รอยแตกปฐมภูมิและทุติยภูมิ (primary and secondary crack)

หลายท่านเมื่อเจอการแตกหักของวัสดุอาจไม่สามารถแยกแยะได้ว่า รอยแตกอันไหนเป็นรอยแตกปฐมภูมิ (primary crack) และรอยแตกอันไหนเป็นรอยแตกทุติยภูมิ (secondary crack) ดังนั้น ผมจึงนำภาพจำลองมาให้ดู หวังว่าท่านผู้อ่านคงสามารถจำแนกได้แล้วนะครับ....ทีนี้

ประวัติความเป็นมาของศาสตร์แห่งการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก (The history of fractography)

มนุษย์ตั้งแต่ยุคหิน (Stone Age) ได้มีการนำความรู้เรื่องการแตกหักมาประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน


นักโบราณคดีได้ค้นพบ อุปกรณ์เครื่องใช้ อาวุธยุทธภัณฑ์ และเครื่องมือที่ขึ้นรูปจากหิน โดยการควบคุมการแตกหักให้เป็นไปตามทิศทางที่ต้องการ ชี้ให้เห็นว่ามนุษย์รู้จักการเลือกหินโดยพิจารณาจากพฤติกรรมการแตกหัก

ในปี 1722 ได้มีการประยุกต์ใช้ลักษณะทางมหภาคของผิวหน้าแตกหักมาใช้ในการกำหนดคุณภาพของวัสดุโลหะ (metallic materials) ซึ่งศึกษาโดย Reaumur

ประมาณปี 1943 ได้มีการตรวจสอบที่กำลังขยายสูงด้วย OM กำลังขยายไม่เกิน 1,000 เท่า

จนกระทั่งได้มีการตรวจสอบกำลังขยายสูงด้วย scanning electron microscope (SEM)

การบัญญัติศัพท์ของคำว่า fractography ก็คล้ายกับการเริ่มใช้คำว่า metallography นั่นคือ คำว่า fracto มาจากภาษาลาติน คือ fractus หมายถึง การแตกหัก และคำว่า graphy มาจากภาษากรีก คือ grapho หมายถึง การอธิบายหรือพรรณนา

Fractography หมายถึง การอธิบายผลที่ได้จากการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักของวัสดุจากภาพถ่าย

ได้มีการบัญญัติในปี 1944 โดย Carl A. Zapffe หลังจากเขาค้นพบวิธีในการหาตำแหน่งที่เหมาะสมของเลนส์กล้องจุลทรรศน์ เพื่อให้มีระยะใกล้กับวัตถุเพียงพอ จนสามารถมองเห็นผิวหน้าแตกได้อย่างชัดเจน

ความสำคัญของการตรวจสอบโดยไม่ทำลาย

ในการออกแบบชิ้นงานทางด้านวิศวกรรม นอกจากต้องออกแบบองค์ประกอบของการทำงานของชิ้นงานนั้นแล้ว ยังต้องออกแบบให้มีความแข็งแรงและอายุการใช้งานเหมาะสมตามความต้องการของการใช้งานชิ้นงานนั้น การเสียหายของชิ้นงานก่อนเวลาอันสมควรไม่ควรเกิดขึ้นจากการใช้งานตามปกติ แต่ในกรณีที่ชิ้นงานนั้นมีความไม่ต่อเนื่องเกิดขึ้น ความไม่ต่อเนื่องนี้ทำให้ความแข็งแรงของชิ้นงานต่ำกว่าที่ได้ออกแบบไว้ ซึ่งก็มีวิธีการแก้ไขโดยการใช้ตัวประกอบความปลอดภัย (Safety Factor) ที่สูงขึ้น เพื่อชดเชยไว้หากเกิดความไม่ต่อเนื่องดังกล่าว วิธีการนี้มีข้อเสียคือชิ้นงานต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นจึงสิ้นเปลืองวัสดุและทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้นตามไปด้วย ด้วยเหตุนี้การตรวจสอบโดยไม่ทำลายจึงเข้ามามีบทบาทสำคัญ ในการค้นหาความไม่ต่อเนื่องก่อนการนำไปใช้งาน ดังนั้นจึงสามารถลดตัวประกอบความปลอดภัยในส่วนเผื่อของการเกิดความไม่ต่อเนื่องลงได้

เทคนิคทางโลหะวิทยาในงานวิเคราะห์ความเสียหาย ตอนที่ 1 (Metallographic Technique in Failure Analysis)

การตรวจสอบทางโลหะวิทยา (Metallographic Examination) เป็นขั้นตอนหนึ่งที่สำคัญมากที่นักโลหะวิทยานิยมใช้ในงานวิเคราะห์ความเสียหาย จากประสบการณ์ของผู้เขียนแล้วการตรวจสอบทาโลหะวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งขั้นตอนการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคมักถูกนำมาใช้งานในการวิเคราะห์ความเสียหายเกือบทุกกรณี แม้ว่าได้มีการพัฒนาเครื่องมือชนิดอิเล็กตรอนเพื่อตรวจสอบทางโลหะวิทยาที่มีศักยภาพสูง เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน แต่ก็ไม่ลดความสำคัญของกล้องจุลทรรศน์แบบแสง โดยพื้นฐานแล้ว กล้องจุลทรรศน์แบบแสงจะใช้ในการตรวจสอบลักษณะของโครงสร้างจุลภาคและสิ่งที่ส่งผลกระทบต่อกลไกของการเสียหาย จุดประสงค์ของการประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสงสามารถจำแนกได้ 2 แนวทาง คือ

1) อาจใช้ในการตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและทิศทางการแตกร้าว (ในกรณีของการเสียหายที่เกิดการแตกหัก) และ/หรือศึกษาลักษณะของการเสียหายจากการกัดกร่อนหรือการสึกหรอ และ

2) ใช้ในการตรวจสอบว่าสภาวะที่นำไปสู่การเกิดโครงสร้างจุลภาคที่ไม่เหมาะสมเกิดจากเงื่อนไขการผลิตหรือสภาวะการใช้งานที่ส่งเสริมให้เกิดความเสียหาย เช่น ความผิดปกติจากคุณภาพของวัสดุ การประกอบติดตั้ง กระบวนการทางความร้อน และสภาวะการใช้งาน


การดำเนินการวิเคราะห์ความเสียหายของวัสดุ กิจกรรมทั่วไปสำหรับนักโลหะวิทยาหลายๆ คนต้องการการวางแผนอย่างรอบคอบในแต่ละขั้นตอนเพื่อหาสาเหตุของการเสียหาย การใช้งานกล้องจุลทรรศน์แบบแสงอย่างถูกต้องเหมาะสมเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์ความเสียหาย การตรวจสอบทางโลหะวิทยามักดำเนินการหลังจากขั้นตอนการทดสอบแบบไม่ทำลายและการตรวจสอบทางมหภาค หลังจากนั้นจึงทำการตรวจสอบด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

การตรวจสอบชิ้นส่วนที่เสียหายควรเริ่มต้นด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดสเตอริโอ สำหรับการตรวจสอบในภาคสนามก็สามารถเลือกแว่นขยายแบบพกพาได้ ซึ่งนิยมใช้กันอย่างกว้างขวาง ในกรณีที่กล้องจุลทรรศน์แบบแสงมีข้อจำกัดในการศึกษาผิวหน้าแตกหักโดยตรง เราสามารถทำการทดสอบทางอ้อมได้โดยการตรวจสอบรูปร่างของรอยแตก (Fracture Profile) และรอยแตกร้าวทุติยภูมิ (Secondary Cracking)

รายละเอียดของการตรวจสอบผิวหน้าแตกหักที่ให้ผลที่ดีที่สุด คือ การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM) หรือการศึกษาจากตัวอย่างแผ่นบางด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่องผ่าน (TEM) อย่างไรก็ตาม แม้ไม่ได้ทำการตรวจสอบด้วย SEM หรือ TEM ก็ไม่ได้เป็นอุปสรรคต่อการวิเคราะห์ความเสียหายเท่าใดนัก เนื่องจากงานดังกล่าวได้ดำเนินมาก่อนที่จะมีการพัฒนาเครื่องมือทั้งสองขึ้นมา ในหลายๆ กรณีศึกษาพบว่าไม่มีความจำเป็นต้องใช้เครื่องมือทั้งสอง แต่ในบางกรณีจำเป็นต้องใช้อย่างยิ่ง โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องการผลการตรวจสอบที่แม่นยำ ยกตัวอย่างเช่น การตรวจสอบผิวหน้าแตกหัก บางครั้งไม่สามารถตรวจสอบ Beach Mark ซึ่งเป็นลักษณะทางมหภาคของการแตกแบบล้า (Fatigue Fracture) ด้วยตาเปล่าหรือกล้องจุลทรรศน์แบบแสงได้ แต่เมื่อตรวจสอบผิวหน้าแตกด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนอาจตรวจพบแนวการขยายตัวรอยร้าวล้าแบบจุลภาค (Striation) ได้ เป็นต้น

กล้องจุลทรรศน์แบบแสงถือว่าเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในงานวิเคราะห์ความเสียหาย สำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (SEM และ TEM) จะนำมาใช้ในการตรวจสอบทางจุลภาคเมื่อต้องการข้อมูลที่กำลังขยายสูงและมีความคมชัดมากกว่าจากการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสง ซึ่งโดยส่วนใหญ่มักมีกำลังขยายสูงสุดประมาณ 1,000 เท่า แต่เครื่องมืออันแรกที่เราเลือกใช้สำหรับการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคและการชี้ชัดลักษณะที่ปรากฏอื่นๆ คือกล้องจุลทรรศน์แบบแสง แต่เครื่องมือทั้งสองสามารถใช้ในการเพื่อให้เกิดความสมบูรณ์ของข้อมูล การตรวจสอบโครงสร้างทางจุลภาคสามารถดำเนินการโดยใช้ SEM ในช่วงกำลังขยายที่สูงกว่า OM ซึ่งจะมีประสิทธิภาพที่ดีกว่า กลไกในการแสดงความแตกต่างระหว่างส่วนที่สว่างที่สุดกับส่วนที่มืดที่สุด (Contrast Mechanism) เพื่อแสดงให้ภาพโครงสร้างจุลภาคจะแตกต่างกันระหว่าง LM กับ SEM โครงสร้างจุลภาคของบางกรณี ยกตัวอย่างเช่น โครงสร้างเทมเปอร์มารเทนไซต์ (Tempered Martensite) จะให้ความชัดของภาพที่ไม่ดีนักเมื่อตรวจสอบด้วย SEM แต่จะให้รายละเอียดที่ชัดเจนเมื่อใช้ LM เมื่อ atomic number contrast หรือ topographic contrast มีค่าสูง การตรวจสอบด้วย SEM จะให้ภาพโครงสร้างที่ดีมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่กำลังขยายสูงกว่า 500 เท่า อย่างไรก็ตาม เครื่องมือทั้งสองมีข้อจำกัดและข้อดีที่แตกต่างกัน จึงเป็นเทคนิคที่เติมเต็มซึ่งกันและกันมากกว่าที่จะเป็นคูแข่งกัน การศึกษาโครงสร้างจุลภาคและผิวหน้าแตกทั้งหมดควรเริ่มที่กำลังขยายต่ำ ตั้งแต่ตาเปล่า แว่นขยาย กล้องจุลทรรศน์กำลังขยายต่ำไปจนถึง SEM การตรวจสอบผิวหน้าแตกจะเริ่มต้นด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดสเตอริโอและใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดสะท้อนแสงในการตรวจสอบลักษณะและการขยายตัวของรอยแตกและโครงสร้างจุลภาคก่อนที่จะใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในการตรวจสอบทางโลหะวิทยา

โปรดติดตามตอนต่อไป...................................

เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 19) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ (Duplex Stainless Steel)

ต่อจากตอนที่ 18 นะครับ หลังจากที่ทิ้งช่วงมานาน...........................

เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าเฟสทั้งสองที่ปรากฏในเหล็กกล้าขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมี โดยเฉพาะธาตุผสมทั้งสามที่กล่าวมานั้น (โครเมียมและโมลิบดีนัมส่งเสริมให้เกิดเฟอร์ไรต์ ในขณะที่ไนโตรเจนส่งเสริมให้เกิดออสเตนไนต์) จะส่งผลให้วัสดุมีความต้านทานการกัดกร่อนต่างกันด้วย แต่โดยรวมแล้วธาตุทั้งสามจะเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มในสารละลายที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ [121] เช่น การจุ่มแช่เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ในสารละลายกรดไนตริกและไฮโดรคลอริกสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้ โดยแต่ละเฟสจะแสดงตัวเป็นได้ทั้งบริเวณที่สูญเสียอิเล็กตรอน (แอโนด) หรือรับอิเล็กตรอน (แคโทด) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของสารละลายที่สัมผัส [122]

การอบอ่อน (Annealing Treatment) เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ [114] กล่าวคือ ถ้าอบที่อุณหภูมิต่างกัน จะได้สัดส่วนของเฟสเฟอร์ไรต์และออสเตนไนต์ที่ต่างกัน (ที่ส่วนผสมเดียวกัน) และการกระจายตัวของธาตุผสมในเฟสทั้งสองที่เกิดขึ้นหลังการอบอ่อน จะส่งผลให้แต่ละเฟสมีความต้านทานการกัดกร่อนต่างกันไปด้วย ในทางกลับกัน ถ้าผ่านกระบวนการทางความร้อนที่ไม่เหมาะสมสามารถส่งเสริมให้เกิดเฟสที่สอง (Second Phase) ได้เช่นกัน การตกตะกอนดังกล่าวจะลดสมบัติของวัสดุทั้งความแกร่งและความต้านทานการกัดกร่อน

โครงสร้างแบบผสม 2 เฟสทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์มีความแกร่งและความเหนียวดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก และมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก ซึ่งอธิบายได้ว่า เฟสออสเตนไนต์ซึ่งมีความไวต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน จะถูกป้องกันแบบคาโธดิก (Cathodic Protection) จากเฟสเฟอร์ไรต์ที่เชื่อว่าอยู่ภายใต้ความเค้นแรงอัดจาก “Keying Effect [113]” ในโครงสร้างแบบผสม 2 เฟส (ซึ่ง SCC ต้องใช้ความเค้นแรงดึงในการขยายตัวรอยแตกร้าว) จึงสามารถป้องกันการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนได้ ความจริงแล้ว การปรับปรุงความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากคลอไรด์ ถูกค้นพบจากการศึกษาเนื้อโลหะบริเวณที่ผ่านการเชื่อม (Weld Metal Region) ของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก ซึ่งพบว่ามีเฟอร์ไรต์ตกค้าง (Retained Ferrite) ประมาณ 5-10% ปรากฏการณ์ดังกล่าวส่งผลให้แนวเชื่อมมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนเป็นอย่างมาก เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์จึงมีอัตราการประยุกต์ใช้งานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมผลิตสารเคมี โรงกลั่นน้ำมัน นิวเคลียร์ อุปกรณ์ใช้งานในทะเล ปิโตรเคมี ปุ๋ยเคมี ผลิตอาหาร เยื่อและกระดาษ ควบคุมมลภาวะ เรือดำน้ำ และการใช้งานทางวิศวกรรมทั่วไป [123-124] เป็นต้น

โดยทั่วไป การเสื่อมสภาพของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์มักเกิดจากการสัมผัสกับสภาวะอุณหภูมิสูง ทั้งจากกระบวนการผลิตและระหว่างการใช้งาน โดยการตกตะกอนของเฟสที่สอง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิและระยะเวลาที่วัสดุได้รับ [125-126] เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์มีปริมาณโครเมียมและโมลิบดีนัมผสมในปริมาณสูง และธาตุทั้งสองสามารถละลายในเฟสเฟอร์ไรต์ได้มาก จึงส่งผลให้วัสดุมีความไวต่อการฟอร์มเฟสที่สองได้ง่ายในระหว่างการสัมผัสอุณหภูมิในช่วง 280-1000 องศาเซลเซียส เช่น เฟสซิกมา (-phase) เฟสไช (-phase) เฟสออสเตนไนต์ทุติยภูมิ (Secondary Austenite Phase) คาร์ไบด์ (เช่น M23C6) โครเมียมไนไตรด์ (Cr2N) เฟสแอลฟ่าไพร์ม (’) และเฟสอื่นๆ

โปรดติดตามตอนต่อไป...........................ดูเพล็กซ์ยังไม่จบนะครับ

เอกสารอ้างอิง:
[121] K.L Weng, H.R Chen, J.R Yang. The low-temperature aging embrittlement in a 2205 duplex stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2004; 379(1-2): pp. 119-32.

[122] Tahar Sahraoui, Mohamed Hadji, Mostepha Yahi. Design and deformation behavior of high strength Fe–Mn–Al–Cr–C duplex steel. Materials Science and Engineering: A 2009; 523(1-2): pp. 271-6.

[123] Wen-Ta Tsai, Jhen-Rong Chen. Galvanic corrosion between the constituent phases in duplex stainless steel. Corrosion Science 2007; 49(9): pp. 3659-68.

[124] Chuan-Ming Tseng, Horng-Yih Liou, Wen-Ta Tsai. The influence of nitrogen content on corrosion fatigue crack growth behavior of duplex stainless steel. Materials Science and Engineering A 2003; 344(1-2): pp. 190-200.

[125] Horng-Yih Liou, Rong-Iuan Hsieh, Wen-Ta Tsai. Microstructure and pitting corrosion in simulated heat-affected zones of duplex stainless steels. Materials Chemistry and Physics 2002; 74(1): pp. 33-42.

[126] J.K. Sahu, U. Krupp, R.N. Ghosh, H.-J. Christ. Effect of 475 °C embrittlement on the mechanical properties of duplex stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2009; 508(1-2): pp. 1-14.

การประเมินสมบัติทางกลหลังเกิดความเสียหาย (Post-Failure Evaluation of Mechanical Properties)

การวิเคราะห์ชิ้นส่วนที่เกิดความเสียหายอย่างละเอียดบางครั้งจำเป็นต้องทดสอบสมบัติทางกล เพื่อตรวจสอบว่าสมบัติทางกลของวัสดุก่อนการใช้งานเป็นไปตามข้อกำหนดของผู้ออกแบบหรือผู้ผลิตหรือไม่ ระหว่างการทดสอบสมบัติต่างๆ เหล่านี้ ต้องดำเนินการอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ค่าที่แท้จริงโดยการตรวจสอบสมบัติก่อนการใช้งาน ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาวะการใช้งานของวัสดุหรือตลอดเหตุการณ์ของความเสียหาย นอกจากนี้ การทดสอบสมบัติทางกลอาจดำเนินการเพื่อตรวจสอบว่าความเสียหายไดเกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำของสิ่งผิดปกติหรือจากสภาวะการใช้งานที่ไม่พึงประสงค์หรือไม่ ประเภทของการทดสอบทางกลที่ดำเนินการระหว่างการวิเคราะห์ความเสียหายเหมือนกับการทดสอบวัตถุดิบหรือชิ้นส่วนที่ยังไม่ผ่านการใช้งาน การทดสอบเหล่านี้ผู้เขียนจะนำเสนอในบทนี้ซึ่งรวมทั้งความหลากหลายและความน่าเชื่อถือที่ประกอบไปด้วยการสังเกตการณ์และข้อควรระวังต่างๆ เพื่อช่วยให้นักวิเคราะห์ความเสียหายทำการตรวจสอบสมบัติทางกลดั้งเดิมได้อย่างถูกต้องเหมาะสม


บทนำ

บ่อยครั้งที่การวิเคราะห์ความเสียหายมักกระตุ้นให้เกิดความเข้าใจในการที่การทดสอบสมบัติทางกลในห้องปฏิบัติทั่วไปไม่ได้ให้ นักวิเคราะห์ความเสียหายเผชิญกับสถานการณ์และเงื่อนไขที่ซับซ้อนในการตรวจสอบความเสียหายในแต่ละกรณี ซึ่งการทดสอบก็เหมือนกับการดำเนินในห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมเพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีความหมาย ในขณะที่เป็นไปไม่ได้เลยที่จะประยุกต์กฎให้ครอบคลุมเงื่อนไขการทดสอบทั้งหมด จึงมีความจำเป็นต้องประยุกต์ใช้ให้เป็นไปตามมาตรฐานที่ปฏิบัติให้มากที่สุด ความเสียหายได้ตรวจสอบเพื่อค้นหาปัจจัยที่เป็นสาเหตุที่แท้จริงทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายขึ้นอีกในอนาคต บางครั้งความเสียหายยังต้องวิเคราะห์เพื่อหาผู้ที่ต้องรับผิดชอบ ในกรณีสุดท้ายที่กล่าวมานั้น มักมีการฟ้องร้องเกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การตรวจสอบผลการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดและตรวจสอบวิธีการทดสอบอย่างใกล้ชิดรวมทั้งข้อสมมุติฐานที่ใช้ในระหว่างการวิเคราะห์ ในระหว่างการกระบวนการวิเคราะห์ความเสียหายนั้น การตรวจสอบสมบัติทางกลของชิ้นส่วนที่เสียหายมักจะเป็นที่พึงประสงค์และต้องการดำเนินการเกือบทุกกรณี สมบัติที่ได้จากการทดสอบเหล่านี้ประกอบด้วย ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Tensile Strength) ความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield Strength) ความแกร่ง (toughness) ความแข็ง (hardness) อายุการล้า (fatigue life) ความต้านทานการล้าตัว (fatigue strength) และความสามารถการใช้งานที่อุณหภูมิสูง แต่ไม่ได้จำกัดเพียงเท่านี้ นอกจากนี้ อาจจำเป็นต้องมีการวัดค่าความนำไฟฟ้าของโลหะผสม แม้ว่าจะไม่ใช่สมบัติทางกลก็ตาม การประเมินสมบัติทางกลของวัสดุสมารถดำเนินการได้จากทั้งชิ้นส่วนที่เกิดความเสียหายและชิ้นส่วนตัวอย่างซึ่งเป็นตัวแทนอื่นๆ ซึ่งอาจยังไม่เกิดความเสียหาย นักวิเคราะห์ความเสียหายจะต้องพิจารณาว่าผลการทดสอบหลังเกิดความเสียหายเป็นอย่างไรอาจต่างจากหรือแปรผันจากข้อกำหนดเบื้องต้นของผู้ผลิตและพยายามเพื่อลดหรือหลีกเลี่ยงสภาวะที่นำไปสู่การแปรผัน มีหลากหลายเหตุผลที่สามารถอธิบายว่าทำไมข้อกำหนดหรือข้อมูลการทดสอบจากผู้ผลิตอาจแปรผันจากข้อมูลสมบัติทางกลของชิ้นส่วนที่เกิดความเสียหาย ในบทนี้ผู้เขียนจะนำเสนอสาเหตุที่นำไปสู่การแปรผันของสมบัติทางกล เสนอแนะวิธีเพื่อหลีกเลี่ยงหรือลดผลกระทบเหล่านั้น และอธิบายให้เห็นว่าข้อมูลจากการทดสอบอันไหนที่เป็นตัวแทนของสมบัติทางกลที่ดีที่สุดของชิ้นส่วนที่เกิดความเสียหาย จะอธิบายปัจจัยที่สนับสนุนการแปรผันของข้อมูลจากการทดสอบหลังจากเกิดความเสียหาย และอธิบายวิธีการทดสอบที่เฉพาะต่างๆ (เช่น แรงดึง ความแข็ง การล้า และความแกร่งต่อการแตกหัก) ปัจจัยที่คล้ายกันที่นำไปสู่การแปรผันของสาเหตุที่เกิดขึ้นในการทดสอบอื่นๆ เช่น การทดสอบแรงกระแทก (impact testing) และการทดสอบการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (stress-corrosion cracking)

โปรดติดตามตอนต่อไปนะครับ................................

การทดสอบแบบไม่ทำลายกับงานวิเคราะห์ความเสียหาย (ตอนที่ 1)

ผมจะนำเสนอหัวข้อดังกล่าวออกมาเป็นตอนนะครับ โดยเบื้องต้นผมจะนำเสนอบทนำที่เกี่ยวกับ การทดสอบแบไม่ทำลายกับงานวิเคราะห์ความเสีย ความสำคัญ วัตถุประสงค์ ข้อดี ข้อเสีย และเทคนิค NDT 9 ประเภทได้แก่
1. การตรวจสอบด้วยสายตา (visual Test)
2. การใช้สารละลายแทรกซึม (Penetrant Test)
3. การใช้อนุภาคผงแม่เหล็ก (Magnetic Particle Test)
4. การฉายด้วยรังสี (Radiography)
5. การใช้กระแสไหลวน (eddy Current Test)
6. การใช้คลื่นเสียงความถี่สูง (Ultrasonic Test)
7. การทดสอบการรั่ว (Leak Test)
8. การตรวจสอบด้วยคลื่นอะคูสติก (Acoustic Emission Test)
9. การถ่ายภาพความร้อน (Infrared thermography)

การประเมินผลจากการทดสอบแบบไม่ทำลาย (Nondestructive evaluation) มีศัพท์ที่เรียกกันหลายชื่อและรู้จักกันดีคือ nondestructive testing (NDT), nondestructive inspection (NDI) และ nondestructive examination (NDE) กิจกรรมนี้เกี่ยวข้องกับการประเมินผลที่ได้จากการทดสอบ การตรวจสอบอย่างละเอียดและการตรวจสอบทั่วไป โดยเบื้องต้นจะเกี่ยวข้องกับการตรวจดูหรือการวัดคุณลักษณะบางอย่างของวัตถุ บ่อยครั้งจะเป็นการตรวจสอบลักษณะบางอย่างของวัตถุว่ามีความผิดปกติ มีจุดบกพร่องหรือความไม่ต่อเนื่องหรือไม่ การตรวจสอบทั่วไป การตรวจสอบอย่างละเอียดและการทดสอบเหล่านี้จะใช้ในการค้นหารอยบกพร่องหรือความผิดปกติใดๆ ที่มีอยู่ในชิ้นงาน ทั้งที่เป็นอันตรายต่อการใช้งานหรือไม่เป็นอันตรายต่อการใช้งาน โดยที่ไม่ทำให้เกิดความเสียหายขึ้นกับชิ้นงานนั้น การประเมินผลจากการทดสอบแบบไม่ทำลายเป็นเครื่องมือที่มีความสำคัญที่ช่วยเพิ่มความปลอดภัย เพิ่มคุณภาพและความเชื่อมั่นของผลิตภัณฑ์ เพิ่มความสามารถในการผลิต ลดค่าใช้จ่าย รักษาสิ่งแวดล้อมและประหยัดเงิน


การทดสอบแบบไม่ทำลายอาจไม่ค่อยมีการประยุกต์ใช้กับงานวิเคราะห์ความเสียหายกันมากนักในบ้านเรา เพราะโดยส่วนใหญ่มักนำไปตรวจสอบหลังการผลิต ประกอบและติดตั้งก่อนการใช้งาน แต่หลังจากนำไปใช้งานแล้วเกิดความเสียหาย เทคนิคการทดสอบแบบไม่ทำลายกลับมีบทบาทน้อยมากในการเข้าเสริมเพื่อยืนยันสาเหตุที่แท้จริงของการเสียหาย อย่างไรก็ตามจึงถือเป็นโอกาสที่ดีเมื่อวิธีการทดสอบและการประเมินผล เช่น การใช้สารละลายแทรกซึม การทดสอบด้วยอนุภาคผงแม่เหล็ก การใช้คลื่นอุลตร้าโซนิค และการฉายรังสีที่ต้องการเพื่อให้งานตรวจสอบความเสียหายบรรลุผลสำเร็จ ในปัจจุบันนี้จะเห็นว่าหลายหน่วยงานมีการประยุกต์ใช้เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายมาใช้ในงานวิเคราะห์ความเสียหาย จากการประยุกต์ใช้ร่วมกันทั้งสองศาสตร์นี้ ทำให้ผลที่ได้จากการวิเคราะห์ความเสียหายนำไปสู่การกำหนดวิธีการทดสอบแบบไม่ทำลาย หรือค้นพบวิธีอื่นที่มีความเหมาะสมมากกว่า และเพื่อค้นหาเทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายเพื่อดำเนินการวิเคราะห์ความเสียหาย เช่น การหาตำแหน่งเพื่อตัดชิ้นส่วนด้วยเทคนิคการฉายรังสี แต่น่าเสียดายการเชื่อมกันระหว่างการทดสอบแบบไม่ทำลายและการวิเคราะห์ความเสียหายมีการนำมาใช้เพื่อให้เกิดประโยชน์ร่วมกันน้อยมาก และถ้ามีการนำมาใช้ร่วมกันก็มักจบลงด้วยการขัดแย้งกัน นอกจากว่าท่านจะเปิดใจเท่านั้น

หลายครั้งเราจะเห็นว่ามีการเรียกร้องให้ทำการวิเคราะห์ซ้ำ เนื่องจากผลการตรวจสอบได้ชี้ให้เห็นว่าความเสียหายสามารถป้องกันไม่ให้เกิดได้โดยการทดสอบที่คลอบคลุมมากขึ้นหรือมีการดำเนินการทดสอบที่ละเอียดมากมากขึ้นกว่าเดิม หรืออาจเกิดจากผู้ปฏิบัติการทดสอบแบบไม่ทำลายสามารถชี้ให้เห็นได้ว่ารายงานผลการวิเคราะห์ความเสียหายไม่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้เลยหรือมีการแปรผลผิดพลาดจากการผลการทดสอบ โดยยกตัวอย่างเกี่ยวกับปัญหาที่เกิดขึ้นดังนี้ มีการเสียหายของชิ้นส่วนเกิดขึ้นกรณีหนึ่งซึ่งได้มีการตรวจสอบด้วยเทคนิคที่ไม่ทำลายและดำเนินการวิเคราะห์ความเสียหายซึ่งพบว่าสามารถเอามาใช้ร่วมกันและไม่สามารถเอามาใช้ร่วมกันได้ โรงงานผู้ผลิตแห่งหนึ่งพบความเสียหายที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในชิ้นส่วนที่มีความสำคัญมากอันหนึ่งสำหรับการขนส่งเข้าสู่กระบวนการผลิต ความเสียหายของชิ้นส่วนดังกล่าวนั้น นอกจากจะส่งผลให้สูญเสียการผลิตแล้ว ยังส่งผลต่อการสูญเสียชีวิตถ้าความเสียหายได้เกิดขึ้นในตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง โดยในฐานะผู้ผลิตได้ตั้งคำถามขึ้นมาอย่างเพียงพอ ซึ่งผู้จัดการอาวุโสได้ให้ทีมงานภายในบริษัททั้งแผนกวิเคราะห์ความเสียหายและแผนกทดสอบแบบไม่ทำลายเขาดำเนินการเพื่อหาสาเหตุที่เกิดขึ้น ซึ่งโดยส่วนใหญ่ในโรงงานทั่วไป เราจะพบว่า ห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาเป็นส่วนหนึ่งแผนกวิศวกรรม ในขณะที่กลุ่มทดสอบแบบไม่ทำลายมักเป็นส่วนหนึ่งฝ่ายซ่อมบำรุง โดยเมื่อความเสียหายเกิดขึ้นครั้งแรก ชิ้นส่วนดังกล่าวได้ถูกนำมาให้นักโลหะวิทยาตรวจสอบทันที ซึ่งเป็นผู้ทำการตรวจสอบในเบื้องต้น จากการตรวจสอบได้ชี้ให้เห็นว่าเกิดการแตกร้าวที่ตีนรอยเชื่อม (Toe Crack) ในส่วนของโครงสร้างที่ผ่านการเชื่อม อย่างไรก็ตามได้พบการดำเนินการวิเคราะห์ความเสียหายยังไม่สมบูรณ์ แล้วยังมาวินิจฉัยว่าความเสียหายเกิดขึ้นเนื่องจากจุดบกพร่องบริเวณแนวเชื่อมที่ผิว (Surface welding defect) และมีความน่าจะเป็นว่าไม่ได้เกิดจากการเชื่อม เพื่อรับประกันเรื่องดังกล่าวทางห้องปฏิบัติการทางโลหะวิทยาได้กำหนดว่าให้พนักงานทดสอบแบบไม่ทำลายทำการตรวจสอบหาลักษณะความไม่ต่อเนื่องของผิวหน้า โดยกระบวนการตรวจสอบชิ้นส่วนดังกล่าว (ด้วยสารละลายแทรกซึม) แสดงให้เห็นว่าไม่พบจุดบกพร่องที่ผิวหน้าแต่อย่างใดและและคิดว่าระบบดังกล่าวสามารถนำไปใช้งานได้ แต่หลังจากใช้งานได้ประมาณ 1 สัปดาห์ เมื่อมาตรวจสอบอีกครั้งพบว่าได้เกิดความเสียหายขึ้นมาอีก 2 ครั้ง ซึ่งเกือบเป็นอันตรายกับพนักงาน ลำดับขั้นตอนการเสียหายที่เกิดขึ้นครั้งนี้ได้เริ่มจากการรับแจ้งให้ทำการตรวจสอบซ้ำ เมื่อการตรวจสอบยังชี้ให้เห็นยังสามารถค้นพบเครื่องบ่งชี้ถึงจุดบกพร่องของวัสดุที่นำไปสู่การเสียหาย จึงได้มีการมองหาผู้วิเคราะห์จากภายนอกโรงงานมาช่วย จากการทบทวนข้อเท็จจริงที่ทางโรงงานเข้าใจหลังจากเกิดความเสียหาย 3 ครั้งและได้ทำการทดสอบ 2 ครั้ง ทำให้บางหัวข้อค่อนข้างจะชัดเจน กล่าวคือ การวิเคราะห์ความเสียหายห่างไกลความเป็นจริงมากและยังไม่สมบูรณ์และได้ลงความเห็นโทษกระบวนการเชื่อม และขยายไปถึงผู้ทดสอบด้วย มีข้อเสนอแนะว่าต้องดำเนินการทดสอบหาความไม่ต่อเนื่องที่ผิวหน้าอย่างเร่งด่วน ทีมงานวิเคราะห์ความเสียหายจากข้างนอกได้ชี้ให้เห็นว่าความเสียหายเกิดขึ้นเนื่องจากการล้าตัวในชิ้นส่วนที่ใช้งานมาแล้ว 15 ปี และจุดเริ่มต้นการแตกหักอยู่ภายใต้ผิวหน้า (subsurface) ลงไปเล็กน้อย และคาดว่ารอยแตกร้าวได้แยกผิวหน้าในช่วงเวลาก่อนที่จะเกิดการแตกหัก ดังนั้นการเลือกวิธีการทดสอบดังกล่าวของบริษัทจึงไม่ถูกต้องเหมาะสม เพราะว่าสารละลายแทรกซึมไม่สามารถตรวจหารอยแตกใต้พื้นผิวได้ ซึ่งจากส่วนการวิเคราะห์ของทีมที่จัดหาจากภายนอก พบว่าวิธีการที่เหมาะสมในการตรวจหารอยแตกใต้พื้นผิว คือ การทดสอบด้วยอนุภาคผงแม่เหล็ก จากผลการตรวจสอบอย่างละเอียดด้วยวิธีการทั้งสองและการวิเคราะห์ความเสียหาย กระบวนการซ่อมบำรุงต้องมีการปรับปรุงโดยการป้องกันไม่ให้รอยแตกที่ปรากฏอยู่รับแรงดึงจนกว่าจะมีการออกแบบใหม่เพื่อให้สามารถรับแรงแบบรอบได้ ในกรณีดังกล่าวนี้ สามารถกล่าวได้ว่า การเสียหายที่เกิดขึ้นครั้งแรกสามารถตัดปัญหาจากการเชื่อมออกไปได้ และทำการออกแบบใหม่ ความเสียหายที่เกิดขึ้นครั้งที่สอง เกิดขึ้นเมื่อนักวิเคราะห์ความเสียหายของบริษัทได้ดำเนินการอย่างรวดเร็วและเกิดจากการเลือกวิธีทดสอบที่ไม่เหมาะสม ครั้งที่สาม ความเสียหายเกิดขึ้นเมื่อทีมทดสอบแบบไม่ทำลายไม่ได้สอบถามว่าทำไมถึงต้องเลือกสารละลายแทรกซึมในการทดสอบ ซึ่งการทดสอบด้วยอนุภาคผงแม่เหล็กสามารถดำเนินการได้รวดเร็วกว่าและมีความสามารถตรวจสอบความไม่ต่อเนื่องที่ผิวและใต้ได้ดีกว่า จากเหตุการณ์ข้างต้นดังกล่าว ชี้ให้เห็นว่าทั้งสองทีมงานของบริษัทขาดความรู้ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในขั้นตอนการทดสอบเบื้องต้น จนนำมาสู่การเสียหายอีก 2-3 ครั้งตามมา กล่าวคือ ถ้าทีมวิเคราะห์ความเสียหายได้ดำเนินการอย่างถูกต้อง เช่น เมื่อตรวจสอบผิวแตกหักของชิ้นส่วนแล้วตรวจพบว่ากลไกความเสียหายเกิดจากการล้า ก็สามารถออกแบบใหม่เพื่อป้องกันปัญหาดังกล่าวได้ ยกเว้นรอยร้าวจากการล้าตัวได้ขยายมาจากจุดบกพร่องจากการเชื่อมบนผิวหน้า และในท้ายที่สุด การประยุกต์ใช้เทคนิคทั้งการทดสอบแบบไม่ทำลายและการวิเคราะห์ความเสียหายควบคู่กันจะนำไปสู่การแก้ปัญหาได้อย่างรวดเร็ว

สำหรับตอนต่อไปผมจะนำเสนอ "ความสำคัญของการตรวจสอบโดยไม่ทำลาย" โปรดคอยอ่านนะครับ............

การสัมมนาเชิงปฏิบัติการที่พัทยา

หลังจากที่สมาคมการกัดกร่อนโลหะและวัสดุไทยได้ร่วมมือกับศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) จัดอบรมเชิงปฏิบัติการเรื่อง "การวิเคราะห์ความเสียหายงานโลหะ" เมื่อวันที่ 13-18 มิถุนายน 2554 ที่โรงแรมฟูรามา จอมเทียน จังหวัดชลบุรี ที่ผ่านมา ผมก็เป็นหนึ่งในคณะวิทยากรโดยได้บรรยายในหัวข้อ "ขั้นตอนการวิเคราะห์ความเสียหาย" และ "การวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหัก" ซึ่งทั้งสองหัวข้อผู้เข้าอบรมนอกจากจะได้ความรู้ด้านทฤษฎีแล้วยังได้ลงมือปฏิบัติ ซึ่งผมสังเกตดูแล้วทุกท่านตั้งใจอย่างมากหลักสูตรนี้มุ่งเน้นให้ผู้ผ่านการฝึกอบรมมีความรู้ทั้งภาคทฤษฎีและปฏิบัติสำหรับนำไปประยุกต์ใช้ในการปฏิบัติงาน โดยมีอุตสาหกรรมเป้าหมาย คือ อุตสาหกรรมเคมี อุตสาหกรรมปิโตรเคมี โรงกลั่นนำมัน และผลิตไฟฟ้า ซึ่งถือว่าเป็นหลักสูตรการฝึกอบรมรูปแบบใหม่ที่มีการนำเครื่องมือทดสอบด้านการวิเคราะห์ความเสียหายของโลหะไปฝึกในภาคปฏิบัติในพื้นที่ตั้งของกลุ่มอุตสาหกรรมเป้าหมาย


ความสำคัญของหลักสูตรฝึกอบรมนี้ นอกจากเรียนรู้หลักการเป็นผู้ตรวจสอบเบื้องต้น และผู้ควบคุมการวิเคราะห์ความเสียหายแล้ว ผู้เข้ารับการฝึกอบรมจะได้ความรู้ด้านเทคนิคและข้อมูลเชิงลึกเพื่อนำไปกำหนดแนวทางการปฏิบัติงานสำหรับป้องกันความเสียหายของชิ้นส่วนทางวิศวกรรม เพื่อลดการสูญเสียเวลาและค่าใช้จ่าย และที่สำคัญคือ สามารถพัฒนาวิธีการที่จำเป็นและเทคนิคใหม่ในการดำเนินการวิเคราะห์ความเสียหายได้ด้วยตัวเอง โดยผู้เข้าอบรมทั้งหมดได้ผ่านเกณฑ์การทดสอบและประเมินที่กำหนดไว้ของหลักสูตรในครั้งนี้ และได้รับประกาศนียบัตรรับรองการผ่านหลักสูตรฯ จากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) โดยได้รับเกียรติจากรองศาสตราจารย์ ศิริลักษณ์ นิวิฐจรรยงค์ นายกสมาคมการกัดกร่อนโลหะและวัสดุไทย และรองผู้อำนวยการศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ เป็นประธานในพิธีมอบประกาศณียบัตรแก่ผู้ผ่านการฝึกอบรม

ผู้เข้าร่วมอบรมถ่ายรูปร่วมกับคณะวิทยากร