อาจหาญ ณ นรงค์
ผู้ช่วยผู้จัดการแผนกวิศวกรรมและซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด

ความเสียหายของเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นนั้น ส่วนหนึ่งที่เกี่ยวข้องและแยกกันไม่ได้กับต้นเหตุของความเสียหายก็คือ คุณสมบัติเฉพาะและความทนทานของวัสดุที่ใช้งาน สิ่งแวดล้อมในการใช้งานวัสดุเหล่านั้น ความเสียหายที่เกิดกับวัสดุจะมาจากสาเหตุต่าง ๆ มากมาย ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่เราจะต้องเรียนรู้ ทำความเข้าใจถึงสาเหตุและความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุต่าง ๆ ที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ เหล่านั้น

ในการใช้งานเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ในกระบวนการผลิตหรือเพื่อประโยชน์ทางด้านอื่น ๆ นั้น สิ่งหนึ่งที่เราไม่อยากให้เกิดขึ้นคือความเสียหายที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรและอุปกรณ์เหล่านั้นก่อนเวลาอันควร                   

เนื่องจากความเสียหายดังกล่าวที่เกิดขึ้นจะส่งผลเสียหายอย่างมากต่อกระบวนการผลิตและค่าใช้จ่ายที่จะตามมาในการแก้ไขซ่อมแซม ซึ่งความเสียหายส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นจะเกิดจากการพัง ชำรุดเสียหายของอุปกรณ์ทางกล (Mechanical Failure)

ดังนั้นเพื่อที่จะหาทางแก้ไขและป้องกันไม่ให้ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้น หรือถึงแม้จะเกิดขึ้นก็ให้อยู่ภายใต้การควบคุม เราจึงมีความจำเป็นที่จะต้องศึกษาและเรียนรู้ถึงกระบวนการของความเสียหายทางกลของวัสดุที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรเหล่านั้น

รูปที่ 1 ความเสียหายทางกลที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนของเครื่องจักร

ส่วนประกอบหลักของเครื่องจักรและอุปกรณ์ของเครื่องจักรส่วนใหญ่ที่ใช้กันอยู่นั้นทำจากวัสดุที่เป็นเหล็ก โลหะและโลหะประกอบชนิดใหม่ ๆ ดังนั้นการที่เราได้ศึกษาและทำความเข้าใจถึงกระบวนการของความเสียหายแบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับวัสดุนั้น ๆ จะทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของวัสดุและสาเหตุของความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุเหล่านั้น ซึ่งจะส่งผลให้เราสามารถหาวิธีป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นได้อย่างถูกต้อง และสามารถที่จะวางแผนในการจัดการทำการบำรุงรักษาเครื่องจักรเหล่านั้นได้อย่างถูกต้องและอยู่ในการควบคุม

* ความเสียหายที่เกิดจากความล้าของวัสดุ (Fatigue Failures)   
* ความเสียหายที่เกิดจากการผุกร่อนและการเกิดสนิม (Corrosion Failures)  
* ความเสียหายที่เกิดจากการแตกเหนียวและแตกเปราะของวัสดุ (Ductile and Brittle Fractures)
* ความเสียหายที่เกิดจากไฮโดรเจน (Hydrogen Damaged)
* การแตกเปราะเนื่องจากโลหะเหลว (Liquid Metal Embrittlement)
* เกิดการแตกเนื่องจากความเค้น (Creep and Stress Rupture)

จากกลไกของความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุทั้งหลายที่กล่าวมาแล้วนั้น จะเห็นว่าความเสียหายที่เกิดขึ้นนั้นเกิดจากสองอย่างคือ 
1. ตัววัสดุเองซึ่งจะเกี่ยวของกับคุณสมบัติทางกลของวัสดุ และ
2. เกิดจากสภาพแวดล้อมของวัสดุนั้น ๆ ซึ่งก็เกี่ยวข้องกับส่วนผสมทางเคมีของวัสดุนั้น ๆ นั่นเอง

ดังนั้นเมื่อเกิดความเสียหายขึ้นกับเครื่องจักรหรือชิ้นส่วนของเครื่องจักร สิ่งแรกที่เราจะต้องทำคือ ทบทวนหาสาเหตุความผิดพลาดเหล่านี้และหาว่าสาเหตุที่แท้จริงนั้นมาจากไหน แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นเราจะต้องมีความเข้าใจในรายละเอียดของสาเหตุของความเสียหายแบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นก่อน ซึ่งจะกล่าวถึงในลำดับต่อไปนี้

ความเสียหายจากความล้าของวัสดุเป็นการเสียหายที่เกิดขึ้นจากการที่วัสดุหรือชิ้นส่วนนั้น ๆ เกิดความล้าตัวอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของแรงที่เปลี่ยนแปลงขนาดและกระทำกลับไปกลับมา (Dynamics Load) บนวัสดุในช่วงเวลาที่พิจารณา (Repeated Cycling of the Load) ซ้ำกันไปเป็นเวลานานทำให้วัสดุในจุดที่รับความเค้น (Stress) เกิดการล้าตัวมากขึ้นเรื่อย ๆ    

หลังจากนั้นในจุดดังกล่าวของวัสดุก็จะเกิดรอยแตกร้าว (Crack) ขึ้น จากรอยแตกร้าวเล็ก ๆ ก็จะขยายเป็นรอยที่ใหญ่ขึ้นและพังเสียหายในที่สุด เราเรียกความเสียหายดังกล่าวที่เกิดจาก Dynamics Loading ว่าความล้า (Fatigue) 

ซึ่งความเสียหายดังกล่าวที่เราสามารถพบได้ดังเช่น เพลาขับของรถยนต์ ใบพัดเครื่องบิน ตลอดจนชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรกล เช่น ผิวหน้าของฟันเฟือง โซ่ หรือส่วนที่เป็นร่องลิ่มของมู่เล่ สำหรับความเสียหายที่เกิดกับชิ้นส่วนของเครื่องจักรเราพบว่าประมาณ 90% มาจากความล้าตัวของโลหะหรือวัสดุ

* การเริ่มต้นแตก (Crack Initial) เริ่มต้นเกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็กขึ้นที่ผิววัสดุ โดยส่วนที่เริ่มต้นการแตกร้าวนั้นจะเริ่มต้นจากส่วนต่าง ๆ ดังเช่น พื้นผิวที่มีรอยขีดข่วนหรือรอยลึก (Surface Screeches) มุมและเหลี่ยมคมของวัสดุ (Sharp Corners) ร่องลิ่ม (Key Way) รูปที่ 3A เกลียวและเฟือง (Thread or Gear) และส่วนโค้งเว้าต่าง ๆ ของเครื่องจักร

เนื่องจากส่วนต่าง ๆ เหล่านี้มีพื้นที่น้อยจึงทำให้ความแข็งแรงน้อยกว่าส่วนอื่น ๆ ดังนั้นเมื่อต้องรับภาระเท่ากับส่วนอื่น ๆ ส่วนนี้จึงเกิดการล้าตัวและเกิดความเสียหายก่อนส่วนอื่นที่รับความเค้นน้อยกว่า

* การขยายตัวของรอยแตก (Crack Propagation) รอยแตกร้าวที่เกิดจากขั้นตอนของการเริ่มต้นแตก (Initial Crack) ซึ่งเป็นขั้นตอนแรกของความเสียหายจะขยายตัวต่อไปเป็นรอยแตกขนาดใหญ่ขึ้น (Progressive Crack Growth Across the Part) จากตอนเริ่มต้นเกิดรอยแตกความเค้นที่เกิดขึ้นจะเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากพื้นที่รับแรงจะน้อยลงเพราะว่าเมื่อพื้นที่ส่วนหนึ่งแตกออก  

ตรงส่วนที่แตกออกจะไม่สามารถรับแรงได้ ดังนั้นพื้นที่รับแรงที่เหลือของวัสดุจะน้อยลงในขณะที่ภาระ (Load) ที่วัสดุรับยังเท่าเดิม ดังแผนภูมิ S-N Schematic ดังรูปที่ 4 (จะอธิบายในหัวข้อที่ 1.1) ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น (Stress, S) กับจำนวนรอบหรือจำนวนครั้งที่วัสดุรับความเค้น (Cycle, N)

จะเห็นว่าถ้าจะทำให้รอบหรือจำนวนครั้งในการรับความเค้นของวัสดุมากขึ้นหรืออายุการใช้งานที่ยาวขึ้นเราจะต้องลดความเค้น (Stress, S) ลงหรือลดภาระ (Load) ที่กระทำกับวัสดุลงนั่นเอง   สำหรับความเสียหายที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้จะดำเนินไปอย่างช้า ๆ ซึ่งจะช้ามากหรือช้าน้อยก็จะขึ้นอยู่กับจำนวนภาระ(Load) ที่มากระทำกับวัสดุ   

รูปที่ 2 ลำดับการแตกร้าวของวัสดุเนื่องจากการล้าตัว

* ความเสียหายในขั้นตอนสุดท้าย (Final Failure) การแตกหักเสียหายอย่างกะทันหันจะเกิดขึ้นกับพื้นที่วัสดุที่เหลือจนพังเสียหายและไม่สามารถที่จะใช้การได้ในที่สุด

รูปที่ 3 ความเสียหายเนื่องจากการล้าตัวรูปแบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นบนวัสดุที่ใช้งาน

ดังที่กล่าวไว้แล้วในข้างต้นว่าต้นเหตุของความเสียหายที่เกิดจากความเค้นของวัสดุนั้นมีความเกี่ยวพันกันโดยตรงกับรอบความเค้นหรือถ้าจะกล่าวกันให้เข้าใจง่าย ๆ คือจำนวนครั้งที่วัสดุนั้นรับแรงหรือรับภาระ การที่ความเค้นเกิดสลับไปสลับมาซ้ำ ๆ กันหรือรอบความเค้น (Stress Cycle, N)     

ถ้าจะยกตัวอย่างให้เข้าใจง่าย ๆ เช่น เมื่อเรานำลวดเส้นหนึ่งมาจับแล้วหักไปหักมาสลับกันไปเรื่อย ๆ เมื่อเราหักไปหักมาก็จะทำให้เกิดความร้อนขึ้นบนเส้นลวดในจุดที่หักและเมื่อเรายังหักลวดดังกล่าวไปมาเรื่อย ๆ ในที่สุดลวดเส้นนั้นก็จะขาดในที่สุดเนื่องจากความล้าที่เกิดขึ้นในจุดที่หัก ดังรูปที่ 5

รูปที่ 4 แผนภูมิ S-N Curve แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและจำนวนรอบของการทำงาน

รูปที่ 5 เส้นลวดที่ขาดเนื่องจากการรับภาระสลับไปสลับมา

รอบความเค้น (Stress Cycle, N) คือลักษณะการรับแรงของวัสดุที่มีลักษณะเป็นรอบ (Cycle) โดย จะมีแรงสูงสุดและแรงต่ำสุดที่เกิดขึ้นบนเนื้อวัสดุส่วนที่รับแรงโดยเกิดขึ้นในลักษณะรูปคลื่นไซน์ (Sine Wave) เช่นการรับแรงของฟันเกียร์ที่ใช้ในการส่งกำลังเมื่อเกียร์ทำงาน เฟืองตัวขับจะหมุนและส่งกำลังผ่านฟันเกียร์ตัวขับไปขับฟันเกียร์ตัวตาม การทำงานของฟันเกียร์จะทำงานซ้ำ ๆ ไปเรื่อย ๆ คือขบกับฟันเกียร์ตัวตามแล้วปล่อยหลังจากส่งกำลัง 

ในการขบแล้วปล่อยของฟันเกียร์แต่ละครั้งคือ1 รอบความเค้น (1Cycle Stress) ที่ฟันเกียร์ตัวนั้นได้รับดังนั้นเมื่อฟันเกียร์ทำงานไปเรื่อย ๆ จำนวนรอบความเค้นที่เกียร์ได้รับก็จะเพิ่มขึ้นไปเรื่อย ๆ จากสิบ เป็นร้อยเป็นพันเป็นหมื่นเป็นแสนรอบ ตามอายุการทำงานของเกียร์เหล่านั้น

รูปที่ 6 ความเสียหายที่เกิดจากความล้าตัวของเฟืองเกียร์

สำหรับการทำงานที่เป็นปกติการสึกหรอก็จะเกิดขึ้นตามระยะเวลาการใช้งานของชิ้นส่วนหรือวัสดุ แต่สำหรับในสภาวะที่การทำงานไม่เป็นปกติเช่น เมื่อฟันเกียร์ตามตัวอย่างในรูปที่ 6 มีการหล่อลื่นไม่เพียงพอก็จะทำให้พื้นที่ของฟันเกียร์สัมผัสกันโดยตรงโดยไม่มีฟิล์มน้ำมันหล่อลื่นมาเป็นตัวกั้นและถ่ายทอดแรงอัดต่อพื้นที่ผิวสัมผัสจากผิวหน้าฟันตัวขับสู่ผิวหน้าฟันตัวตาม เมื่อฟันเกียร์สัมผัสกันพื้นที่ดังกล่าวก็จะรับกับความเค้นไปเรื่อย ๆ ซ้ำกันไปตลอดเวลาที่ฟันเกียร์ทำหน้าที่ส่งถ่ายกำลัง  

ปรากฏการณ์ดังกล่าวนั้นจะส่งผลให้เกิดความล้า (Fatigue) ขึ้นที่ผิวหน้าของฟันเกียร์และจะส่งผลให้เกิดรอยแตกเล็ก ๆ ขึ้น และเมื่อผิวหน้าของฟันเกียร์ต้องรับแรงต่อไปเรื่อย ๆ ตามจังหวะการทำงาน รอยแตกเล็ก ๆ ดังกล่าวก็จะขยายใหญ่ขึ้นและหลุดออกในที่สุด เมื่อพื้นที่หน้าฟันส่วนที่แตกหลุดออกไปจนทำให้ผิวหน้าของฟันเกียร์จะมีลักษณะเป็นหลุมพิตติ้งขนาดเล็กเกิดขึ้นดังรูปที่ 6B            

หลังจากนั้นเมื่อผิวหน้าบางส่วนหลุดออกไปในขณะที่ผิวหน้าของฟันเกียร์ยังรับภาระหรือแรงเท่าเดิมความเค้นก็จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากพื้นที่รับแรงลดลงส่วนผิวหน้าที่เหลือก็จะเริ่มล้าตัว แตกและหลุดออกเพิ่มขึ้นจนเกิดเป็นพิตติ้งขนาดใหญ่ที่ผิวหน้าของฟันเกียร์ดังรูปที่ 6C ความเสียหายจะเกิดเพิ่มขึ้นเป็นทวีคูณในตอนหลัง เพราะในตอนแรกที่ไม่มีการสึกพื้นที่รับแรงของเฟืองเกียร์จะมากจึงส่งผลให้ความเค้นที่เกิดขึ้นน้อย ดังสมการที่ 1

แต่หลังจากที่เกิดการล้าตัวและหลุดร่อนออกในบางส่วนทำให้ส่วนที่เป็นพื้นที่รับแรงน้อยในขณะที่แรงยังเท่าเดิมผลก็คือจะทำให้ความเค้นที่เกิดขึ้นบนพื้นที่รับแรงมากขึ้น และจะมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเกิดการหลุดร่อนออกของผิวของเฟืองเกียร์เพิ่มมากขึ้น

รูปที่ 7 ตัวอย่างกลไกการเกิดความล้าและแนวการเกิดการล้าตัวในวัสดุ (Fatigue Striation)

ชนิดของความเค้นซึ่งเป็นสาเหตุของความล้าซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดที่แสดงถึงการรับภาระความเค้นแบบกลับไปกลับมาหรือรอบความเค้นดังแสดงในรูปที่ 8 โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามแบบคือ

ดังรูปที่ 8(A) แสดงรูปแบบของรอบความเค้นในรูปของคลื่นไซน์ (Sine Wave or Sinusoidal) โดยคือขนาดของความเค้นสูงสุดและความเค้นต่ำสุดที่มีขนาดเท่ากัน (ความเค้นสูงสุดอยู่ในรูปของแรงดึง (Tension, +) และความเค้นต่ำสุดอยู่ในรูปของแรงกดหรือแรงอัด (Compression, -)

(A) รอบความเค้นแบบตรงกันข้าม (Reverse Stress Cycle)

(B) รอบความเค้นแบบทิศทางเดียว (Repeated Stress Cycle)

(C) รอบความเค้นแบบไม่สม่ำเสมอหรือแบบสุ่ม (Irregular or Random Stress Cycle)

รูปที่ 8 แสดงรูปแบบต่าง ๆ ในการเปลี่ยนแปลงของรอบความเค้น

ดังที่ 8(B) แสดงให้เห็นถึงรอบของความเค้นที่มีแรงกระทำเพียงด้านเดียวคือแรงดึงโดยที่ส่วนสูงสุดของแอมปลิจูด (Amplitude) เป็นแรงดึง (Tension) และส่วนที่ต่ำสุดของแอมปลิจูดก็เป็นแรงดึง (Tension) เช่นกัน      

ตัวอย่างเช่น แรงดึงในลวดที่ใช้ยกของที่ในเวลายกของลวดจะรับแรงดันสูงสุด แต่หลังจากที่เอาของออกไปแล้วลวดก็จะเหลือน้ำหนักของตัวเองที่ยังเป็นแรงดึงอยู่ ลักษณะของรอบความเค้นดังกล่าวสามารถที่จะเป็นสาเหตุให้เกิดการล้าตัวในจุดที่มีความแข็งแรงน้อยสุดได้ 

1.2.3 ความเค้นแบบสุ่ม โดยไม่มีรูปแบบที่แน่นอนหรือรอบความเค้นแบบไม่สม่ำเสมอหรือแบบสุ่ม (Irregular or Random Stress Cycle) 

ดังรูปที่ 8(C) ซึ่งมีแรงมากระทำไม่คงที่ ทั้งขนาด และทิศทาง โดยไม่สามารถคาดเดาลักษณะของแรงได้ แสดงให้เห็นถึงความไม่แน่นอนในการเปลี่ยนแปลงการรับภาระ (Load) ที่เกิดขึ้นกับวัสดุ ตัวอย่างการรับภาระของวัสดุแบบนี้ก็คือโครงสร้างของสะพาน หรือปีกของเครื่องบิน ในกรณีที่การรับภาระอย่างหนักและเกิดขึ้นอย่างรุนแรงอย่างกะทันหันเป็นประจำก็จะเป็นสาเหตุของการล้าตัวของวัสดุได้เช่นกัน

คือตัวแปรสองตัวที่มีความสัมพันธ์กัน จากการทดลองโดย เปรียบเทียบความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น (Stress, S) ที่เป็นสาเหตุของการเสียหายที่เกิดขึ้นบนวัสดุกับจำนวนรอบ (Cycle, N) ของความเค้นที่เกิดขึ้น และนำมาแสดงในรูปของความสัมพันธ์ในกราฟระหว่างปริมาณความเค้นกับจำนวนรอบของความเค้นที่เกิดขึ้น ที่รู้จักกันในรูปของกราฟภาระกับจำนวนรอบที่เกิดความเสียหายหรืออายุล้า (S-N Curve, S = Stress N = Cycle Stress Number) ซึ่งในส่วนของปริมาณจำนวนรอบของความเค้นนั้นจะแสดงอยู่ในรูปของ Log Scale

จากข้อมูลการทดลองการให้ความเค้นสลับไปมาในจำนวนรอบที่ต่อเนื่องกับวัสดุตัวอย่างที่เป็นเหล็กจนกระทั่งเกิดการพังเสียหาย การทดสอบกับตัวอย่างแรกโดยให้ความเค้นในอัตราที่สูงกับวัสดุทดสอบปรากฏว่าวัสดุทดสอบชิ้นดังกล่าวพังเสียหายที่ระยะเวลาอันรวดเร็วในจำนวนรอบความเค้นที่ต่ำ 

จากนั้นทำการทดสอบกับวัสดุเดียวกันแต่ให้ความเค้นที่ต่ำกว่าเดิมวัสดุทดสอบเกิดการเสียหายที่รอบการทดสอบที่มากกว่าเดิม และจากการทดสอบโดยลดความเค้นของวัสดุทดสอบลงมาเรื่อย ๆ จนถึงระดับหนึ่งก็พบว่าวัสดุทดสอบจะไม่เกิดความเสียหายเมื่อจำนวนรอบความเค้นเพิ่มขึ้น ที่จุดนี้เราเรียกว่าขีดจำกัดความล้า (Fatigue Limit หรือ Endurance Limit) ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่รอบความเค้นระหว่าง 106–107 รอบสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน (ในตำราทั่ว ๆ ไประบุ106 รอบ)

ขีดจำกัดความล้า (Fatigue Limit หรือ Endurance Limit) อาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Fatigue Threshold ซึ่งก็คือระดับความเค้นตั้งแต่ 1/4 จนถึง 1/2 เท่าของความเค้นที่จุดครากของวัสดุนั้น ๆ

รูปที่ 9 S-N Curve ของวัสดุชนิดต่าง ๆ

1.3.1 การล้าแบบรอบต่ำ (Low Cycle Fatigue, LCF) จะเกิดขึ้นเมื่อความเค้นที่กระทำกับวัสดุมากกว่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Point) ของวัสดุนั้น ๆ ซึ่งจะเกิดขึ้นกับชิ้นงานที่มีความถี่ในการเคลื่อนที่หรือความเร็วรอบที่ต่ำ ๆ ต้องรับภาระ (Load) เช่นความเค้น ที่อยู่ในรูปของแรงอัด แรงดึงหรือแรงบิดมากเกินไปดังตัวอย่างในรูปที่ 10     

หรือต้องอยู่ในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงความเค้นเนื่องจากอุณหภูมิมาก เช่น วัสดุที่ต้องอยู่ในสภาพที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงมาก ๆ โดยทั่ว ๆ ไปจำนวนรอบที่เกิดความเสียหาย (Nf) จะน้อยกว่า104 รอบ (Nf<104 Cycle) หรือ 10,000 รอบความเค้น

1.3.2 การล้าแบบรอบสูง (High Cycle Fatigue, HCF) จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อความเค้นที่กระทำกับวัสดุมีน้อย ซึ่งโดยปกติจะต้องน้อยกว่าความเค้นที่จุดคราก (Yield Point) ของวัสดุนั้น ๆ โดยปกติจำนวนรอบที่เกิดความเสียหาย (Nf) จะอยู่ที่ประมาณ106 รอบความเค้น หรือไม่เกิน 1,000,000 รอบความเค้น ดังตัวอย่างในรูปที่ 11

รูปที่ 10 การแตกหักความล้าที่รอบต่ำ (LCF) เนื่องจากแรงบิดของเพลา

รูปที่ 11 การแตกหักเนื่องจากความล้าที่รอบสูง (HCF) ของเพลาที่ทำงานด้วยภาระ (Load) ที่ต่ำ ๆ แต่หมุนด้วยความเร็วรอบสูง

สำหรับวัสดุที่ไม่มีเหล็กเป็นส่วนประกอบ (Nonferrous Material) เช่นอะลูมิเนียม พบว่า S-N Curve จะลดลงเรื่อย ๆ โดยไม่เข้าสู่แนวระดับ ดังนั้นวัสดุประเภทนี้จึงไม่มีค่า Fatigue Limit ที่แท้จริง แต่สามารถกำหนดให้ความเครียดที่วัสดุสามารถรับได้ โดยไม่เกิดความเสียหายที่ 108 ถึง5x108 รอบเป็น Fatigue Limit

ดังที่กล่าวในหัวข้อที่แล้วถึงแบบต่าง ๆ ในการเปลี่ยนแปลงของรอบความเค้น สิ่งที่จะบอกถึงลักษณะของการเปลี่ยนแปลงของรอบความเค้นที่เกิดขึ้นได้คือ ค่าอัตราส่วนความเค้น (Stress Ratio, R) ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนระหว่างความเค้นต่ำสุด min และความเค้นสูงสุด max ในแต่ละรอบความเค้นซึ่งจะแสดงออกมาในรูปของอัตราส่วนความเค้นที่มีค่าดังต่อไปนี้

1.4.1 ถ้ารอบความเค้นที่เกิดขึ้นเป็นไปในทิศทางตรงกันข้ามกันครบทุกรอบ หรือแต่ละรอบมีทั้งความเค้นดึงสูงสุด (Maximum Tensile Stress) และความเค้นอัดสูงสุด (Maximum Compression Stress) เท่ากัน (Fully Reversed) R จะเท่ากับ –1 (R= -1) ดังรูปที่ 8A จากรูปดังกล่าวถ้าความเค้นอัด (-) เท่ากับ 20 Mpa และความเค้นดึง (+) ที่เกิดขึ้นเท่ากันที่ 20 Mpa, R=  = -1 หรือ 100%

1.4.2 ถ้ารอบความเค้นที่เกิดขึ้นมีบางส่วนที่มีทิศทางตรงกันข้ามและความเค้นสูงสุดที่เป็นความเค้นอัด (-) และส่วนที่เป็นความเค้นดึง (+) สูงสุดไม่เท่ากัน (Partially Reversed) ค่า R จะมีค่าน้อยกว่า –1 (R <-1) เช่นถ้าความเค้นดึง (+) สูงสุดในแต่ละรอบความเค้นเท่ากับ 10 Mpa และความเค้นอัด (-) เท่ากับ 20 Mpa R=  = -2 หรือ 200%

1.4.3 ถ้ารอบของความเค้นที่เกิดขึ้นอยู่ระหว่างความเค้นสูงสุดกับความเค้นเป็นศูนย์ (No Load) ค่า Rจะเท่ากับ 0 โดยอัตราส่วนความเค้น,

1.4.4 ถ้าทั้งค่าความเค้นต่ำสุด (min) และความเค้นสูงสุด (max) เป็นความเค้นดึง (-) ค่า R จะน้อยกว่า 1 (R<1) ดังรูป 8B ถ้าความเค้นดึงสูงสุดที่เกิดขึ้นเท่ากับ 20 Mpa ความเค้นดึงต่ำสุด 10 Mpa อัตราส่วนความเค้นจะเท่ากับ R= = 0.5 หรือ 50 %

การเปลี่ยนแปลงความเค้นที่เกิดขึ้นระหว่างรอบความเค้น (Stress Cycle) ระหว่างความเค้นต่ำสุด (min) และความเค้นสูงสุด (max) ที่อยู่ในเทอมของอัตราส่วนความเค้น (R) นั้น จะเป็นตัวที่บ่งบอกถึงเวลาของวัสดุที่จะเสียหายจากการล้าตัวของวัสดุ (Fatigue Life) หรือเป็นตัวที่บ่งบอกว่าวัสดุจะใช้เวลานานแค่ไหนถึงจะพังเสียหาย

จากรูปที่ 13 ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความเค้น (R) กับรอบความเค้นที่ทำให้เกิดความเสียหาย (Nf) เราจะเห็นว่าถ้าที่ระดับความเค้นเท่ากันวัสดุที่รับภาระที่อัตราส่วนความเค้นต่ำกว่าจะเกิดความเสียหายก่อนหรือเสียหายที่รอบความเค้นที่ต่ำกว่า

ตัวแปรอีกตัวหนึ่งซึ่งมีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าอัตราส่วนความเค้นคือความเค้นเฉลี่ย (Mean Stress, m) ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยระหว่างความเค้นสูงสุดและความเค้นต่ำสุด ดังแสดงรูปที่ 12 เพราะถ้าหากค่าความเค้นเฉลี่ยยิ่งมากก็จะเป็นตัวบ่งบอกว่าวัสดุนั้นจะเกิดความเสียหายจากการล้าตัวเร็วยิ่งขึ้นเช่นกัน

รูปที่ 12 ความเค้นลักษณะต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นใน1 รอบความเค้น

รูปที่ 13 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนความเค้น (R) กับรอบความเค้นที่ทำให้เกิดความเสียหาย (Nf)

1.5.1 ออกแบบวัสดุที่เป็นชิ้นส่วนหรือส่วนประกอบของเครื่องจักรให้มีความเหมาะสมเพื่อป้องกันความเค้นที่เกิดขึ้นในเนื้อวัสดุนั้น ๆ นอกจากนั้นก็เป็นการปรับสภาพในการทำงานของเครื่องจักรไม่ให้รับความเค้นมากเกินไป 
1.5.2 ลบมุมของวัสดุที่เป็นเหลี่ยมมุม เพื่อลดความเค้นที่จะเกิดขึ้น
1.5.3 เอาใจใส่ดูแลความเรียบร้อยในการประกอบและจุดจับยึดต่าง ๆ ของเครื่องจักร

ความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการล้าตัว (Fatigue) ของวัสดุนั้นเป็นผลโดยตรงจากการกระทำของภาระ (Load) ที่ซ้ำ ๆ กันต่อวัสดุภายใต้จุดล้าตัวของวัสดุนั้น ๆ ผลที่เกิดขึ้นก็คือวัสดุนั้นจะเกิดความเสียหายในเวลาต่อมา ซึ่งในการออกแบบชิ้นส่วนของเครื่องจักรในบางครั้งเราไม่ได้นึกถึงในรายละเอียดของส่วนนี้ หรือในสภาพการทำงานและการใช้งานบางครั้งสภาพแวดล้อมของเครื่องจักรก็ทำให้เกิดสิ่งนี้ขึ้น

ดังนั้นเราจึงต้องพิจารณาถึงความเสียหายที่เกิดขึ้นและหาสาเหตุถึงที่มาที่ไปของความเสียหายที่เกิดขึ้นโดยละเอียดเพื่อป้องกันปัญหาที่จะเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรจากรอบความเค้นซึ่งเป็นสาเหตุของความเสียหายที่เกิดจากการล้าของวัสดุ

จากรายละเอียดในตอนนี้ที่นำเสนอไปนั้นจะเป็นเรื่องของบทนำเรื่องการเสียหายของวัสดุ และรายละเอียดในเรื่องความเสียหายที่เกิดจากการล้าตัวของวัสดุ ซึ่งสำหรับการล้าของวัสดุนั้นได้มีผู้รู้กล่าวไว้ว่า "ความเสียหายที่เกิดกับวัสดุหรือชิ้นส่วนทางกลที่เสียหายนั้น 90% เป็นความเสียหายที่มีสาเหตุมาจากการล้าตัวของวัสดุ" 

ดังนั้นผู้เขียนจึงหวังว่าบทความดังกล่าวข้างต้นคงจะช่วยให้ผู้อ่านทำความเข้าใจในเรื่องนี้และสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานทางด้านการซ่อมบำรุงเครื่องจักรได้บ้างไม่มากก็น้อย

สำหรับในตอนต่อไปจะนำเสนอในส่วนของรายละเอียดเรื่องความเสียหายเนื่องจากการอ่อนตัว (Ductile Failure) ความเสียหายเนื่องจากการสึกหรอ (Wear Failures) ประเภทต่าง ๆ ความเสียหายจากการเกิดโพรงไอ (Cavitations Failure)

[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