บทที่ 3 คุณสมบัติทางกล และ การทดสอบ

1. บทที่ 3คุณสมบัติทางกล และการทดสอบ Mechanical Properties and Mechanical Testing 1302 212 Engineering Materials ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. สุขอังคณา ลี ผู้ช่วยศาสตราจารย์ สุริยา โชคสวัสดิ์

2. จุดประสงค์การเรียนรู้จุดประสงค์การเรียนรู้ • อธิบายคุณสมบัติของทางกลของวัสดุ • อธิบายความหมายของคำศัพท์เฉพาะต่อไปนี้ Elastic deformation, Plastic deformation, Strength, Toughness, Creep, Fatigue • คำนวณค่าความเค้น ความเครียด ได้ • เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างผลึกกับสมบัติทางกล • อธิบายการแตกหักแบบเปราะ และการแตกหักแบบเหนียวได้

3. Outline • Engineering Stress, Engineering Strain • Elastic Deformation • Plastic Deformation • Tensile fracture • Toughness • Fatigue • Creep

4. สมบัติทางกล (Mechanical Properties) • สมบัติทางกลของวัสดุ คือ สมบัติของวัสดุในการตอบสนองต่อแรงทางกลที่มากระทำ กล่าวคือ เมื่อมีภาระแรง (Force) มากระทำวัสดุ จะเกิดแรงต้านภายในเนื้อของวัสดุ ถ้าหากวัสดุไม่สามารถต้านทานแรงที่มากระทำได้ ก็จะเกิดการเสียรูป แตกร้าว หรือ แตกหักได้ • ดังนั้น ค่าที่บ่งบอกถึงความสามารถในการต้านทานแรงที่มากระทำนี้ จะเรียกว่า ‘ความแข็งแรงของวัสดุ (Strength of Materials)’

5.  A F • เมื่อมีแรงภายนอก F กระทำ จะเกิดแรงต้านทานภายในวัสดุเพื่อไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่าง ค่าความเข้มของแรงต้านทานที่เกิดภายในวัสดุ จะเรียกว่า “ความเค้น (Uniaxial Stress, )” ซึ่งความเค้นจะกระจายสม่ำเสมอ บนพื้นที่หน้าตัดของวัสดุ (A) F = dA F = A  = F/A (N/m2หรือPascal) Fคือ ค่าของแรงกระทำภายนอก (N) A คือ พื้นที่หน้าตัด (m2)

6. l0 F F F F lf • แต่ถ้าหากวัสดุเกิดการเปลี่ยนรูป จะเรียกว่า “ความเครียด (Strain, )” คือเกิดการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างและขนาด ที่เกิดขึ้นกับเนื้อวัสดุภายใต้แรงกระทำ l0เป็นความยาวเริ่มต้น, lf - l0 เป็นความยาวที่เปลี่ยนไป

7. l0 F F F F lf y d0 Z df x Poisson’s ratio

8. พฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงทางกลพฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงทางกล จากกราฟ stress-strain สามารถแบ่งได้เป็น 2 ช่วงคือ 1.Elastic deformation 2. Plastic deformation

9. เป็นช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรง จะได้ความสัมพันธ์ระหว่าง stress-strain ตามกฎของ Hook’s law คือ = Eε E= slope of curve = /εเรียกว่า Young’s modulus หรือ Elastic modulus 1. การเสียรูปแบบยืดหยุ่น Elastic Deformation 1 2 Stress 3 ε • ส่วนใหญ่ ค่า εในช่วงยืดหยุ่นจะมีค่าสูงสุดประมาณ 0.5%

10. รวมพลังงานผลัก-ดูด Energy between atoms แรงผลัก Emin ระยะระหว่าง จุดศูนย์กลางอะตอม แรงดูด อะตอมจะอยู่ชิดกันในสภาวะ equilibrium ที่ Emin r0 (1) มีแรงกระทำ (2) ไม่มีแรงกระทำ r0 • เป็นกระบวนการที่ผันกลับได้ (Reversible) กล่าวคือ • เมื่อชิ้นงานได้รับแรงดึง จะทำให้ระยะระหว่างอะตอมเพิ่มขึ้น • แต่ถ้าแรงดึงดังกล่าวน้อยกว่าแรงหรือพันธะระหว่างอะตอม ถ้าเราปลดแรงออก อะตอมจะกลับสู่ภาวะสมดุล ทำให้ชิ้นงานกลับมีขนาดและรูปร่างเหมือนเดิม

11. Exercise1 1. นักศึกษาทำการทดลองดึงแท่งอลูมิเนียมทรงกระบอกที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 60 mm ยาว 1000 mm โดยการห้อยน้ำหนัก 1500 kg ในแนวดิ่งที่ปลายชิ้นงาน ปรากฏว่าชิ้นงานยืดออก 12 mm และเมื่อปลดน้ำหนักออก ความยาวชิ้นงานกลับสู่ค่าความยาวเริ่มต้น กำหนดให้ g = 9.81 m/s2 จงคำนวณ • Stress และ Strain ของอลูมิเนียมที่น้ำหนัก 1,500 kg (หน่วย N/mm2) • The Young’s Modulus of Aluminium

12. Exercise 1 2. Copper Cylinder, l0= 305 mm. elastic modulus, E = 110 GPa, under tension stress  = 276 MPa, elastic deformation, how much isl? 3. Brass cylinder, d0=10 mm, after pulled by tensile force, d= -2.5x10-3 mm, E = 97 GPa, =0.34,=?, F=?

13. 2. การเสียรูปแบบถาวร Plastic Deformation เมื่อชิ้นงานได้รับแรงดึงที่สูงขึ้น และเกิดการเสียรูปยืดหยุ่นจนถึงจุดสิ้นสุดช่วงยืดหยุ่น แรงดึงจะสามารถเอาชนะแรงระหว่างอะตอม ทำให้ชิ้นงานเกิดการเสียรูปอย่างถาวร ส่งผลให้ขนาดและรูปร่างเปลี่ยนไป

14. PN P P  PS  Slip direction a P P กลไกการเกิดการเสียรูปแบบถาวร • เมื่อผลึกได้รับแรงดึง (Tensile force, P) จะทำให้เกิดมีแรงเฉือน (shear forces, PS) ขึ้นภายในผลึก • ระนาบอะตอมที่ขนานกับทิศทางของ PS และทำมุม  45 ° กับแรง P จะเกิดการเลื่อนไหล (slip) เนื่องจากแรงเฉือน A single crystal

15. การเสียรูปแบบถาวรของผลึกการเสียรูปแบบถาวรของผลึก • ระนาบที่เกิดการไถลเรียกว่า “Slip plane”ซึ่งจะเป็นระนาบที่มีความหนาแน่นของอะตอมมากที่สุด และจะไถลไปในทิศที่อะตอมอยู่ชิดกันมากที่สุดในระนาบนั้น

16. ทิศทางการไถล เรียกว่า “Slip direction” • ทั้งระนาบและทิศทางการไถลรวมกัน เรียกว่า “Slip system” Crystal Slip plane Slip direction Slip system fcc (Al,Cu) 4(111) 3<110> 12 bcc (Fe) 6(110), 2<111> 12 hcp (Mg,Zn) 1(0001) 3<1120> 3 (เปราะ)

17. (111) z z (110) y y x x Fcc (Al,Cu) 4(111) , 3<110> [110] [111] Bcc (Fe) 6(110), 2<111>

18. การจัดเรียงตัวอะตอมของ bcc จะไม่ชิดกันมากเท่ากับ fcc ดังนั้นเราจึงต้องใช้แรงในการเลื่อนอะตอมของ bcc มากกว่า <110> (111) fcc <111> (110) bcc

19. elastic plastic UTS  3 2 • เมื่อชิ้นงานได้รับแรงที่มากกว่า y ไม่ว่าจะเป็นแรงดึง/แรงเฉือน/แรงกด จะเกิดการเลื่อนไหลของระนาบ รวมทั้งการไหลของ Dislocation line ด้วย 1 y ε

20. จากกราฟ • หลังจากจุด Yield แล้ว แรงที่ใช้จะยังคงสูงขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากเกิดการ Interaction กันระหว่าง Dislocations ซึ่งอาจเกิดการหักล้างกัน หรือขัดขวางการไหลซึ่งกันและกัน ทำให้ต้องใช้แรงมากขึ้น ในการที่จะทำให้ชิ้นงานมีความยาวเพิ่มขึ้น

21. กราฟ stress-strain ของเหล็กกล้า UTM Yield Pointy y= Yield stressความเค้นที่จุดคราก เป็นค่าที่สำคัญของคุณสมบัติทางกล เพราะเป็นความเค้นที่มากที่สุดที่ชิ้นงานสามารถรับได้ก่อนจะเสียรูปอย่างถาวร

22. Yield point 0.2% yield stress ลากเส้นตรงที่ 0.2%strain ขนานกับกราฟ ช่วงยืดหยุ่น 0.2%strain ในกรณีที่ไม่มีจุด Yield point ที่ชัดเจน จะใช้ 0.2% yield stress

23. โลหะเสียรูปสม่ำเสมอ โลหะเสียรูปไม่สม่ำเสมอ Engineering Stress-Strain curve ลักษณะการเสียรูปของวัสดุ ในกรณีเกิดคอคอด

24. Percent elongation at fracture, %เป็นค่าความสามารถในการยืดได้ของวัสดุภายใต้แรงดึง คำนวณได้จาก สมการ 3.5 • Percent reduction in area at fracture, %RA เป็นการวัดค่าความเหนียวของวัสดุอีกวิธีหนึ่ง รวมทั้งสามารถชี้ถึงคุณภาพของวัสดุนั้นๆด้วย กล่าวคือ ถ้าชิ้นงานมีจุดบกพร่องเช่น รูโพรง, สิ่งปลอมปน จะทำให้ค่า %RA น้อยลง สมการ 3.6

26. 0.2% strain

28. Exercise 2 • วัสดุชนิดหนึ่งมีค่า yield stress เท่ากับ 200 MPa เราต้องให้แรงดึงอย่างน้อยเท่าใดจึงจะสามารถดึงชิ้นงานชนิดนี้ที่มีพื้นที่หน้าตัด 100 mm2 ให้เกิดการเสียรูปแบบถาวรได้ yield force = yield stress x area = (200 x 106 N/ m2) x (100 x 10-6m2) = 20,000 N

29. 2. วัสดุชนิดหนึ่งมีค่าเปอร์เซนต์การยืด 10% ถ้าวัสดุนี้เริ่มต้นยาว 200 mm เราจะต้องดึงวัสดุนี้ให้มีความยาวเพิ่มอีกเท่าใดจึงจะขาด

30. brittle ductile strain ลักษณะการแตกหักของวัสดุType of Fracture การแตกของวัสดุแบ่งได้เป็น 2 ลักษณะ คือ • การแตกแบบเหนียว (Ductile fracture) • การแตกแบบเปราะ (Brittle fracture) stress

31. 1. การแตกแบบเหนียว (Ductile fracture) • เกิดขึ้นเมื่อชิ้นงานเกิดการแปรรูปอย่างถาวรและกราฟ stress-strain จะมีค่า strain สูง • เมื่อเกิดคอคอดตรงรอยแตก รอยแยกของโลหะที่แตกแบบเหนียวจะมีลักษณะที่เรียกว่า ‘cup and cone’ ดังรูป Cup Cone

32. กลไกการเกิดการแตกแบบเหนียวจะมีอยู่ 3 กระบวนการ ด้วยกัน คือ • เกิดรูโพรงเล็กๆภายใน (small voids) ในบริเวณที่มีความเข้มของการแปรรูปสูง คือบริเวณที่คอด • จากนั้นรูที่เกิดจะรวมตัวกัน เกิดเป็นรอยแยก (crack) เจริญไปตามทิศที่ตั้งฉากกับแรงที่กระทำอยู่ • รอยแยกเจริญจากข้างในมาสู่ผิวชิ้นงานโดยแรงเฉือนที่ทำมุมกับทิศของแรงดึงประมาณ 45 องศา

33. กลไกการแตกแบบเหนียว คอคอด (2) (3) (1) ที่ผิวรอยแตก เมื่อมองด้วยตาเปล่า จะเห็นเป็นผิวหม่น ทึบแสง มีสีคล้ำ เพราะเกิดจากการรวมตัวของหลุมเล็กๆ ที่เกิดระหว่างการแตก

34. void

35. แหล่งกำเนิดโพรงเล็กส่วนมากจะเกิดที่รอยต่อระหว่างเนื้อโลหะ กับ particles (สารประกอบของแข็งที่เป็น intermetallic ของธาตุที่ผสมในโลหะ) และ inclusions (สารมลทิน) • โลหะที่มีความบริสุทธิ์จะมีความเหนียวกว่าโลหะผสมเพราะจะมี particles น้อยกว่า

36. 2. การแตกแบบเปราะ (Brittlefracture) • ชิ้นงานจะแตกหักโดยมีการแปรรูปถาวรเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ทำให้มีค่าความเหนียวต่ำ • ผิวรอยแตกค่อนข้างตรง และค่อนข้างวาวเมื่อมองด้วยตาเปล่า • โลหะที่แตกแบบเปราะค่อนข้างที่จะอันตรายเพราะสามารถเกิดการแตกหักได้ง่ายในบริเวณที่มีความเค้นสะสมสูง และถ้ามีรูพรุนมากๆ

37. ลักษณะของผิวที่เกิดการแตกแบบเปราะลักษณะของผิวที่เกิดการแตกแบบเปราะ เหล็กหล่อ แตกแบบเปราะ จากการทดสอบแรงดึง เซรามิกส์ แตกแบบเปราะ จากการทดสอบแรงดึง

38. ตัวอย่างการแตกแบบเปราะของวัสดุเปราะ เช่น ปูน, คอนกรีต, ลูกหินขัดข้าว โครงการวิจัยเรื่อง “การศึกษาประสิทธิภาพของลูกหินขัดข้าวด้วยวัสดุขัดสีที่ผลิตในประเทศไทย” งบประมาณ ปี 2549-2550 ตัวอย่างการแตกหักของชิ้นงานปูนซีเมนต์ จากการทดสอบแรงอัด

39. ตัวอย่างการแตกหักของชิ้นงานปูนซีเมนต์ จากการทดสอบแรงอัด

40. ตัวอย่างการแตกหักของชิ้นงานปูนซีเมนต์ จากการทดสอบแรงดัดโค้ง

41. เปรียบเทียบผิวรอยแตกเมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนเปรียบเทียบผิวรอยแตกเมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอน แตกแบบเปราะ แตกแบบเหนียว หลุมที่เกิดจาก particles

42. (3) (2) (1) (1) Ductile fracture with uniform elongation (2) Ductile fracture with necking (3) Brittle fracture with no elongation

44. Online self-study • http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/mechanical-testing/index.php

45. ความแข็ง (Hardness) คือ ความต้านทานต่อแรงกด การขัดสีและแรงกลของวัสดุ การทดสอบความแข็งแบบหัวกด ในเชิงโลหะวิทยา จะเป็นการทดสอบความต้านทานต่อการแปรรูปถาวร เมื่อถูกแรงกดจากหัวกดกระทำลงบนชิ้นงานทดสอบ

46. 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)

47. ตัวอย่างการทดสอบความแข็งในอุตสาหกรรมต่างๆตัวอย่างการทดสอบความแข็งในอุตสาหกรรมต่างๆ

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

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

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