ความล้มเหลวของวัสดุโลหะ

I. ความหมายและการจำแนกประเภทของความล้มเหลวของวัสดุโลหะ

ความล้มเหลวของวัสดุโลหะหมายถึงกระบวนการใช้งาน เนื่องมาจากปัจจัยต่างๆ มากมาย ส่งผลให้วัสดุโลหะไม่สามารถทำงานตามการออกแบบหรือข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพได้อย่างต่อเนื่อง ความล้มเหลวนี้อาจเกิดจากสาเหตุต่างๆ เช่น การเสื่อมสภาพของคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ การกัดกร่อนทางเคมี ความเสียหายทางกล และอื่นๆ

กระดูกหัก:ตามขนาดของการเสียรูปของวัสดุ การแตกร้าวสามารถแบ่งออกได้อีกเป็น การแตกแบบเหนียวและการแตกแบบเปราะ การแตกแบบเหนียวจะมีกระบวนการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญก่อนที่จะเกิดการแตกแบบเปราะ ซึ่งมักจะเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน ไม่มีปริมาณการเสียรูปที่ชัดเจน และจึงทำให้เกิดแรงทำลายล้างที่มากขึ้น ประเภทการแตกร้าวทั่วไป ได้แก่ การแตกร้าวจากความล้าและการแตกร้าวจากแรงสถิตย์ ซึ่งการแตกร้าวจากความล้าเกิดจากการแตกของวัสดุภายใต้การทำงานที่มีรอบความเค้นเป็นเวลานาน ในขณะที่การแตกร้าวจากแรงสถิตย์เกิดขึ้นภายใต้แรงสถิตย์

การสึกหรอ:การสึกหรอเกิดจากการหล่อในสภาวะการทำงานที่ความเร็วสูง การสั่นสะเทือน การรับน้ำหนักเกิน และสภาวะการทำงานอื่นๆ การทำงานระหว่างแรงเสียดทานของพื้นผิวเชิงกลระหว่างกันทำให้วัสดุสึกหรอ และทำให้วัสดุเสียหาย การสึกหรอสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายประเภท เช่น การสึกหรอจากการเสียดสี การสึกหรอจากการยึดติด การสึกหรอจากความล้า การสึกหรอจากการกัดกร่อน หรือการสึกหรอจากการเคลื่อนที่แบบไมโครโมชั่น ในเครื่องจักร การสึกหรอจากการเสียดสีเป็นรูปแบบหนึ่งของการสึกหรอที่พบบ่อยที่สุด

การกัดกร่อน:การกัดกร่อนเป็นปฏิกิริยาเคมีหรือไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุโลหะสัมผัสกับตัวกลางโดยรอบ ส่งผลให้คุณสมบัติของวัสดุลดลงหรือถูกทำลาย การกัดกร่อนสามารถแบ่งได้เป็นการกัดกร่อนทั้งหมดและการกัดกร่อนเฉพาะที่ ซึ่งการกัดกร่อนเฉพาะที่มักพบได้บ่อยกว่า ได้แก่ การกัดกร่อนจากความเค้น การกัดกร่อนรูพรุน การกัดกร่อนตามขอบเกรน และประเภทอื่นๆ อีกมากมาย

ความล้มเหลวของวัสดุโลหะจะไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์เท่านั้น แต่ยังอาจเป็นภัยคุกคามต่อความปลอดภัยของบุคลากรอีกด้วย ดังนั้น การวิเคราะห์ความล้มเหลวของวัสดุโลหะจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งสามารถระบุสาเหตุของความล้มเหลวและเสนอวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพเพื่อปรับปรุงคุณภาพและความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์

II. สาเหตุของการเสียหายของวัสดุโลหะ

1. ข้อบกพร่องภายในวัสดุ

การหดตัวและการคลายตัว

คำจำกัดความ: การหดตัวคือโลหะในกระบวนการควบแน่นอันเนื่องมาจากการหดตัวของปริมาตรในแท่งโลหะหรือแกนหล่อของการก่อตัวของรูท่อ (หรือรูบาน) หรือรูกระจัดกระจาย การคลายตัวเกิดขึ้นในสภาวะที่เย็นตัวอย่างรวดเร็ว แม้ว่าจะหลีกเลี่ยงรูหดตัวขนาดใหญ่ แต่โลหะเหลวและโลหะแข็งระหว่างความแตกต่างของปริมาตรยังคงทำให้เกิดรูหดตัวขนาดเล็กจำนวนมากกระจายอยู่ในโลหะ

ผลกระทบ: ลดคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุลงอย่างมาก อาจกลายเป็นแหล่งที่มาของความล้าที่นำไปสู่การแตกหัก และส่งผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ

การแบ่งแยก

คำจำกัดความ: ปรากฏการณ์ขององค์ประกอบทางเคมีที่ไม่สม่ำเสมอในงานหล่อ แบ่งออกเป็นการแยกตัวในระดับจุลภาค (เช่น การแยกตัวภายในผลึก) และการแยกตัวในระดับมหภาค (เช่น การแยกตัวจากความหนาแน่น)

ผลกระทบ: ส่งผลให้ชิ้นงานหล่อไม่สม่ำเสมอ กรณีร้ายแรงอาจเกิดเศษวัสดุ

การรวม

คำจำกัดความ: โลหะหรือวัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่มีอินเทอร์เฟซที่ชัดเจนกับเมทริกซ์ ตามธรรมชาติสามารถแบ่งได้เป็นสารเจือปนโลหะและสารเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ

ผลกระทบ: ส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ เพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดรอยแตกร้าว

ฟองสบู่

คำจำกัดความ: โลหะในสถานะหลอมเหลวสามารถละลายก๊าซได้จำนวนมากในกระบวนการควบแน่น เนื่องจากความสามารถในการละลายลดลง และก๊าซที่ถูกปล่อยออกมาภายในโลหะทำให้เกิดฟองก๊าซ

ผลกระทบ : ลดพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพของการหล่อโลหะ ลดความแข็งแกร่งของวัสดุ และอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวได้

ข้อบกพร่องด้านการออกแบบ

การออกแบบโครงสร้างที่ไม่สมเหตุสมผล เช่น มีพื้นที่รวมความเค้นในส่วนที่รับน้ำหนัก การออกแบบที่ไม่ถูกต้องจนทำให้เกิดความล้มเหลว

การเลือกวัสดุที่ไม่เหมาะสม: การเลือกวัสดุที่ไม่ได้มาตรฐานเหมาะสม หรือขาดความเข้าใจเกี่ยวกับประสิทธิภาพของวัสดุเพียงพอ ส่งผลให้วัสดุไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการใช้งานได้

ข้อบกพร่องในการประมวลผล

ข้อบกพร่องจากการอบด้วยความร้อน

เช่น การดับรอยแตกร้าว, การอบรอยแตกร้าว

แรงกระแทก: ลดความแข็งแกร่งและความเหนียวของวัสดุ เพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกหัก

ข้อบกพร่องในการขึ้นรูปด้วยความเย็น

เช่น ข้อบกพร่องในการเจียร ข้อบกพร่องในการตัด ข้อบกพร่องในการอัดเย็น

ผลกระทบ: ส่งผลต่อคุณภาพพื้นผิวและความแม่นยำของมิติของวัสดุ ลดประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุ

ข้อบกพร่องในขั้นตอนการใช้งาน

ความเค้นเกินพิกัด: วัสดุจะต้องรับความเค้นภายนอกที่มากเกินไปในกระบวนการใช้งาน ส่งผลให้เกิดการเสียรูปหรือแตกหัก

การกัดกร่อน: วัสดุถูกกัดกร่อนภายใต้ความชื้น อุณหภูมิสูง กรดและด่าง และสภาพแวดล้อมที่รุนแรงอื่นๆ ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง

ความล้า: วัสดุภายใต้การกระทำของการโหลดสลับกัน หลังจากเกิดการแตกหักจากความล้าในช่วงระยะเวลาหนึ่ง

ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม

อุณหภูมิ: สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอาจทำให้วัสดุเกิดการออกซิเดชัน อ่อนตัว และความแข็งแรงลดลง

ตัวกลาง: สภาพแวดล้อมตัวกลางเฉพาะอาจเร่งกระบวนการกัดกร่อนของวัสดุได้

ความชื้น: ความชื้นในอากาศมากเกินไปอาจทำให้วัสดุดูดซับน้ำ ทำให้เกิดการบวม บิดงอ และอาจเกิดเชื้อราได้ ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะ เนื่องจากความชื้นอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและเกิดความเสียหายถาวรได้

การได้รับรังสี UV: การได้รับรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) จากแสงแดดเป็นเวลานานอาจทำให้วัสดุหลายชนิดเสื่อมสภาพ ทำให้เกิดความเปราะบางและสูญเสียสีและโครงสร้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลาสติก สี และสิ่งทอ

การสัมผัสสารเคมี: การสัมผัสกับสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอาจทำให้เกิดปฏิกิริยาต่างๆ มากมาย เช่น การละลาย การเปลี่ยนสี และการสลายตัวทางเคมีของวัสดุ นี่เป็นปัญหาทั่วไปในโรงงานอุตสาหกรรมที่วัสดุอาจสัมผัสกับกรด เบส ตัวทำละลาย หรือสารที่มีปฏิกิริยาอื่นๆ