การกัดกร่อนแบบหลุมเป็นอันตรายที่สุดเนื่องจากลักษณะการเกิดนั้นยากต่อการคาดเดาซึ่งจะสามารถทำให้วัสดุดังกล่าวเกิดความเสียหายได้โดยไม่คาดคิด
อาจหาญ ณ นรงค์
ผู้ช่วยผู้จัดการแผนกวิศวกรรมและซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด
5.6 การผุกร่อนแบบหลุม (Pitting Corrosion)
5.6.1 ลักษณะการผุกร่อนแบบหลุม
เป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่ (Localized Attack) อีกแบบหนึ่ง เป็นรูปแบบการผุกร่อนหรือการเกิดสนิมที่ทำให้เกิดเป็นรูพรุนบริเวณผิวโลหะ โดยลักษณะการเกิดรูจะเกิดเป็นจุดและแต่ละรูจะมีความลึก
การเกิดรูดังกล่าวจะทำให้ความแข็งแรง (Strength) ของโลหะลดลง ซึ่งจะนำไปสู่การแตกหักของโลหะ โดยมีลักษณะการเกิดเป็นหลุมลึกบ้างไม่ลึกบ้างบนพื้นผิวของโลหะ ซึ่งรูปแบบของโพรงสนิมที่เกิดขึ้นมีหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับสภาวะหรือปัจจัยต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดขึ้นสำหรับรูปทรงของการผุกร่อนนั้นมีหลายลักษณะดังรูปที่ 39 การผุกร่อนแบบหลุมเป็นการผุกร่อนของโลหะที่พบมากชนิดหนึ่ง
การกัดกร่อนแบบหลุมเป็นอันตรายที่สุดเนื่องจากลักษณะการเกิดนั้นยากต่อการคาดเดาซึ่งจะสามารถทำให้วัสดุดังกล่าวเกิดความเสียหายได้โดยไม่คาดคิด โดยการเกิดส่วนมากจะเกิดขึ้นกับโลหะที่ไม่เคลื่อนที่ กลไกการเกิดจะคล้าย ๆ กับการเกิดการผุกร่อนแบบรอยซ้อน แต่การผุกร่อนแบบหลุมจะเกิดทั่วทั้งแผ่นโลหะโดยที่บริเวณนั้นไม่จำเป็นต้องมีรอยซ้อนใด ๆ ก็ได้
รูปที่ 42 การผุกร่อนแบบหลุม (Pitting Corrosion)
ตัวแปรของการผุกร่อน คือความลึกในการเกิดการการผุกร่อนส่วนน้ำหนักของโลหะที่หายไปด้วยพื้นที่ของการผุกร่อนซึ่งสามารถคำนวณได้จากน้ำหนักของโลหะที่หายไป รูปที่ 43 แสดงการเกิดการผุกร่อนแบบพิตติ้งที่เกิดขึ้นบนโลหะสแตนเลส (SAF2304 Duplex Stainless Steel) ซึ่งมีโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) เป็นส่วนผสม 3.5%
รูปที่ 43 แสดงการเกิดการผุกร่อนแบบหลุม (Pitting Corrosion) ที่เกิดขึ้นบนโลหะ SAF2304 Duplex Stainless Steel, NaCl 3.5%
รูปที่ 44 รูปแบบของการเกิดการผุกร่อนแบบพิตติ้ง (Pitting Corrosion)
รูปแบบของการผุกร่อนแบบหลุมที่เกิดขึ้นบนโลหะที่ต้านทานต่อการเกิดสนิมเช่น โลหะประเภทสแตนเลส จะเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ เมื่อเกิดฟิล์มบาง ๆ จากการออกซิเดชั่นเริ่มเกิดขึ้นบนพื้นโลหะที่เกิดความเสียหายซึ่งอาจเป็นการชำรุดเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีหรือการชำรุดเนื่องจากสาเหตุทางกล การเกิดการผุกร่อนแบบหลุมจะเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ ซึ่งอาจมีรูปแบบเป็นหลุมกว้างตื้น ๆ หรือ ลึกแคบดังรูปที่44 ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการผุกร่อนแบบหลุมนั้นขนาดของหลุมจะเล็กมากซึ่งสามารถจะเห็นรายละเอียดของการผุกร่อนได้ดีด้วยการใช้การส่องดูด้วยกล้องที่มีกำลังขยาย
5.6.2 กลไกการเกิดขึ้นของการผุกร่อนแบบหลุม
สาเหตุของการเกิดการผุกร่อนแบบหลุมเกิดจากสภาวะแวดล้อมทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งคลอไรด์ (Chloride) หรือสารประกอบของคลอรีนที่เป็นองค์ประกอบในการก่อให้เกิดการผุกร่อนขึ้นเนื่องจากการเกิดฟิล์มบาง ๆ เนื่องจากการเกิดออกไซด์ และการเริ่มเกิดหลุม (Pitting) จะเริ่มเกิดขึ้นเมื่อเริ่มเกิดออกไซด์ ซึ่งสภาวะแวดล้อมซึ่งนำไปสู่การเกิดการออกซิเดชั่น ตัวอย่างเช่น น้ำที่หยดลงบนผิวของโลหะและการเกิดหลุมจะเริ่มเกิดขึ้นที่ตรงกลางของจุดที่น้ำหยดลงซึ่งมีขั้วไฟฟ้าที่เป็นบวก (Anodic) จากการทำปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างโลหะกับออกซิเจน
สำหรับสภาวะแวดล้อมปกติที่ไม่มีน้ำและความชื้นมาเกี่ยวข้อง การผุกร่อนแบบหลุมเกิดขึ้นได้โดยธาตุที่เป็นส่วนผสมของเหล็กหรือโลหะ ปัจจัยทั้งสภาวะแวดล้อมและรายละเอียดของส่วนผสมของโลหะล้วนแต่ทำให้การลุกลามของการผุกร่อนมากขึ้นหรือน้อยลงได้ เช่น ในสภาวะที่มีอากาศน้อยจนมีออกซิเจนเพียงพอต่อการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี จะทำให้เกิดฟิล์มของออกไซด์บนผิวของโลหะและเมื่อออกซิเจนมีจำนวนน้อยจึงไม่สามารถเกิดออกไซด์ได้ต่อไปจึงหยุดเกิดการออกซิเดชั่นและทำให้การเกิดการผุกร่อนแบบหลุมหยุดลง
นอกจากนี้รอยของการผุกร่อนที่มีอยู่แล้วอาจหยุดลุกลามต่อไปได้ถ้าหากส่วนผสมในโลหะมีธาตุต่าง ๆ เหล่านี้เพียงพอ เช่น โครเมียม (Cr), โมลิบดินั่ม (Mo), ไททาเนียม (Ti), วุลแฟรม (W), ไนโตรเจน (N), โดยเฉพาะโมลิบดินั่ม (Mo) สามารถเพิ่มทำให้เกิดโครเมี่ยมมากขึ้น และสามารถลดการผุกร่อนหรือทำให้เกิดรอยของการผุกร่อนแบบหลุมได้
5.6.3 การป้องกันการผุกร่อนแบบหลุม
การป้องกันความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการเกิดการผุกร่อนแบบหลุมทำได้ดังนี้คือ
* เลือกวัสดุให้ถูกต้องโดยเลือกวัสดุที่มีความทนทานต่อสภาพแวดล้อม
* ควบคุมค่าความเป็นกรด–ด่าง (pH Control) ความเข้มข้นของสารเคมีประเภทคลอไรด์และควบคุมอุณหภูมิให้พอเหมาะ
* ใช้วิธีการป้องกันการผุกร่อนแบบ Cathodic Protection หรือ Anodic Protection
* ใช้วัสดุโลหะผสมที่มีความต้านทานต่อการเกิดการผุกร่อนแบบหลุมสูง เช่นโลหะผสมเกรด (ASTM G48)
รูปที่ 45 โลหะผสมที่มีความต้านทานต่อการเกิดการผุกร่อนแบบหลุม
5.7 การผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรน (Intergranular Corrosion Cracking)
5.7.1 ลักษณะของการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรน
การผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรน บางครั้งเราเรียกว่าการผุกร่อนแบบตกผลึก (Intercrystalline Corrosion) จะแสดงออกมาในรูปของความเสียหายที่เกิดจากความเค้นดึง (Tensile Stress) ซึ่งจะปรากฏออกมาในลักษณะของรอยแตกในลักษณะคล้าย ๆ กับผืนดินที่แตกระแหงเนื่องจากการขาดน้ำหรือเส้นขอบของเมล็ดข้าวโพด โดยรอยแตกที่เกิดขึ้นจะมีขนาดเล็กสามารถมองเห็นได้ชัดเจนเมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์ขยายดังรูปที่ 46
รูปที่ 46 แสดงการเกิดการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรนที่เกิดขึ้นบนโลหะ Stainless Steel 304 โดยการมองผ่านกล้องจุลทรรศน์
โดยปกติแล้วการผุกร่อนบริเวณขอบเกรน (Grain Boundary) ของวัสดุในบางสภาวะการผุกร่อนจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ที่พบบ่อยคือการผุกร่อนที่เกิดขึ้นบนเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) จุดที่พบบ่อยคือบริเวณรอยเชื่อมของเหล็กกล้าไร้สนิมที่เกิดการสูญเสียโครเมียมในรูปของคาไบด์ (Cr23C6 , Chromium Carbide) ทำให้เกิดการผุกร่อนแบบนี้บริเวณใกล้แนวเชื่อม เนื่องจากขาดโครเมียมสำหรับสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ที่แน่นและป้องกันเนื้อโลหะ
รูปที่ 47 การกัดกร่อนตามขอบเกรน
รูปที่ 48 การกัดกร่อนตามขอบเกรนตามแนวเชื่อม
5.7.2 กลไกของการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรน
สาเหตุที่เกิดขึ้นของการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรนนั้น เกิดขึ้นเนื่องจากการที่ส่วนผสมของธาตุต่าง ๆ ในโลหะตรงจุดที่เกิดนั้นมีความแตกต่างกันมากเกินไป เช่น การวิ่งเข้าหากันของโลหะในกระบวนการการหล่อโลหะผสมอย่างกะทันหันก็จะเป็นตัวเร่งให้โลหะเอื้อต่อกลไกการเกิดการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรนดียิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครเมียมคาไบด์ (Chromium Carbides) ในเหล็กสแตนเลส (Stainless Steel) เมื่ออณุภาคของโครเมียมคาไบด์ไปอยู่บริเวณแคบ ๆ ที่ขอบของเม็ดเกรนดังรูปที่ 49 จะทำให้บริเวณดังกล่าวเกิดเป็นขั้วประจุไฟฟ้าบวก (Anodic) และบริเวณแคบ ๆ ที่โครเมียมคาไบด์อยู่นี่เองจะเป็นส่วนที่เริ่มเกิดการแตกเนื่องจากผลของความเค้นดึง
รูปที่ 49 การแทรกตัวเป็นแนวแคบ ๆ ของโครเมี่ยมคาไบด์ในโลหะผสมซึ่งเป็นสาเหตุของการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรน
5.7.3 การป้องกันการผุกร่อนตามขอบเม็ดเกรน
สามารถทำได้ดังต่อไปนี้คือ
* ใช้สแตนเลส คาร์บอนต่ำเช่น เกรด 304Lหรือ 316L
* ใช้การทำ Heat Treatment ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งโดยปกติจะเรียกว่า Quench Annealing หรือ Solution Quenching
* ใช้การเชื่อมแบบ Post-weld Heat Treatment
* เติมธาตุบางตัวที่สามารถรวมตัวกับคาไบด์ได้ดี
5.8 การผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าว (Stress Corrosion Cracking, SCC)
5.8.1 ลักษณะและสาเหตุของการเกิดการผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าว
การผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าวเป็นความเสียหายของวัสดุหรือโลหะเนื่องมาจากผลกระทบที่เกิดขึ้นจากสภาวะแวดล้อม สภาพที่เป็นจุดอ่อนของโลหะและความเค้นดึงที่เกิดขึ้นกับโลหะ โดยมีอุณหภูมิเป็นปัจจัยที่สำคัญในกลไกของการแตกร้าวที่เกิดขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิเป็นทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีและตัวที่จะทำให้โลหะมีความเค้นที่เพิ่มขึ้น ความเสียหายที่เกิดขึ้นเกิดขึ้นเนื่องจากปัจจัยทั้งสามอย่างคือ
* สภาวะแวดล้อมของโลหะ
* สภาพที่เป็นจุดอ่อนของโลหะ หรือส่วนของโลหะที่รับภาระดึงมากที่สุด
* ความเค้นดึงที่เกิดขึ้นในโลหะซึ่งโดยมากจะต่ำกว่าจุดครากของโลหะนั้น ๆ
กลไกของการเกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นและการผุกร่อนจึงค่อย ๆ ดำเนินไปและทำให้ชิ้นโลหะนั้น ๆ พังเสียหายในที่สุด
5.8.2 ความเสียหายที่เกิดจากการผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าว
การผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าวเป็นความเสียหายที่เกิดขึ้นภายในตัวโลหะหรือชิ้นงานซึ่งภาระหรือโหลดที่กระทำกับชิ้นส่วนของโลหะที่เสียหายนั้นอาจมีค่าต่ำกว่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Stress) ของโลหะนั้น ๆ ดังนั้นสำหรับโลหะที่ถูกนำไปใช้งานในที่ที่ไม่มีการสังเกตในบางครั้งการเสียหายที่เกิดขึ้นเราจึงไม่สามารถรู้ได้ก่อนว่าความเสียหายได้เกิดขึ้นแล้ว โลหะประเภทอะลูมิเนียม (Aluminum) และสแตนเลส (Stainless Steel) เป็นวัสดุที่เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นและการผุกร่อนได้ง่าย ดังนั้นในการใช้งานวัสดุประเภทเหล่านี้เราจึงควรพิจารณาให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของโลหะดังกล่าว
รูปที่ 50 แสดงภาพขยายของความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าว
5.8.3 การควบคุมการเกิดการผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าว
มีหลายวิธีในการป้องกันความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการผุกร่อนจากแรงกล (ความเค้น) และการแตกร้าว ซึ่งจะกล่าวถึงเพียงคร่าว ๆ ดังนี้คือ
* เลือกวัสดุหรือโลหะให้เหมาะสมกับสภาพและสภาวะแวดล้อมในการทำงาน
* ทำได้ในกระบวนการผลิตโลหะหรือวัสดุโดยการแยกเอาธาตุหรือส่วนผสมทางเคมีที่เป็นต้นเหตุทำให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นและการผุกร่อนออกจากโลหะออกเป็นกระบวนการอื่น ๆ เช่น การเปลี่ยนกระบวนการในการผลิตโลหะและการออกแบบเพื่อที่จะลดความเค้นดึงที่เกิดขึ้นในเนื้อวัสดุ
6. การแตกหักแบบเหนียวและการแตกหักแบบเปราะ (Ductile Fracture and Brittle Fracture)
ความเหนียว (Ductile) ของโลหะที่พบเห็นกันก็คือการที่วัสดุเกิดการอ่อนตัวและเสียรูปก่อนที่จะแตกหัก (Fracture) ในที่สุด ส่วนความเปราะ (Brittle) ของวัสดุก็คือการที่วัสดุไม่มีการอ่อนตัวหรือเสียรูปเมื่อรับแรงก่อนที่จะเกิดการแตกหัก ซึ่งในลำดับต่อไปจะกล่าวถึงในรายละเอียดของความเหนียว (Ductile) และการเปราะ (Brittle) ของวัสดุ
รูปที่ 51 ลักษณะที่แตกต่างทางกายภาพระหว่างการแตกหักแบบเหนียวซึ่งวัสดุมีการคอดหรือเสียรูปก่อนและการแตกหักแบบเปราะที่วัสดุจะไม่มีการเสียรูปก่อนแตกหัก
รูปที่ 52 ลักษณะความแตกต่างของความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับการเสียรูป (ความเครียด) ของวัสดุที่แตกหักแบบเหนียวกับวัสดุที่แตกหักแบบเปราะ
6.1 การแตกหักแบบเหนียว
ความเหนียว (Ductile) ของโลหะคือคุณสมบัติของความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้โดยไม่เกิดการแตกหัก ถ้าจะอธิบายให้เข้าใจและมองภาพออกก็ให้ลองนึกภาพเหล็กที่เป็นเหล็กเหนียวธรรมดา เกรด SS400 เมื่อเรานำมายืดหรือนำมาดึงก่อนที่จะขาดเหล็กเหล่านี้มันจะยืดตัวออกได้มาก หรือถ้าเรานำมาตีเหล็กเหล่านี้ก็จะสามารถที่จะเปลี่ยนรูปได้มากกว่า ซึ่งนิยามของคำว่าเหนียวผู้เขียนขอให้เข้าใจว่าก็คือความสามารถในการยืดหยุ่นเมื่อรับแรงนั่นเอง โลหะหรือวัสดุที่มีความเหนียวมากก็สามารถยืดหยุ่นได้มากแต่ความแข็งแรงจะน้อย ส่วนโลหะหรือวัสดุที่มีความเหนียวน้อยจะมีความสามารถยืดหยุ่นน้อยเมื่อต้องรับแรงหรือรับภาระมากแต่จะมีความแข็งแรงมากกว่า
รูปที่ 53 รูปแสดงตัวอย่างชิ้นงานที่แตกหักจากการผ่านการทดสอบแรงดึง
กลไกของการแตกแบบเหนียว
การแตกแบบเหนียวจะประกอบด้วย 3 ขั้นตอนด้วยกันคือ
* การเกิดโพรงเล็ก ๆ ภายในวัสดุ (Small Voids) ภายในบริเวณที่มีความเข้มข้นของการเปลี่ยนรูปสูง หรือบริเวณที่เป็นคอคอด
* การเกิดรอยแตก (Crack) เมื่อเกิดโพรงเล็กขึ้นและในขณะเดียวกันตรงจุดที่เริ่มคอดต้องรับแรงต่อไปรอยเล็ก ๆ ดังกล่าวก็จะรวมตัวและลุกลามถึงกันจนเกิดเป็นรอยแยก (Crack) ที่ใหญ่ขึ้นและขยายตัวไปในทิศทางที่ตั้งฉากกับแรงที่กระทำ
* รอยแยกจะขยายจากด้านในมาสู่ด้านนอกผิวชิ้นงานและชิ้นงานดังกล่าวจะแตกหักเสียหายในที่สุดโดยรอยผิวที่แตกนั้นเมื่อมองด้วยตาเปล่านั้นจะเห็นเป็นผิวหม่น ทึบแสงและมีสีคล้ำเนื่องจากการรวมตัวกันเป็นหลุมเล็ก ๆ ในตอนที่แตก
การแตกหักจากความเหนียวจะแสดงออกมาในรูปของการฉีกหรือการเสียรูปทรงของโลหะ โดยการฉีกขาดหรือเสียรูปที่เกิดขึ้นมากจนถึงขนาดวัสดุมีลักษณะเป็นเส้นออกมาก็มีให้เห็น สาเหตุของการเสียรูปของโลหะหรือวัสดุส่วนใหญ่มาจากการรับภาระมากเกินไป (Over Load) หรือการที่มีภาระที่กระทำกับโลหะหรือวัสดุไม่สม่ำเสมอ (Large Discontinuities Load)
รูปที่ 54 รอยแตก (Void) ของการแตกหักแบบเหนียว
รูปที่ 55 ลำดับของการแตกหักแบบเหนียว
6.2 การแตกหักแบบเปราะ (Brittle Fractures)
ความเปราะ (Brittle) เป็นคุณสมบัติทางกลของโลหะและวัสดุที่ตรงกันข้ามกับความเหนียว ในการแตกหักเสียหายของโลหะหรือวัสดุที่มีความเปราะนั้นจะเกิดขึ้นอย่างทันทีทันใดโดยที่ไม่มีการเสียรูปหรือเกิดความยืดขึ้นก่อนเนื่องจากคุณสมบัติของโลหะหรือวัสดุที่มีความเปราะนั้นโมเลกุลจะจัดเรียงกันอย่างเป็นระเบียบและต้องใช้พลังงานอย่างมากในการจัดเรียงโมเลกุลดังนั้นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงมีความแข็งแรงสูงและยากหรือต้องใช้พลังงานมากในการแยกออกจากกัน
โลหะหรือวัสดุที่มีความเปราะนั้นส่วนมากจะเป็นโลหะผสมที่ต้องการคุณสมบัติของความเปราะ เช่นเหล็กหล่อและเหล็กกล้าคาร์บอนที่ผ่านการปรับปรุงคุณภาพด้วยกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatment)
การแตกหักที่เกิดจากการเปราะจะมีลักษณะของการแตกหักที่เกิดจากการแตกร้าวอย่างรวดเร็วของโลหะหรือวัสดุโดยไม่มีการอ่อนตัวหรือเสียรูปก่อนการแตกหักและพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาก็น้อยมาก โดยร่องรอยของการแตกหักที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะเป็นรอยยาวของการกะเทาะหรือรอยร้าวที่เป็นเส้นยาว
ลักษณะเด่นของการแตกแบบเปราะ
* โลหะหรือวัสดุจะแตกหักโดยเกิดการเปลี่ยนรูปถาวรเล็กน้อยหรือไม่มีการเปลี่ยนรูปเลย
* ผิวโลหะที่แตกค่อนข้างตรงและค่อนข้างวาวเมื่อมองด้วยตาเปล่า
* โลหะที่แตกแบบเปราะค่อนข้างจะมีอันตรายเนื่องจากสามารถแตกเปราะได้ง่ายในที่ที่มีความเข้มข้นของความเค้นสูงและถ้ามีรูพรุนมาก ๆ
7. ความเสียหายที่เกิดจากไฮโดรเจน (Hydrogen Damaged)
7.1 การพองตัวเนื่องจากไฮโดรเจน (Hydrogen Blistering)
เกิดขึ้นเนื่องจากการที่อะตอมของไฮโดรเจน (H) แทรกซึมเข้าไปในเนื้อโลหะ เนื่องจากการนำโลหะไปใช้งานภายใต้บรรยากาศที่มีไฮโดรเจน และหลังจากนั้นอะตอมของไฮโดรเจนดังกล่าวซึ่งมีขนาดเล็กไปรวมตัวกันบริเวณช่องว่างในเนื้อโลหะจนประกอบเป็น H2 อีกครั้ง ดังรูปที่ 56 และเมื่อมีแรงดันพอก็จะดันให้เนื้อโลหะบริเวณดังกล่าวเกิดเป็นรอยพุพองจนส่งผลให้ทั้งค่าความแข็งแรง (Tensile Strength) และความอ่อนตัว (Ductility) ของโลหะลดลง ทำให้โลหะเกิดการเปราะ บวมและแตกร้าวได้โดยง่าย ลักษณะการแตกร้าวที่เกิดขึ้นเป็นการแตกแบบเปราะ
โดยขอบรอยแตกจะมีลักษณะเรียบหนาคล้ายหน้าต่างเปิด มักพบในโลหะที่ใช้งานในงานปิโตรเลียม หรือถังเก็บน้ำมันเนื่องจากจะมีสารที่ทำให้ไฮโดรเจนแตกตัวออกมา เช่น ซัลไฟด์ (Sulfide) ไซยาไนด์ (Cyanide) และนอกจากนั้นถ้าอะตอมของไฮโดรเจนไปรวมตัวกับอะตอมของคาร์บอนในเหล็กก็จะเกิดเป็น CH4 ทำให้เป็นโพรงและเกิดรอยแตกเล็ก ๆ ขึ้นและความแข็งแรงของเหล็กก็จะลดลง
รูปที่ 56 การรวมตัวกันของอะตอมของไฮโดรเจนในเนื้อโลหะ
7.2 การแตกเปราะเนื่องจากไฮโดรเจน (Hydrogen Embrittlement)
เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของไฮโดรเจนแทรกซึมเข้าไปในเนื้อโลหะและหลังจากนั้นเกิดการรวมตัวกับอะตอมของธาตุอื่นเป็นสารประกอบที่เปราะ และส่งผลให้ทั้งความแข็งแรงในการรับแรงดึง (Tensile Strength) และความอ่อนตัว (Ductility) ของโลหะลดลง ตัวอย่างการเกิดการแตกเปราะเนื่องจากไฮโดรเจน เช่น การแตกของรอยเชื่อมไฟฟ้าหรือการแข็งตัวของเหล็กที่เกิดจากการเชื่อม เนื่องจากในขณะที่เชื่อมอะตอมของไฮโดรเจนสามารถเข้าไปรวมตัวกับธาตุอื่น ๆ ได้
กระบวนการแตกเปราะเนื่องจากไฮโดรเจนจะเริ่มจากการที่อะตอมของไฮโดรเจน (Hydrogen Atom, H) สามารถแทรกซึมเข้าไปอยู่ในเนื้อวัสดุได้ จากนั้นเกิดการรวมตัวกับก๊าซอื่น ๆ เช่นเมื่อรวมตัวกับอะตอมของซัลเฟอร์ก็จะทำให้เกิดเป็นก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (Hydrogen Sulfide, H2S) ซึ่งจะทำให้บริเวณในเนื้อโลหะดังกล่าวเกิดแรงดันของก๊าซ และแยกตัวออกจากกันทำให้เกิดความเสียหายกับเนื้อโลหะดังรูปที่ 56
ลักษณะการแตกเปราะของโบลต์เนื่องจากมีไฮโดรเจนปะปนอยู่ในเนื้อเหล็ก
การแตกหักเนื่องจากความเครียดจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้นเมื่อวัสดุนั้นเกิดไฮโดรเจนซัลไฟด์ขึ้นในเวลาเดียวกัน รอยแตกเปราะเนื่องจากไฮโดรเจนเข้าไปปะปนในโลหะในจุดที่ต้องรับความเค้นสูงเป็นเหตุให้โลหะดังกล่าวมีความเปราะมากและแตกเปราะเมื่อต้องรับกับภาระรอบความเค้นหรือความเค้นดึง (Cycle Stresses or Tensile Stress)
รูปที่ 57 ความเสียหายจากการแตกเปราะจากไฮโดรเจน
แหลงที่มาของไฮโดรเจน
ที่มาของไฮโดรเจนที่เข้าไปปะปนในเนื้อโลหะ อันเป็นสาเหตุของการแตกเปราะเนื่องจากไฮโดรเจนนั้นมาจากหลายแหล่งเช่น
* ในกระบวนการผลิตชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ในกระบวนการชุบผิวด้วยกรดไฮโดรคลอริก (HCl) หรือสารเคมีอื่น ๆ ที่มีส่วนประกอบของอะตอมของไฮโดรเจน
* การเชื่อม
* กระบวนการจัดเก็บแก๊สไฮโดรเจน
8. การแตกเปราะเนื่องจากโลหะเหลว (Liquid Metal Embrittlement)
การแตกเปราะเนื่องจากโลหะเหลวเป็นปรากฏการณ์ของความเสียหายของโลหะที่ เมื่อความอ่อนตัวของโลหะลดลงและเกิดการแตกเปราะจากการที่โลหะไปสัมผัสกับโลหะเหลวบางชนิด ซึ่งส่วนมากจะเป็นโลหะที่ถูกทำให้มีสภาพเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของโลหะนั้น ๆ ตัวอย่างโลหะเหลวที่ใช้ในกระบวนการดังกล่าวก็เช่น ปรอท (Mercury) สังกะสี (Zinc) ตะกั่ว (Lead) แคดเมียม (Cadmium) ที่ใช้ในกระบวนการแปรรูปหรือปรับปรุงสภาพวัสดุ เช่น การชุบหรือการเคลือบ ซึ่งในกระบวนการดังกล่าว จำเป็นที่จะต้องใช้ความร้อนมาทำให้โลหะหลอมเหลวเสียก่อน และเราเรียกโลหะที่หลอมเหลวดังกล่าวว่าโลหะเหลว (Liquid Metal)
และในระหว่างกระบวนการที่โลหะเหลวนั้น ๆ สัมผัสกับโลหะที่ต้องการแปรรูปหรือปรับปรุงสภาพเช่น เหล็ก หรือท่อเหล็กตลอดจนชิ้นงานต่าง ๆ ในการสัมผัสกันระหว่างโลหะเหลวกับวัสดุหรือโลหะชิ้นงานนั้น จะทำให้เกิดการละลายทางเคมีปะปนกันระหว่างโลหะเหลวกับผิวของวัสดุหรือชิ้นงานทำให้วัสดุหรือชิ้นงานดังกล่าวเกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกล เช่นสูญเสียความอ่อนตัวดังที่กล่าวมาแล้วในข้างต้น
เช่นเมื่อเหล็กเหนียวที่ชุบกัลวาไนซ์จะสูญเสียความอ่อนตัวและเกิดความเปราะขึ้นหลังจากที่ผ่านกระบวนการชุบสังกะสีโดยการจุ่มร้อน (Hot Dip Galvanizing) โดยการชุบแบบจุ่มร้อนจะกระทำโดยผ่านเหล็กเหนียวซึ่งมีสถานะเป็นของแข็งเข้าสู่อ่างที่บรรจุสังกะสีเหลว (Liquid Zinc) ที่อุณหภูมิประมาณ 460 ๐C จากการชุบดังกล่าวเหล็กที่ผ่านกระบวนการจะกลายเป็นเหล็กชุบสังกะสี (Galvanized Steel) แต่จะทำให้ไปลดความอ่อนตัว (Ductility) และในขณะเดียวกันก็เพิ่มความเปราะ (Brittle) ให้กับเหล็กดังกล่าว
กรรมวิธีการที่จะทำให้เกิดการแตกเปราะเนื่องจากโลหะเหลวมีดังนี้คือ
* การบัดกรี (Brazing)
* การบัดกรีโดยใช้ตะกั่ว (Soldering)
* การเชื่อม (Welding)
* การปรับสภาพโดยใช้ความร้อน (Heat Treatment)
* การปรับสภาพพื้นผิวโลหะด้วยวิธีการชุบหรือการเคลือบ เช่น การชุบสังกะสีโดยการจุ่มร้อน (Hot Dip Galvanizing) ซึ่งในกรณีดังกล่าวมาแล้วนั้นเป็นการเพิ่มโอกาสในการที่จะทำให้โลหะหรือเหล็กเกิดความเสียหายเนื่องจากการเปราะจากโลหะเหลวได้มากยิ่งขึ้น
รูปที่ 58 การแตกที่ขอบของเฟรมเหล็กหลังจากที่ผ่านการชุบสังกะสีเนื่องจากการเปราะแตกเนื่องจากโลหะเหลว
รูปที่ 59 การแตกที่ขอบรอยเชื่อมเนื่องจากการเปราะแตกเนื่องจากโลหะเหลว
* ลักษณะของความเสียหายที่เกิดขึ้น
โลหะเหลวไม่เพียงแต่ลดไปลดความอ่อนตัว (Ductility) ของโลหะเท่านั้น แต่ยังลดค่าความแข็งแรงดึง (Tensile Strength) อีกด้วย ดังนั้นจึงส่งผลให้โลหะเกิดความเสียหายได้ทั้ง ๆ ที่ภาระ (Load) ที่รับนั้นต่ำกว่าค่าที่จุดคราก (Yield Point) ของวัสดุ ดังนั้นการเกิดความเสียหายของโลหะจึงเกิดขึ้นอย่างไม่มีสัญญาณเตือนหรือไม่มีการเสียรูปของโลหะเกิดขึ้นก่อน ความเสียหายของวัสดุที่เกิดจากการแตกเปราะเนื่องจากของเหลวนั้นจะแสดงออกมาในรูปการแตกของพื้นผิวหรือผนังของวัสดุ การแตกตามแนวเชื่อมและการแตกแบบอื่น ๆ เนื่องจากการที่วัสดุมีความเปราะเพิ่มขึ้น
สรุป
จากรายละเอียดของรูปแบบการเสียหายแบบต่าง ๆ ที่ผู้เขียนนำเสนอมาตั้งแต่ข้างต้น จะเห็นได้ว่ารูปแบบของความเสียหายของวัสดุที่เกิดขึ้นนั้นมีมากมายหลายรูปแบบ ซึ่งจะขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน สิ่งแวดล้อมที่ใช้งาน การออกแบบ การบำรุงรักษาและองค์ประกอบอื่น ๆ อีกมาก
ในการเสียหายของวัสดุหรือชิ้นส่วนของเครื่องจักรกลที่เราใช้งานแต่ละครั้งอาจมีผลต่อภาพรวมของการทำงานหรือการผลิตมากน้อยแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความสำคัญของชิ้นส่วนหรือเครื่องจักรเหล่านั้น
ดังนั้นถ้าหากเรานำความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุหรือชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรที่เกิดความเสียหายมาวิเคราะห์หาสาเหตุที่ทำให้เกิดความเสียหาย และสามารถที่จะหาวิธีลด ป้องกันความเสียหายดังกล่าวหรือถ้าไม่สามารถทำอะไรได้มากเพียงแค่เราวิเคราะห์และทำให้สามารถพยากรณ์ล่วงหน้าถึงความเสียหายที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนหรือเครื่องจักรได้ เราก็จะลดความเสียหายโดยภาพรวมที่เกิดกับการทำงานของเครื่องจักรได้ไม่มากก็น้อย
ผู้เขียนหวังว่าเรื่องราวที่นำเสนอมาตั้งแต่ต้นจนจบคงจะเป็นประโยชน์กับผู้อ่านบ้างไม่มากก็น้อย ถ้าหากได้นำความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์ใช้กับงานที่ท่านกำลังทำอยู่โดยเฉพาะอย่างยิ่งงานในสายการซ่อมบำรุงทางด้านเครื่องกล
ข้อมูลอ้างอิง
[1] http://steel.keytometals.com/
[2] George E. Dieter: "Mechanical Metallurgy 3rd edition", McGraw-Hill, 1986.
[3] J. Stokes, “Theory and Application of the High Velocity Oxy-Fuel (HVOF) Thermal Spray Process”, Dublin City University (Surface Engineering and Wear)
[4] http://www.irrigationcraft.com
[5] http://www.corrosion-doctors.org
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
