TEC มกราคม-มนีาคม 2539

บทคดัยอ

ในปจจุบันความรูเพื่อวิเคราะหสาเหตุการวิบัติของวัสดุกําลังเปนที่ตองการอยางมาก เพราะอุปกรณและเครื่องจักรกลที่ใชในอุตสาหกรรมมักมีราคาแพง การวิบัติของวัสดุซึ่งมีสวนประกอบของเครื่องจักรดังกลาว อาจทําใหเครื่องจักรทํางานไมได ซึ่งนําไปสูการสูญเสียทั้งในแงของเวลา ทรัพยสิน รวมทั้งเกี่ยวของกับความปลอดภัยในสุขภาพและชีวิตของผูที่ทํางานเกี่ยวของกับเครื่องจักรกลนั้นๆ จึงจําเปนตองบํารุงรักษาเชิงปองกันไมใหเกิดการวิบัติทฤษฎีการวิบัติที่ศึกษากันเนนที่การคราก (yielding) แตการวิบัติสวนใหญเปนการแตกหัก เนื่องจากความลา (fatigue fracture)การจะวิเคราะหสาเหตุไดถูกตองจําเปนตองมีความรูพื้นฐานเกี่ยวกบักลศาสตรการวบิตั ิ (mechanics of failure) ซึง่ไมจาํกดัวสิยัทศันอยูเพียงการคราก บทความนี้ใหความรูเชิงเปรียบเทียบระหวางการวบิตัแิบบคราก และแตกหกั โดยแสดงใหเหน็ถงึปจจยัตางๆ ทีค่วบคมุพฤตกิรรมการวบิตัขิองวสัด ุ รวมทัง้แสดงหลกัการของกลศาสตรแตกหกั (fracture machnics) ทีใ่ชในงานออกแบบดวย

วัสดุ

วิบัติ ไดอยางไร: สาเหตแุละกลศาสตร

ประวัติการศึกษาและประสบการณผูเขยีน

รองศาสตราจารย ดร. สธุรีะ ประเสรฐิสรรพ เกดิทีจ่งัหวดัยะลา พ.ศ.2496

จบการศึกษาวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต (เกียรตินิยม)จากมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร ในสาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล และไดรับราชการในตําแหนงอาจารย ณ ทีภ่าควชิาดงักลาว ตัง้แต พ.ศ.2519 เปนตนมา จากนั้นไดรับทุนโคลัมโบและทุนมหาวิทยาลัยแหงรฐัควนีสแลนด ประเทศออสเตรเลยี เพือ่ศกึษาตอระดับปริญญาโทและปริญญาเอก ในป พ.ศ.2522-2524 และ พ.ศ.2526-2530 ตามลาํดบั ปจจบุนัดาํรงตําแหนงรองศาสตราจารย ระดับ 8 และรองคณบดีฝายวิจัยและบัณฑิตศึกษา คณะวิศวกรรมศาสตรมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร

รศ.ดร. สธุรีะ ประเสรฐิสรรพภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตรมหาวิทยาลัยสงขลานครินทร หาดใหญ

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 บทนาํ

ในระยะเวลาไมกี่ปที่ผานมานี้ผูที่สนใจเรื่องการวิเคราะหการแตกหักเสียหายของวัสดุชิ้นสวนเครื่องจักรกลทราบดีวา มีกิจกรรมฝกอบรมบรรยายในเรื่องดังกลาวหลายครั้ งมาก จัดโดยหลายหนวยงาน อาทิเชนศูนย เทคโนโลยีและวัสดุ แห งชาติส ถ า บั น วิ จั ย วิ ท ย า ศ า ส ต ร แ ล ะเทคโนโลยี สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลา พระนครเหนือ จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย และการไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย เปนตน การจัดแตละครั้งมีผูสนใจเขาฟงจํานวนมาก และบางหนวยงานจัดมาแลวมากกวา 1ครั้ง ซึ่งเปนดัชนีบงชี้วาหัวขอนี้เปนที่สนใจในแวดวงอุตสาหกรรม และบุคลากรในประเทศ ผูมีความรูในเรื่องนี้ยั งมีนอยมากประกอบกับกิจการขนาดใหญ เชน เหมืองแรถานหินของการไฟฟาฝายผลิต อุตสาหกรรมปโตรเลียม อุตสาหกรรมเหล็ก และอุตสาหกรรมเครื่องจักรกล เริ่มต ร ะ หนั ก ว า ไ ม มี ค ว า ม รู พ อ ที่ จ ะ

วิเคราะหหาสาเหตุการวิบัติ เพื่อการบํารุงรักษาเชิงปองกันได (preventivemaintenance) จากประสบการณของผูเขียน การวิบัติชของเครื่องจักรกลใหญๆ เชน ของเหมืองถานหินแมเมาะเกิดขึ้นซ้ําๆ และการแกไขก็ทําแบบลองผิดลองถูกบาง ทําโดยอาศัยผู เชี่ยวชาญตางประเทศบาง ทําใหแกไขปญหาไมถูกจุด จึงตองมีการแสวงหาความรูเพิ่มเติม โดยการเขาอบรมสัมมนา อยางไรก็ตามจากประสบการณของผูเขียนพบวาเนื้อหาวิชาการจากการอบรมสัมมนา ตางๆยังขาดพื้นฐานเชิงกลอยูมาก เอกสารประกอบการสัมมนา (เทาที่ เห็น)จะเนนดานวัสดุศาสตร ซึ่งเปนเพียงดานเดียวของการวิบัติ จึงไมชวยใหเขาใจปญหาอยางถองแท

การศึกษาวิศวกรรมศาสตรในประเทศไทยยังขาดหลักสูตรนี้ ถาจะมีก็เพียงระดับปริญญาโทในบางแหงเทานั้น ถึงแมขอกําหนดใหมของกองประกอบวิชาชีพวิศวกรรม (กว.) ได

รวมวิชากลศาสตรแตกหักไวในกลุมเดียวกับวิชาออกแบบเครื่องกล แตมิไดหมายความวา นักศึกษาจําเปนตองเรียนเพราะวาถานักศึกษาเรียนวิชาออกแบบเครื่องกลผาน ก็สามารถขอรับใบอนุญาตประกอบชีพได แล ว(ปกติกลศาสตรแตกหักมิไดรวมอยูในเนื้อหาวิชาการออกแบบเครื่องกล)

การวิเคราะหการวิบัติใหถูกตองนั้น จําเปนตองทราบสาเหตุ โดยเฉพาะสาเหตุเชิงกล บทความนี้ตั้งใจเขียนใหวิศวกรทั่ วไปอานได เขาใจในศาสตรนี้ยิ่งขึ้น

โดย เนนที่ สา เหตุการวิบั ติความแตกตางระหวางกาวิบัติโดยการคราก (yielding) และการแตกหัก(fracture) พฤตกิรรมของวสัด,ุ ปจจยัทีเ่กดิจากการออกแบบและการใชงานที่สงเสริมให เกิดการวิบัติ เพื่อเสริมใหผูมีหนาที่วิเคราะหความเสียหายแตกหักไดเขาใจสาเหตุของการวิบัติอยางถองแท

การแตกหักที่เกิดในทอลําเลียง

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 การนําวัสดุมาใชงานทางวิศวกรรม

ศาสตร มักจะหลีกเลี่ยงการรับภาระ (load)ไมได โดยเฉพาะวัสดุที่ประกอบเปนโครงสรางของชิ้นงาน ที่ไมวาจะเล็กขนาดปากกาหรอืใหญโตซบัซอนขนาดยานอวกาศ ในโครงสรางที่ใหญโตซับซอน เชน เรือ เครื่องบินสะพานหรือเตาปฏิกรณปรมาณู ตัวโครงสรางจะตองไดรับการออกแบบใหปลอดจากการวิบัติในระหวางอายุใชงาน เพราะการวิบัติในโครงสรางเชนนี้เปนอันตรายตอชีวิตและทรัพยสินมาก ในเครื่องจักรกลธรรมดาทัว่ไปผูออกแบบตองใหชิน้งานปลอดการวบิตัิเพื่อใหเครื่องจักรกลนั้นมีความทนทานตอการใชงาน เปนที่เขาใจกันทั่วไปวาความทนทานของเครือ่งจกัรกลนัน้ขึน้กบัวสัดทุีใ่ช และการออกแบบที่เหมาะสม (รวมทั้งการใชงานและบํารุงรักษาซึ่งเปนเรื่องของผูใช) ดังนั้นผูออกแบบเครื่องจักรกล หรือโครงสรางทางโยธา จึงตองมีความรูทั้งการออกแบบและวัสดุศาสตร ความรูทางการออกแบบคือการกําหนดรูปทรงชิ้นงานแตละชิ้นที่ทํางานสมัพนัธกนั เชน เพลา เฟอง เกยีร และแบริง่เปนตน การออกแบบจงึแบงเปน 3 เรือ่งหลกัคอื ออกแบบเพือ่ความแขง็แรง (ไมวบิตั)ิ ออกแบบเพื่อใหไดรูปรางขนาดที่เหมาะสมและออกแบบเพือ่การผลติ จะเหน็ไดวาผูออกแบบที่ดีจะตองมีความรูกวางมากในหลายสาขา

การวิบัติของวัสดุแบงไดหลายระดับปรากฏการณบางอยางเชน การสึกหรอ(wear) ถือเปนการวิบัติ (จึงตองออกแบบใหทนทานตอการสกึหรอ เชน การปรบัสภาพผวิการหลอลื่น เปนตน) แตก็ไมรุนแรงถึงระดับพังทลาย การพังทลายของวัสดุที่นิยมใชเปนเกณฑออกแบบทัว่ไป คอื การคราก (yielding)ความแขง็แรงคราก (yield strength) จงึเปนสมบัติประการแรกที่นักออกแบบใชเลือกวัสดุการออกแบบโดยวิธีนี้ จึงเปนการออกแบบเพื่อทนทานการคราก (design againstyielding) ทฤษฎีวิบัติตางๆ ที่ใชกันจึงเปน

การออกแบบวศิวกรรม: องคความรูทีจ่าํเปน

แตขาดหาย

ทฤษฎีที่ใชขอบเขตการครากมาเปนเกณฑการออกแบบ โดยขาดความตระหนักวาชิ้นงานอาจจะวิบัติโดยการแตกหัก (fracture)ไดโดยไมตองคราก การขาดความรูอยางลึกซึ้งในกลไกวิบัติของวัสดุเปนเหตุใหงานออกแบบจํานวนมากลมเหลว กลไกวิบัติที่ขาดหายไป คือ กลไกการแตกหัก ทฤษฎีวิบัติในเนื้อหาวิชาการออกแบบเครื่องกลที่ใชในมหาวิทยาลัยภายในประเทศไมถือวาการแตกหักคือ เกณฑการออกแบบ กลไกการแตกหักจึงเปนองคความรูที่จําเปนแตขาดหาย

การแตกหกั: ความสาํคญัทีถ่กูมองขามเกณฑการวิบัติของวัสดุที่ใชในการ

ออกแบบเพื่อความแข็งแรง (design forstrength) มี 2 ประการ คือ การครากและการแตกหัก การครากถือเปนจุดวิบัติเพราะวัสดุไมสามารถรับแรงไดเพิ่มขึ้นอีกตอไปรวมทั้งมีการยืดตัวออกอยางถาวร การแตกหัก คือ การที่ชิ้นสวนรับแรงดึงมากจนขาดออกจากกนั ในงานออกแบบเพือ่ทนทานการครากนั้น ถือวาการแตกหักเกิดภายหลังวัสดุครากแลว (post yield rupture)ดังนั้นจึงคํานึงแตเพียงออกแบบใหใชงานแลววัสดุไมครากและก็เชื่อวาปลอดภัย แตในความเปนจริงแลวการแตกหักสามารถเกิดไดในชวงยืดหยุน (elastic) การที่การแตกหักสามารถเกิดกอนการครากไดนั้นทำให้การออกแบบเพื่อทนทานการครากไมปลอดภัยพอเพราะชิ้นงานสามารถวิบัติ ไดกอนจะถึงคราก การครากเปนปรากฏการณที่ใชในเวลาที่วัสดุเกิดคอคอดยืดตัวออก (necking) แตการแตกหักในชวงยืดหยุนเปนปรากฏการณที่เกิดขึ้นในทันทีทันใดเปนการวิบัติที่เกิดขึ้นเร็วมากเชนการระเบิดของถังความดัน เปนตนการวิบัติโดยการแตกหักในชวงยืดหยุนนี้จึงสําคัญ และมีอันตรายมากกวาการวิบัติ

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 โดยการคราก (โดยเฉพาะอยางยิ่งสําหรับโครงสรางขนาดใหญ) ดังนั้นการที่นักออกแบบเครือ่งจกัรกลและโครงสรางใหญๆทั้งหลายยังขาดความรูเรื่องกลศาสตรแตกหัก จึงทําใหงานออกแบบนั้นไมสามารถปลอดการวิบัติ ได อย างแทจรงิและนบัวนัจะยิง่มอีนัตรายมากขึน้เมื่อโครงสรางทางวิศวกรรมมีขนาดใหญขึ้นและรับผิดชอบตอชีวิตและทรัพยสินมากขึ้น ดังเชนที่เราประสบกับความสูญเสียอันเนื่ องจากภัยพิ บั ติ ข น า ด ใ หญ ทั้ ง ใ น แ ล ะต า งประเทศ เชน สะพาน หรืออาคารพาณิชยพังทลาย

กลไกการวบิตัิ: ทางเลอืกของพฤตกิรรม

เปราะ-เหนยีวการครากและการแตกหัก

เปนการวิบัติที่เกิดจากกลไกตางกันการครากคือการที่วัสดุ เริ่มเปลี่ยนรูปรางไปอยางถาวร ซึ่งเกิดจากการที่เนื้อวัสดุไถล (slip) ไปบนระนาบการไถล (slip plane) การไถลเกิดจากแรงเฉือน (shear force) และระนาบการไถล คือ ระนาบที่ออนแอตอแรงเฉือน ซึ่งมักจะวางตัวอยูในทิศที่มีความเคนเฉือนสูงสุด (maxi-mum shear stress) การแตกหักคือการที่วัสดุถูกดึงใหขาดออกจากกันดวยแรงดึง การขาดออกจากกันดวยแรงดึง ดังนั้นระนาบที่ขาดคือระนาบที่ออนแอตอแรงดึง ซึ่งมักจะเปนระนาบที่ตั้งฉากกับแรงดึง ดังนั้นระนาบที่ขาดคือ ระนาบที่ออนแอตอแรงดึง ซึ่งมักจะเปนระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางความเคนฉากสูงสุด(principal normalstress) กลาวโดยสรุป การวิบัติทั้ งสองประเภทเ กิ ด จ า ก ก า ร ก ล ไ ก ต า ง กั น คื อการไถลและการดึงเอาชนะแรงเกาะ

กันของเนื้อวัสดุ กลไกทั้งสองเปนผลจากความเคนเฉือน (τ) และความเคนจากฉาก (σ) ตามลําดับ

เปนที่ทราบกันดีแลววาสถานะความเคน (state of stress) ทกุสถานะประกอบดวยความเคน เฉือนและความแคนฉาก ซึ่งปรากฏในรูปของวงกลมโมร (Mohr's circle) ดังรูปที่ 1ดังนั้นวัสดุที่ทุกสถานะความเคน (แมแต uniaxial tensile loading) จะมีความเคนเฉือนและความเคนฉาก อีกนัยหนึ่ง คือ วัสดุนั้ นมีความเคนที่พยายามใหวัสดุคราก และพยายามใหแตกหักอยูพรอมกัน ดังนั้นวัสดุจะครากหรือแตกหัก จึงขึ้นอยูวาวัสดุนั้นทนตอกลไกใดไดนอยกวากัน เพื่อใหเขาใจยิ่งขึ้นจึงกําหนดขอบเขตการครากดวย τys บนแกนความเฉือนและขอบเขตการแตกหักดวย σƒ

บนแกนความเคนฉากในรูปที่ 1 ในรูป(ก) วสัดแุรงดงึแกนเดยีว (uniaxial ten-sile load) เมือ่ความเคนดงึ (σ) คอยๆเพิ่มขึ้นนั้นวงกลมโมรก็ขยายขนาดขึ้นดวย รัศมีของวงกลมคือ ความเคนเฉือนสูงสุดมีคา σ/2 การครากเกิดเมื่อวงกลมขยายใหญจนชนขอบเขตการครากชิ้นงานรับแรงดึง ในรูป (ก) นี้จะปรากฏจุดคราก (yield point) ในการทดสอบแรงดึง (tensile test) และเรียกวาเปนวัสดุเหนียว (นาสังเกตวาถาคํานึงถึงนิยามของกลไกการไถลทีท่าํใหเกดิการครากแลว σys จะไมมีจริง แต σys ในที่นี้คือ ความเคนดึงในสถานะความเคนแกนเดี่ยวที่ทําใหความเคนเฉือนในเนื้อวัสดุสูงถึง τysเราพบวาในสถานะความเคนหลายแกนคา σys จะเปลี่ยนไปในขณะที่τys คงที่วิศวกรจบใหมหลายทานใชคา σys ในตารางเหล็กโดยไมตระหนักวา σys นั้นไดจาก

tensile test ซึ่งเปนเงื่อนไขของความเคนแกนเดี่ยว)

ในทางกลับกัน สําหรับวัสดุเปราะเมื่อแรงดึงเพิ่มขึ้นวงกลมโมรจะขยายไปชนขอบเขต การแตกหัก (σƒ)กอนดังรูป (ข) วัสดุนี้จึงขาดออกจากกันโดยไมปรากฏจุดคราก เราจะเห็นไดวาการครากขึ้นอยูกับขนาดของวงกลมโมร สวนการแตกหักขึ้นอยูกับตําแหนงของวงกลม ดวยเงื่อนไขของการคราก และการแตกหักเชนนี้วัสดุเหนียวอาจแตกหักโดยไมปรากฏจุดครากก็ได ถาสถานะความเคนทําใหวงกลมมีขนาดเล็ก และเคลื่อนไปทางขวาดังรูปที่ 2 (ก) และวัสดุ เปราะก็สามารถมีจุดครากไดโดยไมแตกหักถาวงกลมนั้นโตขึ้นแตไมชนขอบเขตแตกหัก (σƒ) ดังรูป 2(ข) นั่นคือ วัสดุที่เคยเชื่อวาเหนียวในรูป 1(ก) จะกลับเปนเปราะถามีสถานะความเคนดังรูป2(ก) และในลักษณะเดียวกัน วัสดุที่เคยเปราะจะกลายเปนวัสดุเหนียวก็ไดถามสีถานะความเคนดงัรปู 2 (ข) กลาวโดยสรุปคือ ความเหนียวความเปราะไมไดขึ้นกับวัสดุอยางเดียว แตขึ้นกับสถานะความเคนดวย ประเด็นที่สําคัญคือวัสดุที่คิดวาเหนียว และใชเกณฑการครากมาออกแบบนั้น จะกลับเปนเปราะและวิบัติ โดยการแตกหักไดถ า ชิ้ น ง า น นั้ น รั บ แ ร ง ห ล า ย แ ก นความเหนียว ความเปราะของวัสดุในตารางคุณสมบัติของวัสดุ (σys) และelongation กําหนดโดยการทดสอบแรงดึงแกนเดี่ยว แตการใชงานจริงมักมีความเคนหลายแกนผสมอยู และความเคนหลายแกนนี้ ทําใหวัสดุเปลี่ยนพฤติกรรมเหนียว - เปราะไดการเลือกวัสดุจากสมบัติในตารางจึงอาจไมสอดคลองกับสภาพที่ใชงานจริง

TEC มกราคม-มนีาคม 2539

รปูที ่1 วงกลมโมรของ uniaxial tensile test(ก) วสัดเุหนยีวปรากฏจดุคราก σys < σƒ

(ข) วสัดเุปราะวบิตัคิราก σys < σƒ

รปูที ่2 วงกลมโมรของความเคน 3 ทศิทาง(ก) วสัดเุหนยีว (σys < σƒ) เปลีย่นสภาพเปนเปราะ (วบิตัโิดยการแตกหกั)(ข) วสัดเุปราะ (σys < σƒ) เปลีย่นสภาพเปนเหนยีว (วบิตัโิดยคราก)

ทฤษฎวีบิตั ิ: จดุออนและการขาดความสมบรูณ

การเลือกใชวัสดุในทางวิศวกรรมมักจะเลือกวัสดุ "เหนียว" ซึ่งก็คือวัสดุที่ปรากฏจุดครากในการทดสอบดึงแกนเดี่ยว(uniaxial tensile test) ดังนั้นเมื่อคํานวณความแข็งแรงใชงาน จึงคํานวณบนพื้นฐานของการคราก ทฤษฎีวิบัติที่เปนที่นิยมใชคือ ทฤษฎีความเคนเฉือนสูงสุด (maximum shear stress theory) และทฤษฎีพลังงานบิดเบี้ยวสูงสุด (maximum dis-tortional energy theory) ทฤษฎีทั้งสองใหผลใกลเคียงกัน แตทฤษฎีความเคนเฉือนสูงสุดใชงายกวามาก จึงเปนที่นิยมทฤษฎีนี้มีหลักวา "วัสดุที่รับแรงหลายแกนจะวิบัติเมื่อความเคนเฉือนสูงสุดมีคามากกวาความเคนเฉือนสูงสุดที่จุดวิบัติของการทดลองความเคนดึงแกนเดี่ยว" ซึ่งสรุปเปนสมการการวิบัติไดวา การวิบัติเริ่มเกิดเมื่อ

Iσ1 - σ2l = σys หรอื Iσ2 - σ3I = σys หรอื Iσ3 - σ1I = σys (1)

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 โดยมีขอบเขตของการวิบัติ ดังรูปที่ 3(ก) ซึ่งเปนรูป

ที่คุนเคยกันทั่วไป (รูปนี้เปนขอบเขตตามเงื่อนไขแรกของสมการที่ (1) สําหรับเงื่อนไขอื่นก็ไดขอบเขตรูปรางเหมือนกัน) เมื่อพิจารณาจากวงกลมโมร คาทางซายมือของสมการคือเสนผานศูนยกลางของวงกลมโมร และคาทางขวามือคือขอบเขตความเคนดึงแกนเดี่ยวที่ จุดครากขนาดวงกลมสัมพันธโดยตรงกับความเคนเฉือนสูงสุด(คารัศมี) ซึ่งอาจเกิดในระนาบใดระนาบหนึ่ง จุดออนของทฤษฎีนี้ (ซึ่งมักจะไมทราบกัน) คือ ไมคํานึงความสัมพันธของ σ1, σ2, σ3,ทีท่าํใหตาํแหนงวงกลมโมรเคลือ่นทีไ่ปมาแกน σ ดังแสดงไวในรูปที่ 2 ทฤษฎีนี้มองที่ขนาดวงกลมโมรแตเพียงอยางเดียว เพราะไปเนนที่คาความเฉือนสูงสุดดังนั้นชิ้นงานที่คํานวณความแข็งแรง โดยทฤษฎีนี้จึงไมครากแตจะวบิตัโิดยการแตกหกัได ้ ดังรูป ที่ 2(ก) การแตกหักลักษณะนี้อันตรายมากกวาการคราก ทฤษฎีวิบัติดวยความเคนเฉือนสูงสุดที่ใชกันทั่วไปนั้นจึงขาดความสมบูรณความสมบูรณขาดหายไปเพราะขอบเขตการวิบัติที่แสดงในรูปที่ 3(ก) เปนขอบเขตที่ σ3 = 0 อยางไรกต็ามถา σ3 ≠0 รูปรางของ

ขอบเขตก็ยังคงเหมือนเดิม และมีขนาดเทาเดิม แตตําแหนงของขอบเขตจะเปลี่ยนไป ดังรูปที่ 3(ข) ขอบเขตการครากรูปหกเหลี่ยมเคลื่อนที่ไปบนแกนของความเคนอุทกสถิต (hydrostatic stress) ซึ่งเปนแกนที่ทํามุม 45 ํกับ σ1 และ σ2 (เมื่อมองในระนาบของ σ1, σ2) ขอบเขตของการแตกหัก (σƒ) มีขนาดคงที่ และอยูกับที่ดังนั้นการที่ σ3 ≠ 0 จะทําใหขอบเขตการครากเคลื่อนตัวเขาใกลขอบเขตการแตกหักดังรูปที่ 3 (ข) อยางไรก็ตามวัสดุภายใตเงื่อนไขนี้ก็ยังวิบัติโดยการคราก และทฤษฎีความเคนเฉอืนสงูสดุกย็งัคงใชไดอยู แตถา σ3 มคีาเพิม่ขึน้ขอบเขตการครากจะอยูนอกเหนือขอบเขตการแตกหัก ดังรูปที่ 3 (ค) สภาวะเชนนี้วัสดุจะวิบัติโดยการแตกหัก รูปที่ 3(ก) - (ค) จรงิๆ แลวคอื การเคลือ่นทีข่องวงกลมโมร ในรปูที่ 2(ก) นั่นเอง (ในรูปที่ 2(ก) ขอบเขตการครากกําหนดโดย τys) ดังนั้น โดยสรุปแลวการใชเกณฑวิบัติในรูปที่ 3(ก) ซึ่งละเลยอิทธิพลของ σ3 และขอบเขตการแตกหัก(σƒ) เปนความผิดพลาดอยางมากของทฤษฎีความเคนเฉือนสูงสุด

รูปที่ 3 ขอบเขตการครากดวยทฤษฎีความเคนเฉือนสูงสุด(ก) เงื่อนไข σ3 = 0 วัสดุมีพฤติกรรมเหนียว (วิบัติโดยการคราก)(ข) เงื่อนไข σ3 > 0 ขอบเขตการครากเคลื่อนเขาใกลขอบเขตหัก(ค) σ3 เพิ่มมากขึ้น ขอบเขตแตกหักอยูภายในขอบเขตการคราก วัสดุมีพฤติกรรมเปราะ

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 สถานะความเคนในเนื้อวัสดุนอกจากจะจําแนกเปนตาม

ประเภทเปนความเคนฉาก และความเคนเฉือนแลว ยังสามารถจําแนกตามผลที่เกิดขึ้นกับวัสดุไดดวย เมื่อแรงมากระทําวัสดุจะมีการเปลี่ยนแปลง 2 ประการ คือ เปลี่ยนขนาดและเปลี่ยนรูปราง การเปลี่ยนแปลงทั้ง 2 อยางเกิดขึ้นพรอมๆ กัน แตเกิดจากกลไกตางกัน การเปลี่ยนขนาด (โดยไมเปลี่ยนรูปราง) เกิดจากระบบความเคนอุทกสถิต (hydrostatic stress, σh) สวนการเปลี่ยนรูปราง (โดยไมเปลี่ยนขนาด) เกิดจากระบบความเคนเบี่ยงเบน (deviatoric stress, σd) ความเคนอุทกสถิตคือความเคนฉากที่มีขนาดเทากันในทุกทิศทาง ซึ่งหาไดจาก

σh = σ1 + σ2 + σ3 (2)

และความเคนเบี่ยงเบนคํานวณจาก

σd = √1 [(σ1 - σ2) 2 + (σ2 - σ3) 2 + (σ3 - σ1) 2] (3)

ระบบความเคนทั้งสองเปนอิสระตอกัน ซึ่งหมายความวา ความเคนใดความเคนหนึ่งเปลี่ยนแปลงได (เพิ่มขึ้นหรือลดลง) โดยไมตองไปเปลี่ยนแปลงอีกความเคนหนึ่ง กลาวอีกนัยหนึ่งคือ วัตถุอาจจะเปลี่ยนขนาดแตเพียงอยางเดียว โดยไมเปลี่ยนรูปรางหรือเปลี่ยนรูปราง แตไมจําเปนตองเปลี่ยนขนาดก็ได ระบบความเคนทั้งสองมีความสัมพันธใกลชิดกับขนาดและตําแหนงของวงกลมโมรที่ ไดกลาวไวในตอนตนแลว ซึ่งหมายถึงวา วงกลมโมรอาจจะโตขึ้น (τ มากขึ้น) โดยไมเปลี่ยนตําแหนง (จุดศูนยกลางอยูที่เดิม) หรือวงกลมมีขนาดเทาเดิมแตเปลี่ยนตําแหนงก็ได การโตของวงกลมคือ การเพิ่มโอกาสการคราก สวนการเปลี่ยนตําแหนงคือ การเพิ่มโอกาสการแตกหัก อยางไรก็ตามโอกาสการแตกหักเกิด เมื่อตําแหนงของวงกลมเลื่อนไปทางขวามือเทานั้น (ดูรูปที่ 2) นั่นคือวั สดุ มีโอกาสวิบัติโดยการแตกหักมากขึ้น ถาความเคนอุทกสถิตมีคามาก และความเคนเบี่ยงเบนมีคานอย ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อความเคนหลักของทั้ง 3 แกนเปนความเคนดึง (พิจารณาสมการ (2)และ (3) ประกอบดวย ) กรณีที่ เห็นไดชัดคือ เมื่อวัสดุรับภาระแบบอุทกสถิตแตเพียงอยางเดียวนั้นวงกลมโมรจะเปนจุดซึ่งเปนสภาพที่ไมมีความเคนเฉือน ถาเปนความเคนอุทกสถิตชนิดดึงวัสดุนั้นจะมีโอกาสวิบัติโดยการแตกหักเพียงประการเดียวและเกิดเมื่อจุด (วงกลมโมร) เคลื่อนที่ ไปชนขอบเขตการแตกหัก

นั่นคือ วัสดุนั้นถึงแมจะมีความแข็งแรงครากต่ําเพียงใดก็ไมมีโอกาสวิบัติโดยการคราก แตกลับแตกหักแบบวัสดุเปราะแทนทฤษฎีวิบัติที่ใชกันทั่วไปขาดความสมบูรณในสวนนี้

การแตกหักที่เกิดขึ้นในภาชนะทําจากเหล็กกลา

ความเคนระนาบและความเครยีดระนาบ: ความสาํคญัของรปูทรง ภาระ และโครงสราง

ความเคนระนาบ (plane stress) คือสภาวะที่ σ3 = 0แต ε3 = 0 แต σ1, σ2, σ3 ≠ 0 (และสําคัญมากเมื่อทั้ง 3 มีคา> 0) โดยนัยนี้ความเคนระนาบจึงมีความเคนเฉือนสูง และมีโอกาสวิบัติโดยการคราก (ดูรูปที่ 3(ก) ประกอบ) และในทางกลับกันสภาพความเครียดระนาบนั้น วัสดุมีโอกาสวิบัติโดยการแตกหัก (รูปที่ 3(ค) ) ความเครียดระนาบจึงเปนอันตรายอยางยิ่ง สภาพความเครียดระนาบอาจเกิดจากสาเหตุภายนอก เชน ลักษณะของภาระหลายแกน (multiaxial load)ที่กระทําตอชิ้นงาน และโครงสรางที่ซับซอนที่ไมมีอิสระในการยืด-หด จึงเกิดการดึง-ดันกันเอง หรือเกิดจากสาเหตุภายใน เชนรูปทรงที่ชักนําใหเกิดความเคน (induced stress) ซึ่งหมายความวาชิ้นงานแมจะมีภาระกระทําเพียงแกนเดียว แตก็อาจเกิดสภาวะความเครียดระนาบได ดังปรากฏในรูปที่ 4 เมื่อชิ้นงานมีขนาดเปลี่ยนไปและรับแรงดึง

3

3

TEC มกราคม-มนีาคม 2539

รปูที ่ 4 การเกดิความเครยีดระนาบจากความเคนชกันาํ

เมื่อพิจารณาจากดานบน การยืดตัวของซีกขวาจะมากเปน 2 เทาของซีกซายมือ (เพราะขนาดความเคนตางกัน 2เทา) เปนผลใหการหดตัวในแนวขวางตางกัน 2 เทาเชนกัน อยางไรก็ตามวัสดุบริเวณที่มีการเปลี่ยนขนาดจะตองหดเทาๆกัน เพื่อคงความตอเนื่องของเนื้อวัสดุไว เงื่อนไขนี้จึงชักนําใหเกิดความเคนดึงในซีกขวา (ซีกบาง) และความเคนกดในซีกซาย ในทํานองเดียวกันเมื่อพิจารณาจากดานขางก็จะมีการชักนําใหเกิดความเคนดึง และกดใหลักษณะเดียวกัน สถานะของความเคนที่ซีกขวา (ที่ใกลรอยตอ) จึงเปนความเคนใน 3 ทิศทาง (σ1, σ2, σ3 > 0) พื้นผิวไมสามารถหดตัวไดอยางอิสระ และจัดเปนสภาพความเครียดระนาบ ซึ่งวัสดุบริเวณนี้จะมีโอกาสวิบัติแบบแตกหักดังไดกลาวมาแลว วัสดุบริเวณนี้จึงมีพฤติกรรมเปราะ (รูปที่ 2(ก) ) ในทางกลับกันวัสดุซีกซายมีแรงดึงหนึ่งทิศทางผสมแรงกดในอีกสองทิศทาง ทําใหมีโอกาสวบิตัคิราก (รปูที ่2(ข) ) วสัดบุริเวณนีจ้งึมพีฤตกิรรมเหนยีว จะเหน็ไดวา วสัดเุดยีวกนับนชิน้งานเดยีวกนันี ้ซกีหนึง่มีพฤตกิรรมเหนยีว แตอกีซกีหนึง่ซ่ึงอยูตดิถดัไปนัน้กลบัมพีฤตกิรรมเปราะ พฤตกิรรมการวบิตัจิงึขึน้อยูกบัรปูทรงของชิน้งานดวยอิทธิพลของรูปทรง ภาระ และโครงสรางของชิ้นงานที่ชักนําใหเกิดพฤติกรรมเหนียว-เปราะนี้ ไมไดรวมไวในทฤษฎีวิบัติความเคนเฉือนสูงสุดที่ใชกันทั่วไป ทฤษฎีดังกลาวจึงเปนทฤษฎีที่มีจุดออน และขาดความสมบูรณในการนํามาใชเพื่อออกแบบปองกันการวิบัติ

ถาศึกษากันใหถองแทแลว จะพบวาชิ้นงานถึงแมไมมีการเปลี่ยนรูปทรงก็มีสภาพเปนความเครียดระนาบได ตัวอยางที่เห็นเดนชัดคือ การแตกหักแบบ cup and cone เมื่อชิ้นงานกลมเรียบรับแรงดึง (uniaxial tensile test specimen)ดังรูปที่ 5

รปูที ่ 5 การขาดแบบ cup & cone อทิธพิลของความเคนระนาบและความเครยีดระนาบ

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 เพือ่ใหเขาใจตองพจิารณาเนือ้วสัดขุางในเปนชิน้งานเลก็ๆ

จํานวนมากรับแรงดึงอยู ซึ่งเมื่อถูกยืดออกในแนวแกนก็จะพยายามหดตัวอยูในแนวขวาง แตไมสามารถหดไดเพราะเนื้อวัสดุที่อยูติดกันดึงเอาไว (เพื่อรักษาความตอเนือ่งของวสัด)ุ จงึชกันาํใหเกดิความเคนดงึขึน้โดยรอบ และเปนเงื่อนไขของความเครียดระนาบ การวิบัติบริเวณนี้จึงเปนการแตกหักออกในแนวตั้งฉากกับแรงดึงและแสดงพฤติกรรมเปราะ สําหรับเนื้อวัสดุที่ผิวโดยรอบ และบริเวณใกลเคียงถัดเขาไปนั้น มีขนาดความเคนดึงชักนํานอยกวาเพราะผิวสามารถหดตัวไดอยางอิสระ ความรุนแรงของความเครียดระนาบจึงมีนอยกวา วัสดุจึงวิบัติดวยการครากโดยไถล (slip) ในแนว 45 ํ กบัแรงดงึ (ทศิทางความเคนเฉอืนสูงสุด) และแสดงพฤติกรรมเหนียว รูปรางการวิบัติโดยรวมจึงเปน cup and cone การดึงชิ้นงานเรียบใหขาดออกจากกัน จึงเปนการวิบัติทั้งแบบเหนียวและแบบเปราะ

บริเวณที่วิบัติในแนว 45 ํ นี้ เรียกวา shear lip ซึ่งจะมีขนาดคงที่เสมอ (สําหรับวัสดุหนึ่ง) ดังนั้นงานขนาดใหญ(หนา) เมื่อวิบัติจะมีพื้นที่วิบัติดวย การแตกหักมากกวาพื้นที่วิบัติดวยการคราก เมื่อเปนดังนี้ภาพโดยรวมของชิ้นงานนั้นคือ "เปราะ" ในทางกลับกัน ถาชิ้นงานมีขนาดบางภาพโดยรวมของชิน้งานคอื "เหนยีว" ดงันัน้ ความเหนยีวความเปราะนอกจากจะขึ้นกับรูปทรงแลว ยังขึ้นกับขนาดของชิ้นงานอีกดวย ตามปกติแลวเรามักจะคิดวาชิ้นงานขนาดใหญจะมี ความปลอดภัยสูงกวา ซึ่งจะจริงถาใชการครากเปนเกณฑ เพราะชิ้นงานใหญจะชวยลดระดับความเคนลง แตเมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนพฤติกรรมจากเหนียวไปเปนเปราะ เมื่อชิ้นงานใหญขึ้นนั้นก็ไมแนวางานชิ้นนั้นจะปลอดวิบัติอีกตอไป จริงอยูชิ้นงานอาจไมครากแตก็มีโอกาสแตกหักได ถาสถานการณอํานวยซึ่งมีอันตรายมากกวาการคราก

Fracture Toughness : ในมมุมองของเกณฑวบิติั

ในการวิบัติโดยการครากนั้น ความเคนเฉือนที่จุดคราก (τys หรือ σys/2) คือ สมบัติเชิงกลที่ใชเปนเกณฑกําหนดการวิบัติ ในลักษณะเดียวกันนี้ การวิบัติโดยการแตกหักก็จะมีสมบัติเชิงกล คือ fracture toughness (KIc)เปนเกณฑ KIc เปนสมบัติของวัสดุที่หาไดจากการทดลอง(อยางไรก็ตามคา KIc มักไมปรากฏในตารางวิบัติวัสดุวิศวกรรมเหมือน σys)

วัสดุเมื่อมีรอยแตก สนามความเคนที่บริเวณปลายรอยแตก ทําใหเกิดคา stress intensity factor (KI) ซึ่งมีสมการทั่วไป ดังนี้

KI = Cσ √πa (4)เมือ่ C คอื คาคงทีแ่ปรตามรปูรางชิน้งาน,

ลักษณะภาระและรอยแตกσ คือ ความเคนภายนอกที่มากระทํา

ตอชิ้นงานa คอื ครึง่ความยาวรอยแตก

จะเหน็วา คา KI เพิม่ขึน้ ถาภาระ (σ) มากขึน้ (หรอืรอยแตกยาวขึ้น เชน กรณีของ fatigue) การแตกหักจะเกิดขึ้นเมื่อ KI เพิ่มถึงคา KIc ซึ่งเปนคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุนั้น การออกแบบโดยใชสมการ (4) เปนเกณฑมีขอดีหลายประการคือ ไดเชื่อมโยงรูปรางชิ้นงาน ลักษณะภาระและรอยแตก (C) ขนาดของภาระ (σ) ขนาดรอยแตก (a) เขากับคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ (KIc) พารามิเตอรตางๆที่นํามาพิจารณานี้สอดคลองกับการใชงานจริง กลาวคือ ชิ้นงานจริงเมื่อใชงานนั้นจะประกอบดวย คา C, σ และ a(ทฤษฎีวิบัติโดยการครากมีจุดออนประเด็นนี้) รอยแตกที่ปรากฏในสมการ (4) อาจเปนรอยแตกที่เกิดจากการผลิตเชน รอยบากบนชิน้งาน หรอื รอยบกพรอง (defect) ในเนือ้วสัดกุไ็ด เชน โพรงทีเ่กดิจากการเชือ่มและ inclusion ในเนือ้โลหะเอง เปนตน คา KIc ซึ่งเปนสมบัติเชิงกลของวัสดุนั้นเปนคาไมคงที่แตขึ้นกับลักษณะภาระและสิ่งแวดลอม

KIc ชือ่เตม็คอื plane strain fracture toughness หรอื plane strain critical stress intensity factor

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 ภาระแบบพลศาสตร (dynamic) จะทาํให KIc ลดลง อณุหภมูติ่าํมาก ๆ กจ็ะทาํให KIc ลดลง คา KIc ทีล่ดลง หมายถงึ วสัดเุปราะขึ้น วัสดุที่เคยเหนียวที่อุณหภูมิหนึ่งจะกลายเปนเปราะที่อีกอุณหภูมิหนึ่ง ดังนั้น การวิบัติโดยสมการ (4) นี้ จึงครอบคลุมปจจัยที่มีอิทธิพลต่อพฤติกรรมวิบัติของวัสดุ อันได้แก่ รูปร่างชิ ้นงานขนาดและชนิดภาระ ขนาดรอยแตก (เนื่องมาจากกระบวนการผลิต) ลักษณะภาระ และสภาวะแวดลอมที่ใชงาน

Fracture Toughness: ในมมุของการออกแบบ

การออกแบบเพือ่ความแขง็แรงโดยใช fracture toughnessนัน้ ประกอบดวย 3 มมุมอง คอื KI, σ และ a ทีป่ระกอบกนัเปนสมการ (4) มุมมองทั้ง 3 คือ สวนประกอบสําคัญสําหรับการออกแบบ KI คอื องคประกอบทีใ่ชตดัสนิใจเลอืกวสัด ุσ คอื สวนของภาระและ a คอื สวนของการผลติและควบคมุคณุภาพ

เกณฑการออกแบบโดยใหวัสดุเปนตัวเลือก กําหนดโดยKI = Cσ √πa (5)

กลาวคือถาเรารูขนาด σ จากขนาดชิ้นงานและภาระและขนาด a จากการตรวจสอบ (เชนใชเทคนคิ x-ray radiography) เราสามารถคาํนวณ KIc จากสมการ (5) งานออกแบบนีจ้ะปลอดภยัเมือ่เลอืกวสัดใุหม ีKIc มากกวา KI

เกณฑการออกแบบโดยใหความเคนเปนตัวเลือกกําหนดโดย

σC = KIc (6)C √πa

นัน่คอืผูออกแบบตองเลอืกวสัด ุ(KIc) และขนาด a กอน แลวคํานวณความเคนวิบัติจากสมการ (6) งานออกแบบจะปลอดภัยเมื่อชิ้นงานมีภาระต่ํากวา σc

เกณฑการออกแบบโดยใหขนาดรอยแตกเปนตัวเลือกกําหนดโดย

ac = 1 KIc 2 (7)Cσ

การออกแบบโดยสมการ (7) ตองเลือกวัสดุ (KIc) รวมทั้งกาํหนดขนาดชิน้งาน และภาระ (σ) กอนจงึจะคาํนวณ ac ได และชิ้นงานออกแบบจะใชงานไดปลอดภัย ถาการตรวจคุณภาพสามารถตรวจพบรอยแตกที่ขนาดเล็กกวา 2ac ได (a ในสมการคอื ครึง่ความยาวรอยแตก ดงันัน้ความยาวจรงิของ รอยแตกคอื 2a)

การวิบัติ คือ การที่ความเคนสูงถึงจุดวิกฤติ และรอยแตกยาวถึงจุดวิกฤติ ดังนั้นขณะที่เกิดวิบัติจะไดความสัมพันธ(c) (d)

ลักษณะมหัพภาพของการแตกหักดึงแบบเปราะ

(a) (b)

ลักษณะมหัพภาพของการแตกหักดึงแบบเหนียว

π

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 KIc = Cσc √πac (8)

ในสมการ (8) นี้มีเพียง KIc เทานั้นที่เปนคาคงที่เพราะเปนสมบัติของวัสดุ ขนาด σc จะแปรกับ ac ดังรูปที่ 6 กลาว คือ ถารอยแตกขณะแตกหักมีขนาดเล็กความเคนที่ทําใหแตกหักก็จะมาก และถารอยแตกมีขนาดใหญก็จะทน ความเคนไดนอย ในการออกแบบจริงจะมีตัวแปร 3ตัว คือ วัสดุ (KIc) ซึ่งเปนตัวกําหนดราคาและความยากงายในการผลิต ภาระ (σ) ซึ่งเปนตัวกําหนดขนาด น้ําหนักหรือความสามารถทํางานไดและรอยแตก (a) ซึ่งเปนตัวกําหนดขีดความสามารถของอุปกรณตรวจรอยแตก หรือการลงทุนดานเครื่องมือตรวจสอบ ผูออกแบบจะตองเลือกตัวแปร 2 ใน 3 ตัวนี้กอนแลว จึงจะคํานวณหาตัวแปรที่ 3จากสมการ (5), (6) หรือ (7) เชน การออกแบบเครื่องบินนั้น วัสดุจะถูกเลือกกอน เพราะขอจํากัดเรื่องน้ําหนัก และภาระ จะถูกเลือกเปนลําดับถัดไปคือภาระตองสูง เพื่อลดน้ําหนัก (ลดขนาด) ในขณะที่มีสมรรถนะสูง (บรรทุกผูโดยสารไดมาก) ดังนั้นผูออกแบบจะคํานวณขนาดรอยแตกวิกฤติที่จุดวิบัติจากสมการ (7) แลวนําผลคํานวณไปกําหนดขีดความสามารถตรวจสอบรอยแตกของเครื่องมือตรวจสอบแบบไมทําลาย (nondestructive testing) เชนพบวารอย แตกวิกฤติมีขนาด 10 มม. ดังนั้นเพื่อความปลอดภัย เครื่องมือจะตองตรวจพบรอยแตกขนาดนอยกวา 10 มม. ได เชน 3 มม. เปนตน (ในกรณีนี้คา safetyfactor = √10/3

Fatigue: ในแงมมุของกลศาสตรแตกหกั

การวิบัติทางวิศวกรรมเกือบทั้งหมดเปนปรากฏการณที่มาจากการลาของวัสดุ (fatigue) ชิ้นงานเมื่ออกแบบผลิตและนําออกใชครั้งแรกจะไมวิบัติ (เพราะถาวิบัติก็ไมนาํออกมาใช) แตการไมวบิตัใินการใชครัง้แรกไมไดหมายความวาจะไมวิบัติในวันหนา การที่ชิ้นงานทางวิศวกรรมทั้งหลายมีอายุใชงานก็แสดงวาเปนการวิบัติที่ใชเวลา (timedelay failure) ซึ่งแบงไดเปน 2 พวกคือ วิบัติเมื่อภาระแบบสถิต และวิบัติ เมื่อภาระแบบวัฏจักร การวิบัติโดยภาระแบบสถิตมีสาเหตุหลายประการ เชน วัสดุเปลี่ยนสภาพจากเหนียวเปนเปราะเมื่อเวลาผานไป ซึ่งเปนผลจากส ภ า พ แ ว ด ล อ ม ใ ช ง า น ไ ด ทํ า ล า ย ค ว า ม เ ห นี ย ว(embrittlement) หรือเปนผลจากการเกิดรอยแตกเนื่องจากความเคนในสภาวะกัดกรอน (stress corrosioncracking)

การวิบัติเมื่อภาระวัฏจักรหรือที่รูจักกันดีวาเกิดเปนการลาของวัสดุ การออกแบบเพื่อปองกันความลา จึงเปนเรื่องสําคัญเรื่องหนึ่งในการออกแบบ เพื่อความแข็งแรง(design for strength) (หลักสูตรบางมหาวิทยาลัยใหความสําคัญกับความลานอยมากทั้ งๆที่การวิบัติสวนใหญเกิดจากความลา) การออกแบบเพื่อใหทนความลา คือใหความเคนนอยกวา endurance limit ทีไ่ดจาก S-N curveและคํานวณโดยมีปจจัยตางๆ มาประกอบ เชน คุณภาพผิวเปนตน แตในมุมมองของกลศาสตรแตกหักมองปรากฏ-การณของความลาลึกกวา S-N curve โดยพยายามเขาใจถึงกลไกการวิบัติของความลา การเขาใจอยางถองแททําใหเราไดคําตอบตางๆมากมาย ไมเพียงแตเชื่อวา ถาความเคนต่ํากวา endurance limit แลวชิ้นงานนั้นจะไมวิบัติดวยความลา (ซึ่งไมจริง!) คําตอบเหลานี้ไดแก ถามีรอยแตกอยูในชิ้นงาน ความแข็งแรงของชิ้นงานจะเปนอยางไร รอยแตกใหญขนาดไหนที่จะทําใหชิ้นงานวิบัติ ชิ้นงานนี้จะมีอายุเทาใด และควรวางแผนตรวจสอบซอมบํารุง อยางไร

ในวิชากลศาสตรแตกหักถือวาวัสดุวิศวกรรมมีรอยบกพรอง (defect) อยูในตัว ดังนั้นชิ้นงานเรียบ(คณุภาพผวิด)ี และไมม ี Stress Concentration (เชน รหูรอืรอยบาก) ก็ไมไดหมายความวาชิ้นงานนั้นไมมีรอยแตก

รปูที ่ 6 เกณฑวบิตักิาํหนดโดยกลศาสตรแตกหกั KIc

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 (Crack) รอยแตกในเนื้อวัสดุอาจเกิดจาก inclusion ยิ่งถาวัสดุผานการขึ้นรูปเชน การรีดทําให inclusion มีลักษณะแบนยาวฝงในเนื้อวัสดุและเปรียบเสมือนรอยแตก หรือแมแตในระดับโครงสรางจุลภาค (Microstructure) เชนดิสโลเคชั่น (dislocation) ก็ถือเปนรองรอยบกพรองที่จะชักนําใหเกิดรอยแตกได กลศาสตรแตกหักมองพฤติกรรมความลาวาเปนกระบวนการเกิดรอยแตก (crack initia-tion) รอยแตกเติบโตระดับมหัพภาพ (crack growth)จนรอยแตกมีขนาดวิกฤติซึ่ง เปนจุดวิบัติของชิ้นงาน จะเห็นไดวาในมมุมองนีต้างกบั S-N curve ตรงทีม่องวา ไมมีชิ้นงานใดมีอายุอนันต (infinity) และอธิบายวาที่ความเคนต่ํากวา หรือเทากับ endurance limit นั้น แทจริงแลวรอยแตกเติบโตชามากจนไมมีนัยสําคัญใน S-N curve (slope= 0) อายุชิ้นงานไมสามารถเปนอนันตได ในความเปนจริงแลวรอยแตกกําลังโตอยางชาๆ และสักวันหนึ่งก็จะวิบัติวิชากลศาสตรแตกหักจึงใชคํานวณอายุชิ้นงานจากอัตราการเตบิโตของรอยแตก (crack growth rate, da/dN) อตัราการเติบโตนี้ไมคงที่ รอยแตกขนาดเล็ก (เมื่อเริ่มตน) จะมีอัตราการเติบโตชามาก และรอยแตกขนาดใหญจะโตเร็วมาก นั่นหมายความวาอายุชิ้นงานขึ้นอยูกับความละเอียดของเครื่ องมือตรวจรอยแตกในการตรวจคุณภาพที่ผลิตออกจากโรงงาน และอัตราการเติบโตนี้เองจะชวยกําหนดแผนการตรวจสอบ (เชน การตรวจสอบเครื่องบินดวยรังสีเอ็กซตามระยะชั่วโมงใชงาน) เพื่อใหมั่นใจวายังปลอดภัยอยู หรือแผนการเปลี่ยนชิ้นสวนกอนที่จะวิบัติ ซึ่งเปนการบํารุงรักษาเชิงปองกันนั่นเอง

τys VS. KIc : ไดอยางเสยีอยางในตอนตนของบทความไดจําแนกการวิบัติออกเปน

การครากและการแตกหัก การครากมีขอบเขตกําหนดโดยτys โดยมทีฤษฎคีวามเคนเฉอืนสงูสดุมาสนบัสนนุ การแตกหักกําหนดขอบเขตโดย σf และไดใชทฤษฎีกลศาสตรแตกหัก KI = Cσ√πa มาสนับสนุนโดยกําหนดสมบัติเชิงกลKIc มาเปนเกณฑวิบัติ วัสดุที่มี τys สูงจะทนการครากไดดี สวนวัสดุที่มี KIc สูงก็จะทนการ แตกหักไดดี ดังนั้นวัสดุที่ดีควรจะมี τys และ KIc สูงทั้ง 2 คาจึงจะทนการวิบัติทั้งสองประการไดดี อยางไรก็ตามวัสดุวิศวกรรมทั่วไปถามี τys สูงก็จะเปราะ (KIc ต่ํา)

และวสัดทุีม่ ีKIc สงูกจ็ะม ี τys ต่าํ แมกระทัง่เหลก็เบอรเดยีวกัน ถานําไปผานกระบวนการเพิ่มความแข็งแรงคราก (เชนผานกระบวนการเชิงความรอนและเชิงกล) ก็จะมี KIcลดลง ในการออกแบบโดยใชการครากเปนเกณฑนั้น ถาขนาดชิ้นงานถูกจํากัดผูออกแบบก็มักจะเลือกใชเหล็กความแข็งแรงสูง (high yield strength) มาใชงานเพื่อใหมีคาความปลอดภัย (safety factor) แมจะรับภาระสูงโดยอาจจะละเลยความจริงที่วาเหล็กนี้จะเปราะ (KIc ต่ํา)เมื่อนําไปใชงานที่มีภาระสูง ถึงแมจะไมคราก แตจะวิบัติโดยการแตกหัก เมื่อยอนกลับไปดูสมการ (4) วัสดุที่มี KIcต่ํา นอกจากจะรับภาระไดต่ําแลว ยังทนรอยแตกขนาดใหญ่ไม่ได้ด้วย ซึ่งหมายความว่า การนำวัสดุความแข็งแรงสูงมาใช เราตองระมัดระวังในการออกแบบ และการผลิตไมใหมีรอยแตกขนาดใหญเกิดขึ้น รวมทั้งจะตองควบคุมคุณภาพวัตถุดิบและผลผลิตสุดทายอยางเขมงวด นอกจากนั้นวัสดุความแข็งแรงสูงยังไมเหมาะกับงานที่รับภาระวัฏจักรอีกดวย เพราะรอยแตกในเนื้อวัสดุจะมีอัตราการเติบโตเร็วทําใหอายุการใชงานสั้น ดวยเหตุทั้งปวงนี้ทําใหวัสดุความแข็งแรงสูงไมเหมาะกับชิ้นงานที่ตองการออกแบบใหทนทานการแตกหัก ขอเท็จจริงนี้ยังไมตระหนักโดยทั่วไปในหมูผูออกแบบ และหลายครั้งจะพบวา การออกแบบเพื่อมุงใหทนทานการครากแตเพียงอยางเดียว แตไมทราบวาวัสดุที่นํามาใชนั้นไมครากก็จริง แตจะแตกหักกลับทําใหชิ้นงานอันตรายมากขึ้น

ลกัษณะของสไตรเอชัน่ (striation) อนัเนือ่งมาจากความลาในอะลมูเินยีมผสมชนดิ 745-T7651

TEC มกราคม-มนีาคม 2539 สรปุ

ในบทความนี้ไดแยกแยะใหเห็นวา การวิบัติของวัสดุเ ป นป ร ากฏกา รณ ข อ ง ก า รค ร ากและก า ร แตกหั กปรากฏการณทั้ง 2 นี้ เกิดจากกลไกตางกันและเปนอิสระตอกัน การครากเกิดจากความเคนเฉือน และการแตกหักเกิดจากความเคนฉากดึง สถานะของความเคนในวัสดุอาจมีโอกาสที่ความเคนเฉือนสูง แตความเคนฉากดึงต่ํา หรือในทางกลับกัน มีความเคนเฉือนต่ํา แตกลับมีความเคนฉากดึงสูงก็ได ดังนั้นวัสดุจึงมีโอกาสที่จะวิบัติทั้งโดยการครากและการแตกหัก ทฤษฎีวิบัติที่อยู ในหลักสูตรวิศวกรรมศาสตรทั่วไปใหความสําคัญแตเพียงการวิบัติโดยการครากเทานั้น จึงไม เพียงพอสําหรับการออกแบบเพื่อความแข็งแรง การละเลยโอกาสการวิบัติแบบแตกหักนับวามีอันตรายมาก เพราะการแตกหักมีโอกาสเกิดกอนการครากได ดังนั้นวัสดุที่ใชเกณฑการครากมาออกแบบไมใชวาจะไมวิบัติ แตอาจจะวิบัติโดยการแตกหัก (ถาสภาวะความเคนเหมาะสม) การแตกหักโดยไมครากเปนปรากฏการณของวัสดุเปราะ ซึ่งเปนการวิบัติที่อันตรายมาก เพราะพลังงานที่สะสมในโครงสรางถูกปลดปลอยออกมาทันทีทันใด ยิ่งถาเปนโครงสรางที่สะสมพลังงาน เชน ถังความดันก็จะยิ่งอันตราย

ความเหนียวหรือความเปราะของวัสดุ มิใชคุณสมบัติคงที่ของวัสดุ แตความเหนียว ความเปราะเปนพฤตกิรรมของวสัดทุีค่วบคมุดวยสถานะความเคนสภาวะแวดลอมและลักษณะของภาระ ซึ่งลวนเปนปจจัยที่เกี่ยวของกับการออกแบบทางวิศวกรรมจึงละเลยความรูกลศาสตร แตกหัก(fracture mechanics) ไมได ในตอนทายของบทความนี้ไดนําเสนอหลักการที่ เปนหัวใจของการใชกลศาสตรแตกหักมาออกแบบชิ้นงาน หลักการแมจะดูงายแตศาสตรนี้เปนศาสตรที่ลึกซึ้งมาก หลักการแมจะดูงายแตศาสตรนี้เปนศาสตรที่ลึกซึ้งมาก ทั้งนี้เพราะกลศาสตรแตกหักเปนศาสตรที่อธิบายถึงพฤติกรรมของวัสดุที่ เกี่ยวของกับสภาวะแวดลอม (อุณหภูมิความชื้นและสารเคมี) การใชงาน (แรงสถิต พลศาสตร วัฏจักร และแรงผสม) รูปรางชิ้นงาน (ความหนา การเปลี่ยนรูปราง การเกิดความเคนชักนําและการชักนําใหเกิดรอยแตกระหวางการใชงาน)วัสดุ (คา KIc ความเร็วของการเติบโตของรอยแยก)การผลิต (ความเคนตกคางจากการผลิต การเปลี่ยนโครงสรางวัสดุจากการผลิต

สมบัติ anisotropic จากการขึ้นรูปและความออนแอของรอยเชื่อม) และการตรวจสอบ (เทคนิคตรวจสอบแบบไมทําลาย เพื่อหาขนาดรอยแตก การทํานายอายุการใชงานและกําหนดแผนบํารุงรักษาเชิงปองกัน) ถึงแมวากลศาสตรแตกหักจะเปนเรื่องสําคัญ แตก็ดู เหมือนวาไมเฉพาะภายใน ประเทศเรามีองคความรูดานนี้นอยเทานั้นวิศวกรสวนใหญ ของเราก็ไมไดตระหนักวา วัสดุจะวิบัติและมีโอกาสวิบัติโดยการแตกหักได

เอกสารอางองิ1. สุธีระ ประเสริฐสรรพ. กลศาสตรแตกหัก,คณะวิศวกรรมศาสตร. มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร.2535. 273 หนา.2. Collin, J.A., Failure of Materials in MechanicalDesign., John Wiley & Sons. N.Y. 1981.

M