บทที่ 6 การทดสอบแรงดึง Tension Test

บทที่ 6การทดสอบแรงดึง Tension Test 1302 423 Industrial Materials Testing Dr. Sukangkana Lee

บทนำ การทดสอบแรงดึง มีวัตถุประสงค์ เพื่อวัดคุณสมบัติความต้านทานของวัสดุต่อแรงดึง • เป็นประโยชน์ในการออกแบบ และการเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งาน • ในการทดสอบจะเป็นการใช้แรงดึงที่เพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอดึงชิ้นงานให้ยืดออกและขาดในที่สุด • โดยปกติแล้วมักจะทดสอบกับวัสดุที่เหนียวมากกว่าเปราะ

วิธีการทดสอบ • กลึงแต่งชิ้นทดสอบ (specimen) จากชิ้นงานตัวอย่าง (sample) ให้ได้ขนาดตามมาตรฐานที่ใช้อ้างอิง เช่น มอก., JIS เป็นต้น • ทำความสะอาดชิ้นทดสอบ (specimen) ใช้กระดาษทรายลูบชิ้นทดสอบ ถ้าผิวมีสนิม เพื่อป้องกันการเลื่อน ของชิ้นงานจากหัวจับขณะทำการดึง • ตรวจสอบความเรียบ ตรง ของชิ้นทดสอบโดยจะต้องไม่โกงงอ • ทำการวัดและบันทึกค่าขนาดและมิติของชิ้นทดสอบ • ทำการดึงด้วยเครื่องดึง (Tensile machine) ซึ่งเมื่อดึงเสร็จสิ้น (ชิ้นงานขาดจากกันเป็นสองส่วน) • วาดกราฟและคำนวณค่าต่างๆ ที่เราต้องการ

การวิเคราะห์ข้อมูล True stress Engineering stress

ช่วงการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น (Elastic deformation) • ระยะยืดตัว AB จะ แปรผันตรง กับแรงที่มาดึง เป็นเส้นตรง เรียกว่า Proportional limit • ความชันของเส้นตรงนี้จะเรียกว่า Young’s Modulus of Elasticity • เมื่อวัสดุยืดตัวอีกเล็กน้อยจะถึงจุด C ซึ่งเป็นจุดที่เริ่มที่จะมีการแปรรูปแบบถาวร หรือ จุดครากบน (Upper Yield Point) • โดยวัสดุที่ได้รับแรงดึงในช่วง AC เมื่อทำการหยุดดึง ความยาวของชิ้นงานจะหดกลับไปยังความยาวเริ่มแรกของวัสดุนั้น

ช่วงการเปลี่ยนรูปแบบถาวร (Plastic deformation) • สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเมื่อทำการแปรรูปต่อจาก จุด C ชิ้นงานจะสามารถยืดตัวออกไปได้ (เรียกการเกิด Plastic flow) ด้วยความเค้นที่ลดลงและคงที่ในช่วงสั้นๆที่ จุด D ซึ่งเป็น จุดครากล่าง (Lower Yield point) • ค่าความเค้นที่จุด D นี้เรียกว่า ความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield strength)หรือ ความเค้นคราก (Yield Stress)

การเกิดของจุดครากบนและล่างนี้จะเป็นคุณสมบัติเฉพาะของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำการเกิดของจุดครากบนและล่างนี้จะเป็นคุณสมบัติเฉพาะของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ • เมื่อเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำได้รับแรงถึง จุดครากบน จะเกิดการเสียรูปที่ไม่สม่ำเสมอตลอดความยาวพิกัด แต่ จะกระจายสม่ำเสมอตลอดความยาวพิกัดเมื่อถึง จุดครากล่าง • จนกระทั่งมีความเครียดถาวรสม่ำเสมอตลอดความยาวพิกัด ซึ่งเรียกว่าเกิด the Lüders strain หลังจากนั้นชิ้นทดสอบจะมีพฤติกรรมภายใต้แรงกระทำ คือ แข็งแรงขึ้นเมื่อความเครียดเพิ่มขึ้น (strain-hardening) เหมือนกับวัสดุอื่นที่ไม่มีจุดคราก

สำหรับโลหะที่ไม่ปรากฏจุดครากที่ชัดเจนให้เห็น เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนหลังจากผ่านการรีดปรับผิว (Skin pass rolling) และที่ผ่านการอบอ่อน และโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เป็นต้น • ดังนั้น การคำนวณค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก จะใช้วิธีการลากเส้นขนานกับช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรง (Proportional limit) เรียกว่า Offset method • เช่น วัดที่ระยะห่าง 0.2% ของ Gauge length ไปตัดกับเส้นกราฟที่ได้จากการดึง

ค่าความเค้นที่จุด Y เรียกว่า ความเค้นพิสูจน์ (Proof stress) ที่ 0.2%

ชิ้นทดสอบ • ลักษณะภาคตัดขวางมีได้หลายลักษณะ เช่น วงกลม, สี่เหลี่ยมจัตุรัส หรือ สี่เหลี่ยมผืนผ้า • ชิ้นทดสอบจะได้จากการสุ่ม • ชิ้นงานอาจจะตัดมาจากผลิตภัณฑ์โดยตรง หรือต้องผ่านการกลึงแต่งเพื่อให้ได้ขนาด ซึ่งให้เป็นไปตามมาตรฐาน มอก 244 เล่ม 4-2525

Gauge length

การเตรียมชิ้นงานที่ผิดพลาดการเตรียมชิ้นงานที่ผิดพลาด

การยึดชิ้นทดสอบ • ต้องให้แรงดึงทดสอบอยู่ในแนวแกนของชิ้นทดสอบ • ต้องไม่ทำให้เกิดการแกว่ง หรือเกิดการดัดโค้งระหว่างที่ทำการทดสอบ • รูบร่างของบริเวณจะจับยึดสามารถทำได้หลายแบบ เช่น แบบเรียบ, เป็นบ่า, เกลียว, รูสำหรับสลัก เป็นต้น

อุปกรณ์จับยึดต้องมีความแข็งแรงเพียงพอต่อแรงกระทำ ส่วนมากมีลักษณะเป็นลิ่ม (Wedge grips) แต่จะไม่เหมาะสำหรับชิ้นงานที่เป็นโลหะเปราะเพราะจะทำให้แตกได้

ตัวอย่างการจับยึดชิ้นงานตัวอย่างการจับยึดชิ้นงาน Spherical bearing มีไว้เพื่อป้องกัน______________

ข้อสังเกตุ และ ควรระวัง • Elongation • วัดได้จากการนำชิ้นงานหลังจากชิ้นงานขาดจากกันแล้ว มาต่อให้สนิทที่สุด ในแนวเส้นตรง แล้วทำการวัด • ซึ่งอาจจะมีข้อผิดพลาดของสัญลักษณ์ไม่ชัดเจน และ human error ซึ่งอาจจะแก้ไขได้โดยการใช้เครื่องวัดการยืด (Extensometer) จะมีลักษณะเป็นไมโครมิเตอร์ หรือนาฬิกาวัด

ถ้าตำแหน่งที่ขาดไม่อยู่ในช่วง gauge length ต้องทำใหม่ • เปอร์เซนต์การยืด จะไม่เท่ากันตลอดความยาว เมื่อเกิดคอคอด % Elongation ของชิ้นงาน = 31.25% แต่ถ้าพิจารณาตลอดความยาวGauge length จะพบว่า มีค่าตั้งแต่ 20-78% และ บริเวณคอคอด(5) มี% สูงสุด 1 2 3 4 5 6 7 8

2. ขนาดของชิ้นงาน • ทั่วไปจะกำหนด ความยาวพิกัด Lo=5.65So0.5 หรือ Lo=5d เป็น ชิ้นทดสอบได้สัดส่วน • ถ้าค่าสัดส่วน L/d ต่ำกว่านี้ จะมีผลต่อค่า %ความยืด และการลดลงของพื้นที่หน้าตัด • ถ้าค่า L/d=0 จะทำให้มีลักษณะเหมือนรอยบาก และทำให้เป็น บริเวณรวมของความเค้น (stress concentration) จะทำให้ค่าความแข็งแรงเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียวลดลงมาก

Length:Diameter ratio (a) Effect of Ductility (b) Effect on stress-strain L=3d L=2d L=0.5d L=d L=0d

3. ลักษณะการแตกของชิ้นงาน (a) (b) (c) (d) (e) (f) (a) Flat and Granular; Cast iron (b) Cup Cone, Silky; Mild Steel, Al (c) Partial cup-cone; Mild steel (d) Star fracture; Cold-worked or Heat-treated materials (e) Irregular; Wrought alloy (f) Cup Cone, Silky; Flat specimen

4. การเยื้องศูนย์ของชิ้นทดสอบ • อาจเกิดจากการจับชิ้นงานไม่ดี หรือวาง grip ไม่ดี จะทำให้ stress กระจายไม่ทั่วหน้าตัด หรือกระจายไม่สม่ำเสมอ เกิดแรงดึงไม่เท่ากันตลอดช่วงความยาวพิกัด (gauge length) • ส่งผลให้พิกัดของกราฟ โดยเฉพาะช่วงProportional limit น้อยกว่าความเป็นจริง • จะมีผลกระทบกับค่า strength ของชิ้นงานที่เปราะ และในการทดลองที่ต้องการหาค่า Elasticity ของวัสดุ

5. ความเร็วทดสอบ • ถ้าอัตราการดึงเร็วเกินไป จะทำให้เพิ่มความแข็งแรงดึง แต่ค่าการยืดลดลง • จะมีผลกระทบมากกับค่า strength ของโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ เช่น ตะกั่ว สังกะสี พลาสติก เป็นต้น • ความสัมพันธ์ ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของแรงดึง หรือ การยืด จะเป็นแบบ logarithm กับ ความเร็ว

เช่น ในการทดสอบชิ้นงานมาตรฐานของเหล็กกล้า ถ้าเราเพิ่มความเร็วการดึง เป็น 8 เท่าคือ จาก1.25 เป็น 10 mm/min จะทำให้ความเค้นจุดครากเพิ่มขึ้น4%,ความเค้นดึง เพิ่มขึ้น 2% และ Elongation ลดลง 5% • ชิ้นงานหล่อ ไม่มีรับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วมากนัก

6. อุณหภูมิการทดสอบ 6.1 อุณหภูมิต่ำ • วัสดุที่ใช้งานที่อุณภูมิต่ำ เช่น ชิ้นส่วนตู้เย็น, ชิ้นส่วนบรรจุสารเคมี หรือชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ใช้ในสภาพภูมิอากาศอุณหภูมิต่ำ • เราทราบดีแล้วว่า ductility ลดลง เมื่อ T ต่ำลง • ส่วนใหญ่มักจะได้ค่า tensile strength สูงขึ้นถ้า T ต่ำลง • แต่ ค่า Yield strength มักจะเปลี่ยนแปลงไม่เป็นไปตามสัดส่วนเดียวกันกับค่า tensile strength

6.2 อุณหภูมิสูง • ชิ้นส่วนที่ต้องใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น ชิ้นส่วนเครื่องจักร เครื่องบิน • ดังนั้นการทดสอบที่ อุณหภูมิสูง ต้องคำนึงถึง • การลดลงของ strength เมื่อ T สูงขึ้น • อัตราการเกิด Creep • ผลกระทบของ strain rate (พิจารณาจาก ความเร็วดึง) • ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างจุลภาค และโลหะวิทยา

การทดสอบ Tensile test • ศึกษาวิธีการทดสอบ มอก. 244 เล่ม 4-2525 • ออกแบบใบบันทึกผลการทดลอง • เตรียมชิ้นงาน • อลูมิเนียม 12.5 mm, กลุ่มละ 1 ชิ้น • เหล็กเพลาขาว 12.5 mm , กลุ่มละ 1 ชิ้น • ทองเหลือง 12.5 mm, กลุ่มละ 1 ชิ้น

บทที่ 6 การทดสอบแรงดึง Tension Test