สรุปคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุโลหะ

การทดสอบความแข็งแรงแรงดึงส่วนใหญ่ใช้เพื่อพิจารณาความสามารถของวัสดุโลหะในการต้านทานความเสียหายในระหว่างกระบวนการยืด และเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ที่สำคัญสำหรับการประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

1. การทดสอบแรงดึง

การทดสอบแรงดึงยึดตามหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์วัสดุ โดยการให้แรงดึงกับตัวอย่างวัสดุภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด จะทำให้เกิดการเสียรูปจากแรงดึงจนกระทั่งตัวอย่างแตกหัก ในระหว่างการทดสอบ จะมีการบันทึกการเสียรูปของตัวอย่างทดลองภายใต้แรงกระทำที่แตกต่างกัน และค่าแรงสูงสุดเมื่อตัวอย่างแตกหัก เพื่อคำนวณหาค่าความแข็งแรงจุดคราก ความแข็งแรงแรงดึง และตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพอื่นๆ ของวัสดุ

ความเครียด σ = F/A

σ คือความแข็งแรงแรงดึง (MPa)

F คือแรงดึง (N)

A คือพื้นที่หน้าตัดของชิ้นงาน

2. เส้นโค้งแรงดึง

การวิเคราะห์ขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการยืด:

ก. ในระยะ OP ที่มีภาระน้อย การยืดตัวจะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับภาระ และ Fp คือภาระสูงสุดในการรักษาแนวเส้นตรง

ข. หลังจากแรงกระทำเกิน Fp เส้นโค้งแรงดึงจะเริ่มมีความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้น ตัวอย่างจะเข้าสู่ระยะการเสียรูปเริ่มต้น และแรงกระทำจะถูกนำออก และตัวอย่างสามารถกลับสู่สภาพเดิมและเสียรูปอย่างยืดหยุ่นได้

ค. หลังจากแรงกระทำเกิน Fe แล้ว แรงกระทำจะถูกกำจัดออก การเปลี่ยนรูปบางส่วนจะถูกคืนสภาพ และการเปลี่ยนรูปที่เหลือบางส่วนจะถูกคงไว้ ซึ่งเรียกว่า การเสียรูปพลาสติก Fe เรียกว่า ขีดจำกัดความยืดหยุ่น

ง. เมื่อแรงดึงเพิ่มขึ้นอีก เส้นโค้งแรงดึงจะแสดงเป็นฟันเลื่อย เมื่อแรงดึงไม่เพิ่มขึ้นหรือลดลง ปรากฏการณ์การยืดตัวอย่างต่อเนื่องของตัวอย่างทดลองเรียกว่า การคืบคลาน (Yielding) หลังจากคืบคลานแล้ว ตัวอย่างจะเริ่มเกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างชัดเจน

e. หลังจากเกิดการคืบคลาน ตัวอย่างแสดงให้เห็นถึงความต้านทานการเสียรูปที่เพิ่มขึ้น การแข็งตัวจากการทำงาน และการเสริมความแข็งแรงจากการเสียรูป เมื่อแรงกระทำถึงระดับ Fb ส่วนเดียวกันของตัวอย่างจะหดตัวอย่างรวดเร็ว Fb คือขีดจำกัดความแข็งแรง

ง. ปรากฏการณ์การหดตัวทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักของตัวอย่างลดลง เมื่อแรงกระทำถึงระดับ Fk ตัวอย่างจะแตก ซึ่งเรียกว่าแรงแตกหัก

ความแข็งแรงในการยอมจำนน

ความแข็งแรงคราก คือ ค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุโลหะสามารถทนได้ตั้งแต่เริ่มเกิดการเสียรูปถาวร (Plastic deformation) จนกระทั่งแตกหักอย่างสมบูรณ์เมื่อได้รับแรงภายนอก ค่านี้ถือเป็นจุดวิกฤตที่วัสดุเปลี่ยนจากขั้นตอนการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่น (Elastic deformation) ไปสู่ขั้นตอนการเปลี่ยนรูปถาวร (Plastic deformation)

การจำแนกประเภท

ความแข็งแรงการยืดตัวด้านบน: หมายถึงความเค้นสูงสุดของตัวอย่างก่อนที่แรงจะลดลงเป็นครั้งแรกเมื่อเกิดการยืดตัว

ความแข็งแรงครากต่ำ: หมายถึงความเค้นต่ำสุดในระยะครากเมื่อไม่คำนึงถึงผลกระทบชั่วคราวเริ่มต้น เนื่องจากค่าของจุดครากต่ำค่อนข้างคงที่ จึงมักใช้เป็นตัวบ่งชี้ความต้านทานของวัสดุ ซึ่งเรียกว่า จุดคราก หรือความแข็งแรงคราก

สูตรการคำนวณ

สำหรับความแข็งแรงการยืดตัวสูงสุด: R = F / Sₒ โดยที่ F คือแรงสูงสุดก่อนที่แรงจะลดลงเป็นครั้งแรกในระยะการยืดตัว และ Sₒ คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของตัวอย่าง

สำหรับความแข็งแรงการยืดตัวที่ต่ำกว่า: R = F / Sₒ โดยที่ F คือแรงขั้นต่ำ F โดยไม่คำนึงถึงผลกระทบชั่วคราวเริ่มต้น และ Sₒ คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของตัวอย่าง

หน่วย

หน่วยของค่าความแข็งแรงยอมจำนนโดยทั่วไปคือ MPa (เมกะปาสกาล) หรือ N/mm² (นิวตันต่อตารางมิลลิเมตร)

ตัวอย่าง

ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ขีดจำกัดการครากของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมักจะอยู่ที่ 207 เมกะปาสคาล เมื่อถูกแรงภายนอกที่มากกว่าขีดจำกัดนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำจะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรและไม่สามารถคืนรูปได้ เมื่อถูกแรงภายนอกที่น้อยกว่าขีดจำกัดนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้

ความแข็งแรงคราก (Yield Strength) เป็นหนึ่งในตัวชี้วัดสำคัญในการประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุโลหะ ซึ่งสะท้อนถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปถาวร (Plastic Deformation) เมื่อได้รับแรงจากภายนอก

ความแข็งแรงแรงดึง

ความต้านทานแรงดึง คือ ความสามารถของวัสดุในการต้านทานความเสียหายภายใต้แรงดึง ซึ่งแสดงเป็นค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ในระหว่างกระบวนการดึง เมื่อแรงดึงที่กระทำกับวัสดุเกินกว่าความต้านทานแรงดึง วัสดุจะเกิดการเสียรูปถาวรหรือแตกหัก

สูตรการคำนวณ

สูตรคำนวณค่าความแข็งแรงแรงดึง (σt) คือ

σt = F / A

โดยที่ F คือแรงดึงสูงสุด (นิวตัน N) ที่ชิ้นงานสามารถทนได้ก่อนจะแตกหัก และ A คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของชิ้นงาน (ตารางมิลลิเมตร mm²)

หน่วย

หน่วยของความแข็งแรงแรงดึงโดยทั่วไปคือ MPa (เมกะปาสกาล) หรือ N/mm² (นิวตันต่อตารางมิลลิเมตร) โดย 1 MPa มีค่าเท่ากับ 1,000,000 นิวตันต่อตารางเมตร ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1 N/mm² เช่นกัน

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

ความแข็งแรงแรงดึงได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงองค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างจุลภาค กระบวนการอบชุบด้วยความร้อน วิธีการประมวลผล ฯลฯ วัสดุต่างๆ มีความแข็งแรงแรงดึงที่แตกต่างกัน ดังนั้นในการใช้งานจริง จำเป็นต้องเลือกวัสดุที่เหมาะสมตามคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ

ความต้านทานแรงดึงเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างยิ่งในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์ และมักใช้เพื่อประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ ในด้านการออกแบบโครงสร้าง การเลือกวัสดุ การประเมินความปลอดภัย ฯลฯ ความต้านทานแรงดึงเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณา ยกตัวอย่างเช่น ในงานวิศวกรรมก่อสร้าง ความต้านทานแรงดึงของเหล็กเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดว่าเหล็กสามารถรับน้ำหนักได้หรือไม่ ส่วนในสาขาการบินและอวกาศ ความต้านทานแรงดึงของวัสดุน้ำหนักเบาและวัสดุความแข็งแรงสูงเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างความมั่นใจในความปลอดภัยของอากาศยาน

ความแข็งแรงของความเหนื่อยล้า:

ความล้าของโลหะหมายถึงกระบวนการที่วัสดุและส่วนประกอบสร้างความเสียหายสะสมถาวรในบริเวณหนึ่งหรือหลายจุดภายใต้แรงเครียดแบบวงจรหรือความเครียดแบบวงจร และเกิดรอยแตกร้าวหรือรอยร้าวสมบูรณ์ฉับพลันหลังจากผ่านไปจำนวนวงจรที่กำหนด

คุณสมบัติ

ความฉับพลันตามเวลา: ความล้มเหลวของโลหะจากความล้ามักเกิดขึ้นอย่างกะทันหันในช่วงเวลาสั้นๆ โดยไม่มีสัญญาณที่ชัดเจน

ตำแหน่งในพื้นที่: ความล้มเหลวจากความเมื่อยล้าโดยทั่วไปเกิดขึ้นในพื้นที่เฉพาะที่มีความเครียดรวมตัวอยู่

ความอ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อมและข้อบกพร่อง: ความล้าของโลหะมีความอ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อมและข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ภายในวัสดุมาก ซึ่งอาจทำให้กระบวนการล้าเร็วขึ้น

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

แอมพลิจูดของความเค้น: ขนาดของความเค้นส่งผลโดยตรงต่ออายุความล้าของโลหะ

ขนาดความเค้นเฉลี่ย: ยิ่งความเค้นเฉลี่ยมากขึ้น อายุการใช้งานของความล้าของโลหะก็จะสั้นลง

จำนวนรอบ: ยิ่งโลหะอยู่ภายใต้แรงกดดันหรือความเครียดแบบเป็นรอบมากครั้ง ความเสียหายจากความเมื่อยล้าที่สะสมก็จะรุนแรงมากขึ้น

มาตรการป้องกัน

เพิ่มประสิทธิภาพการเลือกวัสดุ: เลือกวัสดุที่มีขีดจำกัดความล้าที่สูงขึ้น

การลดความเข้มข้นของความเค้น: ลดความเข้มข้นของความเค้นผ่านการออกแบบโครงสร้างหรือวิธีการประมวลผล เช่น การใช้การเปลี่ยนมุมโค้งมน การเพิ่มมิติหน้าตัด เป็นต้น

การบำบัดพื้นผิว: การขัด การพ่น ฯลฯ บนพื้นผิวโลหะเพื่อลดข้อบกพร่องบนพื้นผิวและปรับปรุงความแข็งแรงของความล้า

การตรวจสอบและบำรุงรักษา: ตรวจสอบส่วนประกอบโลหะเป็นประจำเพื่อตรวจจับและซ่อมแซมข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกร้าวอย่างทันท่วงที บำรุงรักษาชิ้นส่วนที่เสี่ยงต่อความล้า เช่น การเปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกหรอและเสริมจุดอ่อน

ความล้าของโลหะเป็นรูปแบบความล้มเหลวของโลหะที่พบบ่อย ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือความฉับพลัน สภาวะเฉพาะที่ และความไวต่อสภาพแวดล้อม แอมพลิจูดของความเค้น ขนาดความเค้นเฉลี่ย และจำนวนรอบ เป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความล้าของโลหะ

เส้นโค้ง SN: อธิบายอายุความล้าของวัสดุภายใต้ระดับความเค้นที่แตกต่างกัน โดยที่ S แทนความเค้น และ N แทนจำนวนรอบความเค้น

สูตรค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งแรงความเมื่อยล้า:

(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)

โดยที่ (Ka) คือปัจจัยภาระ (Kb) คือปัจจัยขนาด (Kc) คือปัจจัยอุณหภูมิ (Kd) คือปัจจัยคุณภาพพื้นผิว และ (Ke) คือปัจจัยความน่าเชื่อถือ

นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของเส้นโค้ง SN:

(\sigma^m N = C)

โดยที่ (\sigma) คือความเค้น N คือจำนวนรอบของความเค้น และ m และ C คือค่าคงที่ของวัสดุ

ขั้นตอนการคำนวณ

กำหนดค่าคงที่ของวัสดุ:

กำหนดค่าของ m และ C โดยการทดลองหรือโดยการอ้างอิงเอกสารที่เกี่ยวข้อง

ไทย กำหนดปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น: พิจารณารูปร่างและขนาดจริงของชิ้นส่วน รวมถึงความเข้มข้นของความเค้นที่เกิดจากรอยบาก ร่องลิ่ม ฯลฯ เพื่อกำหนดปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น K คำนวณความแข็งแรงของความล้า: โดยอิงตามเส้นโค้ง SN และปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น รวมกับอายุการใช้งานที่ออกแบบและระดับความเค้นในการทำงานของชิ้นส่วน คำนวณความแข็งแรงของความเค้น

2. ความยืดหยุ่น:

ความเป็นพลาสติก หมายถึง คุณสมบัติของวัสดุที่เมื่อได้รับแรงภายนอก จะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรโดยไม่แตกหักเมื่อแรงภายนอกเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น การเสียรูปนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ และวัสดุจะไม่กลับคืนสู่รูปร่างเดิมแม้ว่าจะขจัดแรงภายนอกออกไปแล้วก็ตาม

ดัชนีพลาสติกและสูตรการคำนวณ

การยืดตัว (δ)

คำจำกัดความ: การยืดตัวคือเปอร์เซ็นต์ของการเสียรูปทั้งหมดของส่วนวัดหลังจากชิ้นงานถูกดึงจนแตกเป็นความยาววัดเดิม

สูตร: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

โดยที่ L0 คือความยาวเกจเดิมของตัวอย่าง

L1 คือความยาวเกจหลังจากชิ้นงานแตกหัก

การลดส่วน (Ψ)

คำจำกัดความ: การลดขนาดแบบแบ่งส่วนคือเปอร์เซ็นต์ของการลดขนาดสูงสุดในพื้นที่หน้าตัดที่จุดคอหลังจากที่ชิ้นงานถูกทำลายลงสู่พื้นที่หน้าตัดเดิม

สูตร: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

โดยที่ F0 คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของชิ้นงาน

F1 คือพื้นที่หน้าตัดที่จุดคอหลังจากที่ชิ้นงานแตกหัก

3. ความแข็ง

ความแข็งของโลหะเป็นดัชนีคุณสมบัติเชิงกลที่ใช้วัดความแข็งของวัสดุโลหะ ดัชนีนี้บ่งชี้ถึงความสามารถในการต้านทานการเสียรูปในปริมาตรเฉพาะบนพื้นผิวโลหะ

การจำแนกและการแสดงความแข็งของโลหะ

ความแข็งของโลหะมีวิธีจำแนกและแสดงค่าที่หลากหลายตามวิธีการทดสอบที่แตกต่างกัน หลักๆ ประกอบด้วย:

ความแข็งบริเนลล์ (HB):

ขอบเขตการใช้งาน: โดยทั่วไปใช้เมื่อวัสดุมีความอ่อนตัว เช่น โลหะที่ไม่มีธาตุเหล็ก เหล็ก ก่อนการอบด้วยความร้อนหรือหลังการอบอ่อน

หลักการทดสอบ: เมื่อทดสอบด้วยน้ำหนักบรรทุกที่กำหนด ลูกเหล็กชุบแข็งหรือลูกคาร์ไบด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนด จะถูกกดลงบนพื้นผิวของโลหะที่ต้องการทดสอบ จากนั้นจึงปล่อยน้ำหนักบรรทุกออกหลังจากผ่านไประยะเวลาที่กำหนด และวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยบุ๋มบนพื้นผิวที่ต้องการทดสอบ

สูตรการคำนวณ: ค่าความแข็ง Brinell คือผลหารที่ได้จากการหารภาระด้วยพื้นที่ผิวทรงกลมของรอยบุ๋ม

ความแข็งร็อคเวลล์ (HR):

ขอบเขตการใช้งาน: โดยทั่วไปใช้สำหรับวัสดุที่มีความแข็งสูง เช่น ความแข็งหลังจากการอบชุบด้วยความร้อน

หลักการทดสอบ: คล้ายกับความแข็งแบบบริเนล แต่ใช้หัววัด (เพชร) และวิธีการคำนวณที่แตกต่างกัน

ประเภท: ขึ้นอยู่กับการใช้งาน มี HRC (สำหรับวัสดุที่มีความแข็งสูง), HRA, HRB และประเภทอื่นๆ

ความแข็งวิกเกอร์ส (HV):

ขอบเขตการใช้งาน: เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์

หลักการทดสอบ: กดพื้นผิววัสดุด้วยน้ำหนักที่น้อยกว่า 120 กก. และเครื่องเจาะรูปกรวยสี่เหลี่ยมเพชรที่มีมุมยอด 136° และหารพื้นที่ผิวของหลุมเจาะวัสดุด้วยค่าน้ำหนักที่จะรับได้ เพื่อให้ได้ค่าความแข็งแบบวิกเกอร์ส

ความแข็งลีบ (HL):

คุณสมบัติ: เครื่องทดสอบความแข็งแบบพกพา วัดง่าย

หลักการทดสอบ: ใช้การกระดอนที่เกิดจากหัวลูกบอลกระแทกหลังจากกระทบกับพื้นผิวที่มีความแข็ง และคำนวณความแข็งโดยอัตราส่วนความเร็วการกระดอนของหมัดที่ระยะ 1 มม. จากพื้นผิวตัวอย่างกับความเร็วการกระแทก