1 / 46

บทที่ 9 การทดสอบความแข็ง Hardness Test

บทที่ 9 การทดสอบความแข็ง Hardness Test. 1302 423 Industrial Materials Testing Assistant Professor Dr. Sukangkana Lee. Introduction. ความแข็ง ( Hardness) คือ ความต้านทานต่อแรงกด การขัดสีและการกลึงของวัสดุ วิธีการทดสอบ มีหลายวิธี เช่น

kordell
Télécharger la présentation

บทที่ 9 การทดสอบความแข็ง Hardness Test

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. บทที่ 9การทดสอบความแข็งHardness Test 1302 423 Industrial Materials Testing Assistant Professor Dr. Sukangkana Lee

  2. Introduction ความแข็ง (Hardness) คือ ความต้านทานต่อแรงกด การขัดสีและการกลึงของวัสดุ วิธีการทดสอบ มีหลายวิธี เช่น 1. การทดสอบโดยการเสียดสี พิจารณาความแข็งจากการสึกหรอของผิววัสดุ เช่น การใช้ตะไบผิวชิ้นทดสอบ จะบอกได้เพียงว่า วัสดุใดแข็งหรืออ่อน ไม่ใช่วิธีทดสอบที่เป็นมาตรฐาน

  3. 2. การทดสอบโดยการขีดข่วน ใช้หลักการของวัสดุที่แข็งกว่าสามารถขีดวัสดุที่อ่อนกว่าเป็นรอยได้ จึงมีสเกลความแข็งของโมห์ (Moh's scale of hardness) เริ่มใช้ในปี คศ.1822 • นิยมใช้ในงานธรณีวิทยา • วิธีนี้ให้การทดสอบที่ไม่แน่นอน ไม่นิยมใช้ในทางวิศวกรรม

  4. 3. การทดสอบความแข็งแบบหัวกด ในเชิงโลหะวิทยา จะเป็นการทดสอบความต้านทานต่อการแปรรูปถาวร เมื่อถูกแรงกดจากหัวกดกระทำลงบนชิ้นงานทดสอบ สามารถแบ่งได้เป็น 3 ระดับ ขึ้นอยู่กับขนาดแรงกด • Macro-Hardness :Load > 1 kgf (1 kgf = 9.81 N) • Micro-Hardness :Load  1 kgf • Nano-Hardness :Load < 500 mN (nano resolution)

  5. การทดสอบความแข็งในอุตสาหกรรมการทดสอบความแข็งในอุตสาหกรรม ในงานด้านวิศวกรรม การทดสอบความแข็งของผลิตภัณฑ์ เป็นอีกวิธีหนึ่งที่นิยมใช้เพื่อตรวจสอบความแข็งแรงและคุณภาพ ของชิ้นงานในหลายอุตสาหกรรม ดังตัวอย่างในตาราง

  6. ตัวอย่างการทดสอบความแข็งในอุตสาหกรรมต่างๆตัวอย่างการทดสอบความแข็งในอุตสาหกรรมต่างๆ

  7. Hardness Scale used in various applications Rockwell superficial 1. Brinell Hardness 2. Vickers 4. Rockwell 3. Knoop 5. Shore

  8. Macro-Hardness Test ได้แก่ • Brinell Hardness test • Vickers Hardness test • Rockwell Hardness test • Shore Hardness test

  9. 1. Brinell Hardness Test • ใช้สัญลักษณ์ HBN หรือ HB กับการทดสอบมาตรฐานจะใช้หัวกดทรงกลมเหล็กกล้า  10 mm แรงกดทดสอบ 3000 kgf เวลากด 10-15 วินาที • จะวัดความแข็งของโลหะที่มีความแข็งไม่เกิน 300-650 HB • นิยมใช้มาก วัดได้ถูกต้อง

  10. ลักษณะของหัวกด (Indenter) • เหล็กกล้าชุบแข็งทรงกลม (Hardened steel ball) • ผิวขัดมัน เรียบ ไม่มีตำหนิที่ผิว • เส้นผ่าศูนย์กลาง 10 มม.  0.0035 มม. • ความแข็ง 850HV-1500HV

  11. กระบวนการวัดความแข็งแบบบริเนลล์กระบวนการวัดความแข็งแบบบริเนลล์ Test force, P (kgf) Steel Ball indenter Diameter = D mm Diameter of indentation = d mm D d Hold 10-15 sec Specimen Specimen Specimen HB = Test force (kg) Area of Indentation (mm2) หน่วย kg/mm2 แต่ไม่นิยมเขียนหน่วย

  12. D > 3D + h H> 8h d เงื่อนไขการทดสอบ • ความหนาของชิ้นงาน (H) ต้องมีขนาดอย่างน้อย 8 เท่าของความหนาของรอยกด (h) เพื่อลดอิทธิพลของ strain hardening ในเนื้อชิ้นงาน • ลูกบอลเหล็กกล้าจะมีเส้นผ่าศูนย์กลาง (D) ตั้งแต่ 1.0 มม. ถึง 10 มม. • ระยะหัวกดอยู่ห่างจากขอบแต่ละด้านของชิ้นงาน และระยะห่างของแต่ละรอยกดห่างกันอย่างน้อย 3 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกด

  13. เงื่อนไขการทดสอบ (ต่อ) • เวลาในการกดประมาณ 10-15 วินาที สำหรับเหล็กหรือเหล็กกล้าและ 30 วินาทีสำหรับโลหะอ่อน เช่น ตะกั่วดีบุก เป็นต้น • แรงกดคงที่สำหรับการทดสอบจะอยู่ในช่วง 500-3000 kgf ตามความแข็งของวัสดุ • หากใช้แรงกดมากในการทดสอบโลหะนิ่ม จะทำให้ระยะที่หัวกดจมลงไปลึกมาก จนอาจเกินกว่าครึ่งหนึ่งของหัวกด ทำให้ได้ค่า d น้อยเกินไป • หากแรงกดน้อยเกินไป • ก็จะทำให้ได้ค่า d น้อยเกินไป

  14. การเลือกใช้แรงกด พิจารณาได้จากอัตราส่วน P/D2ตามชนิดของโลหะ ดังตารางต่อไปนี้ คำถาม: ในการทดสอบอะลูมิเนียม ที่มีความแข็งประมาณ 80HB ใช้หัวกด 10 มม. จะต้องใช้น้ำหนักกดเท่าใด ตอบ 500 kg

  15. เงื่อนไขการทดสอบ (ต่อ) • เมื่อทดสอบแล้วต้องไม่เกิดรอยนูนที่ผิวด้านหลัง • ผิวของชิ้นงานทดสอบต้องเรียบ ไม่มี Oxide scale หรือสิ่งแปลกปลอม ควรจะผ่านการขัดมัน เพื่อให้ได้รอยบุ๋มที่เด่นชัด และมองเห็นขอบรอยบุ๋มชัดเจน สามารถวัดขนาดได้ถูกต้องแม่นยำขึ้น

  16. ข้อควรระวัง • การเตรียมผิวต้องหลีกเลี่ยงการเกิดความร้อน และการเกิด Cold working ที่ผิว ซึ่งจะทำให้ความแข็งที่ผิวลดลง หรือสูงขึ้นได้ • ควรวัดเส้นผ่านศูนย์กลางรอยกด 2 ครั้งในแนวตั้งฉากกัน แล้วหาค่าเฉลี่ยเพื่อนำไปคำนวณหาความแข็งต่อไป • ระหว่างการทดสอบต้องไม่มีแรงกระแทกเกิดขึ้น • แท่นวางชิ้นงานต้องแข็งแรง ไม่เกิดการเลื่อนของชิ้นทดสอบขณะทดสอบ

  17. ข้อควรระวัง (ต่อ) • ไม่ควรให้เกิดการบิดเบี้ยวของชิ้นทดสอบ และเกิดส่วนนูนที่ขอบรอยบุ๋ม • ไม่ควรทดสอบกับชิ้นงานที่บางมาก เช่น ใบมีดโกน และ ชิ้นส่วนที่ผ่านการอบชุบผิวแข็ง เพราะ ความหนาผิวแข็งอาจจะบางกว่าความลึกรอยบุ๋ม ทำให้ค่าความแข็งไม่ถูกต้อง

  18. ข้อดี (Advantage) • ในการกด 1 ครั้งจะครอบคลุมหลายๆ เฟสของโครงสร้างจุลภาค ทำให้ได้ค่าที่แสดงความแข็งของชิ้นงานโดยรวม ข้อจำกัด (Limitation) • ชิ้นงานต้องมีขนาดใหญ่เพียงพอที่จะวัดกับหัวกดได้ และไม่ควรวัดกับชิ้นงานที่มีรัศมีผิวโค้งน้อยกว่า 1 นิ้ว Any question?

  19. 2. Vickers Hardness Test • ใช้สัญลักษณ์ HV • เป็นการวัดความแข็งโดยใช้หัวกดเพชรรูปพีระมิดฐานสี่เหลี่ยม (Square-Based Diamond Pyramid) ที่มีมุม 136° ซึ่งเป็นมุมที่มีองศาใกล้เคียงกับหัวกดลักษณะกลมมากที่สุด

  20. ข้อดี (Advantage) • หัวกดเป็นเพชรซึ่งมีความแข็งสูงมากสามารถใช้วัดค่าความแข็งได้ตั้งแต่โลหะที่นิ่มมาก (ประมาณ 5 HV) จนถึงโลหะที่แข็งมากๆ (ประมาณ 1500 HV) โดยไม่ต้องเปลี่ยนหัวกด จะเปลี่ยนก็เฉพาะแรงกดระหว่าง 0.2-100 kg • หัวกดเพชรมีขนาดเล็กมาก ไม่ต้องระวังเรื่องความหนาชิ้นงานมากนัก

  21. การคำนวณความแข็ง kg/mm2 เมื่อ d=(d1+d2)/2

  22. ข้อควรระวัง • ถ้าเลือกน้ำหนักน้อยเกินไป จะได้ค่าความแข็งที่ผิด แต่ถ้าชิ้นงานนิ่มและใช้น้ำหนักกดมากเกินไป อาจทำให้เกิดปัญหากับหัวกดเพชรตอนคลายหัวกดได้ • ผิวของชิ้นงานทดสอบต้องไม่มี oxide scale หรือสิ่งแปลกปลอมการเตรียมผิวของชิ้นทดสอบต้องใช้ความระมัดระวังอย่างมาก และหลีกเลี่ยงการเกิดความร้อน หรือ cold working • ควรเว้นระยะห่างไว้ไม่น้อยกว่า 2.5 เท่าของเส้นทแยงมุมรอยกด ทั้งตามแนวแกน x และ y

  23. ข้อควรระวัง (ต่อ) • ความหนาของชิ้นงานทดสอบควรมากกว่าอย่างน้อย 1.5 เท่าของเส้นทแยงมุมของรอยกดและหลังจากการทดสอบวัดความแข็ง ไม่ควรมีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ให้เห็นทางด้านหลัง (อีกด้านหนึ่ง) ของชิ้นงานทดสอบ • การอ่านค่าความยาวเส้นทแยงมุม จะขึ้นกับสายตาของแต่ละคน ดังนั้นควรให้คนใดคนหนึ่งเป็นผู้อ่านค่า

  24. 3. Rockwell Hardness Test • เป็นวิธีวัดความแข็งของโลหะที่นิยมใช้มากที่สุด • โดยจะวัดความแข็งจากความลึกของรอยกดที่ถูกหัวกดกดด้วยแรงคงที่ ซึ่งจะแตกต่างจากแบบ Brinell และ Vickers ที่วัดจากแรงกดต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ • วิธีนี้จึงมีการวัดด้วยกันหลายสเกล เพื่อให้สามารถเลือกใช้วัดความแข็งได้เหมาะสมที่สุด

  25. ข้อดี (Advantages) • สามารถทดสอบได้รวดเร็ว ไม่ต้องสียเวลาวัดขนาดรอยบุ๋ม • สามารถทดสอบชิ้นงานที่มีขนาดเล็กกว่าแบบบริเนลล์ • สามารถทดสอบวัสดุอ่อน และแข็งได้ และมีหลายสเกลให้เลือกดังตารางที่ 3 หน้า 67

  26. ชนิดของหัวกด มี 2 ประเภท คือ 1. หัวกดเหล็กกล้าทังสเทนคาร์ไบด์ขนาดต่างๆ 2. หัวกดเพชรที่มีมุม cone 120° และรัศมี 0.2 mm เรียกว่า “Brale” ภาพรอยกดของเล็กกล้าเกรด 440s

  27. แรงที่ใช้กดมี 2 ส่วน คือ • Minor load, F0เป็นแรงที่ยึดหัวกดลูกบอลเหล็กชุบแข็ง หรือหัวกดเพชรไว้บนผิวโลหะที่จะวัดความแข็ง มีค่า 10 kgf เมื่อกดแรงนี้ลงไป จะเป็นการ zero set ที่หน้าปัด (Rockwell superficial hardness test จะใช้ minor load = 3 kgf) • Major load, F1เป็นแรงที่มากกว่า F0 และจะกดลงอย่างต่อเนื่องภายหลังจากให้ minor load กับชิ้นงาน

  28. ตัวอย่างการทดสอบโดยใช้หัวกดเพชร, HRC HRC=65 Zero set = 10kgf Major load = 140 kgf Total load = 10+140 kgf = 150kgf ความลึกรอยกดถาวร

  29. การวัดความลึกรอยกด ความลึกรอยกดถาวร, e = ระยะที่กดลงทั้งหมดลบด้วยระยะที่ Minor load กดผิวชิ้นงาน • หัวกดเพชร: ความลึกรอยกดถาวร, e= (100 – ค่าความแข็ง, HRC)x 0.002 ดังนั้น • หัวกดเหล็กกล้าทรงกลม: ความลึกรอยกดถาวร, e= (130 – ค่าความแข็ง, HRB)x 0.002 ดังนั้น

  30. ข้อควรระวัง • ชนิดของวัสดุ โดยทั่วไปผลการทดสอบที่ดีที่สุด ได้จากการใช้แรงกดสูงที่สุดเท่าที่ชิ้นงานทดสอบจะสามารถรับได้ เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด Elastic recovery • ความหนาของชิ้นงานทดสอบควรมากกว่าความลึกของรอยกดอย่างน้อย 10 เท่าเพื่อให้ได้ค่าความแข็งที่ถูกต้อง

  31. 4. Shore Hardness Test Websites ศึกษาด้วยตัวเอง • http://www.calce.umd.edu/general/Facilities/Hardness_ad_.htm

  32. Micro-hardness test 1. Micro-Vickers Hardness • ใช้สัญลักษณ์ HV • เป็นการทดสอบโดยใช้หัวกดเพชรรูปทรงปิรามิด ที่มีมุม 136° เช่นเดียวกับ Macro-vicker’s hardness แต่น้ำหนักกดจะไม่เกิน 1 kgf • รอยกดจะมีความลึกประมาณ 1 ใน 7 ของเส้นทแยงมุม • เหมาะสำหรับโลหะที่มีความแข็งสูง

  33. หัวกดเพชรรูปทรงปิรามิด ที่มีมุม 136° รอยกดของหัวกดเพชร

  34. 2. Knoop Hardness • สัญลักษณ์ HK • การทดสอบนี้พบโดย F. Knoop ในปี 1939 ที่สหรัฐอเมริกา • เหมาะสำหรับทดสอบความแข็งของแก้วและเซรามิก • ความแข็งจะคำนวณจาก โดยที่ F คือ น้ำหนักกดหน่วย kgf D2คือ พื้นที่ของรอยกด (mm2)

  35. หัวกด:หัวกดเพชรรูปปิรามิดหัวกด:หัวกดเพชรรูปปิรามิด ที่ทำมุม 130 และ 172 30’ รอยกดรูป rhombohedral L=7w

  36. เปรียบเทียบระหว่าง Knoop และ Vickers micro-hardness • Vickers จะมีรอยกดที่ลึกกว่า Knoop 2 เท่า • เส้นทแยงมุมของ Vickers จะเท่ากับ 1 ใน 3 ของ เส้นทแยงมุมหลักของ Knoop • Vickers จะมีความไวต่อสภาพผิวน้อยกว่า Knoop • Vickers จะมีความไวต่อการวัดที่ผิดพลาดได้ดีกว่า Knoop • Vickers เหมาะสำหรับบริเวณที่มีพื้นที่ค่อนข้างกลม • Knoop เหมาะสำหรับบริเวณที่มีพื้นที่ค่อนข้างยาวรี • Knoop เหมาะสำหรับทดสอบวัสดุที่แข็งเปราะ และบาง

  37. ปัจจัยที่มีผลต่อผลการทดสอบความแข็งปัจจัยที่มีผลต่อผลการทดสอบความแข็ง • Loading speed(ความเร็วการกด) ความเร็วที่เหมาะสมควรจะอยู่ในช่วงที่ทำให้ค่าความแข็งคงที่ ช่วงความเร็วทดสอบ ที่เหมาะสม Hardness Loading Speed

  38. Load duration (ระยะเวลากดแช่) • ถ้าเราใช้เวลาในการกดทิ้งไว้นานเกินไป จะทำให้ค่าความแข็งน้อยกว่าความเป็นจริง • ถ้าเราใช้เวลากดน้อยเกินไป จะได้รอยกดที่ไม่ชัดเจน เพราะอาจเกิดการคืนตัวยืดหยุ่นของผิวชิ้นงาน • ดังนั้นมาตรฐานทั่วไปจะ กำหนดเวลาในการแช่แรงกดเป็นค่าคงที่คือประมาณ 10-15 วินาที ไม่ว่าจะใช้ขนาดแรงเท่าใดก็ตาม

  39. Nano Hardness test • เป็นการทดสอบความแข็งที่ใช้แรงกดในหน่วย nN-mN และมีความลึกการกดในหน่วย nm • สามารถวัดความแข็งของชิ้นงานที่ต้องการความแม่นยำสูง • สามารถกำหนดบริเวณที่จะวัดได้แม่นยำ • ใช้หัวกดเพชรขนาดเล็ก เรียกว่า “Berkovich” คล้ายปิรามิดสามเหลี่ยม

  40. a coil and magnet assembly on a loading column to drive the indenter downward. Loading Column Gages detect displacements of 0.2 to 0.3 nm at the time of force application. ตัวอย่างส่วนประกอบของเครื่องวัดความแข็ง Nano-indenter แบบ Coil-Magnet

  41. ผิวชิ้นงานหลังจากปลดแรงกดผิวชิ้นงานหลังจากปลดแรงกด จะสูงขึ้นเนื่องจากเกิดการเปลี่ยน แปลงยืดหยุ่น (Elastic displacement) Load, P ผิวเริ่มต้น hf h ผิวชิ้นงานขณะกด Hardness = Pmax A A = Projected contact area at peak load (พื้นที่ผิวแบบฉายของรอยกด)

  42. รอยกดบนผิววัสดุต่างๆ • http://www.micromaterials.co.uk/Nanoindentation.htm • http://www.cms-instrument.com

  43. Applications นอกจากความแข็งแล้ว Nano indenter ยังสามารถวัดคุณสมบัติทางกลอื่นๆ ได้อีก เช่น • Elastic Modulus ของผิวเคลือบ และ Thin film เช่นวัดความแข็งรอยผิวเคลือบแผ่น CD, แผงวงจรไฟฟ้า เป็นต้น • Creep resistance • Fatigue strength • Fracture Toughness

  44. งานท้ายชั่วโมง เวลา: 20 นาที ส่งแล้วกลับได้ • จงบอกประโยชน์ของการวัดความแข็งในอุตสาหกรรม • ชิ้นงานเหล็กหล่อ ทดสอบความแข็งแบบ บริเนลล์ หัวกดเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 mm น้ำหนักกด 3000 kg เวลากดแช่ 15 วินาที วัดเส้นผ่าศูนย์กลางรอยบุ๋มได้ 2.45 mm จะมีค่าความแข็งเท่าใด และเปรียบเทียบจากตารางในสเกลรอกเวลล์C, วิกเกอร์ และ Tensile strength เทียบเท่า

  45. เฉลย ข้อ 2 Scale ความแข็งเทียบเท่า RockwellC 59 Vickers 674 Tensile Strength 326 ksi

More Related