Fatigue failure คืออะไร?
การแตกหักเนื่องจากความล้าของวัสดุ มีสาเหตุมาจากแรงกระทำเป็นรอบๆ ซึ่งทำให้รอยแตกเล็กๆในเนื้อวัสดุเกิดการขยายตัว เมื่อเวลาผ่านไปรอยแตกมีขนาดใหญ่ขึ้น จนเนื้อวัสดุที่เหลืออยู่ไม่สามารถรับแรงได้อีกต่อไป จะเกิดการแตกหักอย่างทันทีทันใดในที่สุด ลักษณะเด่นที่ปรากฏบนผิวรอยแตกคือ beach mark ซึ่งเป็นร่องรอยที่แสดงถึงการขยายตัวของรอยแตก
การแตกหักรูปแบบนี้สามารถเกิดขึ้นได้กับวัสดุที่เป็นโลหะและ alloys ทุกประเภท แต่จะแตกต่างกันที่ระดับของแรงและจำนวนรอบที่วัสดุสามารถทนได้ ก่อนเกิดความเสียหาย
นอกจากนี้การแตกหักเนื่องจากความล้าของวัสดุจะยิ่งเกิดได้เร็วมากขึ้น ถ้าวัสดุนั้นอยู่ภายใต้บรรยากาศที่เกิดการกัดกร่อนร่วมด้วย เรียกความเสียหายรูปแบบนี้ว่า Corrosion fatigue
กลไก(Mechanism) ของการเกิด fatigue และปัจจัยที่ก่อเกิดปัญหา
สาเหตุของการเกิดความเสียหายจากความล้ามาจากแรงกระทำเป็นรอบๆ (cyclic stress) ที่อาจเกิดขึ้นจากการสั่น แรงกระแทก หรือแรงที่เกิดขึ้นจากการขยายตัวและหดตัวของวัสดุที่เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ไปทำให้รอยแตกเล็กๆในเนื้อวัสดุเกิดการขยายตัว จนเกิดความเสียหายในที่สุด
กลไกความเสียหายของการแตกหักเนื่องจากความล้า มีอยู่ 3 ขั้น ดังนี้
- ขั้นที่ 1 การเริ่มต้นเกิดรอยแตก (Crack initiation) บริเวณรอยความไม่ต่อเนื่อง รอยบาก ร่องต่างๆ บนเนื้อวัสดุ จะทำหน้าที่เป็นเหมือนรอยแตกเล็กๆ
- ขั้นที่ 2 เมื่อได้รับแรงกระทำในแต่ละรอบ ก็จะเกิดการขยายตัวของรอยแตก (Crack propagation)
- ขั้นที่ 3 รอยแตกที่ขยายใหญ่ขึ้น ทำให้พื้นที่ในการรับแรงของวัสดุลดลง จนสุดท้ายไม่สามารถทนแรงได้ ก็จะเกิดการแตกหัก (Fracture)
ทำนายสาเหตุของ fatigue จากรอยแตก (Fracture surface)
รูปแบบของ Fatigue แบ่งตามประเภทของแรงที่มากระทำกับเนื้อวัสดุ แรงที่แตกต่างกันจะทำให้เห็นลักษณะของผิวรอยแตกที่แตกต่างกันออกไป เราแบ่งแรงที่มากระทำกับเนื้อวัสดุเป็น 5 ประเภท ดังนี้
1. Tension-Tension หรือ Tension-Compression
แรงที่กระทำกับวัสดุเป็นแรงในทิศทางเดียว อาจจะเป็นแรงดึงที่มากกว่ากับแรงดึงที่น้อยกว่า หรือเป็นแรงดึงกับแรงอัดก็ได้ ลักษณะของพื้นผิวรอยแตกจะเห็นจุดเริ่มต้นของรอยแตกที่ผิวของวัสดุ และมีแนวการขยายตัวของรอยแตก ตั้งฉากกับแรงดึงที่มากระทำ และสุดท้ายจะเป็นพื้นที่ที่เกิดการเสียหายแบบทันทีทันใดในขั้นสุดท้าย
2. Unidirectional bending
แรงที่ทำให้เกิดการแตกหักมาจากแรงดัด ลักษณะของผิวรอยแตกจะมีลักษณะคล้ายกับความเสียหายจาก fatigue รูปแบบแรก
3. Reversed bending
แรงที่กระทำรูปแบบนี้คือแรงดัดกลับไปกลับมา ทำให้เห็น จุดเริ่มต้นบนพื้นผิวรอยแตกจากทั้ง 2 ฝั่งของผิววัสดุ ส่วนบริเวณตรงกลางจะเห็นแนวการขยายตัวของรอยแตก และจุดที่เกิดการเสียหายแบบทันทีทันใดในขั้นสุดท้าย
4. Rotating bending
ความเสียหายรูปแบบนี้มักพบในเพลาของเครื่องจักร ที่ต้องรับแรงดัดร่วมกับการหมุน ที่ทำให้เห็นการเยื้องศูนย์ของแนวการขยายตัวของรอยแตก ซึ่งเป็นผลมาจากการหมุนนั่นเอง
5. Torsion
แรงบิดที่กระทำต่อชิ้นงานทำให้การขาดเกิดขึ้นในแนว 45o ส่วนลักษณะของพื้นผิวรอยแตก ก็จะเหมือนกับความเสียหายจาก fatigue รูปแบบอื่นๆ คือเห็นจุดเริ่มต้นรอยแตก แนวการขยายตัวของรอยแตก และพื้นที่สุดท้ายที่เกิดความเสียหายแบบทันทีทันใด
