บทความ การวิบัติโดยความล้าของโพลิเมอร์

     เมื่อวัสดุอยู่ภายใต้การรับภาระที่เปลี่ยนไปมาเป็นเวลานาน ในที่สุดวัสดุนั้น ๆ ก็จะเกิดการวิบัติขึ้น การวิบัติของ วัสดุที่มีสาเหตุจากความล้านั้นสามารถเป็นไปได้ทั้งการวิบัติที่นำไปสู่การ แตกหักของวัสดุหรือการวิบัติที่ทำให้ ชิ้นส่วนนั้น ๆไม่สามารถที่จะทำหน้าตามที่ออกแบบไว้ได้ อย่างสมบูรณ์ เช่นมีรูปร่างที่เปลี่ยนไปเนื่องจากการเกิด ความเครียดสูงจนเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างถาวร (plastic deformation) ซึ่งการเกิดการวิบัตินั้นย่อมต้องมี กลไกในการอธิบายถึงสาเหตุของการเกิดได้ โดยสำหรับโพลิเมอร์แล้วนั้นจะประกอบไปด้วยกลไกหลัก 3 กลไกได้แก่

1. การวิบัติจากความร้อน (Failure by Thermal)
   ในกรณีของวัสดุที่มีสมบัติยืดหยุ่นสมบูรณ์ (perfectly elastic) นั้น เมื่อทำการทดสอบความล้า วัสดุจะมี ความสามารถในการคงไว้ซึ่งอุณหภูมิที่ชิ้นงานตัวอย่างที่คงที่ ซึ่งจะมีค่าเทียบเท่ากับอุณหภูมิแวดล้อม เนื่องจากวัสดุไม่มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างกลับไป กลับ อย่างไรก็ตาม สำหรับโพลิเมอร์แล้ว ปรากฏการณ์เช่นนี้เป็นไปได้ยากเนื่องเป็นวัสดุที่มีสมบัติยืดหยุ่นหนืด (viscoelasticity) ทำให้โพลิเมอร์มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างในรูปของ ความร้อน ซึ่งความร้อนนี้เอง จะทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น หากความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ไม่สามารถระบายไปสู่สภาพแวดล้อมได้และสะสมอยู่ใน ชิ้นงานทำให้สมบัติของวัสดุเปลี่ยนไปเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นจนถึงอาจจะ มีการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้าง การ เสื่อมสภาพ หรือการลดความแข็งแรงในวัสดุจุดใดจุดหนึ่งซึ่งจะนำไปสู่การวิบัติของวัสดุใน ที่สุด โพลิเมอร์จะได้รับ ผลกระทบจากกลไกประเภทนี้ได้มากกว่าวัสดุประเภทอื่นเนื่องจากโพลิเมอร์ค่อน ข้างที่จะไวต่อผลกระทบจาก- อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่โลหะและเซรามิกส์จะถูกกระทบน้อยกว่าจากอุณหภูมิในระดับที่เพิ่มขึ้น อิทธิพล ที่มีผลกระทบต่อการเพิ่มอุณหภูมิประเภทนี้ได้แก่ ความถี่ในการทดสอบและรูปร่างชิ้นงานหรือชิ้นส่วน ความถี่ ที่สูงมีผลทำให้ความร้อนเกิดขึ้นสูงกว่าการทดสอบที่ความถี่ต่ำและชิ้นงานที่ มีรูปร่างที่ช่วยในการกระจายความร้อน ไปสู่สิ่งแวดล้อมที่ดีก็จะสามารถคงอุณหภูมิของชิ้นงานได้ดีกว่า การวิบัติประเภทนี้แตกต่างจากความล้าจากความ ร้อน (thermal fatigue) ซึ่งในกรณีหลังจะหมายถึงความล้าที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวด ล้อม ทำให้เกิดภาระที่เปลี่ยนไปมาบนชิ้นส่วน
2. การวิบัติจากการคืบตัว (Failure by Creep Deformation)
   โพลิเมอร์นั้นสามารถเกิดการคืบตัวและสามารถนำไปสู่การวิบัติได้ การคืบตัวนั้นเกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้ภาระของ แรงที่คงที่เป็นเวลานาน ดังนั้นแม้แต่ในการทดสอบความล้า การคืบตัวของโพลิเมอร์ก็ย่อมเกิดขึ้นได้เช่นกัน หากแต่ ปริมาณของการคืบตัวนั้นจะมากหรือน้อยเท่านั้นในกรณีของการทดสอบที่มีความ เครียดที่เกิดขึ้นไม่สูง อิทธิพลของ การคืบตัวต่อสมบัติความล้าของโพลิเมอร์จะมีน้อย เนื่องจากการคืบตัวของโพลิเมอร์จะเกิดขึ้นในช่วงแรกของการ ทดสอบเท่านั้นและจะมีอัตราการคืบตัวที่ลดลงเรื่อย ๆ จนมีค่าต่ำมากก่อนที่ชิ้นงานจะเกิดรอยแตกและขยายตัวนำ ไปสู่การวิบัติของวัสดุ อย่างไรก็ตามถ้าหากความเครียดที่ใช้ในการทดสอบมีค่าสูง จะทำให้โพลิเมอร์ไม่สามารถคืนตัว ได้ภายในระยะเวลาหนึ่งรอบของการทดสอบ ทำให้เกิดค่าความเครียดตกค้างขึ้น ซึ่งค่าความเครียดนี้จะสะสมและ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามจำนวนรอบของการทดสอบซึ่งก็คือการคืบตัวนั่นเอง จนกระทั่งชิ้นงานเกิดการวิบัติเนื่องจากการ คืบตัวนี้ในที่สุด โดยปกติแล้วโพลิเมอร์จะมีการคืบตัวที่สูงกว่าวัสดุประเภทอื่นอยู่แล้วในการ ใช้งานแม้ที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นการวิบัติประเภทนี้จึงเห็นได้ชัดสำหรับโพลิเมอร์เช่นกัน
3. การวิบัติจากการขยายตัวของรอยแตก (Failure by Crack Propagation)
   การวิบัติจากการขยายตัวของรอยแตกนี้เป็นกลไกที่พบเห็นได้มากในการวิบัติทาง ความล้าของวัสดุ ซึ่งจะเริ่มจากการ ก่อตัวของรอยแตก (crack initiation) และขยายตัวของรอยแตกนั้น (propagation) นำไปสู่การวิบัติแบบแตกหัก ของวัสดุในที่สุด ซึ่งจะว่าไปแล้วกลไกเช่นนี้เป็นปรากฏการณ์ปกติที่เกิดขึ้นสำหรับการแตกหัก ของวัสดุไม่ว่าจะเป็นการ ทดสอบความล้าหรือการทดสอบแรงดึง หากแต่ในทางความล้านั้น การเกิดและขยายตัวของรอยแตกจะต้องใช้เวลาและ ภาระที่ซ้ำ ๆ กันเป็นเวลานานในการดำเนินการก่อให้เกิดกลไกดังกล่าว จะเห็นได้ว่าจำนวนรอบของภาระกระทำนั้นมีผล ต่อทั้งการก่อตัวของรอยแตกและการขยายตัวของรอยแตก ดังนั้นอายุความล้าสุทธิของวัสดุ (Nf) สามารถเขียนเป็น สมการง่าย ๆ ได้ดังนี้ [4]

Nf = Ni + Np

โดย ที่ Ni หมายถึงจำนวนรอบการรับภาระที่ก่อตัวของรอยแตก และ Np หมายถึงจำนวนรอบการรับภาระในการขยายตัวของรอยแตกไปสู่การวิบัติ ยกเว้นในบางกรณีเท่านั้นที่โพลิเมอร์มีรอยแตกอยู่แล้วในเนื้อวัสดุ ซึ่งจะทำให้รอยแตกนั้น ๆ สามารถขยายตัวได้ อย่างทันที ซึ่งในกรณีนี้ Ni ก็จะมีค่าเป็นศูนย์

ขอบคุณที่มา:  ดร. จินตมัย สุวรรณประทีปศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

เรียบเรียงโดย