ในการออกแบบทางวิศวกรรม ความเสียหายที่น่ากลัวที่สุดอย่างหนึ่งคือ Fatigue Failure หรือความเสียหายจากความล้า ซึ่งมักเกิดขึ้นแม้ว่าแรงที่กระทำจะต่ำกว่าค่า Yield Strength ของวัสดุเสียอีก กุญแจสำคัญในการเข้าใจปรากฏการณ์นี้คือการเรียนรู้วิธีการเชื่อมโยง Stress Cycle (วงจรความเค้น) เข้ากับ Microscopic Degradation (การเสื่อมสภาพระดับจุลภาค)
วงจรความเค้น (Stress Cycle) คืออะไร?
Stress Cycle คือรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของความเค้นในช่วงเวลาหนึ่ง โดยปกติจะวัดในรูปของกราฟ Sine Wave ซึ่งประกอบด้วยค่าความเค้นสูงสุด (Maximum Stress) และความเค้นต่ำสุด (Minimum Stress) ความแตกต่างระหว่างสองค่านี้คือ Stress Range ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่กระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในโครงสร้างของวัสดุ
จาก Stress Cycle สู่การเสื่อมสภาพระดับจุลภาค
เมื่อวัสดุได้รับแรงในลักษณะเป็นวงจร (Cyclic Loading) จะเกิดกระบวนการเสื่อมสภาพในระดับที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ดังนี้:
- การเกิด Slip Bands: ในระดับผลึก (Grains) ความเค้นที่สลับไปมาจะทำให้เกิดการเลื่อนไถลของระนาบอะตอม จนเกิดเป็นรอยหยักเล็กๆ ที่เรียกว่า Persistent Slip Bands (PSBs)
- การก่อตัวของ Crack Nucleation: รอยหยักเหล่านี้จะกลายเป็นจุดรวมความเค้น (Stress Concentration) และเริ่มพัฒนาเป็นรอยแตกขนาดจิ๋ว (Micro-cracks)
- การขยายตัวของรอยแตก (Crack Propagation): ในแต่ละ Stress Cycle รอยแตกจะค่อยๆ ขยายตัวออกไปทีละน้อย ทิ้งร่องรอยที่เรียกว่า Striations ไว้บนพื้นผิวสัมผัส
สรุปความสัมพันธ์เพื่อการวิเคราะห์
การวิเคราะห์ Stress-Life (S-N Curve) จึงไม่ใช่แค่เรื่องของตัวเลข แต่เป็นการติดตามประวัติการสะสมความเสียหาย (Cumulative Damage) ที่เกิดขึ้นในระดับ Micro-scale การเข้าใจความเชื่อมโยงนี้จะช่วยให้วิศวกรสามารถทำนายอายุการใช้งานและป้องกันอุบัติเหตุจากการแตกหักของวัสดุได้อย่างแม่นยำ
1.jpg)
