เหล็กกล้าไร้สนิม ตอนที่ 4: มาตรฐานการจำแนกชนิดของเหล็กกล้าไร้สนิม

บทความเกี่ยวกับเหล็กกล้าไร้สนิมครั้งก่อน ผมได้นำเสนอความเป็นมา แต่ตอนนี้ผมจะเสนอมาตรฐานการจำแนกชนิดของเหล็กกล้าไร้สนิมครับ............

แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมีมากมายหลายเกรดและมีการพัฒนาเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แต่ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมไม่ได้มีการกำหนดมาตรฐานตามส่วนผสมทางเคมีของโลหะผสมที่ผลิตขึ้นมา เพื่อให้ง่ายต่อการเรียกชื่อและจดจำ จนกระทั่งในราวปี ค.ศ. 1930 สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งอเมริกา (American Iron and Steel Institute) หรือ AISI ซึ่งเป็นสถาบันที่เก่าแก่ที่สุดที่จัดทำมาตรฐานของเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมด้วยระบบตัวเลข (Numbering System) 4 ตัว (เช่น AISI 1040) และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายจวบจนถึงปัจจุบัน ได้มีการจัดทำมาตรฐานของเหล็กกล้าไร้สนิมโดยพิจารณาจากส่วนผสมทางเคมีเป็นหลัก โดยเกรดที่กำหนดส่วนใหญ่ใช้ระบบตัวเลขพื้นฐาน 3 ตัว [12-13, 18] เช่น AISI 304 โดยอนุกรม 200 และ 300 มักเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก หรือกลุ่มของโลหะผสมออสเตนนิติกโครเมียม-นิกเกิล (Chromium-Nickel Austenitic Alloy) ในขณะที่อนุกรม 400 อาจเป็นได้ทั้งกลุ่มเฟอริติกหรือมาร์เทนซิติกหรือกลุ่มของโลหะผสมเฟอริติกและมาร์เทนซิติกที่มีโครเมียมผสมสูง (High-Chromium Ferritic and Martensitic Alloys) และอนุกรม 500 สำหรับโลหะที่มีโครเมียมผสม 4-6% ในขณะเดียวกันบางเกรดอาจมีตัวอักษร 1 หรือ 2 ตัวต่อท้าย ซึ่งแสดงให้เห็นว่าได้มีการปรับปรุงส่วนผสมบางตัวเพื่อเพิ่มสมบัติเฉพาะบางประการ


ในระหว่างปี ค.ศ. 1960 AISI ได้หยุดการจัดมาตรฐานเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดใหม่ๆ เนื่องจากติดปัญหาด้านกฎหมายของสมาคมการค้า ที่ไม่สามารถเผยแพร่ส่วนผสมทางเคมีของโลหะผสมบางชนิดได้ อย่างไรก็ตามระบบฐานตัวเลขของ AISI ยังเป็นระบบพื้นฐานที่ประเทศสหรัฐอเมริกานิยมใช้กัน นอกจากนี้ยังมีหลายประเทศที่นำระบบตัวเลขของ AISI มาประยุกต์ใช้ในการจัดเป็นมาตรฐานการเรียกเกรดเหล็กกล้าไร้สนิมในประเทศตัวเอง [13] ยกตัวอย่างเช่น ประเทศแคนาดา เม็กซิโก บราซิล แอฟริกาใต้ อินเดีย ญี่ปุ่น และเกาหลี เป็นต้น

รูปที่ 1.6 ตัวอย่างโรงงานปิโตรเคมีที่มักเลือกเหล็กกล้าไร้สนิมมาประยุกต์ใช้งานในส่วนต่างๆ และมักพบปัญหาการเสียหายเนื่องจากการกัดกร่อน [45]

นอกจากระบบ AISI แล้วยังมีระบบ UNS (Unified Numbering System) ซึ่งเป็นระบบการจัดเกรดที่ครอบคลุมโลหะทุกชนิด [18] รวมทั้งเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีการพัฒนาเกรดใหม่ขึ้นมาเรื่อยๆ ระบบดังกล่าวมีการจัดเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ครอบคลุมมากกว่าระบบ AISI การใช้สัญลักษณ์ในระบบ UNS สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมประกอบด้วยตัวอักษร S ตามด้วยตัวเลข 5 ตัว สำหรับโลหะผสมเกือบทุกตัวที่ปรากฏในระบบ AISI นั้น เมื่อนำมาประยุกต์ใช้กับระบบ UNS แล้วจะถูกนำเอาตัวเลขทั้ง 3 ตัว มาต่อท้ายตัวอักษร S และเพิ่มตัวเลขอีก 2 ตัว ยกตัวอย่างเช่น เกรด AISI 304 จะเปลี่ยนเป็น UNS S30400 เป็นต้น ในกรณีที่ตัวเลข 2 ตัวสุดท้ายเป็น 00 แสดงให้เห็นว่าเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดดังกล่าวมีพื้นฐานมาจากระบบ AISI แต่ถ้ามีการพัฒนาปรับปรุงเกรดพื้นฐานโดยการปรับเปลี่ยนส่วนผสมบางตัวหรืเพิ่มธาตุผสม จะกำหนดตัวเลขอื่นแทนตัวเลข 2 ตัวสุดท้าย ยกตัวอย่าง เช่น เกรด AISI 304L ที่มีคาร์บอนปริมาณต่ำจะกลายเป็น UNS S30403 เป็นต้น สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีธาตุนิกเกิลผสมในปริมาณสูง (ประมาณ 25-35%) ในระบบ UNS จะกำหนดให้ใช้ตัวอักษร N แล้วตามด้วยตัวเลข 5 ตัว ยกตัวอย่างเช่น UNS N08020 (20Cb-3) ในกรณีที่ระบบ AISI ไม่สามารถระบุหรือจัดเกรดให้ได้ ก็จะถูกเรียกชื่อด้วยชื่อทางการค้า เช่น Custom 450 หรือ 17-7 PH สำหรับเนื้อหาในหนังสือเล่มนี้จะอ้างอิงเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมในระบบ AISI เป็นหลัก ซึ่งเป็นระบบที่คนไทยคุ้นเคยและนิยมใช้กัน
 
เอกสารอ้างอิง
[45] www.linde-india.com/userfiles/image/Image/BASF.JPG
หมายเหตุ : เอกสารอ้างอิงที่ 1-44 ให้ดูจากบทความเรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมตอนที่ 1-3

ตอนหน้าท่านจะได้พบกับประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม....คอยติดตามนะครับ

Corrosion Fatigue Failure of Aloha Airline

Aloha Airlines Flight 243 บินจาก Hilo ไป Honolulu เมื่อวันที่ 28 เมษายน 1988 มีผู้โดยสาร 89 คน มีพนักงานต้อนรับ 3 คน เครื่องบินเป็นแบบ B737-200 ขณะนั้นผู้โดยสารยังรัดเข็มขัดอยู่ มีพนักงานต้อนรับถูกดูดออกไปคนหนึ่งและเสียชีวิต Flight นี้ มีผู้เสียชีวิตคนเดียว บาดเจ็บสาหัส 8 คนเป็นพนักงานต้อนรับ1 คน บาดเจ็บไม่สาหัส 57 คน และไม่ได้รับบาดเจ็บเลย 3 คน ได้เกิดความเสียหาย ซี่งส่วนใหญ่เป็นชิ้นส่วนด้านบนของลำตัวเครื่องบิน ขณะที่มันบินอยู่ที่ความสูง 24000 ft เนื่องจากแผงลำตัวของเครื่องบินที่เชื่อมต่อกันตามรอยพับด้วยตัวหมุดย้ำ (rivet) ซึ่งมีความเค้นตกค้างจากการประกอบและความเค้นจากการปรับความดันภายในเครื่องได้เกิดการกัดกร่อน ซึ่งทำให้เกิดการแตกร้าวและไม่ยึดเกาะกัน เนื่องจากเกินอายุการใช้งานของเครื่องบิน (ในกรณีนี้อายุใช้งาน 19 ปี) ผลการตรวจสอบพบว่าเป็นการเสียหายด้วยกลไกการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion Fatigue Cracking)

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการคืบและการล้า

ในสภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิสูง วัสดุสามารถเกิดการคืบและการล้าในเวลาเดียวกันหรือเกิดขึ้นพร้อมกันได้ ซึ่งเป็นอันตรายต่อวัสดุอย่างมาก สำหรับการใช้งานวัสดุในสภาวะอุณหภูมิสูง ถ้าปรากฏลักษณะที่เกิดขึ้นดังกล่าวจะลดอายุการใช้งานของวัสดุลงอย่างมาก ยกตัวอย่าง เช่น ถ้าวัสดุเกิดการยืดตัวเนื่องจากการคืบในขณะที่มีการรับแรงเป็นคาบไปด้วย ดังนั้นอายุการใช้งานของวัสดุก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว ผลที่เกิดขึ้นร่วมกันระหว่างการคืบและการล้าเป็นปัญหาที่หนักใจอย่างมากสำหรับนักออกแบบระบบเพื่อกำหนดอายุการใช้งานที่ชัดเจน ดังนั้น จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีการศึกษาและวิจัย เพื่อนำผลที่ได้ไปใช้ในการทำนายผลที่เกิดร่วมกันระหว่างการคืบและการล้าของวัสดุในการใช้งานที่สภาวะต่างๆ กัน

Metallurgical Failure Analysis and Prevention

เมื่อปลายเดือนกรกฎาคม 2553 ที่ผ่านมาผมได้ไปเข้าร่วม workshop ในหัวข้อ metallurgical failure analysis and prevention ที่ traders hotel ประเทศสิงคโปร์เป็นเวลา 3 วัน ก็ได้ความรู้เยอะ เนื่องจากวิทยากรมีประสบการณ์ในด้านนี้เป็นอย่างมาก โดยเฉพาะด้าน piping system ความรู้ที่ได้จากการร่วม workshop ดังกล่าวผมจะนำมาใช้ในการทำงานเพื่อพัฒนาองค์ความรู้ และใช้ในการถ่ายทอดให้กับภาคอุตสาหกรรม เช่น ในการสัมมนาหรือการวิเคราะห์ความเสียหายให้กับภาคเอกชน ซึ่งในวันสุดท้ายก็ได้รับประกาศนียบัตร

รับใบประกาศนีบัตรจาก Mr.Shuler Cox

สัมมนาเรื่องการกัดกร่อนและการป้องกัน

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติสัมมนาเรื่อง การกัดกร่อนและการป้องกัน ในวันทื่ 8-9 ก.ย.53 อ่านเพิ่มได้ที่ http://www2.mtec.or.th/eventnstda/Template/index.aspx?EventID=S10083&ContentID=369

สำหรับผมจะบรรยายในหัวข้อ การวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนที่เกิดการกัดกร่อนและกรณีตัวอย่าง

กรณีตัวอย่างที่ผมจะนำเสนอมีหลายกรณี ยกตัวอย่าง เช่น
1.การแตกร้าวของไอน้ำด้วยกลไก caustic SCC
2.การเสียหายของชิ้นส่วน hook ด้วยกลไก hydrogen induced cracking (HIC)
3.การเสียหายของระบบท่อห้มฉนวนด้วยกลไก CUI และ SCC
4.การแตกหักของเพลาด้วยกลไก SCC
5.การเสียหายของลวดตะแกรงด้วยกลไก corrosion fatigue cracking (CFC)
6.การเสียหายของท่อลำเลียงไอน้ำด้วยกลไก Flow Accerlerated Corrosion (FAC)
7.การเสียหายของท่อลำเลียงสารเคมีด้วยกลไก intergranular corrosion
8.การเสียหายของท่อลำเลียงก๊าซธรรมชาติด้วยกลไก carburization
9.การเสียหายของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกลไก microbiologically induced corrosion (MIC)
10.การเสียหายของชิ้นส่วนยึดผนังห้องเย็นด้วยกลไก galvanic corrosion
11.การเสียหายของท่อทองเหลืองด้วยกลไก dezicification
12.การเสียหายของท่อทองแดงด้วยกบไก Ant-nest Corrosion
13.การเสียหายของกระป๋องบรรจุอาหารด้วยกลไก filiform corrosion
14.การเสียหายของท่อลำเลียงน้ำเสียด้วยกลไก grooving corrosion

ซึ่งในแต่ละ case จะกล่าวถึงข้อมูลเบื้องต้น ขั้นตอนและเครื่องมือที่ใช้ในการวิเคราะห์ ผลการวิเคราะห์ วิเคราะห์ผล สรุปผล และ ข้อเสนอแนะ

สมาคมการกัดกร่อนโลหะและวัสดุไทย

สำหรับรายละเอียดของสมาคมดูเพิ่มเติมได้ที่
http://www.tcma.or.th/

วันที่ 26 สิงหาคมจะมีการประชุมใหญ่ของสมาคมฯ และกิจกรรมต่างๆ มากมายดังรายละเอียดด้านล่าง

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การล้า (Fatigue) (ต่อ)

จากบทความก่อนผมได้นำเสนอบทความเรื่อง การล้า ซึ่งเป็นการอธิบายในหลักการทั่วๆ ไป ในบทความนี้ผมจะนำเสนอประเภทของการแตกหักจากการล้า จะมีลักษณะเป็นอย่างไรนั้น เชิญติดตามได้เลยครับ............

1. การล้าที่รอบสูง (High Cycle Fatigue) คือการล้าที่เกิดขึ้นเนื่องจากวัสดุผ่านการรับแรงเป็นคาบที่จำนวนรอบสูงก่อนเกิดการเสียหาย โดยทั่วไปกลไกของการล้าที่รอบสูง จะพิจารณาที่จำนวนรอบสูงกว่า 10,000 รอบ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุที่เกิดการเสียหายจากการล้าที่รอบสูงโดยทั่วไปจะมีลักษณะที่ยืดหยุ่น (Elastic) ดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ผิวหน้าแตกหักจากการล้าที่รอบสูง

2. การล้าที่รอบต่ำ (Low Cycle Fatigue) คือการล้าที่เกิดขึ้นเนื่องจากวัสดุผ่านการรับแรงเป็นคาบที่จำนวนรอบต่ำก่อนเกิดการเสียหาย คือมีจำนวนรอบต่ำกว่า 10,000 รอบ กลไกการขยายตัวของรอยแตกจากการล้าที่รอบต่ำจะคล้ายกับการขยายตัวของรอยแตกในวัสดุที่รับแรงเค้นแบบคงที่ (Constant Stress) การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุจะแสดงให้เห็นถึงการเสียรูปอย่างถาวร (Plastic) ดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ผิวหน้าแตกหักจากการล้าที่รอบต่ำ

3. การล้าเนื่องจากความร้อน (Thermal Fatigue) เกิดขึ้นเมื่อวัสดุสัมผัสกับสภาวะการใช้งานที่มีการแกว่งค่าของอุณหภูมิ (Fluctuation) หรือการได้รับความร้อนสลับกับการเย็นตัวซ้ำแล้วซ้ำเล่า ลักษณะดังกล่าวสามารถทำให้เกิดความเค้นในวัสดุและนำไปสู่การเสียหายแบบล้าได้ วัสดุส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะโลหะ) จะแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงขนาดหรือมีการยืด/หดตัวเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ นอกจากนั้นยังพบว่าแรงเค้นเนื่องจากความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้จากแรงทางกลที่กระทำเฉพาะที่ และทำให้เกิดการขยายตัวของรอยร้าวจนกระทั่งเกิดการแตกหักได้ ตัวอย่างผิวหน้าแตกหักจากการล้าเนื่องจากความร้อนแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ผิวหน้าแตกหักแบบ thermal fatigue

(http://www.ipolytech.com/Plastics-Failure-Analysis.htm)

การล้าเนื่องจากความร้อนไม่จำเป็นต้องมีแรงกระทำทางกลมาเกี่ยวข้องก็สามารถเกิดขึ้นได้ และรูปแบบการเสียหายนี้จะต่างจากการล้าภายใต้การรับแรงเค้นและมีการแกว่งค่าของอุณหภูมิ ถ้ามีการกระจายตัวของอุณหภูมิแตกต่างกันภายในของวัสดุ จะทำให้เกิดการล้าเนื่องจากความร้อนได้ โดยโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ส่วนต่างๆ จะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ต่างกัน จึงทำให้มีการยืด/หดตัวในปริมาณที่ต่างกัน การเสียหายจากการล้าเนื่องจากความร้อนจะปรากฏให้เห็นได้ทั้งการแตกหักและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร

การล้าเนื่องจากความร้อนมักจะเกิดกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และเครื่องยนต์ใบพัดกังหัน เป็นต้น ซึ่งโลหะที่ใช้งานในลักษณะดังกล่าวนี้ค่อนข้างจะมีความไวต่อการล้าจากความร้อน เนื่องจากโครงสร้างจุลภาคของโลหะโดยส่วนใหญ่จะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ วัสดุคอมโพสิทสามารถเกิดการล้าเนื่องจากความร้อนได้เช่นกัน เนื่องจากวัสดุดังกล่าวประกอบด้วยวัสดุที่มีความสามารถในการยืด-หดตัวได้ดีที่อุณหภูมิแตกต่างกัน เช่น ภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่มีค่าขึ้น-ลง วัสดุเสริมแรง (Reinforce Material) จะมีการยืดตัวได้มากกว่าวัสดุพื้น (Matrix Material) ลักษณะดังกล่าวจะทำให้เกิดการล้าเนื่องจากมีแรงกระทำกับวัสดุที่เป็นโครงสร้างพื้น และทำให้เกิดเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกร้าวได้ วิธีการที่ดีเพื่อป้องกันการล้าเนื่องจากความร้อนในวัสดุคอมโพสิท คือ เลือกใช้วัสดุเสริมแรงและวัสดุพื้นที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Thermal Expansion Coefficient) ที่ใกล้เคียงกัน

4. การล้าเนื่องจากแรงกระแทก (Impact Fatigue) เกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้การรับแรงกระแทกแบบซ้ำๆ เฉพาะที่ (Localized Impact) จนทำให้เกิดเป็นจุดเริ่มต้นและมีการขยายตัวของรอยแตก แรงกระทำแบบซ้ำๆ ที่เกิดขึ้นนี้มีค่าสูงจนสามารถทำให้เกิดการแตกหักเนื่องจากการล้าได้

5. การล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion Fatigue) การเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้สภาวะการรับแรงเป็นคาบ แรงที่กระทำเป็นได้ทั้งแรงดึง (Tension) และแรงกด (Compression) และวัสดุสัมผัสกับสภาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (Corrosive Environment) ขนาดของแรงเค้นที่กระทำจะต่ำกว่าจุดครากตัว (Yield Strength) ของวัสดุ ดังนั้นวัสดุจึงถูกกระทำทั้งแรงทางกลและทางสารเคมี โดยมีผลไปลดความต้านทานต่อการล้าตัวของโลหะจนถึงจุดที่เกิดความเสียหาย ช่วงความกว้างของแรงเค้น (Stress Amplitude) มีผลต่อการเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าว กล่าวคือ ถ้าวัสดุใช้งานในสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและแรงเค้นที่กระทำมีช่วงความกว้างที่สูง ทำให้สารเคมีมีโอกาสเข้าไปทำปฏิกิริยาการกัดกร่อนกับวัสดุได้มากกว่า ตัวอย่างของชิ้นส่วนที่เกิดความเสียหายด้วยรูปแบบดังกล่าวแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 ผิวหน้าแตกหักจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน

6. การล้าเนื่องจากการถูครูด (Fretting Fatigue) การถูครูดของผิวหน้าวัสดุสามารถแสดงตัวเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกร้าวได้ โดยภายใต้สภาวะการรับแรงแบบคาบ (โดยปกติจะเป็นแรงแบบคาบที่มี amplitude ต่ำ) ทำให้เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าวบนตำแหน่งที่มีการถูครูด นำไปสู่การขยายตัวและการแตกหักของวัสดุได้ การล้าของวัสดุที่มีการถูครูดจะนำไปสู่การเกิดเป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกได้มากกว่าการล้าของชิ้นส่วนที่ไม่มีการถูครูด ดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ผิวหน้าแตกหักจากการล้าแบบถูครูด

ค่าความต้านทานต่อการล้าตัวของวัสดุสามารถลดลงได้ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ภายใต้การรับแรงแบบถูครูด การล้าเนื่องจากการถูครูดมักเป็นส่วนหนึ่งของกลไกที่ทำให้เกิดปัญหา เนื่องจากมันสามารถเกิดขึ้นได้ในบริเวณที่มิดชิด ไม่สามารถมองเห็นได้ และมีการเสียหายแบบทันทีทันใด ตัวอย่างชิ้นส่วนที่มีความไวต่อการล้าตัวแบบถูครูด ได้แก่ ข้อต่อ ปะเก็น ลูกปืนและตลับลูกปืน แกนหมุน และเพลา เป็นต้น

สำหรับแนวทางในการลดและกำจัดปัญหาการล้าแบบถูครูดดูได้ในตารางด้านล่าง