ความล้าของโพลิเมอร์

โดย ดร. จินตมัย สุวรรณประทีปศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ความล้าของโพลิเมอร์
ความล้าเกิดขึ้นจากการที่ชิ้นส่วนถูกกระทำภายใต้ภาระที่ซ้ำ ๆ กันเป็นเวลานาน เช่น ปีกของเครื่องบิน ถังความดัน สะพาน และชิ้นส่วนต่าง ๆ ภายในรถยนต์ เป็นต้น นอกจากนี้ความล้าไม่ได้เกิดขึ้นในชิ้นส่วน ในบริเวณที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อรับแรงที่กระทำซ้ำ ๆ กันอย่างเห็นได้ชัดเท่านั้น เนื่องจากในบางครั้ง ถึงแม้ว่าชิ้นส่วนนั้น ๆ ไม่ได้ถูกคาดหวังที่จะอยู่ภายใต้ภาระของแรงกระทำที่ซ้ำ ๆ กันก็ตาม แต่ภาระของ แรงกระทำที่ซ้ำ ๆ ก็สามารถเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปมาได้เช่นกัน ในปัจจุบัน โพลิเมอร์ได้นำมาใช้งานทางด้านวิศวกรรมเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งการที่จะใช้งานได้อย่างปลอดภัยนั้น เราจะต้องทราบถึงสมบัติต่าง ๆ ที่เปลี่ยนแปลงไปตามอายุการใช้งานที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากเป็นที่ทราบกันแล้วว่า โพลิเมอร์เป็นวัสดุที่มีสมบัติเปลี่ยนไปตามเวลา (time-dependent behaviour) ดังนั้นสมบัติทางความล้า ซึ่งเป็นสมบัติที่ขึ้นอยู่กับเวลาประเภทหนึ่งย่อมเป็นสิ่งที่วิศวกรและนักวัสดุศาสตร์ควรให้ความสำคัญก่อนที่ จะนำโพลิเมอร์ชนิดนั้น ๆ ไปใช้งาน

คำนิยาม
ความล้า (fatigue) หมายถึงสมบัติเชิงกลของวัสดุเมื่อวัสดุนั้น ๆ อยู่ภายใต้ภาระที่มีแรงกระทำเป็นคาบ ซ้ำ ๆ กันอยู่เป็นระยะเวลานาน เป็นผลทำให้วัสดุเกิดการวิบัติ โดยที่ภาระของแรงที่มากระทำนั้นจะมีค่าต่ำ กว่าแรงที่กระทำให้วัสดุวิบัติในทันที เช่น แรง ณ จุดคราก หรือ แรง ณ จุดแตกหัก ดังนั้นข้อกำหนดสำคัญ ของความล้าได้แก่ระยะเวลาของกลไกที่ใช้เวลานานและภาระของแรงที่ต่ำ ในบางครั้งจะมีการใช้คำว่า ความล้าพลวัต (dynamic fatigue) แทนความล้าที่เกิดขึ้นจากแรงกระทำที่เป็นคาบ ซ้ำ ๆ กันดังที่ได้ กล่าวมาแล้ว เพื่อที่จะแจกแจงความแตกต่างจาก ความล้าสถิต (static fatigue) ซึ่งจะหมายถึงความ คืบตัวแตกหัก (creep rupture) ที่การวิบัติเกิดขึ้นจากแรงกระทำคงที่ อย่างไรก็ตามโดยส่วนใหญ่แล้ว เมื่อกล่าวถึงความล้าในทางการทดสอบสมบัติเชิงกลแล้วความเข้าใจโดยทั่วไปจะหมายถึงความล้าพลวัต

การทดสอบความล้า
ในการทดสอบความล้านั้นโดยทั่วไปแล้วจะเป็นการนำเอาชิ้นงานซึ่งกำหนดรูปร่างเฉพาะสำหรับการทดสอบ หาสมบัติทางความล้ามารับภาระตามที่กำหนดที่มีการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบและมีการกำหนดพารามิเตอร์ ในการทดสอบต่าง ๆ ดังต่อไปนี้ (รูปที่ 1)

• ความถี่ในการทดสอบ (frequency) ได้แก่ จำนวนของรอบการทดสอบระยะเวลาโดยส่วนใหญ่จะใช้ จำนวนรอบต่อ 1 วินาที ซึ่งจะมีหน่วยเป็นเฮิร์ทซ
• แอมพลิจูด (amplitude) ได้แก่ ปริมาณของภาระที่กระทำต่อชิ้นงานซึ่งเป็นไปได้ทั้งความเค้น หรือความเครียด โดยหาได้จาก

  Amplitude = (Maximum - Minimum)/2

• ค่าเฉลี่ย (mean) ได้แก่ ค่าเฉลี่ยของปริมาณของภาระที่กระทำต่อชิ้นงาน โดยหาได้จาก

  Mean = (Maximum + Minimum)/2

• รูปแบบของคาบ (wave form) ได้แก่ ลักษณะของคาบในการให้ภาระแก่วัสดุ ซึ่งอาจจะเป็นแบบไซน์ (sine) แบบสี่เหลี่ยม (square) หรือแบบฟันเลื่อย (sawtooth) เป็นต้น
• รูปแบบของการให้ภาระ (mode) ได้แก่ลักษณะของทิศทางการให้ภาระแก่ชิ้นงานทดสอบ ซึ่งอาจจะเป็น การดึง การกด การเฉือน การดัดงอ เป็นต้น
• อย่างไรก็ตามการใช้ชิ้นงานทดสอบเพื่อทำการศึกษาสมบัติทางความล้านี้เมื่อนำผลลัพธ์ที่ได้ไปใช้คำนวณ สำหรับการผลิตชิ้นส่วนจริง โดยส่วนใหญ่แล้วจะให้ค่าที่แตกต่างต้องมีการนำเอาแฟกเตอร์ต่าง ๆ มาร่วม คำนวณด้วย ดังนั้นในบางครั้งจึงมีการนำชิ้นส่วนผลิตภัณฑ์จริงมาทดสอบความล้าโดยตรงเพื่อจะได้ ผลลัพธ์ที่มีความแม่นยำเพิ่มมากขึ้น

ทั้งนี้จะการทดสอบจนกระทั่งเกิดการแตกหักของวัสดุหรือครบจำนวนรอบของการทดสอบที่กำหนดไว้ เช่น หนึ่งล้านรอบ เป็นต้น โดยการแสดงผลของการทดสอบจะนิยมแสดงในรูปกราฟที่เรียกว่า กราฟ S-N ซึ่งได้แก่ ความสัมพันธ์ระหว่างค่าของความเค้นและจำนวนรอบที่เกิดการแตกหัก ณ ค่าความเค้นนั้น ๆ ดัง แสดงในภาพที่ 2 ซึ่งจากกราฟจะสามารถหาอายุของความล้าได้ (fatigue life หรือ endurance limit) อย่างไรก็ตามวัสดุบางประเภทเช่น อะลูมิเนียมผสม อาจจะไม่แสดงถึงอายุความล้านี้คือไม่ปรากฏเส้นขนาน ในแนวนอน นอกจากนี้โพลิเมอร์ยังแสดงถึงจุดเปลี่ยนแปลงของการแตกหักแบบเหนียวและแข็งเปราะ (ductile-brittle fracture transition) อีกด้วย ซึ่งจะได้กล่าวถึงในหัวข้อต่อไป

การวิบัติโดยความล้าของโพลิเมอร์
เมื่อวัสดุอยู่ภายใต้การรับภาระที่เปลี่ยนไปมาเป็นเวลานาน ในที่สุดวัสดุนั้น ๆ ก็จะเกิดการวิบัติขึ้น การวิบัติของ วัสดุที่มีสาเหตุจากความล้านั้นสามารถเป็นไปได้ทั้งการวิบัติที่นำไปสู่การแตกหักของวัสดุหรือการวิบัติที่ทำให้ ชิ้นส่วนนั้น ๆไม่สามารถที่จะทำหน้าตามที่ออกแบบไว้ได้อย่างสมบูรณ์ เช่นมีรูปร่างที่เปลี่ยนไปเนื่องจากการเกิด ความเครียดสูงจนเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างถาวร (plastic deformation) ซึ่งการเกิดการวิบัตินั้นย่อมต้องมี กลไกในการอธิบายถึงสาเหตุของการเกิดได้ โดยสำหรับโพลิเมอร์แล้วนั้นจะประกอบไปด้วยกลไกหลัก 3 กลไกได้แก่

1. การวิบัติจากความร้อน (Failure by Thermal)
   ในกรณีของวัสดุที่มีสมบัติยืดหยุ่นสมบูรณ์ (perfectly elastic) นั้น เมื่อทำการทดสอบความล้า วัสดุจะมี ความสามารถในการคงไว้ซึ่งอุณหภูมิที่ชิ้นงานตัวอย่างที่คงที่ ซึ่งจะมีค่าเทียบเท่ากับอุณหภูมิแวดล้อม เนื่องจากวัสดุไม่มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างกลับไปกลับ อย่างไรก็ตาม สำหรับโพลิเมอร์แล้ว ปรากฏการณ์เช่นนี้เป็นไปได้ยากเนื่องเป็นวัสดุที่มีสมบัติยืดหยุ่นหนืด (viscoelasticity) ทำให้โพลิเมอร์มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างในรูปของความร้อน ซึ่งความร้อนนี้เอง จะทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น หากความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ไม่สามารถระบายไปสู่สภาพแวดล้อมได้และสะสมอยู่ใน ชิ้นงานทำให้สมบัติของวัสดุเปลี่ยนไปเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นจนถึงอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้าง การ เสื่อมสภาพ หรือการลดความแข็งแรงในวัสดุจุดใดจุดหนึ่งซึ่งจะนำไปสู่การวิบัติของวัสดุในที่สุด โพลิเมอร์จะได้รับ ผลกระทบจากกลไกประเภทนี้ได้มากกว่าวัสดุประเภทอื่นเนื่องจากโพลิเมอร์ค่อนข้างที่จะไวต่อผลกระทบจาก- อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่โลหะและเซรามิกส์จะถูกกระทบน้อยกว่าจากอุณหภูมิในระดับที่เพิ่มขึ้นอิทธิพล ที่มีผลกระทบต่อการเพิ่มอุณหภูมิประเภทนี้ได้แก่ ความถี่ในการทดสอบและรูปร่างชิ้นงานหรือชิ้นส่วน ความถี่ ที่สูงมีผลทำให้ความร้อนเกิดขึ้นสูงกว่าการทดสอบที่ความถี่ต่ำและชิ้นงานที่มีรูปร่างที่ช่วยในการกระจายความร้อน ไปสู่สิ่งแวดล้อมที่ดีก็จะสามารถคงอุณหภูมิของชิ้นงานได้ดีกว่า การวิบัติประเภทนี้แตกต่างจากความล้าจากความ ร้อน (thermal fatigue) ซึ่งในกรณีหลังจะหมายถึงความล้าที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อม ทำให้เกิดภาระที่เปลี่ยนไปมาบนชิ้นส่วน
2. การวิบัติจากการคืบตัว (Failure by Creep Deformation)
   โพลิเมอร์นั้นสามารถเกิดการคืบตัวและสามารถนำไปสู่การวิบัติได้ การคืบตัวนั้นเกิดขึ้นเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้ภาระของ แรงที่คงที่เป็นเวลานาน ดังนั้นแม้แต่ในการทดสอบความล้า การคืบตัวของโพลิเมอร์ก็ย่อมเกิดขึ้นได้เช่นกัน หากแต่ ปริมาณของการคืบตัวนั้นจะมากหรือน้อยเท่านั้นในกรณีของการทดสอบที่มีความเครียดที่เกิดขึ้นไม่สูง อิทธิพลของ การคืบตัวต่อสมบัติความล้าของโพลิเมอร์จะมีน้อย เนื่องจากการคืบตัวของโพลิเมอร์จะเกิดขึ้นในช่วงแรกของการ ทดสอบเท่านั้นและจะมีอัตราการคืบตัวที่ลดลงเรื่อย ๆ จนมีค่าต่ำมากก่อนที่ชิ้นงานจะเกิดรอยแตกและขยายตัวนำ ไปสู่การวิบัติของวัสดุ อย่างไรก็ตามถ้าหากความเครียดที่ใช้ในการทดสอบมีค่าสูง จะทำให้โพลิเมอร์ไม่สามารถคืนตัว ได้ภายในระยะเวลาหนึ่งรอบของการทดสอบ ทำให้เกิดค่าความเครียดตกค้างขึ้น ซึ่งค่าความเครียดนี้จะสะสมและ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามจำนวนรอบของการทดสอบซึ่งก็คือการคืบตัวนั่นเอง จนกระทั่งชิ้นงานเกิดการวิบัติเนื่องจากการ คืบตัวนี้ในที่สุด โดยปกติแล้วโพลิเมอร์จะมีการคืบตัวที่สูงกว่าวัสดุประเภทอื่นอยู่แล้วในการใช้งานแม้ที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นการวิบัติประเภทนี้จึงเห็นได้ชัดสำหรับโพลิเมอร์เช่นกัน
3. การวิบัติจากการขยายตัวของรอยแตก (Failure by Crack Propagation)
   การวิบัติจากการขยายตัวของรอยแตกนี้เป็นกลไกที่พบเห็นได้มากในการวิบัติทางความล้าของวัสดุ ซึ่งจะเริ่มจากการ ก่อตัวของรอยแตก (crack initiation) และขยายตัวของรอยแตกนั้น (propagation) นำไปสู่การวิบัติแบบแตกหัก ของวัสดุในที่สุด ซึ่งจะว่าไปแล้วกลไกเช่นนี้เป็นปรากฏการณ์ปกติที่เกิดขึ้นสำหรับการแตกหักของวัสดุไม่ว่าจะเป็นการ ทดสอบความล้าหรือการทดสอบแรงดึง หากแต่ในทางความล้านั้น การเกิดและขยายตัวของรอยแตกจะต้องใช้เวลาและ ภาระที่ซ้ำ ๆ กันเป็นเวลานานในการดำเนินการก่อให้เกิดกลไกดังกล่าว จะเห็นได้ว่าจำนวนรอบของภาระกระทำนั้นมีผล ต่อทั้งการก่อตัวของรอยแตกและการขยายตัวของรอยแตก ดังนั้นอายุความล้าสุทธิของวัสดุ (Nf) สามารถเขียนเป็น สมการง่าย ๆ ได้ดังนี้ [4]

   Nf = Ni + Np

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

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อสมบัติความล้าของโพลิเมอร์
เป็นที่ทราบกันดีว่าสมบัติเชิงกลของโพลิเมอร์นั้นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลายอย่างเช่น โครงสร้างทางโมเลกุล (molecular structure) การจัดเรียงตัวของโมเลกุล (orientation)กระบวนการผลิต (processing) น้ำหนักโมเลกุล (molecular weight) และปริมาณความเป็นผลึก (crystallinity) เป็นต้น ซึ่งสมบัติทาง ความล้าของโพลิเมอร์นี้ก็เช่นกัน คือจะเปลี่ยนแปลงไปขึ้นอยู่กับองค์ประกอบดังกล่าว ยกตัวอย่างเช่นโพลิเมอร์ที่ มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมักจะมีความต้านทานต่อความล้าสูง อายุความล้าของโพลิสไตรีนสามารถเพิ่มขึ้นถึง 100 เท่า เมื่อน้ำหนักโมเลกุลของโพลิเมอร์เพิ่มขึ้นเพียง 10 เท่า จาก 1.6 x 105 ไปเป็น 2.0 x 106 นอกจากนี้ ปริมาณความเป็นผลึกของโพลิเมอร์ก็ยังมีส่วนสำคัญต่อสมบัติทางความล้า โดยทั่วไปแล้วโพลิเมอร์ที่มีความเป็น ผลึกสูงจะมีความทนทานต่อความล้าสูงกว่าโพลิเมอร์ที่มีผลึกต่ำ เมื่อเปรียบเทียบระหว่างกราฟ S-N ของโพลิเมอร์ 2 ประเภทได้แก่โพลิอีเทอร์ซัลโฟน (PES) ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ไร้ผลึก และโพลิอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) ซึ่งเป็น โพลิเมอร์กึ่งผลึก จะเห็นได้ว่า PEEK มีความแข็งแรงต่อความล้า (fatigue strength) สูงกว่า PES นอกจากนี้ PES ยังแสดงถึงจุดเปลี่ยนแปลงของการแตกหักแบบเหนียวและแบบแข็งเปราะ (ductile-bitttle fracture transition) ในขณะที่ PEEK ยังคงสมบัติการแตกหักแบบเหนียวไว้ได้ซึ่งทำให้ การวิบัติแบบรุนแรงสามารถหลีกเลี่ยงได้สำหรับโพลิเมอร์กึ่งผลึก

สรุป
เนื่องจากความล้าเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนหลังจากการใช้งานเป็นเวลานาน ชิ้นส่วนมิได้เกิดการวิบัติขึ้นทันทีทันใด ในการใช้งาน เป็นการวิบัติที่เกิดขึ้นได้แม้กระทั่งที่ภาระต่ำและเกิดขึ้นโดยไม่อาจจะทำนายได้ล่วงหน้าอย่างถูกต้อง จึงทำให้การทดสอบความล้าของวัสดุมีความสำคัญเป็นอย่างมากเนื่องจากเราจะได้ทราบถึงสมบัติความล้าของโพ- ลิเมอร์ประเภทที่จะนำมาใช้ เพื่อที่จะสามารถออกแบบชิ้นส่วนได้อย่างเหมาะสมและปลอดภัย ซึ่งวิธีการออกแบบเพื่อ ป้องกันความล้านั้นสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดการวิบัติของชิ้นส่วนจากความล้าในการใช้งานได้ รวมทั้งสามารถคาดเดา ได้ถึงอายุของการใช้งานในสภาวะต่าง ๆ โดยวิธีการออกแบบเพื่อป้องกันความล้าของวัสดุนั้นสามารถอ่านได้จาก บทความอื่นในวารสารฉบับนี้เช่นกัน

ภาพที่ 1 แผนภาพแสดงลักษณะตัวอย่างการทดสอบความล้าแบบไซน์

ภาพที่ 2 กราฟ S-N จากการทดสอบความล้า

ที่มา : คัดลอกมาจาก วารสารเทคโนโลยีวัสดุ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ โดย ดร.จินตมัย สุวรรณประธีป