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...................................