นที่โรงกลั่น

(ภาพจากไทยรัฐ)

 

เจ้าหน้าที่ของโรงกลั่นสันนิษฐานว่า สาเหตุของไฟไหม้และการระเบิดน่าจะมีจุดเริ่มจากหอกลั่นน้ำมัน  (มีอายุการใช้งานมากกว่า 20 ปี) และลุกลามไปที่หอกลั่นน้ำมันอื่นในบริเวณข้างเคียง รวมทั้งหอกลั่นน้ำมันประธานของโรงกลั่นก็ได้รับความเสียหายรุนแรงเช่นเดียวกัน

กรณีตัวอย่าง: การเสียหายของใบมีดตัดเม็ดพลาสติก (Failure of cutting blade)

สำหรับกรณีตัวอย่างที่จะมานำเสนอในวันนี้นะครับ จะเกี่ยวกับการเสียหายของใบมีดที่ใช้ในการตัดเม็ดพลาสติก (ดังแสดงในรูปที่ 1) วัสดุดังกล่าวขึ้นรูปจากวัสดุผงไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) โดยการใช้งานใบมีดถูกประกอบแนบกับแม่พิมพ์ ด้วยแรงดันกดประมาณ 10 บาร์ ความเร็ว 700 รอบต่อนาที และสัมผัสกับเม็ดพลาสติกหลอมเหลวอุณหภูมิประมาณ 200 องศาเซลเซียส มีการระบายความร้อนด้วยน้ำหล่อเย็น ใบมีดเกิดการสึกหรอบริเวณคมตัดหลังจากใช้งานได้ประมาณ 14-30 วัน ซึ่งเป็นการใช้งานที่มีอายุค่อนข้างสั้น ดังนั้นจึงเป็นที่มาของการหาสาเหตุว่า ที่ใบมีดอายุสั้นนั้นเกิดจากอะไร เกิดจากตัวใบมีดเองหรือไม่? หรือว่าเกิดจากสภาวะการใช้งาน

รูปที่ 1 ใบมีดที่เกิดความเสียหาย

    

การตรวจสอบด้วยสายตาพบการสึกหรอของใบมีดจนทำให้ชิ้นงานสูญเสียเนื้อโลหะไป (รูปที่ 2) มีการกะเทาะของวัสดุ เมื่อนำไปตรวจสอบหารูปแบบและลักษณะทางกายภาพของผิวหน้าที่เกิดการสึกหรอด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) พบรูปแบบความเสียหายที่เกิดจากจุดบกพร่องในเนื้อวัสดุที่ผ่านการขึ้นรูปจากโลหะผงและเกิดการไม่ประสานเป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์ของอนุภาคของโลหะผง

รูปที่ 2 การตรวจสอบบริเวณที่เกิดการสึกหรอและกะเทาะออกของใบมีด

ซึ่งสามารถยืนยันได้จากการตรวจสอบโครงสร้างทางจุลภาคของชิ้นงานด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดแสงสะท้อน (รูปที่ 3) ที่ตรวจพบช่องว่าง (porosity) ภายในเนื้อวัสดุที่เกิดจากกระบวนการผลิตโลหะผงที่มีการอัดตัวกันอย่างหลวมๆ หรือการหลอมยึดติดกันเป็นพันธะ (bonding) ไม่สมบูรณ์จำนวนมาก โลหะผงที่ใช้ในการขึ้นรูปเป็นแบบ acicular คล้ายกับตัวหนอน เมื่อการเกิดพันธะติดกันของอนุภาคโลหะผงไม่สมบูรณ์ คือมีโพรงอากาศหรือช่องว่างภายใน ทำให้ความแข็งแรงของพันธะต่ำ จุดบกพร่องดังกล่าวจะทำให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลง เมื่อมีแรงกระแทกมากระทำจึงมีแนวโน้มที่จะแตกตามแนวของการประสานติดกันของอนุภาคโลหะผง

รูปที่ 3 การตรวจสอบภาคตัดขวางและโครงสร้างจุลภาคพบช่องว่างจากการขึ้นรูปจำนวนมาก

กรณีตัวอย่าง: การแตกหักของก้านทองเหลือง (broken of brass fasterner)

บ่อยครั้งเราจะพบว่าชิ้นส่วนที่ผ่านการหล่อมักเกิดการแตกหักได้ง่าย เนื่องมาจากจุดบกพร่องที่เกิดจากการขึ้นรูป เช่น ฟองอากาศ โพรงหดตัว หรือการแยกตัวตกตะกอนของธาตุโลหะผสม เป็นต้น สำหรับกรณีตัวอย่างที่ผมจะนำเสนอนี้ก็เช่นเดียวกัน เป็นกรณีของก้านทองเหลือง ซึ่งเป็นชิ้นส่วนข้อต่อสวมเร็วสำหรับดับเพลิง โดยชิ้นส่วนดังกล่าวผลิตจากโลหะทองเหลืองหล่อขึ้นรูปจากการหล่อด้วยแบบทราย(Sand Mold Casting) ภายหลังการประกอบและทดสอบการใช้งานพบการแตกหักของชิ้นส่วนดังแสดงในรูปที่1

รูปที่ 1 ก้านทองเหลืองที่แตกหัก

เป็นที่ทราบกันดีว่า ชิ้นส่วนที่เสียหายด้วยกลไกการแตกหัก หัวข้อการทดสอบอย่างหนึ่งที่เราต้องดำเนินการ คือ การวิเคราะห์หน้าแตกหัก (Fracture surface analysis) เมื่อนำผิวหน้าแตกหักของก้านทองเหลืองไปตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบจุดบกพร่องจากการขึ้นรูปดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งน่าจะเป็นโพรงที่เกิดจากการหดตัว (Shrinkage porosity) ในระหว่างขั้นตอน solidification นอกจากนั้นยังพบอนุภาคของเม็ดทราย มีลักษณะเป็นก้อนผลึกกระจายตัวอยู่ทั่วไปบนผิวหน้าชิ้นงาน

จุกพร่องบนผิวหน้าแตกหัก

ภาพขยายบริเวณจุดบกพร่อง

รูปที่ 2 ภาพถ่าย SEM แสดงลักษณะโพรงหดตัวจากการหล่อทองเหลืองบนผิวหน้าแตกหัก

เพื่อตรวจสอบและยืนยันว่าจุดบกพร่องดังกล่าวนำมาสู่ปัญหาการแตกหัก จึงได้มีการตรวจสอบเพิ่มเติมโดยการตรวจสอบภาคตัดขวางผ่านผิวหน้าแตกหัก จากการตรวจสอบพบโพรงอากาศขนาดใหญ่อยู่บริเวณผิวรอบนอกนอกของก้านทองเหลืองดังแสดงในรูปที่3

จุดบกพร่องที่ผิวด้านนอกของก้าน

ลักษณะของจุดบกพร่องที่กำลังขยายสูงที่ผิวด้านนอก

จุดบกพร่องที่พบภายในเนื้อวัสดุ

รูปที่ 3 ลักษณะจุดบกพร่องที่ตรวจพบใกล้บริเวณผิวหน้าแตกหัก

ดังนั้นจากความเสียหายที่เกิดขึ้นน่าจะเกิดจากการที่ภายในชิ้นงานมีจุดบกพร่องประเภทโพรงอากาศแทรกตัวอยู่ใกล้จุดเริ่มต้นการแตกหักและภายในเนื้อโลหะ ทำให้บริเวณดังกล่าวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress concentrator) เมื่อได้รับความเค้นจากแรงดึงจากการขันก้านทำให้ชิ้นงานไม่สามารถคงรูปอยู่ได้จึงแตกหักออกจากกัน