Corrosion inhibition - the natural way

วันนี้ผมอยากเสนอการป้องกันการกัดกร่อนโดยการหน่วงไม่ให้เกิดด้วยสารยับยั้งการกัดกร่อน ซึ่งทุกวันนี้มีเทคโนโลยีและสารละลายมากมาย แต่ที่โลกกำลังต้องกันคือ แนวอนุรักษ์ธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม...
บทความดังกล่าวเขียนโดย Prof Ali El-Etre (Benha University, Faculty of Science)


Corrosion inhibitors are chemical compounds added to the corrosive medium to reduce the rate of its attack on the metal or alloy. The chemicals which can act as corrosion inhibitors may be inorganic or organic. The inorganic compounds such as chromates inhibit the corrosion process via formation of passive oxide film on the metal surface and thus prevent the corrosive medium to attack the bar metal. On the other hand, the organic compounds adsorb on the metal surface forming a barrier between the metal and the corrosive environment. Some structural features of the organic compounds help them to do so. These include the presence of oxygen, nitrogen or sulfur atoms as well as presence of double bonds. The lone pair electrons of the mentioned atoms facilitate the adsorption process.Some criteria should be considered when making a choice of chemical compounds for inhibition of corrosion. Inhibition of metallic corrosion is mainly an economical process. Therefore, the first criterion must be fulfilled by the used inhibitors is their prices. The other very important criterion should be considered when dealing with corrosion inhibitor is its effect on the human and environment. Unfortunately, most of the effective corrosion inhibitors are synthetic chemicals with high cost. At the same time, the use of such synthetic compounds can cause harm to human and environment.Upon looking around we'll find very rich resources for substances with wide varieties of chemical structures. So, why we rush to synthesize harmful chemical while the nature around us full of the safest ones? The plant is the great chemical factory which can supply us with the chemicals required to inhibit the corrosion process. Most of the naturally occurrence substances are safe and can be extracted by simple and cheap procedures.Recent literature full of researches which test different extracts for corrosion inhibition applications. The examples are numerous such as henna, olive, shirsh zallouh, vanillin, natural honey, khella, onion, ficus, opuntia,many oils extracted from different parts of different plants and many others. Many of these naturally occurring substances proved their ability to act as corrosion inhibitors for the corrosion of different metals and alloys in different aggressive media


Further reading

A.Y. El-Etre, M. Abdallah and Z. E.El-Tantawy, Corros. Sci., vol. 47, No 2, p 385 - 395 (2005).

A.Y. El-Etre, Journal of Colloid And Interface Science, vol. 314, No 2, p 578 – 583 (2007).

A.Y. El-Etre, Materials Chemistry and Physics, vol. 108, No 2-3, 15, p 278-282 (2008).

A. Y. El-Etre, Corrosion Sci., vol. 43, No. 6, p 1031 – 1039, 2001

A. Y. El-Etre, Corrosion Sci., vol. 40, No. 11, p 1845 – 1850, 1998.

A. Y. El-Etre and M. Abdallah, Corrosion Sci., vol. 42, No. 3, p 731 – 738, 2000.

A. Y. El-Etre, Applied Surface Science. vol. 252, No.24, p 8521- 8525 ( 2006).

A. Y. El-Etre, Bull. Electroch., vol. 22, No 2, p 75–80 (2006).

A. Y. El-Etre and Z. El-Tantawy, Portugaliae Electrochim. Acta, vol 24, No 3, p 347 - 356 (2006).

A. Y. El-Etre, Corros. Sci.,vol. 45, No 11, p 2485-2495 (2003).

A.M. Abdel-Gaber, E. Khamis, H. Abo-ElDahab, Sh. Adeel, Materials Chemistry and Physics, Volume 109, Issues 2-3, 15 June 2008, Pages 297-305

.Radojčić, K. Berković, S. Kovač, J. Vorkapić-Furač, Corrosion Science, Volume 50, Issue 5, May 2008, Pages 1498-1504

Pandian Bothi Raja, Mathur Gopalakrishnan Sethuraman, Materials Letters, Volume 62, Issue 1, 15 January 2008, Pages 113-116

Yan Li, Peng Zhao, Qiang Liang, Baorong Hou, Applied Surface Science, Volume 252, Issue 5, 15 December 2005, Pages 1245-1253

B. Müller, Corrosion Science, Volume 44, Issue 7, July 2002, Pages 1583- 1591

D. C. Hansen, S. C. Dexter, J. H. Waite, Corrosion Science, Volume 37, Issue 9, September 1995, Pages 1423-1441

Selected links

http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/pubs/water-eau/consultation/corrosion/ part2_6_e.html

วัสดุฉลาด (Smart materials) เพื่อป้องกันโรคหัวใจล้มเหลว

แม้ว่าเราจะเรียกวัสดุที่ผมจะนำเสนอต่อไปนี้ว่าเป็นวัสดุฉลาดก็ตาม แต่ในมุมมองวิศวกรการกัดกร่อน (Corrosion Engineer) อย่างผมก็ยังมองว่า สรรพสิ่งทั้งหลายต้องกลับไปที่จุดเริ่มต้นของมัน นั่นคือ ต้องมีการเสื่อมสลายในที่สุด เนื่องจากว่ามันครบองค์ประกอบของการกัดกร่อนนั่นเอง (ใครที่เค็มๆ ระวังให้ดี อัตราการกัดกร่อนจะเร็วมากเลยล่ะ...ล้อเล่น)

สเต็นท์ (Stent) สำหรับขยายเส้นเลือดให้สามารถใช้งานได้เป็นปกติ

ในปัจจุบันนี้ได้มีการผลิตวัสดุขึ้นใช้ทดแทนชิ้นส่วนหรืออวัยวะบางส่วนของร่างกายมนุษย์ที่ทรุดโทรมไปตามกาลเวลา หรือถูกทำลายจากเชื้อโรค รวมทั้งอุบัติเหตุ ด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ในปัจจุบัน นักวัสดุสามารถที่จะสร้างชิ้นส่วนทดแทนเหล่านั้นให้สามารถใช้งานร่วมกับเนื้อเยื่อและสารละลายที่อยู่ในร่างกายของมนุษย์ได้โดยไม่มีความเป็นพิษกับร่างกาย ซึ่งเราได้ตั้งฉายาของวัสดุทดแทนบางประเภทว่า วัสดุฉลาด (Smart materials) ซึ่งหมายถึงวัสดุที่มีความสามารถในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ หรือมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมีความเค้น เป็นต้น ซึ่งโลหะจำรูป (shape memory alloys - SMA) ก็จัดเป็นหนึ่งในวัสดุฉลาด ด้วยเหตุที่วัสดุสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงถึงระดับหนึ่ง และวัสดุที่จะนำเสนอต่อไปนี้ นิยมใช้กันอย่างมากในทางการแพทย์ คือ โลหะจำรูปผสมระหว่างไทเทเนียมและนิกเกิล (Nitinol)

จากการทดลองก็พบว่าโลหะผสมนิกเกิลกับไทเทเนียมแสดงสมบัติการคืนตัวของความเครียด (Recovery strain) โดดเด่นกว่าโลหะผสมชนิดอื่น นั่นคือนิกเกิลไทเทเนียมมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่เด่นชัดมากกว่าโลหะผสมอื่น โดยสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างด้วยการเหนี่ยวนำจากความร้อน หรือมีสมบัติยืดหยุ่นยิ่งยวด (superelastic) ซึ่งสองสิ่งนี้เป็นสมบัติสำคัญที่โลหะผสมอย่างนิกเกิลไทเทเนียม หรือโลหะจำรูปชนิดอื่น ๆ มีติดตัว

การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์

เนื่องจากปัจจุบันมีการผลิตโลหะจำรูปออกมาหลากหลายรูปแบบไม่ว่าจะเป็น เส้น ขด แท่ง ฯ จึงทำให้เกิดการประยุกต์ใช้อย่างหลากหลาย เช่น stent

สเต็นท์ - อุปกรณ์ถ่างหรือขยายหลอดเลือด (Stent) มีรูปร่างลักษณะเป็นขดลวดตาข่ายทรงกระบอก ผลิตจากสเตนเลสหรือโลหะจำรูปก็ได้ ในกรณีที่เป็นสเต็นท์ที่ทำจากสเตนเลส แพทย์จะยึดอุปกรณ์นี้ติดกับลูกโป่งหรือบอลลูน (balloon) ด้วยลวดและสอดเข้าทางเส้นเลือดในร่างกายจนถึงหลอดเลือดของอวัยวะเป้าหมาย จากนั้นแพทย์จะอัดลมเข้าไปในลูกโป่งเพื่อให้ลูกโป่งพองตัวออกเพื่อดันสเต็นท์ให้ขยายตัวออกติดผนังของหลอดเลือด จากนั้นแพทย์จะปล่อยลมออกจากลูกโป่ง และถอนเส้นลวดที่ยึดสเต็นท์ออกมา แต่ในกรณีสเต็นท์ที่ทำจากโลหะจำรูป แพทย์ไม่ต้องยึดสเต็นท์เข้ากับลูกโป่ง เพราะเมื่อเลือกใช้โลหะจำรูปที่ออกแบบให้มีการเปลี่ยนรูปร่างที่อุณหภูมิประมาณ 37 องศาเซลเซียสแล้ว สเต็นท์ที่เข้าไปอยู่ในร่างกายจะขยายตัวออกมาดันติดผนังหลอดเลือดได้เอง

โปรดติดตามตอนต่อไป.........................
ตอนที่ 2 http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2010/10/sma-nitinol.html

อาหารสมอง (Foods for Thought) ตอนที่ 1

บางท่านอาจจะแปลกใจว่าหัวข้อดังกล่าวเกี่ยวกับวัสดุอย่างไร แต่เรื่องที่ผมจะกล่าวต่อไปนี้จะเกี่ยวกับเรื่องผิวหน้าแตกหัก (Fractography) ของข้าวปลาอาหารที่เรากินอยู่ทุกวัน คุณเคยสังเกตหรือไม่ว่าอาหารที่คุณรับประทานเข้าไปมากกว่าครึ่งนั้น มีลักษณะที่ปรากฏทางกายภาพที่คล้ายกับวัสดุทางวิศวกรรม คุณอาจจะไม่ได้สังเกต แต่ถ้าคุณเป็นนักวิเคราะห์ความเสียหายที่ได้รับการฝึกฝนสายตาให้สังเกตผิวหน้าแตกหักและลักษณะทางโลหะวิทยาของชิ้นงานมาอย่างโชกโชนแล้ว คุณก็จะเข้าใจพฤติกรรมที่เป็นธรรมชาติของวัสดุ ซึ่งปรากฏการณ์เหล่านี้เราได้เห็นกันอยู่แทบทุกวันโดยเฉพาะในอาหารนับจากผลไม้จนถึงลูกกวาด บางทีเราอาจจะไม่ได้พิจารณาหรือสังเกตเนื่องจากความไม่รู้ หรือไม่เกี่ยวข้องกับงานประจำที่ทำก็ตาม ในโอกาสหน้าถ้าคุณกำลังนั่งรับประทานอาหารมื้อเย็นหรือมื้อไหนๆ โปรดใช้เวลาสักนิดในการพิจารณาอาหารที่คุณกำลังจะรับประทาน ลองสังเกตดูลักษณะของรอยแตกที่ปรากฏ ซึ่งจะเห็นว่ามีลักษณะที่คล้ายกับโลหะ พลาสติกหรือแก้ว แล้วคุณก็จะได้ความรู้ศาสตร์ทางด้านการวิเคราะห์ความเสียหายเพิ่มเติม


ก่อนอื่นเรามาทราบประโยชน์ที่จะได้จากการศึกษา “ผิวหน้าแตกหักของอาหาร” ซึ่งประกอบด้วย

• ราคาของชิ้นงาน (อาหาร) ค่อนข้างถูกและมีรสชาดน่ารับประทานมากกว่าวัสดุ (แน่นอนอยู่แล้วล่ะ)

• ไม่จำเป็นต้องมีการกลึง ไส ตัด เจาะ ชิ้นงานทดสอบ

• ค่าความเค้นที่ต้องการเพื่อให้เกิดการแตกหักนั้นไม่เกินกำลังของคนทั่วไป เช่น ใช้ฟันกัด หรือใช้มือหัก ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือทดสอบที่มีราคาแพง

• ลักษณะของผิวหน้าแตกหักสามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่าโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ เช่น ไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ เป็นต้น

• ลักษณะของรอยแตกหักจะสัมพันธ์กับค่าแรงที่ระดับต่างๆ กัน ไม่ว่าจะเป็นการบิด เฉือน ดัด หรือการบด เป็นต้น และลักษณะที่ปรากฏออกมานั้นคล้ายกับภาพที่อยู่ในหนังสือที่เป็นชิ้นงานทดสอบจริงเลยทีเดียว

บางคนก็มีการจำลองผิวหน้าแตกหักแบบมหภาคของชิ้นงานอะลูมินัมหล่อโดยใช้ช็อคโกแลตเป็นตัวอย่างทดสอบ ซึ่งก็พบว่าผิวหน้าแตกหักได้แสดงรูปแบบบางอย่าง คือ chevron pattern ทำให้สามารถชี้ให้เห็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกร้าวได้

แต่! อุปสรรคของการศึกษาผิวหน้าแตกหักของอาหารอาจจะเกิดขึ้นได้ จึงต้องมีเงื่อนไขว่า

• คนภายในครอบครัวและเพื่อนจะต้องสนุกกับคุณด้วย

• กิจกรรมที่ทำนี้จะต้องเกี่ยวข้องกับงานประจำที่คุณทำ

• โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวัดค่าความเค้นค่อนข้างจะเป็นไปในเชิงคุณภาพ

จากการเปรียบเทียบของเราระหว่างอาหารกับวัสดุด้านวิศวกรรมจะขอเริ่มต้นด้วยกระบวนการผลิตก่อน โดยเราพบว่ากระบวนการหล่อโลหะเป็นกระบวนทั่วไปที่นิยมใช้ในการผลิตวัสดุทางวิศวกรรม ที่คล้ายกับกระบวนการผลิตอื่นๆ คือ ชิ้นงานหล่อจะได้คุณภาพไม่เป็นไปตามที่เราต้องการ ยกตัวอย่างเช่นการเกิดรูพรุนจากอากาศที่ฝังตัวอยู่ภายใน ถ้ามีเกินค่าวิกฤติก็จะทำให้ความแข็งแรงของชิ้นงานหล่อลดลง โดยเฉพาะถ้ารูพรุนเหล่านั้นไปปรากฏอยู่บริเวณที่มีความเค้นสูง จะมีความเสี่ยงต่อการเสียหายได้มาก

ในอาหารก็เช่นกันลักษณะที่ปรากฏในชิ้นงานหล่อคือรูพรุนจะคล้ายกับลักษณะที่ปรากฏในแท่งช็อคโกแลต ที่ขึ้นรูปคล้ายกับการหล่อ โดยช็อคโกแลตเหลวจะถูกเทลงในภาชนะหรือแบบ ตามด้วยการทำให้เย็นและแข็งตัว ภาพที่ ๑ แสดงตัวอย่างของรูพรุนที่เกิดในแท่งช็อคโกแลต โปรดสังเกตว่ารูพรุนดังกล่าวไม่ได้เป็นจุดเริ่มของการแตกหัก แต่รอยแตกหักได้เริ่มเกิดขึ้นจากความเค้นแรงดัด ซึ่งรอยกดของฟันจะไปเพิ่มค่าความเค้นมากกว่าที่มีอยู่ในรูพรุน ดังนั้นการปราศจากรูพรุนภายในจากตัวอย่างดังกล่าวไม่ได้ป้องกันการแตกหัก

ภาพที่ ๑ รูพรุนที่ปรากฏอยู่ในแท่งช็อคโกแลต

โลหะทางวิศวกรรมบางอย่างขึ้นรูปมาจากวัสดุผง โดยเทคโนโลยีนี้จะใช้กับพวกโลหะที่มีจุดหลอมต่ำเพื่อเป็นตัวยึดพันธะกับอนุภาคที่มีความแข็งแรงสูงและจุดหลอมตัวสูงเข้าด้วยกัน ตัวอย่างอาหารที่มีพฤติกรรมคล้ายกับวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยโลหะผงคือข้าวตัง ดังแสดงในภาพที่ ๒ ในที่นี้ข้าวจะคล้ายกับอนุภาคของโลหะผง ส่วนน้ำเชื่อมหวานจะแสดงตัวเป็นตัวประสาน (binder) แน่นอนว่าโลหะที่ผ่านการทำ sinter อย่างถูกวิธี เฟสที่เป็นของเหลวหรือเฟสที่ไม่มีการหลอมเหลวจะยึดติดกันด้วยกระบวนการแพร่ในบริเวณที่มีการสัมผัสกัน ในกรณีของข้าวตังซึ่งเป็นกระบวนการที่อุณหภูมิต่ำจะไม่เกิดพันธะของโมเลกุลข้าวเกาะกับโมเลกุลข้าวเม็ดอื่นอย่างทั่วถึง หรือเกิดการหลอมติดกันอย่างแท้จริง รายละเอียดในระดับดังกล่าวเมื่อจะนำมาเปรียบเทียบกับโลหะก็ถือว่าใช้ไม่ได้ แต่อย่างไรก็ตาม วัสดุทางวิศวกรรมบางอย่างก็ต้องใช้เวลาในการทำให้เกิดการกระจายตัวของรูพรุนที่มีผลต่อกระบวนการผลิต คำถามที่ว่าทำอย่างไรน้ำหวานเหลวจะผสมเข้ากันได้อย่างทั่วถึงและทำให้เกิดพันธะจับกันได้อย่างดีที่เกิดขึ้นคล้ายกับกระบวนการขึ้นรูปโลหะผง แต่ข้าวตังก็เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของสัดส่วนของโลหะและตัวสร้างพันธะ (binder)

ภาพที่ ๒ ข้าวตังที่มีลักษณะเหมือนวัสดุที่ขึ้นรูปจากโลหะผง เม็ดข้าวจะแสดงตัวเหมือนอนุภาคผงโลหะ ส่วนน้ำหวานจะแสดงตัวเหมือนตัวประสานหรือ (binder)

เมื่อวัสดุทางวิศวกรรมเกิดความเสียหาย เครื่องมือ วิธีการต่างๆ จะถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ความเสียหาย การวิเคราะห์ภาพถ่ายผิวหน้าแตกหักระดับมหภาคก็เป็นอีกวิธีการหนึ่งที่ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ ซึ่งนิยมใช้กำลังขยายที่ต่ำกว่า ๒๕ เท่า จะขอยกตัวอย่างของลูกกวาดให้ดูนะครับ โดยอาหารดังกล่าวได้อุ่นให้ร้อนและทำการยืดโดยมีลักษณะดังแสดงในภาพที่ ๓ เราจะเห็นว่าได้เกิดรอยร้าวขึ้น สามารถมองเห็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของชิ้นงาน โดยเกิดคอคอดบริเวณตรงกลาง รอยร้าวเกิดขึ้นในแนวทำมุม ๙๐ องศากับแนวที่ให้แรง ซึ่งสัมพันธ์กับลักษณะทางมหภาคของชิ้นงานที่เกิดการแตกหักแบบเปราะโดยทั่วไป นี่แสดงให้เห็นความต้องการในการใช้ศาสตร์เฉพาะทางมาอธิบาย บางส่วนของภาพที่ปรากฏไม่ได้แสดงหรือบอกรายละเอียดของคอคอดและสรุปได้ว่าเป็นการแตกหักแบบเปราะอย่างสมบูรณ์

ภาพที่ ๓ ภาพถ่ายผิวหน้าแตกหักของลูกกวาดชนิดหนึ่งที่ผ่านการอุ่นและการยืดและเกิดคอคอด

ในตอนตอ่ไปผมจะแสดงรูปแบบของผิวหน้าแตกหักระดับมหภาคของอาหารที่มีความคล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นในโลหะ เช่น ผิวหน้าแตกหักของแครอทและผิวหน้าแตกหักของแอปเปิ้ล เป็นต้น นอกจากนั้นยังแสดงรายละเอียดต่างๆ เช่น จุดเริ่มต้น การขยายตัว โปรดติดตามตอนต่อไปครับ.........................

รูปแบบการเสียหายของวัสดุ : การคืบ (Creep) : ต่อ

บทความก่อนหน้านี้ ได้กล่าวการคืบของโลหะไปบ้างแล้ว แต่เนื่องจากการคืบมีหลายรูปแบบ ซึ่งจะยกตัวอย่างดังต่อไปนี้

1. การโก่งงอจากการคืบ (Creep Buckling) เป็นรูปแบบการเสียหายของวัสดุที่เกิดขึ้นเมื่อกระบวนการการคืบทำให้วัสดุไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำอยู่ต่อไปได้ และเป็นผลทำให้วัสดุเกิดการโก่งงอ


2. การแตกขาดจากกัน (Stress Rupture) หรือการแตกหักจากการคืบ (Creep Fracture) เป็นกลไกที่สัมพันธ์กับการคืบ ยกเว้นวัสดุจะเกิดการแตกหักจากการรับแรงทั่วไป จากที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ การคืบจะเกิดขึ้นโดยการยืดตัวของวัสดุเมื่ออยู่ภายใต้การรับแรง และขึ้นอยู่กับเวลาและอุณหภูมิ เมื่อความเค้นมีค่ามากกว่าความสามารถของวัสดุจะรับได้ จึงเกิดการแตกหัก รอยแตกร้าวที่เกิดขึ้นจากการแตกหักสามารถเป็นไปได้ทั้งแบบผ่าเกรนและตามขอบเกรน ถ้าตรวจสอบบริเวณที่เกิดรอยแตกร้าวจะพบการเสียรูปอย่างถาวร (Plastic Deformation) ทั่วทั้งบริเวณ ซึ่งต่างจากรอยแตกร้าวเนื่องจากผลของความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking) ที่เกิดการเสียรูปอย่างถาวรเฉพาะบริเวณรอบๆ รอยแตก

ตัวอย่าง Creep Voids หลังจากตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 การตรวจสอบในระดับจุลภาคแสดง Creep voids เกิดขึ้นตาม grain boundaries

เพื่อป้องกันความเสียหายจากการแตกขาดจากกัน (Stress Rupture) หรือการแตกหักจากการคืบ (Creep Fracture) สิ่งสำคัญคือต้องทำความเข้าใจอุณหภูมิขีดจำกัดเกณฑ์สำหรับโลหะผสมแต่ละชนิด ตรวจสอบอุณหภูมิการทำงานและระดับความเค้น และดำเนินการตรวจสอบตามวาระเป็นประจำเพื่อระบุสัญญาณหรือตัวบ่งชี้ความเสียหายในระยะเริ่มต้น การออกแบบและติดตั้งชิ้นส่วนอย่างเหมาะสมสามารถช่วยป้องกันการเกิดเป็นจุดรวมความเค้นและลดความเสี่ยงต่อความเสียหายได้อีกด้วย

3. การหลวมเนื่องจากความร้อน (Thermal Relaxation) เป็นรูปแบบหนึ่งของการเสียหายจากการล้าตัว ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ การเสียหายจาก thermal relaxation ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นกับวัสดุจำพวกสลักภัณฑ์ หรือวัสดุอื่นๆ ที่มีความเค้นกระทำระหว่างการขึ้นรูป เช่นเหล็กที่เสริมความแข็งแรงของคอนกรีต เพื่อให้รองรับแรงที่กระทำได้มากขึ้น ถ้าวัสดุเกิดการคืบที่อุณหภูมิสูง ความเค้นที่ตกค้างจะถูกกำจัดออกไป ทำให้วัสดุไม่สามารถรองรับแรงที่กระทำได้ต่อไป ยกตัวอย่าง เช่น แท่งคอนกรีตเสริมเหล็กที่เป็นชิ้นส่วนของทางด่วนดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แท่งคอนกรีตเสริมเหล็กที่มักเกิดการหลวมเนื่องจากความร้อน

Top 10 Reasons for Becoming a Corrosion Engineer

หลายท่านพอได้อ่านหัวข้อมูลค่าความเสียหายจากการกัดกร่อนแล้ว อาจนึกอยากช่วยประเทศไทยเพื่อลดภาระเหล่านั้น มีอยู่อีกอย่างที่ท่านสามารถช่วยได้คือการเป็น วิศวกรการกัดกร่อน (Corrosion Engineer) แม้จะไม่มีสถาบันใดในประเทศไทยเปิดสอนโดยตรง แต่สาขาวิศวกรรมโลหการของทุกมหาวิทยาลัยก็เปิดสอนเป็นวิชาเลือก หรือที่ทำงานของผมเองก็รับฝึกอบรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งนักศึกษาที่ต้องการมาฝึกงานและเรียนรู้ด้านการกัดกร่อนก็ยินดีนะครับ...........

พอดีผมไปอ่านในเวปไซต์อันหนึ่งมา เขาได้โพสต์เหตุผลสุดๆ 10 ข้อ ในการเลือกเป็นวิศวกรการกัดกร่อน (http://www.corrosion-club.com/top10corrosion.htm) ดังนี้

1.... finally convincing yourself that something had to be done about the cost of corrosion;
2.... defying thermodynamics was always an intriguing concept;
3.... having seen the corrosion professor at school drive off in a new Porsche 928S (later you discovered that he also had a MBA, and knew a thing or two about investing);
4.... getting that "swanning around in a white lab coat" out of your system;
5.... knowing more than your neighbor (who works in catering and, yes, was always more popular with the ladies) about potentiodynamic polarization curves;
6.... being "paid to worry";
7.... putting your loved ones (and 99.9999% of the general population) into a peaceful slumber with more detailed mechanistic explanations of corrosion phenomena;
8.... rationalizing your old disintegrating car (or house, or boat, or houseboat) as a practical (but not necessary valuable) corrosion experiment;
9.... surrounding yourself in "an air of mystery" with other engineers or scientists, who can not quite "place you"; but somehow always seem to consult you;
10.... being genuinely needed (but not necessarily appreciated) in most industries.

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ.....อยากเป็นวิศวกรการกัดกร่อนหรือเปล่าครับ

เหล็กกล้าไร้สนิม ตอนที่ 3: ความเป็นมาของเหล็กกล้าไร้สนิม

ท่านผู้อ่านหลายท่านอาจรู้จักเหล็กกล้าไร้สนิมกันเป็นอย่างดี แต่หลายท่านอาจยังไม่ทราบความเป็นมาของเหล็กกล้าไร้สนิมว่าค้นพบได้อย่างไร แต่ขอเรียกน้ำย่อยคร่าวๆ ก่อนว่า ได้มาจากความบังเอิญและจากสงคราม น่าสนใจไหมครับ.............ถ้าอย่างนั้น มาติดตามกันเลยครับ

เทคโนโลยีในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม ได้ค้นพบและพัฒนาขึ้นครั้งแรกในประเทศอังกฤษและเยอรมันในราวปี ค.ศ. 1910 [18] แต่ได้มีการศึกษาในเชิงทฤษฎีด้านความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมเหล็ก-โครเมียม และ เหล็ก-โครเมียม-นิกเกิล ในยุโรปตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1904 และ ค.ศ. 1911 จากนั้นได้มีการพัฒนาในเชิงอุตสาหกรรมขึ้นในราวปี ค.ศ. 1912 [42] อย่างไรก็ตาม เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าในการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมในเชิงการค้าเกิดจากศึกษาของนายแฮรี่ เบรียร์เล่ย์ (รูปที่ 1.5) ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยบราวน์ เฟิร์ท (Brown Firth Research Laboratory) ในเมืองเชฟฟิลด์ ประเทศอังกฤษ โดยในปี ค.ศ. 1913 [16] ก่อนที่จะเกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 (สงครามโลกครั้งที่ 1 เริ่มใน ค.ศ. 1914 สิ้นสุดใน ค.ศ.1918) การผลิตอาวุธเพื่อใช้ในการทำศึกสงครามได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในประเทศอังกฤษ ซึ่งก่อนหน้านี้ได้พบปัญหาในการใช้งาน คือ ที่ผิวหน้าด้านในของกระบอกปืนใหญ่เกิดการสึกกร่อน (Erosion) หรือการเสียดสีอย่างรุนแรง (Excessive Wear) ดังนั้นจึงได้มีการวิจัยเพื่อพัฒนาวัสดุสำหรับผลิตชิ้นส่วนกระบอกปืน ที่มีความต้านทานการสึกกร่อนจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เขาเริ่มศึกษาผลกระทบจากการเติมธาตุโครเมียมลงไปในเหล็กกล้า โดยศึกษาผลกระทบของการปรับเปลี่ยนส่วนผสมของธาตุคาร์บอนและโครเมียม ซึ่งในการศึกษานั้นจำเป็นต้องมีการตรวจสอบทางโลหะวิทยาด้วยภาพถ่าย (Metallography) เพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาคที่สามารถบ่งบอกถึงสมบัติทางกลของเหล็กกล้าได้ โดยในขั้นตอนการตรวจสอบนั้น จำเป็นต้องมีการเตรียมผิวหน้าชิ้นงานตัวอย่างที่ได้จากการทดลองด้วยการขัดละเอียด (Polishing) และกัดผิวหน้าด้วยกรด (Etching) เพื่อให้ปรากฏโครงสร้างจุลภาค ซึ่งเขาได้สังเกตเห็นว่าตัวอย่างที่ได้จากทดลองสุ่มครั้งหนึ่งยากต่อการกัดกรดที่ผิวหน้า ซึ่งปกติเขามักใช้สารละลายกรดไนตอล (กรดไนตริกผสมแอลกอฮอล์) นั่นแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่เขาพัฒนาขึ้นมานั้นมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากสารเคมี เมื่อเขานำชิ้นส่วนตัวอย่างทดสอบดังกล่าวไปตรวจสอบส่วนผสมทางเคมี (Chemical Composition) จึงได้พบว่ามีส่วนผสมของโครเมียมและคาร์บอนอยู่ประมาณ 12.8 และ 0.24 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ซึ่งจัดเป็นโลหะผสมเหล็ก-โครเมียมชนิดมาร์เทนซิติก โดยเทียบเท่าเกรด AISI 420 และเขาได้ตั้งชื่อวัสดุดังกล่าวว่า “Rustless Steel” ก่อนจะเปลี่ยนมาใช้คำว่า “Stainless” ในปัจจุบัน จากการศึกษาดังกล่าวจึงนำมาสู่การพัฒนาและผลิตเป็นเครื่องใช้ในครัวเรือน (ช้อน, ส้อม, มีด) ที่มีชื่อเสียงโด่งดังในเมืองเชฟฟิลด์ในปี ค.ศ. 1914 โดย George Ibberson & Co. บนใบมีดได้ประทับตราผู้ผลิตและคำว่า “Stainless Knife” ซึ่งน่าจะเป็นครั้งแรกที่มีการใช้คำว่า “Stainless” เพื่อเรียกชื่อโลหะผสมดังกล่าว

ในช่วงเวลาเดียวกันก็ได้มีการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมที่ประเทศฝรั่งเศส ซึ่งสามารถผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกได้เป็นครั้งแรก [16] ในขณะเดียวกันที่ประเทศเยอรมันก็ได้มีการพัฒนาโลหะผสมออสเตนนิติกที่มีส่วนผสมของโครเมียม 18% และ นิกเกิล 8% ที่รู้จักกันดีด้วยสัญลักษณ์ “18-8” หรือเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304 นั่นเอง โดยได้พัฒนาที่ห้องปฏิบัติการครัพพ์ (Krupp Laboratory) และที่สหรัฐอเมริกาก็ได้มีการพัฒนาโลหะผสมเฟอริติกในปี ค.ศ. 1911 ซึ่งมีส่วนผสมของโครเมียมในช่วง 14-16% และคาร์บอนในช่วง 0.07-0.15% โลหะดังกล่าวสามารถเพิ่มความแข็งได้เล็กน้อยด้วยกระบวนการทางความร้อน และเรียกชื่อเหล็กไร้สนิม (Stainless Iron) เนื่องจากค่อนนิ่มและยืดหยุ่นได้ดี (Softness and Ductility) โลหะผสมดังกล่าวถูกพัฒนาโดยห้องปฏิบัติการวิจัยเจนเนอรัลอิเล็กทริค (General Electric Research Laboratory) ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ได้ผลิตครั้งแรกในประเทศสวีเดนในราวปี ค.ศ. 1930 โดยนำมาประยุกต์ใช้ในโรงงานผลิตกระดาษ [13] สำหรับประเทศสหรัฐอเมริกาได้มีการผลิตเหล็กกล้าไร้-สนิมเชิงการค้าและนำมาใช้งานในปี ค.ศ. 1920 ส่วนการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทที่ทำให้แข็งโดยการตกตะกอน (Precipitation Hardening Stainless Steel) เกิดขึ้นในราวปี ค.ศ. 1945 โดยบริษัท ยูเอส สตีล จำกัด (US Steel) และได้พัฒนาอนุกรมของเกรดดังกล่าวออกมาเรื่อยๆ ในขณะที่การประยุกต์ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุก่อสร้าง เกิดขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1930 โดยการนำมาใช้ตกแต่งส่วนยอดของตึกไครสเลอร์ (รูปที่ 1.3ง) นับเป็นตึกที่สูงที่สุดในสมัยนั้น จนเวลาล่วงมาเกือบ 80 ปีแล้ว ก็ยังคงสภาพที่ดีและงดงามเช่นเดิม
 

รูปที่ 1.5 นายแฮรี่ เบรียร์เล่ย์ (Harry Brearley) ชาวเชฟฟิลด์ ประเทศอังกฤษ ผู้ค้นพบเหล็กกล้าไร้สนิม จากการวิจัยเพื่อพัฒนาหาวัสดุผลิตกระบอกปืนใหญ่ที่มีความต้านทานต่อการสึกกร่อน (Erosion) ที่อุณหภูมิสูง

ในช่วงเวลาหลายปีที่ผ่านมานี้ เหล็กกล้าไร้สนิมได้ถูกพัฒนาและผลิตออกมาใช้ในเชิงการค้ามากมายหลายด้านซึ่งมีมากกว่า 150 ชนิด [7] ยกตัวอย่าง เช่น สุขภัณฑ์ในครัวเรือน สลักภัณฑ์ มีด กรรไกร จานหรือภาชนะที่มีรูปร่างแบน สิ่งสวยงามทางสถาปัตยกรรม อุปกรณ์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี (รูปที่ 1.6) อุตสาหกรรมผลิตอาหาร สุขอนามัยและความสะอาด ปิโตรเลียมและโรงงานปิโตรเคมี อุตสาหกรรมผลิตเส้นใย อุตสาหกรรมผลิตยา อุตสาหกรรมทางด้านการขนส่ง ฯลฯ เหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดถูกพัฒนาและนำมาประยุกต์ใช้ในงานที่สัมผัสกับสภาวะอุณหภูมิสูงหรือไม่ก็ที่อุณหภูมิต่ำ บางครั้งก็มีการปรับปรุงส่วนผสมเพื่อช่วยในเรื่องการผลิตที่ง่ายขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การปรับปรุงส่วนผสมทางเคมีพื้นฐานเพื่อช่วยในการผลิตผลิตภัณฑ์จำพวกท่อและจากการหล่อให้ง่ายขึ้น


ในปัจจุบันนี้ได้มีการพัฒนาอนุกรมของเหล็กกล้าไร้สนิม เพื่อสนองความต้องการของอุตสาหกรรมใหม่ๆ โดยพบว่า 1 ใน 3 ของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมถูกนำมาประยุกต์ใช้งานเชิงโครงสร้างในอุตสาหกรรมจำพวกเคมีและไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ [43] เช่น อุตสาหกรรมปิโตรเคมี อากาศยาน โรงไฟฟ้า โรงนิวเคลียร์ ฯลฯ มีสภาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง มีอุณหภูมิการใช้งานที่สูง และมีการรับภาระแรงเค้นที่สูง ซึ่งอุตสาหกรรมที่กล่าวมานี้ถือว่าเป็นอุตสาหกรรมหลักที่สร้างรายได้อย่างมหาศาลให้กับประเทศ ถ้าพิจารณาจากปริมาณการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนที่ผลิตทั่วโลกตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002-2008 จะเห็นว่าตั้งปี ค.ศ. 2002 ทั่วโลกมีความต้องการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนสูงขึ้นเรื่อยๆ (แต่มีปริมาณลดลงเล็กน้อยตั้งแต่ปี ค.ศ. 2007) โดยเฉพาะในทวีปเอเชียที่มีประเทศจีนเป็นผู้ผลิตรายใหญ่มีการขยายตัวทางเศรษฐกิจอย่างรวดเร็วผลิตเหล็กกล้าดังกล่าวออกมาในปริมาณสูงดังตารางที่ 1.1

ตารางที่ 1.1
ปริมาณการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนดิบที่ผลิตทั่วโลกตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002-2008
(ในหน่วย x 1000 เมตริกตัน) [44]

เอกสารอ้างอิง
[42] Harold M. Cobb. The naming and numbering of stainless steels. Advanced materials & processing 2007: pp. 39-44.


[43] S. Zor, M. Soncu, L. Çapan. Corrosion behavior of G-X CrNiMoNb 18-10 austenitic stainless steel in acidic solutions. Journal of Alloys and Compounds 2009; 480(2): pp. 885-8.

[44] www.worldstainless.org (website of International Iron and Steel Institute, accessed on 1 December 2009).

หมายเหตุ : เอกสารอ้างอิงที่ 1-41 ให้ดูจากบทความเรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมตอนที่ 1 และ 2

ขั้นตอนการทำ Field Metallographic Inspection Technique for High Temperature Component

ก่อนหน้านี้ผมได้กล่าวถึงเรื่องการลอกลายโครงสร้างจุลภาคของโลหะ บางท่านอาจอยากทราบว่า มีวิธีการดำเนินการอย่างไรบ้าง จริงๆ ก็ได้กล่าวมาบ้างแล้ว แต่จะขอสรุปพอเป็นสังเขปดังนี้

1.) เลือกจุดที่จะทำ Replica โดยเลือกบริเวณที่มีโอกาสเกิด Creep damage สูง

2.) ทำ Replica ในจุดที่เลือกไว้ ซึ่งขั้นตอนและข้อควรระวัง เป็นไปตาม ASTM E12 “Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas”

2.1 ขั้นตอนการทำ replica ประกอบไปด้วย

2.1.1 เตรียมผิวหน้าด้วยการขัดหยาบด้วยเครื่องขัดและ/หรือขัดมือด้วยกระดาษทราย

2.1.2 ขัดละเอียดหรือขัดมันผิวหน้าด้วยผ้าสักหลาดและผงเพชร

2.1.3 ทำการกัดกรดที่ผิวหน้าด้วยสารเคมีที่เหมาะสมกับโลหะชนิดนั้นๆ

2.1.4 ทำการลอกลายโครงสร้างด้วยแผ่นพลาสติกพิเศษ

2.1.5 ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคที่ปรากฏด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดพกพา

2.1.6 ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคอย่างละเอียดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงและ/หรือ SEM

3.) ให้ Creep damage Rating แก่รูป microstucture ซึ่งมี 2 มาตรฐานได้แก่

- EU standard จะให้ Creep damage rating ตาม มาตรฐาน VGB-TW507

“Guideline for the Assessment of Microstructure and Damage Development of Creep Exposed Materials for Pipes and Boiler Component”

Note : VGB Technische Vereinigung Der Grosskraftwerksbetreiber E. V
Technical Association of large Power Plant Operators

โดย แบ่ง Creep Damage Class ดังนี้

- US standard จะให้ creep damage rating ตาม Restlife Estimation of Creeping components by means of Replicas, in Advance in life Prediction Methods, American Society of Mechanical Engineers, New York , 1983 p 307-314

โดยแบ่ง Creep Damage Class ดังนี้