Metallurgical Failure Analysis: ความแตกต่างระหว่างการแตกร้าวล้า (จากการกัดกร่อนและความร้อน)

ในมุมมองของวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์มีปรากฏการณ์สำคัญสองประการที่อาจส่งผลต่อความแข็งแรงทางโครงสร้างของชิ้นส่วน ได้แก่ การแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion Fatigue Cracking) และการแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อน (Thermal Fatigue Cracking) มีหลายคนที่อาจไม่แยกแยะความแตกต่างระหว่างความเสียหายของทั้งสองกลไก แม้ว่าจะมีลักษณะบางอย่างที่คล้ายคลึงกันบ้าง ดังนั้นการเรียนรู้ให้เกิดความเข้าใจ แยกแยะความแตกต่างที่สำคัญเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ การป้องกัน และการบรรเทาผลกระทบที่มีประสิทธิผล เรามาลองศึกษาความเสียหายทั้งสองรูปแบบนี้และคุณลักษณะที่แตกต่างของมันกันดูนะครับ

https://si-materialslab.com/product/corrosion-fatigue/

การแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน (Corrosion Fatigue Cracking) เกิดขึ้นครั้งแรกในสายเคเบิลลากจูงพาราเวนของกองทัพเรือในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง ปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้สภาวะการรับแรบแบบคาบหรือรอบในขณะเดียวกันก็สัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เป็นกระบวนการเสริมกันทั้งจากแรงทางกลแบบคาบและทางเคมีจากการกัดกร่อน นำไปสู่การเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยแตกร้าว การสัมผัสกับสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น ความชื้นหรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จะทำให้ชั้นฟิล์มออกไซด์ที่ทำหน้าที่ป้องกันการกัดกร่อนของวัสดุอ่อนแอลง จนทำให้ไวต่อการกัดกร่อนมากขึ้น ทำให้เกิดการกัดกร่อนเฉพาะที่ (Localized Corrosion) ซึ่งจากนั้นจะแสดงตัวเป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าว ยิ่งเมื่อมีการรับภาระโหลดแบบคาบหรือรอบ รอยแตกร้าวจะขยายตัวออกไปเรื่อย ๆ ซึ่งในที่สุดนำไปสู่ความเสียหายอย่างร้ายแรงได้ เพราะเราคงทราบกันดีว่า

“การล้า (Fatigue) หมายถึง การที่ชิ้นงานรับแรงซ้ำไปซ้ำมาหรือเป็นคาบ (Cyclic Load) เช่น ดัดไป-ดัดมา ดึงปล่อย-ดึงปล่อย หมุนไป-หมุนมา บิดไป-บิดมา หรือแรงดันเพิ่มขึ้น-ลดลงไปมา เป็นต้น ส่งผลให้เกิดรอยร้าวขึ้น รอยร้าวที่เกิดจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ภายในชิ้นงาน จนในที่สุดชิ้นงานจะเหลือพื้นที่ในการรับแรงเพียงเล็กน้อย และเกิดการแตกหักทันทีทันใดเมื่อได้รับความเค้นเพียงเล็กน้อย แรงที่ว่านี้เมื่อนำมาคำนวณต่อพื้นที่ (Stress) จะพบว่ามีค่าต่ำกว่าค่าความเค้นที่ใช้ในการออกแบบ เช่น ค่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Stress)”

ในทางกลับกัน การแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อน (Thermal Fatigue Cracking) เกิดขึ้นจากวัฏจักรการให้ความร้อนและการเย็นตัว หรืออุณหภูมิขึ้นลงไม่คงที่ซ้ำ ๆ โดยจะเกิดขึ้นเมื่อชิ้นส่วนสัมผัสกับช่วงอุณหภูมิที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ จนนำไปสู่การขยายตัวและการหดตัวที่แตกต่างกัน การได้รับความร้อนเป็นวัฏจักรนี้ทำให้เกิดความเค้นเฉพาะที่ (Localized Stress) ทำให้เกิดรอยแตกร้าวและขยายตัวออกไปเรื่อย ๆ ตามเวลาที่ผ่านไป และการล้าเนื่องจากความร้อนอาจเกิดขึ้นได้แม้ไม่มีภาระทางกล

การแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อนแตกต่างจากการแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน คือไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ความล้าจากความร้อนเป็นผลมาจากความเค้นแบบคาบที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความเสียหายอยู่ในรูปแบบของการแตกร้าวที่อาจเกิดขึ้นที่ใดที่หหนึ่งบนชิ้นส่วนโลหะ โดยค่อนข้างถูกจำกัดในเรื่องการเคลื่อนที่หรือการขยายตัวที่แตกต่างกันในระหว่างการได้รับความร้อนเป็นวัฏจักรซ้ำ ๆ

รอยแตกที่เกิดขึ้นจากการล้าเนื่องจากความร้อนมักเป็นแบบผ่าเกรนหรือตามขอบเกรน (Transgranular or Intergranular pattern) ตามโครงสร้างผลึกของวัสดุ

ความแตกต่างที่สำคัญประการหนึ่งระหว่างการแตกร้าวทั้งสองประเภทนี้คือปัจจัยขับเคลื่อนหลัก การแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนได้รับอิทธิพลร่วมกันจากความเค้นเชิงกลและการกัดกร่อน ในขณะที่การแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อนส่วนใหญ่มีสาเหตุจากความผันผวนของอุณหภูมิและผลจากความเค้นจากความร้อน (Thermal stress) ดังนั้นถ้าเข้าใจกลไกที่อยู่เบื้องหลังของแต่ละรูปแบบการแตกร้าวจะนำไปสู่การแก้ปัญหาและการป้องกันที่เหมาะสม

ภาคตัดขวางแสดงรอยแตกจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนของลวดเหล็กกล้าไร้สนิม

ความแตกต่างที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือสภาพแวดล้อมที่เอื้อให้เกิดรูปแบบการเสียหายเหล่านี้ การแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนจำเป็นต้องมีตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (Corrosive medium) เช่น ความชื้นหรือสารเคมี ซึ่งจะช่วยเร่งกระบวนการกัดกร่อนและแสดงตัวเป็นจุดเริ่มต้นการแตกร้าว ในทางตรงกันข้าม การแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย เนื่องจากมีสาเหตุหลักมาจากความผันผวนของอุณหภูมิมากกว่าสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

ลักษณะทางมหภาคของรอยแตกล้าเนื่องจากความร้อนบนดิสเบรก เครดิตภาพจาก: https://www.schmitz-metallographie.de

ลักษณะที่ปรากฏและลักษณะเฉพาะของรอยแตกที่เกิดขึ้นระหว่างการแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนและการแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อนก็มีความแตกต่างกันเช่นกัน โดยรอยแตกการแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนมักแสดงรูปแบบที่เป็นเส้นเดี่ยวหรืออาจมีแตกแขนงและไม่สม่ำเสมอ พื้นผิวของหน้าที่แตกหักอาจมีพื้นผิวที่หยาบกว่าเนื่องจากการกัดกร่อน ในทางตรงกันข้าม การแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อนมีแนวโน้มที่จะมีลักษณะตรงและสม่ำเสมอมากกว่า ซึ่งมักขยายตัวไปตามระนาบผลึกของวัสดุ และภายในรอยร้าวมักถูกปิดบังด้วยออกไซด์

ภาคตัดขวางแสดงรอยแตกล้าเนื่องจากความร้อน เครดิตภาพจาก: https://www.mee-inc.com/case-studies-list/thermal-fatigue/

สุดท้ายนี้ แนวทางในการป้องกันและบรรเทาผลกระทบจากการแตกร้าวทั้งสองประเภทนี้ก็แตกต่างกันไป เพื่อลดการแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องดำเนินการควบคุมทั้งสภาวะการรับแรงทางกลและสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน แนวทางอาจรวมถึงการการเลือกวัสดุใหม่ การใช้การเคลือบป้องกัน การควบคุมปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม และการบำรุงรักษาที่เหมาะสม ใขณะที่การป้องกันการแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อนจำเป็นต้องควบคุมหรือลดความแตกต่างของอุณหภูมิ เพิ่มประสิทธิภาพฉนวนกันความร้อน และใช้เทคนิคการออกแบบที่ลดการสัมผัสกับความร้อนโดยตรงและมีการกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ

ตารางด้านล่างสรุปภาพรวมอย่างย่อของลักษณะความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อนและการแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อน อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องรับรู้ว่าปรากฏการณ์เหล่านี้อาจมีแง่มุมและข้อพิจารณาที่ซับซ้อนมากขึ้น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุ เงื่อนไขการใช้งาน และการประยุกต์ใช้งาน

ปัจจัย	การแตกร้าวจากการล้าร่วมกับการกัดกร่อน	การแตกร้าวจากการล้าเนื่องจากความร้อน
แรงขับเคลื่อนสำคัญ	ความเค้นทางกล + การกัดกร่อน	การแกว่งของอุณหูมิ + ความเค้นเนื่องจากความร้อน
การมีสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อน	ต้องการ	ไม่จำเป็น
ลักษณะของรอยร้าว	ตามขอบเกรน หรือมี beach mark	ผ่าเกรน หรือ ตามขอบเกรน
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม	ความชื้น สารเคมี	ความแตกต่างของอุณหภูมิ
ลักษณะเฉพาะของรอยร้าว	หยาบ ขรุขระ แตกเดี่ยวหรือแตกแขนง	ตรง และสม่ำเสมอ
แนวทางในการป้องกัน	การเลือกวัสดุใหม่ การเคลือบ การควบคุมสิ่งแวดล้อม	ควบคุมอุณหภูมิ ใช้ฉนวน ออกแบบเพื่อให้เกิดการกระจายตัวของอุณหภูมิ