แรงดึง

บทนำ กำรทดสอบแรงดึง มีวตั ถปุ ระสงค์ เพือ่ วดั คณุ สมบตั ิ ควำมต้ำนทำนของวสั ดตุ ่อแรงดึง  เป็นประโยชน์ในกำรออกแบบ และกำรเลือกใช้วสั ดใุ ห้ เหมำะสมกบั ลกั ษณะกำรใช้งำน  ในกำรทดสอบจะเป็นกำรใช้แรงดึงที่เพิ่มขึน้ อย่ำง สมำ่ เสมอดึงชิ้นงำนให้ยดื ออกและขำดในท่ีสดุ  โดยปกติแล้วมกั จะทดสอบกบั วสั ดทุ ี่เหนียวมำกกว่ำ เปรำะ 1

วิธีกำรทดสอบ 1. กลึงแต่งชิ้นทดสอบ (specimen) จำกชิ้นงำนตวั อย่ำง (sample) ให้ได้ขนำด ตำมมำตรฐำนที่ใช้อ้ำงอิง เช่น มอก., JIS เป็นต้น 2. ทำควำมสะอำดชิ้นทดสอบ (specimen) ใช้กระดำษทรำยลูบชิ้ น ทดสอบ ถ้ำผิวมีสนิ ม เพื่อป้ องกนั กำรเล่ือน ของชิ้นงำนจำกหวั จบั ขณะทำ กำรดึง 3. ตรวจสอบควำมเรยี บ ตรง ของชิ้นทดสอบ โดยจะต้องไมโ่ กงงอ 4. ทำกำรวดั และบนั ทึกค่ำขนำดและมิติของชิ้นทดสอบ 5. ทำกำรดึงด้วยเคร่อื งดึง (Tensile machine) ซึ่งเมื่อดึงเสรจ็ สิ้น (ชิ้นงำนขำด จำกกนั เป็นสองส่วน) 6. วำดกรำฟและคำนวณค่ำต่ำงๆ ท่ีเรำต้องกำร 2

กำรวิเครำะหข์ ้อมูล True stress Engineering stress 3

ช่วงกำรเปล่ียนรปู แบบยืดหย่นุ (Elastic deformation)  ระยะยืดตวั AB จะ แปรผนั ตรง กบั แรงท่ีมำดึง เป็ นเส้นตรง เรียกวำ่ Proportional limit  ควำมชนั ของเส้นตรงนี้จะเรียกว่ำ Young’s Modulus of Elasticity  เม่ือวสั ดยุ ืดตวั อีกเลก็ น้อยจะถึงจดุ C ซึ่งเป็ นจุดท่ีเริ่มที่จะมี กำรแปรรปู แบบถำวร หรือ จดุ ครำกบน (Upper Yield Point)  โดยวสั ดุที่ได้รบั แรงดึงในช่วง AC เมื่อทำกำรหยดุ ดึง ควำม ยำวของชิ้นงำนจะหดกลบั ไปยงั ควำมยำวเร่ิมแรกของวสั ดุ นัน้ 4

ช่วงกำรเปล่ียนรปู แบบถำวร (Plastic deformation)  สำหรบั เหลก็ กล้ำคำรบ์ อนเมื่อทำกำรแปรรูปต่อจำก จดุ C ชิ้นงำนจะสำมำรถยืดตวั ออกไปได้ (เรียกกำรเกิด Plastic flow) ด้วยควำมเค้นที่ลดลงและคงท่ีในช่วงสนั้ ๆท่ี จดุ D ซึ่งเป็น จดุ ครำกล่ำง (Lower Yield point)  ค่ำควำมเค้นที่จดุ D นี้เรียกว่ำ ควำมต้ำนทำนแรงดึงท่ี จุดครำก (Yield strength) หรือ ควำมเค้นครำก (Yield Stress) 5

 กำรเกิดของจุดครำกบนและล่ำงนี้จะเป็ นคุณสมบตั ิเฉพำะ ของเหลก็ กล้ำคำรบ์ อนตำ่  เม่ือเหลก็ กล้ำคำรบ์ อนตำ่ ได้รบั แรงถึง จุดครำกบน จะเกิด กำรเสียรูปที่ไม่สม่ำเสมอตลอดควำมยำวพิกัด แต่ จะ กระจำยสมำ่ เสมอตลอดควำมยำวพิกดั เมอ่ื ถึง จดุ ครำกล่ำง  จนกระทงั่ มีควำมเครียดถำวรสม่ำเสมอตลอดควำมยำว พิกดั ซ่ึงเรียกว่ำเกิด the Lüders strain หลงั จำกนัน้ ชิ้น ทดสอบจะมีพฤติกรรมภำยใต้แรงกระทำ คือ แขง็ แรงขึ้น เมื่อควำมเครียดเพิ่มขึ้น (strain-hardening) เหมือนกบั วสั ดุ อ่ืนท่ีไม่มีจดุ ครำก 6

 สำหรับโลหะท่ีไม่ปรำกฏจุดครำกท่ีชัดเจนให้เห็น เช่น เหลก็ กล้ำคำรบ์ อนหลงั จำกผำ่ นกำรรีดปรบั ผิว (Skin pass rolling) และท่ีผ่ำนกำรอบอ่อน และโลหะที่ไม่ใช่เหลก็ เป็ นต้น  ดงั นัน้ กำรคำนวณค่ำควำมต้ำนทำนแรงดึงท่ีจดุ ครำก จะ ใช้วิ ธีกำรลำกเส้นขนำนกับช่วงที่กรำฟเป็ นเส้นตรง (Proportional limit) เรียกว่ำ Offset method  เช่น วดั ที่ระยะห่ำง 0.2% ของ Gauge length ไปตดั กบั เส้นกรำฟท่ีได้จำกกำรดึง 7

ค่าความเค้นทจ่ี ุด Y เรียกว่า ความเค้นพสิ ูจน์ (Proof stress) ที่ 0.2% 8

ชิ้นทดสอบ  ลักษณะภำคตัดขวำงมีได้หลำยลักษณะ เช่น วงกลม, สี่เหลี่ยมจตั รุ สั หรือ สี่เหล่ียมผืนผำ้  ชิ้นทดสอบจะได้จำกกำรส่มุ  ชิ้นงำนอำจจะตัดมำจำกผลิตภณั ฑ์โดยตรง หรือ ต้องผ่ำนกำรกลึงแต่งเพื่อให้ได้ขนำด ซ่ึงให้เป็ นไป ตำมมำตรฐำน มอก 244 เล่ม 4-2525 9

r So p Gauge length Lo Lc Lt Su Lu 10

กำรเตรียมชิ้นงำนท่ีผิดพลำด 11

12

กำรยดึ ชิ้นทดสอบ  ต้องให้แรงดึงทดสอบอย่ใู นแนวแกนของชิ้นทดสอบ  ต้องไม่ทำให้เกิดกำรแกว่ง หรอื เกิดกำรดดั โค้งระหว่ำงที่ทำ กำรทดสอบ  รบู ร่ำงของบริเวณจะจบั ยึดสำมำรถทำได้หลำยแบบ เช่น แบบเรียบ, เป็นบำ่ , เกลียว, รสู ำหรบั สลกั เป็นต้น 13

 อุปกรณ์จบั ยึดต้องมีควำมแขง็ แรงเพียงพอต่อแรงกระทำ ส่วนมำกมีลกั ษณะเป็ นลิ่ม (Wedge grips) แต่จะไม่เหมำะ สำหรบั ชิ้นงำนที่เป็นโลหะเปรำะเพรำะจะทำให้แตกได้ 14

ตวั อย่ำงกำรจบั ยดึ ชิ้นงำน Spherical bearing มีไว้เพอ่ื ป้ องกนั ______________ 15

16

17

ข้อสงั เกตุ และ ควรระวงั 1. Elongation  วดั ได้จำกกำรนำชิ้นงำนหลงั จำกชิ้นงำนขำดจำกกนั แล้ว มำต่อให้สนิทที่สดุ ในแนวเส้นตรง แล้วทำกำรวดั  ซ่ึงอำจจะมีข้อผิดพลำดของสญั ลกั ษณ์ไม่ชัดเจน และ human error ซึ่งอำจจะแก้ไขได้โดยกำรใช้เคร่ืองวดั กำร ยืด (Extensometer) จะมีลกั ษณะเป็นไมโครมิเตอร์ หรือ นำฬิ กำวดั 18

 ถ้ำตำแหน่งท่ีขำดไมอ่ ย่ใู นช่วง gauge length ต้องทำใหม่  เปอรเ์ ซนตก์ ำรยืด จะไม่เท่ำกนั ตลอดควำมยำว เมอ่ื เกิด คอคอด % Elongation ของชิ้นงำน = 31.25% แต่ถำ้ พิจำรณำตลอดควำม ยำวGauge length จะพบว่ำ มีค่ำตงั้ แต่ 20-78% และ บริเวณคอคอด(5) มี% สงู สดุ 12345 678 19

2. ขนำดของชิ้นงำน  ทวั่ ไปจะกำหนด ควำมยำวพิกดั Lo=5.65So0.5 หรือ Lo=5d เป็น ชิ้นทดสอบได้สดั ส่วน  ถ้ำค่ำสดั ส่วน L/d ตำ่ กว่ำนี้ จะมีผลต่อค่ำ %ควำมยืด และ กำรลดลงของพืน้ ท่ีหน้ำตดั  ถ้ำค่ำ L/d =0 จะทำให้มีลกั ษณะเหมือนรอยบำก และทำให้ เป็น บริเวณรวมของควำมเค้น (stress concentration) จะ ทำให้ค่ำควำมแขง็ แรงเพ่ิมขึน้ แต่ควำมเหนียวลดลงมำก 20

Length:Diameter ratio (b) Effect on stress-strain (a) Effect of Ductility L=3d L=2d L=d L=0.5d L=0d 21

3. ลกั ษณะกำรแตกของชิ้นงำน (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 22

4. กำรเยอื้ งศนู ยข์ องชิ้นทดสอบ  อำจเกิดจำกกำรจบั ชิ้นงำนไม่ดี หรือวำง grip ไม่ดี จะทำให้ stress กระจำยไม่ทวั่ หน้ำตดั หรือกระจำยไม่สมำ่ เสมอ เกิด แรงดึงไมเ่ ท่ำกนั ตลอดช่วงควำมยำวพิกดั (gauge length)  ส่งผลให้พิกดั ของกรำฟ โดยเฉพำะช่วง Proportional limit น้อยกวำ่ ควำมเป็นจริง  จะมีผลกระทบกบั ค่ำ strength ของชิ้นงำนท่ีเปรำะ และใน กำรทดลองที่ต้องกำรหำค่ำ Elasticity ของวสั ดุ 23

5. ควำมเรว็ ทดสอบ  ถ้ำอัตรำกำรดึงเร็วเกิ นไป จะทำให้เพิ่ มควำม แขง็ แรงดึง แต่ค่ำกำรยดื ลดลง  จะมีผลกระทบมำกกบั ค่ำ strength ของโลหะที่มีจุด หลอมเหลวตำ่ เช่น ตะกวั่ สงั กะสี พลำสติก เป็นต้น  ควำมสมั พนั ธ์ ระหว่ำงกำรเปล่ียนแปลงของแรงดึง หรอื กำรยดื จะเป็นแบบ logarithm กบั ควำมเรว็ 24

 เช่น ในกำรทดสอบชิ้นงำนมำตรฐำนของเหลก็ กล้ำ ถ้ำเรำเพ่ิมควำมเรว็ กำรดึง เป็น 8 เท่ำคือ จำก 1.25 เป็ น 10 mm/min จะทำให้ควำมเค้นจุดครำก เพิ่มขึ้น 4%, ควำมเค้นดึง เพ่ิมขึ้น 2% และ Elongation ลดลง 5%  ชิ้นงำนหล่อ ไมม่ ีรบั ผลกระทบจำกกำรเปล่ียนแปลง ควำมเรว็ มำกนัก 25

6. อณุ หภมู ิกำรทดสอบ 6.1 อณุ หภมู ิตำ่ • วสั ดทุ ี่ใช้งำนที่อณุ ภมู ิตำ่ เช่น ชิ้นส่วนต้เู ยน็ , ชิ้นส่วน บรรจสุ ำรเคมี หรอื ชิ้นส่วนเครอ่ื งจกั รท่ีใช้ในสภำพ ภมู ิอำกำศอณุ หภมู ิตำ่ • เรำทรำบดีแล้ววำ่ ductility ลดลง เมอ่ื T ตำ่ ลง • ส่วนใหญ่มกั จะได้ค่ำ tensile strength สงู ขึน้ ถำ้ T ตำ่ ลง • แต่ ค่ำ Yield strength มกั จะเปล่ียนแปลงไมเ่ ป็นไปตำม สดั ส่วนเดียวกนั กบั ค่ำ tensile strength 26

6.2 อณุ หภมู ิสงู  ชิ้นส่วนท่ีต้องใช้งำนท่ีอณุ หภมู ิสงู เช่น ชิ้นส่วนเคร่ืองจกั ร เครื่องบิน  ดงั นัน้ กำรทดสอบที่ อณุ หภมู ิสงู ต้องคำนึงถึง 1. กำรลดลงของ strength เม่ือ T สงู ขึน้ 2. อตั รำกำรเกิด Creep 3. ผลกระทบของ strain rate (พิจำรณำจำก ควำมเรว็ ดึง) 4. ผลกระทบของกำรเปล่ียนแปลงของโครงสร้ำงจลุ ภำค และ โลหะวิทยำ 27

กำรทดสอบ Tensile test  ศึกษำ วิธีกำรทดสอบ มอก. 244 เล่ม 4-2525  ออกแบบใบบนั ทึกผลกำรทดลอง  เตรียมชิ้นงำน 1. อลมู ิเนียม 12.5 mm, กล่มุ ละ 1 ชิ้น 2. เหลก็ เพลำขำว 12.5 mm , กล่มุ ละ 1 ชิ้น 3. ทองเหลือง 12.5 mm, กล่มุ ละ 1 ชิ้น 28