เนื้อหาวันที่ : 2012-01-10 18:34:38 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 10080 views

การวิเคราะห์ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุ (ตอนที่ 1)

ความเสียหายของเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นนั้น ส่วนหนึ่งที่เกี่ยวข้องและแยกกันไม่ได้กับต้นเหตุของความเสียหายก็คือ คุณสมบัติเฉพาะและความทนทานของวัสดุที่ใช้งาน

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

วัสดุส่วนประกอบของเครื่องจักรกับความเสียหายที่เกิดขึ้น
          ในการใช้งานเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่าง ๆ ในกระบวนการผลิตหรือเพื่อประโยชน์ทางด้านอื่น ๆ นั้น สิ่งหนึ่งที่เราไม่อยากให้เกิดขึ้นคือความเสียหายที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรและอุปกรณ์เหล่านั้นก่อนเวลาอันควร เนื่องจากความเสียหายดังกล่าวที่เกิดขึ้นจะส่งผลเสียหายอย่างมากต่อกระบวนการผลิตและค่าใช้จ่ายที่จะตามมาในการแก้ไขซ่อมแซม ซึ่งความเสียหายส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นจะเกิดจากการพัง ชำรุดเสียหายของอุปกรณ์ทางกล (Mechanical Failure)

          ดังนั้นเพื่อที่จะหาทางแก้ไขและป้องกันไม่ให้ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้น หรือถึงแม้จะเกิดขึ้นก็ให้อยู่ภายใต้การควบคุม เราจึงมีความจำเป็นที่จะต้องศึกษาและเรียนรู้ถึงกระบวนการของความเสียหายทางกลของวัสดุที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องจักรเหล่านั้น

รูปที่ 1 ความเสียหายทางกลที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนของเครื่องจักร

วัสดุกับกระบวนการของความเสียหายที่เกิดขึ้น
          ส่วนประกอบหลักของเครื่องจักรและอุปกรณ์ของเครื่องจักรส่วนใหญ่ที่ใช้กันอยู่นั้นทำจากวัสดุที่เป็นเหล็ก โลหะและโลหะประกอบชนิดใหม่ ๆ ดังนั้นการที่เราได้ศึกษาและทำความเข้าใจถึงกระบวนการของความเสียหายแบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับวัสดุนั้น ๆ จะทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของวัสดุและสาเหตุของความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุเหล่านั้น ซึ่งจะส่งผลให้เราสามารถหาวิธีป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นได้อย่างถูกต้อง และสามารถที่จะวางแผนในการจัดการทำการบำรุงรักษาเครื่องจักรเหล่านั้นได้อย่างถูกต้องและอยู่ในการควบคุม

การวิเคราะห์หาสาเหตุความเสียหายที่เกิดขึ้นกับวัสดุ (Failure Analysis Investigation)
          โดยปกติแล้วเราจะแบ่งกลไกความเสียหายทางกล(Failure Mechanisms) ของวัสดุเป็นประเภทต่าง ๆ ดังนี้คือ
          * 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

          ซึ่งโดยหลัก ๆ แล้วความเสียหายที่เกิดขึ้นจะมีสาเหตุต่าง ๆ ดังนี้คือ
          * การใช้งานที่ผิดประเภทหรือไม่ถูกต้องกับคุณสมบัติของวัสดุ (Misuse or Abuse)
          * ความผิดพลาดในการประกอบหรือประกอบโดยไม่ถูกต้อง (Assembly Errors)
          * ข้อบกพร่องหรือความผิดพลาดในการผลิต (Manufacturing Defects)
          * การบำรุงรักษาที่ไม่ถูกต้องสมบูรณ์ (Improper Maintenance)
          * การจับยึดของวัสดุที่เป็นชิ้นส่วนของเครื่องจักรเหล่านั้นไม่ดีหรือหลุดหลวม (Fastener Failure)
          * ความผิดพลาดในการออกแบบหรือออกแบบไม่ถูกต้อง (Design Errors)
          * การเลือกใช้งานวัสดุไม่ถูกต้อง (Improper Material)
          * การปรับสภาพผิวของวัสดุไม่ถูกต้องกับความแข็งที่ต้องการ ( Improper Heat Treatments)
          * รับภาระหนักเกินกว่าสภาวะที่ออกแบบไว้อย่างกะทันหัน ( Unforeseen Operating Conditions)
          * คุณภาพของวัสดุไม่เพียงพอหรือไม่ดีพอ (Inadequate Quality Assurance)
          * ทำงานภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม หรือไม่สามารถควบคุมหรือป้องกันให้เหมาะสมได้ (Inadequate Environmental Protection/Control)

          ดังนั้นเมื่อเกิดความเสียหายขึ้นกับเครื่องจักรหรือชิ้นส่วนของเครื่องจักร สิ่งแรกที่เราจะต้องทำคือ ทบทวนหาสาเหตุความผิดพลาดเหล่านี้และหาว่าสาเหตุที่แท้จริงนั้นมาจากไหน แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นเราจะต้องมีความเข้าใจในรายละเอียดของสาเหตุของความเสียหายแบบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นก่อน ซึ่งจะกล่าวถึงในลำดับต่อไปนี้

          1. ความเสียหายที่เกิดจากการล้าของวัสดุ (Fatigue Failures)
          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

          กลไกความเสียหายที่เกิดขึ้นมีรายละเอียดคล่าว ๆ 3 ขั้นตอนดังต่อไปนี้คือ
          * 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

          1.1 รอบความเค้น (Stress Cycle, N) ต้นเหตุแห่งความเสียหายจากการล้าของวัสดุ
          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

A. การส่งถ่ายกำลังของฟันเกียร์ 

B. การเกิดพิตติ้งหรือพิตติ้งตามแนวเส้นสัมผัสของเกียร์เนื่องจากความเค้นที่กระทำซ้ำ ๆ กันเกิดขึ้น ในระยะแรกจะเกิดการล้าตัวของผิวสัมผัสและหลุดร่อนออกของผิวฟันเกียร์ 

C. การเกิดพิตติ้งหรือพิตติ้งแบบรุนแรงบนฟันเกียร์จะเกิดขึ้นอย่างรุนแรงและเป็นทวีคูณเพราะความเค้นมากขึ้นเนื่องจากพื้นที่รับแรงน้อยลงเนื่องจากการหลุดร่อนของพื้นผิว

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 

      =   …. … (1)

      เมื่อ     คือความเค้นที่เกิดขึ้น, (แรง/พื้นที่)
                F  คือแรงที่กระทำบนพื้นที่รับแรง, 
                A  คือพื้นที่รับแรง

          แต่หลังจากที่เกิดการล้าตัวและหลุดร่อนออกในบางส่วนทำให้ส่วนที่เป็นพื้นที่รับแรงน้อยในขณะที่แรงยังเท่าเดิมผลก็คือจะทำให้ความเค้นที่เกิดขึ้นบนพื้นที่รับแรงมากขึ้น และจะมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเกิดการหลุดร่อนออกของผิวของเฟืองเกียร์เพิ่มมากขึ้น

รูปที่ 7 ตัวอย่างกลไกการเกิดความล้าและแนวการเกิดการล้าตัวในวัสดุ (Fatigue Striation)

          1.2 รูปแบบของความเค้นซึ่งเป็นสาเหตุของความล้า     
          ชนิดของความเค้นซึ่งเป็นสาเหตุของความล้าซึ่งจะอธิบายในรายละเอียดที่แสดงถึงการรับภาระความเค้นแบบกลับไปกลับมาหรือรอบความเค้นดังแสดงในรูปที่ 8 โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามแบบคือ

          1.2.1 ความเค้นสูงสุดและต่ำสุดจะเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามหรือรอบความเค้นแบบตรงกันข้าม (Reverse Stress Cycle)
          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

          1.2.2 ความเค้นสูงสุดและต่ำสุดมีทิศทางเดียวกันหรือรอบความเค้นแบบทิศทางเดียว (Repeated Stress Cycle) 
          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

          1.3 ภาระกับจำนวนรอบที่เกิดความเสียหาย, อายุล้า (S-N Fatigue Properties)
          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

          A. เหล็กที่ผ่านกระบวนการทางความร้อน, ขีดจำกัดความล้าที่ประมาณ 500,000 รอบความเค้น

          B. เหล็กกล้าคาร์บอน, ขีดจำกัดความล้าที่ประมาณ 1,000,000 รอบความเค้น

          C. อะลูมิเนียม, ไม่มีขีดจำกัดความล้า อายุการใช้งานขึ้นอยู่กับภาระและรอบความเค้น

          D. เหล็กหล่อ, ขีดจำกัดความล้าที่ประมาณ 1,000,000 รอบความเค้น

          * 1 ksi (kilo pound force per square inch) = 6.897 Mpa

          โดยสรุปแล้วสำหรับวัสดุจำพวกเหล็กจะมีการเสียหายจากรอบความเค้นอยู่สองลักษณะคือ
          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) จะน้อยกว่า 104 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


          1.4 อัตราส่วนความเค้น (Stress Ratio, R)
          ดังที่กล่าวในหัวข้อที่แล้วถึงแบบต่าง ๆ ในการเปลี่ยนแปลงของรอบความเค้น สิ่งที่จะบอกถึงลักษณะของการเปลี่ยนแปลงของรอบความเค้นที่เกิดขึ้นได้คือ ค่าอัตราส่วนความเค้น (Stress Ratio, R) ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนระหว่างความเค้นต่ำสุด min และความเค้นสูงสุด max ในแต่ละรอบความเค้นซึ่งจะแสดงออกมาในรูปของอัตราส่วนความเค้นที่มีค่าดังต่อไปนี้
     R= …….. …… (2)

                  โดยที่  R        คือ อัตราส่วนความเค้น
                            min    ความเค้นต่ำสุดของแอมปลิจูด, Mpa หรือหน่วยทางความเค้นอื่น ๆ
                            max    ความเค้นสูงสุดของแอมปลิจูด, Mpa หรือหน่วยทางความเค้นอื่น ๆ

          โดยพิจารณารูปที่ 8 ประกอบด้วยคือ
          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, R =  = 0

          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 การป้องกันความเสียหายที่เกิดจากการล้าตัวของวัสดุ (Preventing Fatigue Failure)
          1.5.1 ออกแบบวัสดุที่เป็นชิ้นส่วนหรือส่วนประกอบของเครื่องจักรให้มีความเหมาะสมเพื่อป้องกันความเค้นที่เกิดขึ้นในเนื้อวัสดุนั้น ๆ นอกจากนั้นก็เป็นการปรับสภาพในการทำงานของเครื่องจักรไม่ให้รับความเค้นมากเกินไป  

          1.5.2 ลบมุมของวัสดุที่เป็นเหลี่ยมมุม เพื่อลดความเค้นที่จะเกิดขึ้น

          1.5.3 เอาใจใส่ดูแลความเรียบร้อยในการประกอบและจุดจับยึดต่าง ๆ ของเครื่องจักร

          1.6 การวิเคราะห์ความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการล้า (Fatigue Failure Analysis)
          ความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการล้าตัว (Fatigue) ของวัสดุนั้นเป็นผลโดยตรงจากการกระทำของภาระ (Load) ที่ซ้ำ ๆ กันต่อวัสดุภายใต้จุดล้าตัวของวัสดุนั้น ๆ ผลที่เกิดขึ้นก็คือวัสดุนั้นจะเกิดความเสียหายในเวลาต่อมา ซึ่งในการออกแบบชิ้นส่วนของเครื่องจักรในบางครั้งเราไม่ได้นึกถึงในรายละเอียดของส่วนนี้ หรือในสภาพการทำงานและการใช้งานบางครั้งสภาพแวดล้อมของเครื่องจักรก็ทำให้เกิดสิ่งนี้ขึ้น ดังนั้นเราจึงต้องพิจารณาถึงความเสียหายที่เกิดขึ้นและหาสาเหตุถึงที่มาที่ไปของความเสียหายที่เกิดขึ้นโดยละเอียดเพื่อป้องกันปัญหาที่จะเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องจักรจากรอบความเค้นซึ่งเป็นสาเหตุของความเสียหายที่เกิดจากการล้าของวัสดุ

สรุป
          จากรายละเอียดในตอนนี้ที่นำเสนอไปนั้นจะเป็นเรื่องของบทนำเรื่องการเสียหายของวัสดุ และรายละเอียดในเรื่องความเสียหายที่เกิดจากการล้าตัวของวัสดุ ซึ่งสำหรับการล้าของวัสดุนั้นได้มีผู้รู้กล่าวไว้ว่า “ความเสียหายที่เกิดกับวัสดุหรือชิ้นส่วนทางกลที่เสียหายนั้น 90% เป็นความเสียหายที่มีสาเหตุมาจากการล้าตัวของวัสดุ” ดังนั้นผู้เขียนจึงหวังว่าบทความดังกล่าวข้างต้นคงจะช่วยให้ผู้อ่านทำความเข้าใจในเรื่องนี้และสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานทางด้านการซ่อมบำรุงเครื่องจักรได้บ้างไม่มากก็น้อย

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

เอกสารอ้างอิง
          [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