สรุปคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุโลหะ

การทดสอบความแข็งแรงแรงดึงส่วนใหญ่ใช้เพื่อพิจารณาความสามารถของวัสดุโลหะที่จะต้านทานความเสียหายในระหว่างกระบวนการยืด และเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

1. การทดสอบแรงดึง

การทดสอบแรงดึงนั้นใช้หลักการพื้นฐานของกลศาสตร์ของวัสดุ โดยการใช้แรงดึงกับตัวอย่างวัสดุภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง จะทำให้เกิดการเสียรูปจากการดึงจนกระทั่งตัวอย่างแตกหัก ในระหว่างการทดสอบ จะมีการบันทึกการเสียรูปของตัวอย่างทดลองภายใต้แรงที่แตกต่างกันและแรงสูงสุดเมื่อตัวอย่างแตกหัก เพื่อคำนวณความแข็งแรงของผลผลิต ความแข็งแรงในการดึง และตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพอื่นๆ ของวัสดุ

ความเครียด σ = F/A

σ คือความแข็งแรงแรงดึง (MPa)

F คือแรงดึง (N)

A คือพื้นที่หน้าตัดของชิ้นงาน

2. เส้นโค้งแรงดึง

การวิเคราะห์ขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการยืด:

ก. ในระยะ OP ที่มีโหลดน้อย การยืดตัวจะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับโหลด และ Fp คือโหลดสูงสุดเพื่อรักษาเส้นตรง

ข. หลังจากที่รับน้ำหนักเกิน Fp เส้นโค้งแรงดึงจะเริ่มมีความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเชิงเส้น ตัวอย่างจะเข้าสู่ระยะการเปลี่ยนรูปเริ่มต้น และน้ำหนักจะถูกเอาออก และตัวอย่างจะกลับสู่สถานะเดิมและเสียรูปอย่างยืดหยุ่นได้

c. หลังจากที่โหลดเกิน Fe โหลดจะถูกเอาออก ส่วนหนึ่งของการเสียรูปจะถูกคืนสภาพ และส่วนหนึ่งของการเสียรูปที่เหลือจะถูกเก็บไว้ ซึ่งเรียกว่าการเสียรูปพลาสติก Fe เรียกว่าขีดจำกัดความยืดหยุ่น

ง. เมื่อแรงดึงเพิ่มขึ้นอีก เส้นโค้งแรงดึงจะแสดงเป็นฟันเลื่อย เมื่อแรงดึงไม่เพิ่มขึ้นหรือลดลง ปรากฏการณ์ของการยืดตัวต่อเนื่องของตัวอย่างทดลองเรียกว่าการยอมจำนน หลังจากยอมจำนนแล้ว ตัวอย่างจะเริ่มเกิดการเสียรูปพลาสติกอย่างชัดเจน

e. หลังจากให้ผลผลิตแล้ว ตัวอย่างจะแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของความต้านทานการเสียรูป การแข็งตัวจากการทำงาน และการเสริมความแข็งแรงจากการเสียรูป เมื่อโหลดถึง Fb ส่วนเดียวกันของตัวอย่างจะหดตัวอย่างรวดเร็ว Fb คือขีดจำกัดความแข็งแรง

f. ปรากฏการณ์การหดตัวทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักของตัวอย่างลดลง เมื่อแรงกดถึง Fk ตัวอย่างจะแตกหัก เรียกว่าแรงแตกหัก

ความแข็งแรงผลผลิต

ความแข็งแรงในการยืดตัวคือค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุโลหะสามารถทนทานได้ตั้งแต่เริ่มเกิดการเสียรูปถาวรจนกระทั่งแตกหักสมบูรณ์เมื่อได้รับแรงภายนอก ค่านี้ถือเป็นจุดวิกฤตที่วัสดุเปลี่ยนจากขั้นตอนของการเสียรูปยืดหยุ่นไปเป็นขั้นตอนของการเสียรูปถาวร

การจำแนกประเภท

ความแข็งแรงการยืดตัวส่วนบน: หมายถึงความเค้นสูงสุดของตัวอย่างก่อนที่แรงจะลดลงเป็นครั้งแรกเมื่อเกิดการยืดตัว

ความแข็งแรงในการยืดตัวที่ต่ำลง: หมายถึงความเค้นที่น้อยที่สุดในระยะการยืดตัวเมื่อไม่คำนึงถึงผลกระทบชั่วคราวเบื้องต้น เนื่องจากค่าของจุดยืดตัวที่ต่ำลงค่อนข้างคงที่ จึงมักใช้เป็นตัวบ่งชี้ความต้านทานของวัสดุที่เรียกว่า จุดยืดตัวหรือความแข็งแรงในการยืดตัว

สูตรการคำนวณ

สำหรับความแข็งแรงผลผลิตสูงสุด: R = F / Sₒ โดยที่ F คือแรงสูงสุดก่อนที่แรงจะลดลงเป็นครั้งแรกในระยะผลผลิต และ Sₒ คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของตัวอย่าง

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

หน่วย

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

ตัวอย่าง

ยกตัวอย่างเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ขีดจำกัดผลผลิตโดยทั่วไปคือ 207 MPa เมื่อได้รับแรงภายนอกที่มากกว่าขีดจำกัดนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำจะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรและไม่สามารถคืนรูปได้ เมื่อได้รับแรงภายนอกที่น้อยกว่าขีดจำกัดนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำจะกลับคืนสู่สภาพเดิมได้

ความแข็งแรงของวัสดุเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญอย่างหนึ่งในการประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุโลหะ ซึ่งสะท้อนถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปถาวรเมื่อได้รับแรงภายนอก

ความแข็งแรงแรงดึง

ความแข็งแรงในการดึงคือความสามารถของวัสดุในการต้านทานความเสียหายภายใต้แรงดึง ซึ่งแสดงไว้โดยเฉพาะเป็นค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนทานได้ในระหว่างกระบวนการดึง เมื่อความเค้นในการดึงวัสดุเกินความแข็งแรงในการดึง วัสดุจะเกิดการเสียรูปถาวรหรือแตกหัก

สูตรการคำนวณ

สูตรคำนวณค่าความแข็งแรงแรงดึง (σt) คือ

σt = เอฟ / เอ

โดยที่ F คือแรงดึงสูงสุด (นิวตัน, N) ที่ชิ้นงานสามารถทนได้ก่อนจะแตกหัก และ A คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของชิ้นงาน (ตารางมิลลิเมตร, มม.²)

หน่วย

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

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

ความแข็งแรงในการดึงได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงองค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างจุลภาค กระบวนการอบชุบด้วยความร้อน วิธีการประมวลผล ฯลฯ วัสดุต่างชนิดกันจะมีความแข็งแรงในการดึงต่างกัน ดังนั้นในการใช้งานจริง จำเป็นต้องเลือกวัสดุที่เหมาะสมตามคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

การประยุกต์ใช้งานจริง

ความแข็งแรงในการดึงเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมากในสาขาวิชาวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์ และมักใช้ในการประเมินคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ ในแง่ของการออกแบบโครงสร้าง การเลือกวัสดุ การประเมินความปลอดภัย ฯลฯ ความแข็งแรงในการดึงเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณา ตัวอย่างเช่น ในวิศวกรรมการก่อสร้าง ความแข็งแรงในการดึงของเหล็กเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดว่าเหล็กจะรับน้ำหนักได้หรือไม่ ในสาขาวิชาการบินและอวกาศ ความแข็งแรงในการดึงของวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงเป็นปัจจัยสำคัญในการรับรองความปลอดภัยของเครื่องบิน

ความแข็งแรงความเหนื่อยล้า:

ความล้าของโลหะ หมายถึงกระบวนการที่วัสดุและส่วนประกอบสร้างความเสียหายสะสมถาวรในท้องถิ่นอย่างค่อยเป็นค่อยไปในหนึ่งหรือหลายจุดภายใต้ความเครียดแบบวงจรหรือความเครียดแบบวงจร และเกิดรอยแตกร้าวหรือรอยร้าวสมบูรณ์ฉับพลันหลังจากผ่านไปจำนวนรอบหนึ่ง

คุณสมบัติ

ความฉับพลันตามเวลา: ความล้มเหลวจากความล้าของโลหะมักเกิดขึ้นอย่างกะทันหันในช่วงเวลาสั้นๆ โดยไม่มีสัญญาณที่ชัดเจน

ตำแหน่งที่ตั้ง: ความล้มเหลวจากความเมื่อยล้าโดยทั่วไปเกิดขึ้นในพื้นที่เฉพาะที่ที่มีความเครียดกระจุกตัวกัน

ความอ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อมและข้อบกพร่อง: ความล้าของโลหะมีความอ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อมและข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ภายในวัสดุมาก ซึ่งอาจทำให้กระบวนการล้าเร็วขึ้น

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

ขนาดของความเครียด: ขนาดของความเครียดส่งผลโดยตรงต่ออายุความล้าของโลหะ

ขนาดความเค้นโดยเฉลี่ย: ยิ่งความเค้นโดยเฉลี่ยมากขึ้น อายุความล้าของโลหะก็จะสั้นลง

จำนวนรอบ: ยิ่งโลหะอยู่ภายใต้แรงกดดันหรือความเครียดแบบเป็นรอบมากเท่าไร ความเสียหายจากความเมื่อยล้าที่สะสมก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น

มาตรการป้องกัน

เพิ่มประสิทธิภาพในการเลือกวัสดุ: เลือกวัสดุที่มีขีดจำกัดความล้าที่สูงขึ้น

การลดความเข้มข้นของความเครียด: ลดความเข้มข้นของความเครียดผ่านการออกแบบโครงสร้างหรือวิธีการประมวลผล เช่น การใช้การเปลี่ยนมุมโค้งมน การเพิ่มมิติหน้าตัด ฯลฯ

การเคลือบพื้นผิว: การขัด การพ่น ฯลฯ บนพื้นผิวโลหะ เพื่อลดข้อบกพร่องบนพื้นผิว และปรับปรุงความแข็งแรงในการต้านทานความล้า

การตรวจสอบและบำรุงรักษา: ตรวจสอบส่วนประกอบโลหะเป็นประจำเพื่อตรวจจับและซ่อมแซมข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกร้าวอย่างทันท่วงที บำรุงรักษาชิ้นส่วนที่เสี่ยงต่อความล้า เช่น การเปลี่ยนชิ้นส่วนที่สึกหรอและเสริมจุดเชื่อมต่อที่อ่อนแอ

ความล้าของโลหะเป็นรูปแบบความล้มเหลวของโลหะที่พบบ่อย ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือ เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน เกิดขึ้นเฉพาะที่ และไวต่อสภาพแวดล้อม แอมพลิจูดของความเค้น ขนาดความเค้นเฉลี่ย และจำนวนรอบเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความล้าของโลหะ

เส้นโค้ง SN: อธิบายอายุความล้าของวัสดุภายใต้ระดับความเค้นต่างกัน โดยที่ S แทนความเค้น และ N แทนจำนวนรอบความเค้น

สูตรค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งแรงความล้า:

(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 คือจำนวนรอบความเค้น และ m และ C คือค่าคงที่ของวัสดุ

ขั้นตอนการคำนวณ

กำหนดค่าคงที่ของวัสดุ:

กำหนดค่าของ m และ C โดยผ่านการทดลองหรือโดยการอ้างอิงเอกสารที่เกี่ยวข้อง

ภาษาไทยกำหนดปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น: พิจารณาจากรูปร่างและขนาดจริงของชิ้นส่วน รวมถึงความเข้มข้นของความเค้นที่เกิดจากรอยบาก ร่องลิ่ม ฯลฯ เพื่อกำหนดปัจจัยความเข้มข้นของความเค้น K คำนวณความแข็งแรงของความล้า: คำนวณความแข็งแรงของความล้าโดยอาศัยเส้นโค้ง SN และปัจจัยความเข้มข้นของความเค้นร่วมกับอายุการออกแบบและระดับความเค้นในการทำงานของชิ้นส่วน

2. ความยืดหยุ่น:

ความเป็นพลาสติกหมายถึงคุณสมบัติของวัสดุที่เมื่อได้รับแรงภายนอก จะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรโดยไม่แตกหักเมื่อแรงภายนอกเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น การเสียรูปนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ และวัสดุจะไม่กลับคืนสู่รูปร่างเดิมแม้ว่าจะขจัดแรงภายนอกออกไปแล้วก็ตาม

ดัชนีความเป็นพลาสติกและสูตรการคำนวณ

การยืดออก (δ)

คำจำกัดความ: การยืดตัวคือเปอร์เซ็นต์ของการเปลี่ยนรูปทั้งหมดของส่วนวัดหลังจากชิ้นงานถูกดึงจนแตกเป็นความยาววัดเดิม

สูตร: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

โดยที่ L0 คือความยาวมาตรวัดเดิมของชิ้นงาน

L1 คือความยาวเกจหลังจากชิ้นงานแตกหัก

การลดส่วน (Ψ)

คำจำกัดความ: การลดขนาดแบบแบ่งส่วนคือเปอร์เซ็นต์ของการลดขนาดสูงสุดในพื้นที่หน้าตัดที่จุดคอหลังจากที่ชิ้นงานแตกหักลงมาสู่พื้นที่หน้าตัดเดิม

สูตร: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

โดยที่ F0 คือพื้นที่หน้าตัดเดิมของชิ้นงาน

F1 คือพื้นที่หน้าตัดที่จุดคอหลังจากที่ชิ้นงานแตกหัก

3. ความแข็ง

ความแข็งของโลหะเป็นดัชนีคุณสมบัติเชิงกลที่ใช้วัดความแข็งของวัสดุโลหะ โดยบ่งชี้ถึงความสามารถในการต้านทานการเสียรูปในปริมาตรเฉพาะที่บนพื้นผิวโลหะ

การจำแนกและการแสดงความแข็งของโลหะ

ความแข็งของโลหะมีวิธีจำแนกและแสดงค่าต่างๆ ตามวิธีการทดสอบที่แตกต่างกัน โดยหลักๆ แล้วมีดังนี้:

ความแข็งบริเนล (HB):

ขอบเขตการใช้งาน: โดยทั่วไปใช้เมื่อวัสดุมีความอ่อนตัว เช่น โลหะที่ไม่มีธาตุเหล็ก เหล็กก่อนการอบชุบด้วยความร้อนหรือหลังการอบอ่อน

หลักการทดสอบ: เมื่อได้รับน้ำหนักทดสอบตามที่กำหนด ลูกเหล็กชุบแข็งหรือลูกคาร์ไบด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนดจะถูกกดลงบนพื้นผิวของโลหะที่ต้องการทดสอบ จากนั้นจึงปล่อยน้ำหนักออกหลังจากผ่านไประยะเวลาที่กำหนด และวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยบุ๋มบนพื้นผิวที่ต้องการทดสอบ

สูตรการคำนวณ : ค่าความแข็ง Brinell คือผลหารที่ได้จากการหารภาระด้วยพื้นที่ผิวทรงกลมของรอยบุ๋ม

ความแข็งร็อคเวลล์ (HR):

ขอบเขตการใช้งาน: โดยทั่วไปใช้สำหรับวัสดุที่มีความแข็งสูง เช่น ความแข็งหลังจากการอบชุบด้วยความร้อน

หลักการทดสอบ: คล้ายกับความแข็งแบบ Brinell แต่ใช้หัววัด (เพชร) ที่แตกต่างกัน และวิธีการคำนวณที่แตกต่างกัน

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

ความแข็งวิกเกอร์ส (HV):

ขอบเขตการใช้งาน: เหมาะสำหรับการวิเคราะห์กล้องจุลทรรศน์

หลักการทดสอบ: กดพื้นผิววัสดุด้วยน้ำหนักที่น้อยกว่า 120 กิโลกรัม และเครื่องเจาะรูปกรวยสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนที่มีมุมยอด 136° และหารพื้นที่ผิวของหลุมเจาะวัสดุด้วยค่าน้ำหนักเพื่อให้ได้ค่าความแข็งวิกเกอร์ส

ความแข็งของลีบ (HL):

คุณสมบัติ: เครื่องทดสอบความแข็งแบบพกพา วัดง่าย

หลักการทดสอบ: ใช้แรงเด้งที่เกิดจากหัวบอลกระแทกหลังจากกระแทกพื้นผิวแข็ง แล้วคำนวณความแข็งโดยอัตราส่วนความเร็วการเด้งกลับของหัวเจาะที่ระยะ 1 มม. จากพื้นผิวตัวอย่างต่อความเร็วการกระแทก