วชา 2109101 วสดวศวกรรม (Engineering Materials)สาหรบปการศกษา 2/2552รองศาสตราจารย ดร. กอบบญ หลอทองคาภาควชาวศวกรรมโลหการ คณะวศวกรรมศาสตรตก 4 ชน 16 จฬาลงกรณมหาวทยาลย

ความรเบองตนเรองการเสอมสภาพของโลหะ (Introduction to Metal Degradation)

ในทนศกษา 4 ชนด-การกดกรอน (Corrosion)-การเกดออกซเดชน (Oxidation) ทอณหภมสง-การสญเสยคารบอนของเหลก (Decarburization) ทอณหภมสง-การทาปฏกรยากบสารประกอบกามะถน (Sulfidation) ทอณหภมสง

การเสอมสภาพของโลหะ (Metal Degradation)

การกดกรอน (Corrosion)หมายถง การสญเสยเนอวสดเนองจากทาปฏกรยากบสงแวดลอม กอใหเกดความเสยหายของวสด วสดไมสามารถรบแรงหรอใชงานไดตามทออกแบบ คาถาม- การละลายของวสดในสารละลายเปนการกดกรอนหรอไม- ปฏกรยาอะไรทเกยวของ ในปรากฏการณการกดกรอน- ความเสยหายของวสดกอใหเกดความเสยหายทาง

เศรษฐกจมากนอยแคไหน

การกดกรอน (Corrosion)สาหรบโลหะ เกดขนทกแหงทมการใชงาน ตวอยางเชนเครองมอ เครองใชไฟฟาWhere will you see corrosion on your appliances? • Dishwasher interiors • Washing machine interiors • All around hot water heaters, including connections and

exterior frames • Small kitchen appliances such as toasters and coffee pots • Hinges, bolts, and connectors

การกดกรอน (Corrosion)สาหรบโลหะ เกดขนทกแหงทมการใชงาน ตวอยางเชน ทอนาประปา ทอนาบาดาล

การกดกรอน (Corrosion)ทอนาของหอหลอความเยนสาหรบอาคารพกอาศย

การกดกรอน (Corrosion)สาหรบโลหะ เกดขนไดทกทมการใช ตวอยางเชน รถยนตWhere will you find corrosion on your car? • Automobile body parts that have scratches or nicks (e.g.

doors, metal bumpers) • Chrome-plated trim • Hinges and brackets• Exhausted gas system

การกดกรอน (Corrosion)เกดขนทกแหงทมการใชงานโลหะ ตวอยางเชน เครองจกรอปกรณในอตสาหกรรม ในครวเรอน เครองใชสวนตว ฯลฯ

การกดกรอน (Corrosion)เกดขนทกแหงทมการใชโลหะ อตสาหกรรมกาซธรรมชาตและนามน

การกดกรอน (Corrosion)

เกดขนทกแหงทมการใชโลหะ ตวอยางเชน

อตสาหกรรมขนสงทางเรอเดนสมทร

การกดกรอน (Corrosion)

เกดขนทกแหงทมการใชโลหะตวอยางเชน อตสาหกรรมเคม อตสาหกรรมปโตรเคมอตสาหกรรมอาหารอตสาหกรรมยาอตสาหกรรมเครองอปโภคบรโภคอตสาหกรรมเหลก

การกดกรอน (Corrosion)- รถยนตWhat can you do to control corrosion on your car? • Remove rust and put on protective coating • Repaint damaged areas • Rinse off corrosive materials such as salt and sand quickly • Replace damaged parts • Before purchase, check car for smooth edges and finishes without

chips, pits, or gaps • Keep car surface clean and apply wax or polish regularly for

protection • Before purchase, check electroplated surface for thin spots

การกดกรอน (Corrosion)- เครองใชไฟฟาWhat can you do to control corrosion on your appliances? • Check electroplate quality before purchase • Keep surfaces clean from lint, dirt, or water • Apply wax to metal surfaces for corrosion protection and attractive

finish • Apply greases (e.g., automobile, petroleum jelly) to moving joints or

electrical connections for corrosion protection and flexibility • Inspect appliances regularly for smooth edges and surfaces without

chips or nicks

การกดกรอน (Corrosion)

ในประเทศสหรฐอเมรกา ผลการสารวจป 1998 การกดกรอนกอความ เสยหายทางเศรษฐกจ เปนมลคา 276 พนลาน เหรยญ/ป เนองมาจาก

การกดกรอน (Corrosion) มลคาความเสยหายในประเทศญปนประมาณ หลายพนลานลานเยน/ป ??? มลคาความเสยหายในประเทศไทยยงไมมการสารวจความเสยหายมาจาก- การหยดกระบวนการผลตของอตสาหกรรม- การซอมบารงรกษา- การปองกนการกดกรอน - ผลของเหตการณรายทเกดขนตามมา เชน การลมของเรอขามทะเลเหนอ

หลกพนฐานการกดกรอนปฏกรยาไฟฟาเคม (Electrochemical Reaction)

หลกพนฐานการกดกรอนปฏกรยาไฟฟาเคม (Electrochemical Reaction)

องคประกอบของกระบวนการกดกรอน- ขวแอโนด (Anode) เกดปฏกรยาแอโนดก (Anodic Reaction) หรอ

ออกซเดชน (Oxidation)M -----> Mn+ + ne-

- ขวแคโทด (Cathode) เกดปฏกรยาแคโทดก (Cathodic Reaction) หรอรดกชน(Reduction) เชน2H+ + 2e- -------> H2

O2 + 4H+ + 4e- -------> 2H2O pH < 3O2 + 2H2O + 4e- -------> 4OH- pH > 3

- สารละลายทนาไฟฟาได (Electrolyte)

องคประกอบของกระบวนการกดกรอน

จากความรเรองไฟฟาเคม สรางตารางศกยไฟฟามาตรฐาน (Eo)ของโลหะและโลหะผสม (Standard Potentials) ท 25 องศาเซลเซยส

เครองวดศกยไฟฟา

โลหะ ขวไฟฟา

ไฮโดรเจน H2Pt 1 atm

[Mn+]=1 M [H+]=1 M

ภาพแสดงการวดศกยไฟฟามาตรฐานอยางงาย

หลกพนฐานการกดกรอน

ตารางศกยไฟฟามาตรฐานหรอตารางอนกรมกลวานก ตวอยางท 25 องศาเซลเซยส

โลหะ ศกยไฟฟา (V) อนกรมในนาทะเล Noble Pt +1.20 Titanium

Ag +0.80 MonelCu +0.35 Passive 18/8Hydrogen 0 AgSn -0.13 NickelNi -0.25 CuNiFe -0.44 Active 18/8Zn -0.77 Steel

Active Mg -1.80 Zinc

ตารางศกยไฟฟามาตรฐาน

ตารางศกยไฟฟามาตรฐาน

ตารางศกยไฟฟามาตรฐานตวอยางการนาไปใชงานคโลหะ แคโทด แอโนดเหลก-สงกะส เหลก สงกะสเหลก-แมกนเซยม เหลก แมกนเซยมเหลก-ดบก ดบก เหลกเหลก-เหลกกลาไรสนม เหลกกลาไรสนม เหลกทองแดง-เหลก ??? ???เหลก-อะลมเนยม ??? ???เหลก-ทองเหลอง ??? ???

ตารางศกยไฟฟามาตรฐานตวอยางการนาไปใชคานวณคาศกยไฟฟา

ลกษณะการกดกรอนโดยทวไปแบงตามรปรางรอยทเกดการกดกรอน เปน 9 แบบ-การกดกรอนแบบสมาเสมอ (General corrosion)-การกดกรอนแบบกลวานก (Gavalnic Corrosion)-การกดกรอนแบบรเขม (Pitting Corrosion)-การกดกรอนในซอก (Crevice Corrosion)-การกดกรอนทขอบเกรน (Intergranular Attack) -การกดกรอนทมแรงเคน (Stress Corrosion)-การกดกรอนแบบสกดเฉพาะท (Selective Leaching)-การกดกรอนเนองจากการไหล (Erosion Corrosion)-การเสยหายเนองจากไฮโดรเจน (Hydrogen Damage)

การกดกรอนแบบสมาเสมอเปนการสญเสยเนอโลหะปรมาณเทา ๆ กนทกสวน

กดกรอน

การกดกรอนแบบสมาเสมอ

การวดอตราการกดกรอนแบบสมาเสมอ- วดนาหนกทหายไป เชน กรม/ม2/ชม (g/m2/h) - วดการลดความหนา เชน มม/ป (mm/yr) มล/ป (mils/yr or mpy)- 1 กรม/ม2/ชม. = 1.1 มม/ป = 43 mpy

ตารางแสดงอตราการกดกรอนและระดบความรนแรง

รนแรงมาก ไมควรใช> 1.0 มม/ป (>50 mpy)ตองใชอยางระวง 0.1-1.00 มม/ป (5-50 mpy)มความตานทานสง<0.1 มม/ป (< 5 mpy)

ความรนแรงการกดกรอนอตราการกดกรอน

การกดกรอนแบบกลวานกโลหะสองชนดตอกนเกดขวแอโนดและแคโทด

กดกรอน

แคโทด แอโนด

สาเหตทาใหเกดขวแอโนด และขวแคโทด- ความแตกตางของสวนผสมเคมในเนอโลหะ

(Chemical Composition Couples)ใช Galvanic Series

- ความแตกตางของแรงเคน (Stress Couples)บรเวณทมความเคนสงกวาจะเปนแอโนด

- ความแตกตางความเขมขน (Concentration Couples)บรเวณทมออกซเจนนอยกวาเปนแอโนด

การกดกรอนแบบกลวานก

การกดกรอนแบบกลวานกการกดกรอนกลวานกทหนาแปลนตอทอเหลกกลาคารบอนกบทอสเตนเลส AISI 321

การวดศกยไฟฟาระหวางหนาแปลนการตอสายไฟระหวางหนาแปลน

การกดกรอนแบบรเขมมกจะเกดกบเหลกกลาไรสนมในสารละลายทมคลอไรด เพราะฟลมโครเมยมออกไซดทผวถกทาลาย

รเขม

การกดกรอนในซอกในซอกมปรมาณออกซเจนนอยกวาจะเปนแอโนด

แคโทดO2 + 2H2O + 4e- -------> 4OH-

แอโนดM ---> Mn+ + ne-

การกดกรอนในซอกหนาแปลนทอ สกร

การกดกรอนในซอก

Filiform corrosionเกดทผวกระปองบรรจอาหารเคลอบดวยฟลมพลาสตก เกบในสภาพอากาศชนสง

การกดกรอนทขอบเกรนทขอบเกรนมสารประกอบคารไบดตกผลก มกเกดในเหลกกลาไรสนม

การกดกรอนทขอบเกรนทรอยกระทบรอนขางเนอเชอม

การกดกรอนทมแรงเคนแรงเคน + การกดกรอน ถาแรงเคนมการสลบทศทางตลอดเวลา เรยกวา การกดกรอนทมแรงสลบ

F

รอยแตก

บรรยากาศ กดกรอน

F

การกดกรอนทมแรงเคน

บรเวณทถกกดกรอน

การกดกรอนแบบสกดเฉพาะทเกดในโลหะผสมทองเหลอง (Dezincification)ทองเหลอง (CuZn) CuNi

การกดกรอนเนองจากการไหลของไหลไหลดวยความเรวสงหรอมการเปลยนทศทางการไหลเกดฟองกาซกระแทกหรอแตกทผวโลหะดวยแรงเคนสงกวาจดคราก

เปลยนทศ การแกไข

เกดฟอง

การกดกรอนเนองจากการไหลตวอยาง

การเสยหายเนองจากไฮโดรเจน การพองเนองจากไฮโดรเจน (Hydrogen Blistering)

การเสยหายเนองจากไฮโดรเจน การเปราะเนองจากไฮโดรเจน (Hydrogen embrittlement)

โลหะผสมหลายชนด โดยเฉพาะเหลกกลา คาความเหนยวและคาความเคนลดลงเมอมอะตอมไฮโดรเจนแทรกอยในเนอแมวาจะมเพยงความเขนขนสวนในลาน (ppm) ในวงการเชอมใชชอวา Hydrogen Induced Cracking (HIC)

จาก www.azom.com

การเสยหายเนองจากไฮโดรเจน การเกดสารประกอบไฮดรายด (Hydride formation)

อะตอมไฮโดรเจนรวมตวโลหะตาง ๆ ได เชน Ti, Zr, Mg, Ta, Nb, V, U, Th เกดเปนสารประกอบโลหะไฮดรายด

xM + yH MxHyซงมคณสมบตเปราะ โลหะสญเสยความเหนยว คาความแขงแรงลดลง

การเสยหายเนองจากไฮโดรเจน การแตกเนองจากเกดกาซมเทน (Hydrogen attack)

อะตอมไฮโดรเจนรวมตวคารบอนกลายเปนกาซมเทน C + 4H CH4

เกดการแตกราวทขอบเกรน

จาก www.corrosionist.com

การปองกนการกดกรอนทนยมใชกน คอ

- การทาสหรอการเคลอบผวดวยสารอนทรย- การใชสารยบยง (Inhibitors) - การเลอกใชโลหะทเหมาะกบสภาวะแวดลอม- การปองกนแบบทาใหโลหะใชงานเปนขวแคโทด (Cathodic protection) เชน - การใชโลหะอนใหเปนขวแอโนดแทน เชน แผนเหลกเคลอบสงกะส สงกะสเปนขวแอโนด- การใชกระแสไฟฟาภายนอกใหเปนแหลงจายอเลกตรอนแทน

การปองกนแบบทาใหโลหะใชงานเปนขวแคโทด (Cathodic protection)

การปองกนแบบทาใหโลหะใชงานเปนขวแคโทด (Cathodic protection)

การปองกนแบบทาใหโลหะใชงานเปนขวแคโทด (Cathodic protection)

การปองกนแบบทาใหโลหะใชงานเปนขวแคโทด (Cathodic protection)

การเกดออกซเดชน (Oxidation) ทอณหภมสงทอณหภมสงโลหะจะทาปฏกรยากบออกซเจนในอากาศมากขนแมวาจะไมมความชน เกดเปนชนโลหะออกไซดทหนา เรยกวา สเกล (Scale) ปฎกรยาออกซเดชนของโลหะเปนปฏกรยาทมการถายเทอเลกตรอน

สเกลM M -----> Mn+ + ne-

1/2 O2 + 2e- -------> O2

M + 1/2O2 --------> MO“Scaling, Tarnishing, Dry corrosion”

การเกดออกซเดชน (Oxidation) ทอณหภมสงสเกลของเหลก

การเกดออกซเดชน (Oxidation) ทอณหภมสงชนดของโลหะออกไซดทเกด

- ชนดทมความหนาแนนนอยกวาหรอปรมาตรมากกวาโลหะ จะขดขวางปฏกรยาออกซเดชน

- ชนดทมความหนาแนนมากกวาหรอปรมาตรนอยกวาโลหะจะไมขดขวางปฏกรยาออกซเดชน มรพรน เชน ออกไซดของ Na, Ca, Mg

- ชนดทกลายเปนไอได จะมความหนาคงท เมออตราการระเหย =อตราการเกด เชน ออกไซดของ Mo, Os

- ชนดทไดเกดยาก เพราะความดนออกซเจนในบรรยายกาศนอยกวาคาความดนทแตกตวได เชน ออกไซดของ Au, Ag

การเกดออกซเดชน (Oxidation) ทอณหภมสงPilling –Bedworth ratio

- AO = Atomic Weight of Oxide, AM = Atomic Weight of Metal

- ρO, ρM = ความหนาแนนของออกไซดและโลหะตามลาดบ- P-B ratio < 1 ออกไซดมรพรน - P-B ratio > 1 ออกไซดมแรงอดมาก- P-B ratio 2-3 ออกไซดแตก -

การเกดออกซเดชนทอณหภมสง

การแกไขการเกดออกซเดชนทอณหภมสง- การผสมธาตในโลหะเพอยบยงหรอลด ปฏกรยาออกซเดชน

เชน 0.1%Ceในโลหะผสมนกเกลโครเมยม- การเลอกใชโลหะผสมทเกดปฏกรยาออกซเดชนไดนอยกวา (ศกษาขอมลจากคมอหรอการทดลอง) เชน เหลกผสมโครเมยมหรออะลมเนยม

- การควบคมบรรยากาศใหมปรมาณออกซเจนหรอปรมาณสารประกอบทเรงปฏกรยาออกซเดชนนอยเชน การใชกาซไฮโดรเจน กาซแอมโมเนย การอบโลหะในบรรยายกาศกาซเฉอย

การสญเสยคารบอนของเหลกทอณหภมสงคารบอนผสมในเหลกทาใหเหลกมความแขงแรงมากขน ความแขงแรงลดลงเมอลดปรมาณคารบอน

บรเวณทสญเสยC(Fe) + 4H (Fe) = CH4 O2 + N2

C(Fe) + H2O = H2 + CO CO + CO2

C(Fe) + CO2 = 2CO H2O (g)Fe + H2O = FeO + H2

Fe + CO2 = FeO + CO

การทาปฏกรยากบสารประกอบกามะถน (Sulfidation) ทอณหภมสง

บรรยากาศทม H2S, S2, SO2, ฯลฯ เชน ไอเสยจากการเผาไหม

นามนหรอถานหน ไอเสยรถยนต ฯลฯ อาจเกดปฏกรยากบผว

โลหะเกดสารประกอบกามะถน ทาให

- สผวเปลยนแปลง เชน ผวทองแดงกลายเปนสคลา ผวเหลก

กลายเปนสดา เพราะเกดสารประกอบโลหะซลไฟด

- เกดรอยแตกราวเพราะเกดสารประกอบทมจดหลอมเหลวตา

เชน โลหะผสมนกเกล เกด Ni3S2 (645°C) พบในงานเชอม

กรณศกษา (Case Study)วสดทางการแพทย Biomaterial ขอตอกระดกเชงกราน

กรณศกษา (Case Study)วสดทางการแพทย Biomaterial ขอตอกระดกเชงกราน

กรณศกษา (Case Study)วสดทางการแพทย Biomaterial ขอตอกระดกเชงกราน

กรณศกษา (Case Study)วสดทางการแพทย Biomaterial ขอตอกระดกเชงกราน

กรณศกษา (Case Study)วสดทางการแพทย Biomaterial ขอตอกระดกเชงกราน

กรณศกษา (Case Study)

กรณศกษา (Case Study)Mitsuo Niinomi, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Volume 1, Issue 1, 2008, pp. 30-42.

เอกสารอางอง1. W.D. Callister, Materials Science and Engineering: An

Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2003. 2. K.Budinski, Engineering Materials, 4th ed., Prentice Hall Inc.,

New Jersey, 1992.3. M.G.Fontana, Corrosion Engineering, 3rd ed., McGraw Hill

Book Company, New York, 1987.4. E.C. Rollason, Metallurgy for Engineers, 4th ed., ELSB,

Richard Clay Ltd, Suffolk, 1985.5. D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion,

Macmillan Publishing Company, Singapore, 1992.6. Mitsuo Niinomi, Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials, Volume 1, Issue 1, 2008, pp. 30-42.