การทดสอบแรงดึงในการยืดตัว

การทดสอบแรงดึงในการยืดตัว

วิธีการทดสอบนั้น เราจะนำตัวอย่างที่จะทดสอบมาดึงอย่างช้า ๆ แล้วบันทึกค่าของความเค้นและความเครียดที่เกิดขึ้นไว้  แล้วมาพลอตเป็นเส้นโค้ง  ขนาดและรูปร่างของชิ้นทดสอบมีต่าง ๆ กัน

ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุนั้น ๆ มาตรฐานต่าง ๆ  ของการทดสอบ เช่น มาตรฐานของ ASTM (American Society of Testing and Materials), BS (British Standards), JIS (Japanese Industrial Standards)   หรือแม้แต่ มอก. (มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมไทย) ได้กำหนดขนาดและรูปร่างของชิ้นทดสอบไว้  ทั้งนี้เพื่อให้ผลของการทดสอบเชื่อถือได้  พร้อมกับกำหนดความเร็วในการเพิ่มแรงกระทำเอาไว้ด้วย

c346ea983

จากการศึกษาเส้นโค้งความเค้น-ความเครียด เราพบว่า เมื่อเราเริ่มดึงชิ้นทดสอบอย่างช้า ๆ ชิ้นทดสอบจะค่อย ๆ ยืดออก  จนถึงจุดจุดหนึ่ง (จุด A)  ซึ่งในช่วงนี้ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียดจะเป็นสัดส่วนคงที่  ทำให้เราได้กราฟที่เป็นเส้นตรง   ตามกฎของฮุค (Hook’s law)  ซึ่งกล่าวว่าความเค้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเครียด  จุด A นี้ เรียกว่าพิกัดสัดส่วน (Proportional Limit)  และภายใต้พิกัดสัดส่วนเพิ่มความสูงนี้  วัสดุจะแสดงพฤติกรรมการคืนรูปแบบอิลาสติก (Elastic Behavior)  นั่นคือเมื่อปล่อยแรงกระทำ  ชิ้นทดสอบจะกลับไปมีขนาดเท่าเดิม

เมื่อเราเพิ่มแรงกระทำต่อไปจนเกินพิกัดสัดส่วน  เส้นกราฟจะค่อย ๆ โค้งออกจากเส้นตรง  วัสดุหลายชนิดจะยังคงแสดงพฤติกรรมการคืนรูปได้อีกเล็กน้อยจนถึงจุด ๆ หนึ่ง (จุด B) เรียกว่า พิกัดยืดหยุ่น (Elastic limit)  ซึ่งจุดนี้จะเป็นจุดกำหนดว่าความเค้นเพิ่มความสูงสูงสุดที่จะไม่ทำให้เกิดการแปรรูปถาวร  (Permanent Deformation or Offset)  กับวัสดุนั้น  เมื่อผ่านจุดนี้ไปแล้ววัสดุจะมีการเปลี่ยนรูปอย่างถาวร (Plastic Deformation)  ลักษณะการเริ่มต้นของความเครียดแบบพลาสติกนี้เปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของวัสดุในโลหะหลายชนิด  เช่น  พวกเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Steel)  จะเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างรวดเร็ว  โดยไม่มีการเพิ่มความเค้น (บางครั้งอาจจะลดลงก็มี)  ที่จุด C  ซึ่งเป็นจุดที่เกิดการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก  จุด C นี้เรียกว่าจุดคราก (Yield Point)  และค่าของความเค้นที่จุดนี้เรียกว่า ความเค้นจุดคราก (Yield Stress) หรือ Yield Strength  ค่า Yield Strength นี้มีประโยชน์กับวิศวกรมาก  เพราะเป็นจุดแบ่งระหว่างพฤติกรรมการคืนรูปกับพฤติกรรมการคงรูป  และในกรณีของโลหะจะเป็นค่าความแข็งแรงสูงสุดที่เราคงใช้ประโยชน์ได้โดยไม่เกิดการเสียหาย

วัสดุหลายชนิดเช่น อะลูมิเนียม  ทองแดง  จะไม่แสดงจุดครากอย่างชัดเจน  แต่เราก็มีวิธีที่จะหาได้โดยกำหนดความเครียดที่ 0.10 – 0.20%  ของความยาวกำหนดเดิม (Original Gage Length)  แล้วลากเส้นขนานกับกราฟช่วงแรกไปจนตัดเส้นกราฟที่โค้งไปทางด้านขวา ค่าความเค้นที่จุดตัดนี้จะนำมาใช้แทนค่าความเค้นจุดครากได้ ความเค้นที่จุดนี้บางครั้งเรียกว่า ความเค้นพิสูจน์ (Proof Stress)  หรือความเค้น 0.1 หรือ 0.2% offset

c346ea983

หลังจากจุดครากแล้ว  วัสดุจะเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกโดยความเค้นจะค่อย ๆ เพิ่มอย่างช้า ๆ หรืออาจจะคงที่จนถึงจุดสูงสุด (จุด D)  ค่าความเค้นที่จุดนี้เรียกว่า Ultimate Strength หรือความเค้นแรงดึง (Tensile Strength)  ซึ่งเป็นค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุจะทนได้ก่อนที่จะขาดหรือแตกออกจากกัน (Fracture)  เนื่องจากวัสดุหลายชนิดสามารถเปลี่ยนรูปอย่างพลาสติกได้มาก ๆ ค่าความเค้นสูงสุดนี้สามารถนำมาคำนวณใช้งานได้  นอกจากนี้  ค่านี้ยังใช้เป็นดัชนีเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุได้ด้วยว่า คำว่า ความแข็งแรง (Strength) ของวัสดุ หรือ กำลังวัสดุนั้น โดยทั่วไป จะหมายถึงค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุทนได้นี้เอง

ที่จุดสุดท้าย (จุด E) ของกราฟ เป็นจุดที่วัสดุเกิดการแตกหรือขาดออกจากกัน (Fracture) สำหรับโลหะบางชนิด เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหรือโลหะเหนียว  ค่าความเค้นประลัย (Rupture Strength) นี้จะต่ำกว่าความเค้นสูงสุด เพราะเมื่อเลยจุด D ไป พื้นที่ภาคตัดขวางของตัวอย่างทดสอบลดลง  ทำให้พื้นที่จะต้านทานแรงดึงลดลงด้วย ในขณะที่เรายังคงคำนวณค่าของความเค้นจากพื้นที่หน้าตัดเดิมของวัสดุก่อนที่จะทำการทดสอบแรงดึง ดังนั้นค่าของความเค้นจึงลดลง  ส่วนโลหะอื่น ๆ เช่น โลหะที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น (Cold Work)  มาแล้ว  มันจะแตกหักที่จุดความเค้นสูงสุด โดยไม่มีการลดขนาดพื้นที่ภาคตัดขวาง ทำนองเดียวกับพวกวัสดุเปราะ (Brittle Materials)  เช่น เซรามิค ที่มีการเปลี่ยนรูปอย่างพลาสติกน้อยมากหรือไม่มีเลย  ส่วนกรณีของวัสดุที่เป็นพลาสติกจะเกิดแตกหักโดยที่ต้องการความเค้นสูงขึ้น

c346ea983

เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดนี้  นอกจากจะใช้บอกค่าความแข็งแรง ณ จุดคราก (Yield Strength)  ความเค้นสูงสุดและความเค้นประลัยแล้ว ยังจะใช้บอกค่าต่าง ๆ

Leave a Comment

error: Content is protected !!