ร่องหลุมจากการล้า (Fatigue Dimples)

บทความสั้นนี้ต้องการให้เกิดความเข้าใจที่ตรงกันและเป็นการนำเสนอเพื่อให้เกิดความรอบคอบในกลุ่มนักวิเคราะห์ความเสียหายโดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่มีหน้าที่วิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักในกรณีที่มีการตรวจพบ “Dimple” บนผิวหน้าแตกหักแล้วสรุปว่าเป็นความเสียหายจากการรับแรงเกินพิกัด (Overload fracture) โดยไม่ได้ศึกษาภาพรวมของผิวแตกอย่างทั่วถึง ซึ่งความหมายอย่างย่อของคำว่า “dimple” คือ ลักษณะร่องหลุมที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักจากการรับแรงดึงแบบคงที่ (Monotonic fracture) โดยเริ่มจากการเกิดช่องว่างขนาดเล็ก (Microvoid) ภายในวัสดุในบริเวณรอยต่อระหว่างสารฝังใน (inclusion) หรือสารมลทิน (Impurity) กับโครงสร้างพื้น (Matrix) จากนั้นมีการขยายตัวของรอยร้าวจากช่องว่างขนาดเล็กจนเกิดการเชื่อมรวมกันของช่องว่าง (Void coalescence) จนกลายเป็นรอยร้าวขนาดเล็ก (Microcrack) และการขยายตัวของรอยร้าวส่งผลให้วัสดุมีพื้นที่ในการรับแรงน้อยลงและทำให้ความเค้นที่กระทำต่อวัสดุมีค่าเพิ่มขึ้น (ความเค้น = แรงต่อพื้นที่หน้าตัด) ในที่สุดก็เกิดการแตกหัก (Fracture) ออกจากกันของวัสดุ ซึ่งกระบวนการเกิดแสดงในรูปที่ 1ก-ข ถ้าตรวจสอบผิวหน้าแตกหักด้วยตาเปล่าหรือในระดับมหภาคจะพบลักษณะที่ขรุขระ (Fibrous fracture surface) ไม่สะท้อนแสง และเมื่อนำผิวหน้าที่เกิดจากการแตกหักไปตรวจสอบที่กำลังขยายสูงด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) จะพบลักษณะพื้นผิว (Topography) เป็นร่องหลุมดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 2 โดยมี 2 ลักษณะ กล่าวคือ ถ้าวัสดุได้รับความเค้นแรงดึงตั้งฉาก (Normal stress) จะได้ผิวหน้าแตกที่สามารถมองเห็นร่องหลุมแบบสมมาตรที่เรียกว่า “Equiaxed dimple” (รูปที่ 2ก) ในขณะที่ถ้าวัสดุได้รับความเค้นแรงเฉือน (Shear stress) จะได้ผิวหน้าแตกที่มีลักษณะของร่องหลุมคล้ายรูปไข่หรือวงรี (Oval shape) ที่เรียกว่า “Shear dimple หรือ Elongated dimple” (รูปที่ 1ง) นี่เป็นความรู้ที่เราได้เรียนมาก่อนหน้านี้ แต่เราทราบหรือไม่ว่าลักษณะดังกล่าวนี้ยังสามารถตรวจพบได้ในการแตกหักที่เกิดจากการล้า (Fatigue fracture) ด้วย ดังนั้น นักวิเคราะห์ความเสียหายจะต้องตรวจสอบให้ตลอดทั่วถึงในผิวหน้าแตกหัก ทั้งแบบมหภาคและจุลภาค ทั้งนี้เพื่อให้เกิดความมั่นใจในการตัดสินรูปแบบการแตกหัก (Cracking mode) ที่เกิดขึ้น เพราะว่ามีหลายคนที่พอเห็น dimple แล้วมักจะสรุปว่าเป็นการแตกหักจากการรับแรงเกินพิกัด

รูปที่ 1 กลไกการแตกแบบเหนียวของโลหะ ก) กระบวนการเกิดช่องว่างขนาดเล็กจนกระทั่งแตกหัก ข) การเกิดช่องว่างบริเวณรอยต่อระหว่างอนุภาคแปลกปลอมกับโครงสร้างพื้น

ก) equiaxed dimple

ข) shear dimple

รูปที่ 2 ภาพถ่าย SEM แสดงลักษณะทางจุลภาคของผิวหน้าแตก ก) equiaxed dimple และ ข) shear dimple

นักวิเคราะห์ความเสียหายจำเป็นต้องใช้ผลการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักในการสรุปรูปแบบและสาเหตุของการแตกหัก ซึ่งเป้นที่ทราบกันดีว่าการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักจะยุ่งยากมากขึ้นถ้าผิวหน้ามีการเสียดสี ถูกทำลายหลังการแตก และมีการกัดกร่อนเกิดขึ้น แต่ถ้าผิวหน้าแตกหักไม่ได้มีสิ่งเหล่านี้มารบกวน นักวิเคราะห์จะต้องชี้ชัดรูปแบบของผิวหน้าแตกหักจากลักษณะที่ปรากฏบนผิวแตกให้ได้ และเมื่อทราบรูปแบบของการแตกแล้ว นักวิเคราะห์ยังต้องบ่งบอกถึงเงื่อนไข (วัสดุหรือสิ่งแวดล้อม) ที่นำไปสู่สาเหตุการแตกหัก

           

การที่จะเอาลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักไปใช้ในการอธิบายสาเหตุของการแตกหักได้นั้น นักวิเคราะห์จะต้องทราบและแสดงให้เห็นถึงสหสัมพันธ์ระหว่างลักษณะผิวแตกที่ปรากฏและรูปแบบของการแตก โดยพิจารณาเทียบกันแบบตัวต่อตัว ดังนั้นผิวหน้าแตกหักที่ศึกษาจะแสดงให้เห็นการแตกเพียงหนึ่งรูปแบบเท่านั้น

          

อย่างน้อยที่สุด นักวิเคราะห์ต้องแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างรอยแตกร้าวที่เกิดขึ้นจากการรับแรงแบบคาบหรือการล้าตัว (Fatigue) ที่รอยร้าวมีการขยายตัวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ (da/dN) ในแต่ละคาบของความเค้น (N) และการแตกร้าวที่เกิดจากการรับแรงเกินพิกัด (Overload) ที่รอยแตกมีการขยายตัวจากการรับความเค้นแบบคงที่ตลอด สำหรับปัจจัยที่ใช้แสดงความแตกต่างของผิวแตกระหว่างการล้าตัวกับการรับแรงเกินพิกัดในวัสดุเหนียวนั้น มักพิจารณาจากการปรากฏของ striation หรือ dimple แต่ในความเป็นจริง การแตกหักจากการล้าอาจไม่ปรากฏให้เห็น striation เสมอไป ซึ่งประเด็นนี้หลายคนก็ให้การยอมรับ และ dimple ก็ไม่จำเป็นต้องที่จะเป็นสัญลักษณ์ที่บอกว่าเป็นความเสียหายจากการรับแรงเกินพิกัดเสมอไป แต่สำหรับคำกล่าวอันหลังนี้อาจมีบางท่านไม่เห็นด้วย อาจเป็นเพราะไม่เคยเห็นหรือไม่เคยศึกษามาก่อนก็เป็นไปได้ เพราะค่าว่า “Fatigue dimple” ไม่ค่อยปรากฏให้เห็นในเอกสารทางวิชาการมากนัก  ทั้งๆ ที่ในความเป็นจริงแล้ว dimple ก็ได้ปรากฏบนผิวหน้าแตกหักจากการล้าตัวมานานแล้ว แต่อาจมีการมองข้ามไปหรือไม่ได้ใส่ใจ แต่ถ้าใครเคยอ่าน ASM Handbook เล่มที่ 11 [1] ตีพิมพ์ในปี 2002 หน้า 578 เรื่อง “cyclic microvoid process” ก็จะพบว่ามีการกล่าวถึงช่องว่างจากการล้าตัวไว้อยู่เหมือนกัน

          

เป็นที่ทราบกันดีในกลุ่มนักวิเคราะห์ที่มีประสบการณ์ในการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักว่าลักษณะทางกายภาพของรอยแตกจากการล้าตัวจะเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการขยายตัวของรอยร้าว (da/dN) เป็นหลัก ซึ่ง striation (ที่เป็นดัชนีที่บ่งบอกถึงการขยายตัวของรอยแตกในแต่ละคาบของแรงที่กระทำ) จะฟอร์มตัวในช่วงอัตราการขยายตัวของรอยร้าวที่ค่าๆ หนึ่งและเกิดขึ้นในบางวัสดุเท่านั้น บางวัสดุอาจไม่พบ เช่นเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก [2] ถ้าอัตราการขยายตัวของรอยร้าวต่ำกว่าค่าดังกล่าว ลักษณะที่ปรากฏบนผิวแตกอาจมองเห็นลักษณะของโครงสร้างผลึก (Crystallographic) แต่ถ้าอัตราการขยายตัวของรอยร้าวสูงกว่าค่าดังกล่าว ลักษณะที่ปรากฏบนผิวแตกก็สามารถพบ fatigue dimple ได้

          

มีกรณีตัวอย่างการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกของเพลา (รูปที่ 3) จากการวิเคราะห์ลักษณะทางมหภาคพบว่าผิวหน้าแตกหักสามารถแบ่งได้เป็น 2 โซน โซนแรกมีจุดเริ่มต้นของรอยแตกมาจากผิวหน้าด้านนอกของเพลาและมีจุดเริ่มหลายจุด (ยืนยันได้จากการตรวจพบ ratchet mark) มีพื้นที่ประมาณ 95% ของพื้นที่ทั้งหมด จากการตรวจสอบพบ striation ในปริมาณหนาแน่น (ลักษณะดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าแรงที่กระไม่สูงมากนัก) และเมื่อตรวจสอบห่างออกมาจากจุดเริ่มต้นในช่วงเปลี่ยนผ่านของโซนที่ 1 มาโซนที่ 2 พบลักษณะ transgranular fracture แต่จุดสิ้นสุดของโซนที่ 2 พบลักษณะของ fatigue dimple ซึ่งชี้ให้เห็นว่าบริเวณดังกล่าวมีอัตราการขยายตัวของรอยร้าวสูงกว่าค่าที่จะทำให้เกิดการฟอร์ม striation กล่าวคือ โซนที่ 2 เป็นพื้นที่เกิดการแตกหักในขั้นสุดท้ายนั่นเองบางครั้งอาจเรียกว่า “final overload zone” และบางครั้งในโซนดังกล่าวอาจพบ Transgranular fracture ทั้งหมดก็ได้

          

จากกรณีตัวอย่างของผิวหน้าแตกที่กล่าวมาจะเห็นว่าอัตราการขยายตัวของรอยร้าว (da/dN) จะเพิ่มตามระยะความยาวของรอยร้าว ดังนั้น ลักษณะที่ปรากฏของผิวหน้าแตกหักจึงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องจากจุดเริ่มต้นจนกระทั่งจุดสุดท้าย สำหรับ striation ที่ตรวจพบในโซนที่มีจุดเริ่มต้นของรอยแตกดังรูปที่ 3ก-ข นั้นสามารถบอกได้เลยว่ารูปแบบของความเสียหายคือการล้า (Fatigue) อย่างไรก็ตามถ้าพิจารณาผิวแตกดังรูปที่ 3ง พบ dimple ซึ่งอาจทำให้เกิดการวิเคราะห์รูปแบบการแตกหักผิดพลาดได้ถ้าไม่มีการแสดงลำดับเหตุการณ์ของการแตกจากจุดเริ่มด้วยการล้า

รูปที่ 3 ผิวหน้าแตกหักของเพลา ก) จุดเริ่มรอยแตกถูกเสียดสีหลังการแตกหัก ข) striation ใน fatigue zone ค) transgranular cracking ใกล้จุดรอยแตกสุดท้าย และ ง) fatigue dimple ใน overload zone

ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่สำคัญมากที่นักวิเคราะห์ความเสียหายจะต้องตรวจสอบผิวหน้าแตกหักทั้งหมดโดยพิจารณาทั้งลักษณะทางมหภาคและจุลภาค ซึ่งอันดับแรกต้องระบุจุดเริ่มต้นรอยแตกให้ได้ก่อน เพราะในบางครั้งลักษณะผิวหน้าแตกหักในระดับจุลภาคอาจนำไปสู่การสรุปผลรูปแบบการเสียหายที่ผิดพลาดได้

เข้าใจตรงกันนะ...

เอกสารอ้างอิง

1.       1. ASM handbook. Failure Analysis and Prevention. vol. 11. ASM International; 1996:578.

2.Sachs NW. Understanding the surface features of fatigue fracture: how they describe the failure cause and the failure history. JFAPBC 2005:11–5.

ขอขอบคุณคุณวิษณุพงษ์ คนแรง ที่ถ่ายภาพผิวหน้าแตกหักของเพลา (รูปที่ 3)