สรุปคุณสมบัติทางกลของวัสดุโลหะ

การทดสอบแรงดึงส่วนใหญ่จะใช้เพื่อกำหนดความสามารถของวัสดุโลหะในการต้านทานความเสียหายในระหว่างกระบวนการยืด และเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดที่สำคัญสำหรับการประเมินคุณสมบัติทางกลของวัสดุ

1. การทดสอบแรงดึง

การทดสอบแรงดึงจะขึ้นอยู่กับหลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ของวัสดุ การให้แรงดึงกับตัวอย่างวัสดุภายใต้เงื่อนไขบางประการ จะทำให้เกิดการเสียรูปของแรงดึงจนกว่าตัวอย่างจะแตกหัก ในระหว่างการทดสอบ การเสียรูปของตัวอย่างทดลองภายใต้โหลดที่แตกต่างกันและโหลดสูงสุดเมื่อมีการบันทึกการแตกตัวของตัวอย่าง เพื่อคำนวณความแข็งแรงของผลผลิต ความต้านทานแรงดึง และตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพอื่น ๆ ของวัสดุ

ความเครียด σ = F/A

σ คือความต้านทานแรงดึง (MPa)

F คือแรงดึง (N)

A คือพื้นที่หน้าตัดของชิ้นงานทดสอบ

2. เส้นโค้งแรงดึง

การวิเคราะห์กระบวนการยืดหลายขั้นตอน:

ก. ในขั้นตอน OP ที่มีโหลดน้อย การยืดตัวจะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับโหลด และ Fp คือโหลดสูงสุดเพื่อรักษาเส้นตรง

ข. หลังจากที่โหลดเกิน Fp เส้นโค้งแรงดึงจะเริ่มมีความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้น ตัวอย่างจะเข้าสู่ขั้นตอนการเปลี่ยนรูปเริ่มต้น และโหลดจะถูกเอาออก และตัวอย่างสามารถกลับสู่สถานะเดิมและทำให้เสียรูปได้อย่างยืดหยุ่น

ค. หลังจากที่โหลดเกิน Fe โหลดจะถูกลบออก ส่วนหนึ่งของการเสียรูปจะถูกเรียกคืน และส่วนหนึ่งของการเสียรูปที่เหลือจะยังคงอยู่ ซึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนรูปพลาสติก Fe เรียกว่าขีดจำกัดยืดหยุ่น

ง. เมื่อภาระเพิ่มขึ้นอีก เส้นโค้งแรงดึงจะแสดงฟันเลื่อย เมื่อภาระไม่เพิ่มขึ้นหรือลดลง ปรากฏการณ์ของการยืดตัวอย่างต่อเนื่องของตัวอย่างทดลองเรียกว่าการให้ผล หลังจากให้ผลผลิต ตัวอย่างจะเริ่มเกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างเห็นได้ชัด

จ. หลังจากให้ผลผลิต ตัวอย่างจะแสดงความต้านทานการเสียรูป การแข็งตัวของงาน และการเสริมการเสียรูปเพิ่มขึ้น เมื่อโหลดถึง Fb ส่วนเดียวกันของตัวอย่างจะหดตัวลงอย่างรวดเร็ว Fb คือขีดจำกัดความแข็งแกร่ง

ฉ. ปรากฏการณ์การหดตัวทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักของตัวอย่างลดลง เมื่อโหลดถึง Fk ตัวอย่างจะแตก สิ่งนี้เรียกว่าภาระการแตกหัก

ความแข็งแรงของผลผลิต

ความแข็งแรงของผลผลิตคือค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุโลหะสามารถทนต่อได้ตั้งแต่เริ่มเปลี่ยนรูปพลาสติกไปจนถึงการแตกหักอย่างสมบูรณ์เมื่อถูกแรงภายนอก ค่านี้ทำเครื่องหมายจุดวิกฤติที่วัสดุเปลี่ยนจากระยะการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นไปสู่ระยะการเปลี่ยนรูปพลาสติก

การจำแนกประเภท

ความแข็งแรงของผลผลิตส่วนบน: หมายถึงความเค้นสูงสุดของตัวอย่างก่อนที่แรงจะลดลงเป็นครั้งแรกเมื่อเกิดการให้ผลผลิต

กำลังของผลผลิตที่ต่ำกว่า: หมายถึงความเค้นขั้นต่ำในระยะของผลผลิต เมื่อละเว้นผลกระทบชั่วคราวเริ่มต้น เนื่องจากค่าของจุดครากที่ต่ำกว่านั้นค่อนข้างคงที่ จึงมักจะใช้เป็นตัวบ่งชี้ความต้านทานของวัสดุ เรียกว่าจุดครากหรือความแข็งแรงของคราก

สูตรการคำนวณ

สำหรับความแข็งแรงของผลผลิตส่วนบน: R = F / Sₒ โดยที่ F คือแรงสูงสุดก่อนที่แรงจะลดลงเป็นครั้งแรกในระยะคราก และ Sₒ คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของตัวอย่าง

สำหรับความแข็งแรงของผลผลิตที่ต่ำกว่า: R = F / Sₒ โดยที่ F คือแรงขั้นต่ำ F โดยไม่สนใจผลกระทบชั่วคราวเริ่มต้น และ Sₒ คือพื้นที่หน้าตัดดั้งเดิมของตัวอย่าง

หน่วย

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

ตัวอย่าง

ยกตัวอย่างเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ขีดจำกัดผลผลิตมักจะอยู่ที่ 207MPa เมื่อได้รับแรงภายนอกที่มากกว่าขีดจำกัดนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำจะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรและไม่สามารถคืนสภาพได้ เมื่อได้รับแรงภายนอกน้อยกว่าขีดจำกัดนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้

ความแข็งแรงของผลผลิตเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญอย่างหนึ่งในการประเมินคุณสมบัติทางกลของวัสดุโลหะ สะท้อนให้เห็นถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปพลาสติกเมื่อถูกแรงภายนอก

ความต้านทานแรงดึง

ความต้านแรงดึงคือความสามารถของวัสดุในการต้านทานความเสียหายภายใต้ภาระแรงดึง ซึ่งแสดงโดยเฉพาะเป็นค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ในระหว่างกระบวนการดึง เมื่อความเค้นดึงบนวัสดุเกินความต้านทานแรงดึง วัสดุจะเกิดการเสียรูปหรือการแตกหักแบบพลาสติก

สูตรการคำนวณ

สูตรการคำนวณความต้านทานแรงดึง (σt) คือ:

σt = F / A

โดยที่ F คือแรงดึงสูงสุด (นิวตัน, N) ที่ชิ้นงานทนได้ก่อนที่จะแตกหัก และ A คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของชิ้นงานทดสอบ (ตารางมิลลิเมตร, mm²)

หน่วย

โดยทั่วไปหน่วยของความต้านทานแรงดึงคือ MPa (เมกะปาสกาล) หรือ N/mm² (นิวตันต่อตารางมิลลิเมตร) 1 MPa เท่ากับ 1,000,000 นิวตันต่อตารางเมตร ซึ่งเท่ากับ 1 N/mm² เช่นกัน

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

ความต้านทานแรงดึงได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ รวมถึงองค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างจุลภาค กระบวนการบำบัดความร้อน วิธีการประมวลผล ฯลฯ วัสดุที่แตกต่างกันมีความต้านทานแรงดึงที่แตกต่างกัน ดังนั้นในการใช้งานจริง จำเป็นต้องเลือกวัสดุที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกลของ วัสดุ.

การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ

ความต้านทานแรงดึงเป็นตัวแปรที่สำคัญมากในสาขาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ และมักใช้ในการประเมินคุณสมบัติทางกลของวัสดุ ในแง่ของการออกแบบโครงสร้าง การเลือกใช้วัสดุ การประเมินความปลอดภัย ฯลฯ ความต้านทานแรงดึงเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณา ตัวอย่างเช่น ในวิศวกรรมการก่อสร้าง ความต้านทานแรงดึงของเหล็กเป็นปัจจัยสำคัญในการพิจารณาว่าจะสามารถรับน้ำหนักได้หรือไม่ ในด้านการบินและอวกาศ ความต้านทานแรงดึงของวัสดุน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงเป็นกุญแจสำคัญในการรับรองความปลอดภัยของเครื่องบิน

ความเมื่อยล้า:

ความล้าของโลหะหมายถึงกระบวนการที่วัสดุและส่วนประกอบค่อยๆ ก่อให้เกิดความเสียหายสะสมถาวรเฉพาะที่ในหนึ่งหรือหลายแห่งภายใต้ความเครียดแบบวนหรือความเครียดแบบวน และรอยแตกหรือการแตกหักอย่างกะทันหันเกิดขึ้นหลังจากจำนวนรอบที่กำหนด

คุณสมบัติ

ความล้าอย่างกะทันหัน: ความล้มเหลวของความล้าของโลหะมักเกิดขึ้นอย่างกะทันหันในช่วงเวลาสั้นๆ โดยไม่มีสัญญาณที่ชัดเจน

ตำแหน่งที่อยู่ในตำแหน่ง: ความล้มเหลวของความเมื่อยล้ามักเกิดขึ้นในพื้นที่ท้องถิ่นที่มีความเครียดกระจุกตัว

ความไวต่อสิ่งแวดล้อมและข้อบกพร่อง: ความล้าของโลหะมีความไวต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมากและมีข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ภายในวัสดุ ซึ่งอาจเร่งกระบวนการล้าได้

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

แอมพลิจูดของความเค้น: ขนาดของความเค้นส่งผลโดยตรงต่ออายุความล้าของโลหะ

ขนาดความเค้นเฉลี่ย: ยิ่งความเค้นเฉลี่ยมากเท่าไร อายุความล้าของโลหะก็จะสั้นลงเท่านั้น

จำนวนรอบ: ยิ่งโลหะอยู่ภายใต้ความเค้นหรือความเครียดแบบวนมากเท่าไร การสะสมความเสียหายจากความล้าก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น

มาตรการป้องกัน

เพิ่มประสิทธิภาพการเลือกวัสดุ: เลือกวัสดุที่มีขีดจำกัดความล้าที่สูงขึ้น

การลดความเข้มข้นของความเครียด: ลดความเข้มข้นของความเครียดด้วยการออกแบบโครงสร้างหรือวิธีการประมวลผล เช่น การใช้การเปลี่ยนมุมโค้งมน การเพิ่มขนาดหน้าตัด เป็นต้น

การรักษาพื้นผิว: การขัด พ่น ฯลฯ บนพื้นผิวโลหะเพื่อลดข้อบกพร่องของพื้นผิวและปรับปรุงความแข็งแรงเมื่อยล้า

การตรวจสอบและบำรุงรักษา: ตรวจสอบส่วนประกอบโลหะเป็นประจำเพื่อตรวจจับและซ่อมแซมข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกร้าว ได้อย่างรวดเร็ว รักษาชิ้นส่วนที่มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้า เช่น การเปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกหรอและเสริมจุดอ่อน

ความล้าของโลหะเป็นโหมดความล้มเหลวของโลหะทั่วไป ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยความฉับพลัน ตำแหน่ง และความไวต่อสิ่งแวดล้อม แอมพลิจูดของความเค้น ขนาดความเค้นโดยเฉลี่ย และจำนวนรอบเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความล้าของโลหะ

เส้นโค้ง SN: อธิบายอายุการใช้งานความล้าของวัสดุภายใต้ระดับความเค้นต่างๆ โดยที่ S แสดงถึงความเค้น และ N แสดงถึงจำนวนรอบความเค้น

สูตรค่าสัมประสิทธิ์ความล้า:

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

โดยที่ (Ka) คือปัจจัยในการโหลด (Kb) คือปัจจัยด้านขนาด (Kc) คือปัจจัยด้านอุณหภูมิ (Kd) คือปัจจัยด้านคุณภาพพื้นผิว และ (Ke) คือปัจจัยด้านความน่าเชื่อถือ

นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของเส้นโค้ง SN:

(\ซิกมา^ม N = C)

โดยที่ (\sigma) คือความเครียด N คือจำนวนรอบของความเครียด และ m และ C คือค่าคงที่ของวัสดุ

ขั้นตอนการคำนวณ

กำหนดค่าคงที่ของวัสดุ:

กำหนดค่าของ m และ C โดยการทดลองหรืออ้างอิงเอกสารที่เกี่ยวข้อง

กำหนดปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น: พิจารณารูปร่างและขนาดที่แท้จริงของชิ้นส่วน ตลอดจนความเข้มข้นของความเค้นที่เกิดจากเนื้อชิ้น ร่องสลัก ฯลฯ เพื่อกำหนดปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น K คำนวณความแข็งแรงของความล้า: ตามเส้นโค้ง SN และความเค้น ปัจจัยความเข้มข้น รวมกับอายุการออกแบบและระดับความเครียดในการทำงานของชิ้นส่วน คำนวณความแข็งแรงของความเมื่อยล้า

2. ความเป็นพลาสติก:

ความเป็นพลาสติกหมายถึงคุณสมบัติของวัสดุที่เมื่อถูกแรงภายนอก จะทำให้เกิดการเสียรูปอย่างถาวรโดยไม่แตกหักเมื่อแรงภายนอกเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่นของมัน การเสียรูปนี้ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ และวัสดุจะไม่กลับคืนสู่รูปทรงเดิมแม้ว่าจะขจัดแรงภายนอกออกไปแล้วก็ตาม

ดัชนีความเป็นพลาสติกและสูตรการคำนวณ

การยืดตัว (δ)

คำนิยาม: การยืดตัวคือเปอร์เซ็นต์ของการเสียรูปทั้งหมดของส่วนเกจหลังจากที่ชิ้นงานทดสอบได้รับแรงดึงจนแตกหักจนถึงความยาวเกจเดิม

สูตร: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

โดยที่ L0 คือความยาวเกจเดิมของชิ้นงานทดสอบ

L1 คือความยาวเกจหลังจากที่ชิ้นงานทดสอบแตกหัก

การลดตามส่วน (Ψ)

คำนิยาม: การลดแบบปล้องคือเปอร์เซ็นต์ของการลดสูงสุดในพื้นที่หน้าตัดที่จุดคอหลังจากที่ชิ้นงานทดสอบหักจนถึงพื้นที่หน้าตัดเดิม

สูตร: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

โดยที่ F0 คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของชิ้นงานทดสอบ

F1 คือพื้นที่หน้าตัดที่จุดคอหลังจากที่ชิ้นงานทดสอบแตกหัก

3. ความแข็ง

ความแข็งของโลหะเป็นดัชนีคุณสมบัติเชิงกลในการวัดความแข็งของวัสดุโลหะ บ่งบอกถึงความสามารถในการต้านทานการเสียรูปในปริมาตรเฉพาะบนพื้นผิวโลหะ

การจำแนกประเภทและการแสดงความแข็งของโลหะ

ความแข็งของโลหะมีวิธีการจำแนกประเภทและการแสดงค่าที่หลากหลายตามวิธีการทดสอบต่างๆ ส่วนใหญ่รวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

ความแข็งของบริเนล (HB):

ขอบเขตการใช้งาน: โดยทั่วไปใช้เมื่อวัสดุนิ่มลง เช่น โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เหล็ก ก่อนการอบชุบหรือหลังการอบอ่อน

หลักการทดสอบ: ด้วยขนาดของโหลดทดสอบที่แน่นอน ลูกเหล็กแข็งหรือลูกคาร์ไบด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งจะถูกกดลงบนพื้นผิวของโลหะที่จะทดสอบ และโหลดจะถูกขนถ่ายหลังจากเวลาที่กำหนด และเส้นผ่านศูนย์กลางของการเยื้อง บนพื้นผิวที่จะทดสอบ

สูตรการคำนวณ: ค่าความแข็งของบริเนลคือผลหารที่ได้จากการหารโหลดด้วยพื้นที่ผิวทรงกลมของการเยื้อง

ความแข็งแบบร็อกเวลล์ (HR):

ขอบเขตการใช้งาน: โดยทั่วไปใช้สำหรับวัสดุที่มีความแข็งสูง เช่น ความแข็งหลังการอบชุบด้วยความร้อน

หลักการทดสอบ: คล้ายกับความแข็งของบริเนล แต่ใช้โพรบต่างกัน (เพชร) และวิธีการคำนวณต่างกัน

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

ความแข็งแบบวิคเกอร์ (HV):

ขอบเขตการใช้งาน: เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์

หลักการทดสอบ: กดพื้นผิววัสดุที่มีน้ำหนักน้อยกว่า 120 กก. และหัวกดกรวยสี่เหลี่ยมเพชรที่มีมุมยอด 136° และหารพื้นที่ผิวของหลุมเยื้องวัสดุด้วยค่าโหลดเพื่อให้ได้ค่าความแข็งของวิคเกอร์

ความแข็งลีบ (HL):

สิ่งอำนวยความสะดวก: เครื่องทดสอบความแข็งแบบพกพา วัดง่าย.

หลักการทดสอบ: ใช้การตีกลับที่เกิดจากหัวบอลกระแทกหลังจากกระแทกกับพื้นผิวความแข็ง และคำนวณความแข็งตามอัตราส่วนของความเร็วการตอบสนองของหมัดที่ 1 มม. จากพื้นผิวตัวอย่างต่อความเร็วกระแทก