บทที ่ 6 การทดสอบแรงดึง Tension Test 1302 423 Industrial Materials Testing 1 Dr. Sukangkana Lee บทนา ่ ด การทดสอบแรงดึง มีวต ั ถุประสงค ์ เพือวั คุณสมบัตค ิ วามต้านทานของวัสดุตอ ่ แรง ดึง เป็ นประโยชน์ในการออกแบบ และการ เลือกใช้วส ั ดุให้เหมาะสมกับลักษณะการ ใช้งาน ในการทดสอบจะเป็ นการใช้แรงดึงที่ ่ นอย่ ้ ้ เพิมขึ างสม่าเสมอดึงชินงานให้ ยด ื 2 ่ ด ออกและขาดในทีสุ วิธก ี ารทดสอบ 1. 2. 3. 4. 5. 6. ้ ้ กลึงแต่งชินทดสอบ (specimen) จากชินงานตั วอย่าง ่ อา้ งอิง เช่น (sample) ให้ได้ขนาดตามมาตรฐานทีใช้ มอก., JIS เป็ นต้น ้ ทาความสะอาดชินทดสอบ (specimen) ใช้กระดาษ ้ ทรายลู บ ชินทดสอบ ถ้า ผิว มีส นิ ม เพื่อป้ องกัน การ ่ ้ เลือน ของชินงานจากหั วจับขณะทาการดึง ้ ตรวจสอบความเรียบ ตรง ของชินทดสอบ โดยจะต้อง ไม่โกงงอ ้ ทาการวัดและบันทึกค่าขนาดและมิตข ิ องชินทดสอบ ่ ่ อดึ ่ ง ทาการดึงด้วยเครืองดึ ง (Tensile machine) ซึงเมื ้ (ชินงานขาดจากกั ้ เสร็จสิน นเป็ นสองส่วน) ่ วาดกราฟและคานวณค่าต่างๆ ทีเราต้ องการ 3 การวิเคราะห ์ข้อมู ล True stress Engineering stress 4 ่ ช่วงการเปลียนรู ปแบบยืดหยุ่น (Elastic deformation) ่ ระยะยืดตัว AB จะ แปรผันตรง กับแรงทีมา ดึ ง เป็ นเส้น ตรง เรีย กว่ า Proportional limit ความชน ั ของเส้นตรงนี ้จะเรียกว่า Young’s Modulus of Elasticity ่ สดุยด ่ น ื ตัวอีกเล็กน้อยจะถึงจุด C ซึงเป็ เมือวั ่ มที ่ จะมี ่ จุดทีเริ การแปรรู ปแบบถาวร หรือ จุด ครากบน (Upper Yield Point) ่ า โดยวส ั ดุทได้ ี่ ร ับแรงดึงในช่วง AC เมือท ้ การหยุ ด ดึง ความยาวของชินงานจะหด 5 ่ ปแบบถาวร (Plastic ช่วงการเปลียนรู deformation) ่ าการ ส าหร บ ั เหล็ ก กล้า คาร ์บอนเมือท ้ แปรรู ปต่อจาก จุด C ชินงานจะ สามารถยืด ตัว ออกไปได้ (เรีย กการเกิด ่ Plastic flow) ด้วยความเค้นทีลดลงและ ่ ้ ่ จุด D ซึงเป็ ่ น จุดคราก คงทีในช่ วงสันๆที ล่าง (Lower Yield point) ่ ด D นี เรี ้ ยกว่า ความ ค่าความเค้นทีจุ ต้ า น ท า น แ ร ง ดึ ง ที่ จุ ด ค ร า ก (Yield strength) หรือ ความเค้นคราก (Yield 6 การเกิด ของจุ ด ครากบนและล่ า งนี ้ จะเป็ น คุ ณ สมบัต ิเ ฉพาะของเหล็ ก กล้า คาร ์บอน ่ ตา ่ เมือเหล็ กกล้าคาร ์บอนต่า ได้ร ับแรงถึง จุด ่ ส ม่ าเสมอ ครากบน จะเกิด การเสีย รู ป ทีไม่ ต ล อ ด ค ว า ม ย า ว พิ ก ัด แ ต่ จ ะ ก ร ะ จ า ย ่ ง จุ ด สม่ าเสมอตลอดความยาวพิก ด ั เมือถึ ครากล่าง จนกระทั่งมี ค วามเครีย ดถาวรสม่ าเสมอ ่ ย กว่ า เกิด the ตลอดความยาวพิก ด ั ซึงเรี 7 ้ ้ Lüders strain หลังจากนันชินทดสอบจะมี ่ ปรากฏจุดครากทีช ่ ด สาหร ับโลหะทีไม่ ั เจน ให้เห็น เช่น เหล็กกล้าคาร ์บอนหลังจาก ผ่านการรีดปร ับผิว (Skin pass rolling) ่ านการอบอ่อ น และโลหะทีไม่ ่ ใ ช่ และทีผ่ เหล็ก เป็ นต้น ้ การคานวณค่าความต้านทานแรง ดังนัน ่ ดคราก จะใช้วธ ดึงทีจุ ิ ก ี ารลากเส้นขนาน กั บ ช่ ว ง ที่ ก ร า ฟ เ ป็ น เ ส้ น ต ร ง (Proportional limit) เรียกว่า Offset method 8 ่ ่ ด Y เรียกว่า ค่าความเค้นทีจุ ความเค้นพิสูจน์ (Proof stress) ที่ 9 ้ ชินทดสอบ ลัก ษ ณ ะ ภ า ค ต ัด ข ว า ง มี ไ ด้ ห ล า ย ่ ่ ลักษณะ เช่น วงกลม, สีเหลี ยมจั ตุร ัส ่ ่ หรือ สีเหลี ยมผื นผ้า ้ ชินทดสอบจะได้ จากการสุม ่ ้ ชินงานอาจจะต ด ั มาจากผลิต ภัณ ฑ ์ โดยตรง หรือ ต้อ งผ่ า นการกลึง แต่ ง ่ เพื่ อให้ไ ด้ข นาด ซึงให้ เ ป็ นไปตาม มาตรฐาน มอก 244 เล่ม 4-2525 10 p r So Gauge length Lo Lc Lt Su Lu 11 ้ ่ ดพลาด การเตรียมชินงานที ผิ 12 13 ้ การยึดชินทดสอบ ต้อ งให้แ รงดึง ทดสอบอยู ่ ใ นแนวแกนของ ้ ชินทดสอบ ต้องไม่ทาให้เกิดการแกว่ง หรือเกิดการดัด ่ าการทดสอบ โค้งระหว่างทีท รู บ ร่า งของบริเ วณจะจับ ยึด สามารถท าได้ หลายแบ บ เช่ น แบบเรีย บ , เป็ นบ่ า , เกลียว, รู สาหร ับสลัก เป็ นต้น 14 อุปกรณ์จบ ั ยึดต้องมีความแข็งแรงเพีย งพอ ต่ อ แรงกระท า ส่ ว นมากมีล ก ั ษณะเป็ นลิ่ม (Wedge grips) แต่จะไม่เหมาะสาหร ับ ้ ่ นโลหะเปราะเพราะจะทาให้แตก ชินงานที เป็ ได้ 15 ้ ตัวอย่างการจับยึดชินงาน ่ Spherical bearing มีไว้เพือ 16 17 18 ข้อสังเกตุ และ ควรระวงั 1. Elongation ้ ้ วัดได้จากการนาชินงานหลั งจากชินงาน ่ ด ใน ขาดจากกันแล้ว มาต่อให้ส นิ ท ทีสุ แนวเส้นตรง แล้วทาการวด ั ่ ซึงอาจจะมี ขอ ้ ผิดพลาดของสัญลักษณ์ ่ ไม่ช ัดเจน และ human error ซึงอาจจะ แก้ไ ขได้โ ดยการใช้เ ครื่องวัด การยื ด (Extensometer) จะมีลก ั ษณะเป็ น ิ าวด ไมโครมิเตอร ์ หรือนาฬก ั 19 ่ ถ้าตาแหน่ งทีขาดไม่ อยู ่ในช่วง gauge length ต้องทาใหม่ เปอร ์เซนต ์การยืด จะไม่เท่ากันตลอด ่ ดคอคอด ความยาว เมือเกิ 1 2 3 4 5 6 7 % Elongation ของ ้ ชินงาน = 31.25% แต่ถา้ พิจารณา ตลอดความยาว Gauge length จะ ้ พบว่า มีคา ่ ตังแต่ 20-78% และ 8 บริเวณคอคอด(5) มี% สู งสุด 20 ้ 2. ขนาดของชินงาน ทั่ วไ ป จ ะ ก า ห น ด ค ว า ม ย า ว พิ กั ด ้ Lo=5.65So0.5 หรือ Lo=5d เป็ น ชิน ทดสอบได้สด ั ส่วน ถ้าค่าสัดส่วน L/d ต่ากว่านี ้ จะมีผลต่อค่า % ค ว า ม ยื ด แ ล ะ ก า ร ล ด ล ง ข อ ง ้ หน้ ่ าตัด พืนที ถ้า ค่ า L/d =0 จะท าให้ม ีล ก ั ษณะเหมือ น รอยบาก และท าให้เ ป็ น บริเ วณรวมของ ความเค้น (stress concentration) จะทา ให้ค่ า ความแข็ ง แรงเพิ่ มขึ ้น แต่ ค วาม 21 Length:Diameter ratio (a) Effect of Ductility L=3d L=2d (b) Effect on stress-strain L=d L=0.5d L=0d 22 ้ 3. ลักษณะการแตกของชินงาน (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 23 ้ ้ 4. การเยืองศู นย ์ของชินทดสอบ ้ อาจเกิด จากการจับ ชินงานไม่ ด ี หรือ วาง grip ไม่ด ี จะทาให้ stress กระจายไม่ทว่ ั หน้ า ตัด หรือ กระจายไม่ ส ม่ าเสมอ เกิด แรง ดึ งไ ม่ เ ท่ า กัน ต ล อ ด ช่ ว ง ค ว า ม ย า ว พิ ก ัด (gauge length) ส่ ง ผลให้พ ิ ก ด ั ของกราฟ โดยเฉพาะช่ ว ง Proportional limit น้อยกว่าความเป็ น จริง ้ จะมีผลกระทบกับค่า strength ของชินงาน 24 ่ ่ 5. ความเร็วทดสอบ ถ้า อ ต ั ราการดึง เร็ว เกินไป จะท าให้ เพิ่มความแข็ ง แรงดึง แต่ ค่ า การยืด ลดลง จะมีผลกระทบมากกับค่า strength ่ จุ ด หลอมเหลวต่ า เช่น ของโลหะทีมี ตะกว่ ั สังกะสี พลาสติก เป็ นต้น ค ว า ม สั ม พั น ธ ์ ร ะ ห ว่ า ง ก า ร ่ เปลียนแปลงของแรงดึ ง หรือ การยืด 25 ช่ น ใ น ก า ร ท ด ส อ บ ชิ ้ น ง า น ่ มาตรฐานของเหล็กกล้า ถ้าเราเพิม ความเร็ว การดึง เป็ น 8 เท่ า คือ จาก 1.25 เป็ น 10 mm/min จะทาให้ ่ น ้ ความเค้นจุดครากเพิมขึ 4%, ค ว า ม เ ค้ น ดึ ง เ พิ่ ม ขึ ้ น 2 % แ ล ะ Elongation ลดลง 5% เ ้ ชินงานหล่ อ ไม่ ม ีร บ ั ผลกระทบจาก 26 6. อุณหภู มก ิ ารทดสอบ ่ 6.1 อุณหภู มต ิ า ่ ณภู มต ่ เช่น ชินส่ ้ วน •วัสดุทใช้ ี่ งานทีอุ ิ า ้ วนบรรจุสารเคมี หรือ ตู เ้ ย็น, ชินส่ ้ วนเครืองจั ่ ่ ในสภาพ ชินส่ กรทีใช้ ่ ภู มอ ิ ากาศอุณหภู มต ิ า •เราทราบดีแล้วว่า ductility ลดลง เมือ่ T ่ ตาลง •ส่วนใหญ่มกั จะได้คา่ tensile strength ้ ถ้า T ตาลง ่ สู งขึน •แต่ ค่า Yield strength มักจะ 27 6.2 อุณหภู มส ิ ูง ้ วนทีต้ ่ องใช้งานทีอุ ่ ณหภู มส ชินส่ ิ ู ง เช่น ้ วนเครืองจั ่ ่ ชินส่ กร เครืองบิ น ้ ่ อุณหภู มส ดังนันการทดสอบที ิ ู ง ต้อง คานึ งถึง 1. การลดลงของ strength เมือ่ T สูงขึน้ 2. อ ัตราการเกิด Creep 3. ผลกระทบของ strain rate (พิจารณาจาก ความเร็วดึง) ่ 4. ผลกระทบของการเปลียนแปลงของโครงสร ้าง จุลภาค และโลหะวิทยา 28 การทดสอบ Tensile test 1. 2. 3. ศึกษา วิธก ี ารทดสอบ มอก. 244 เล่ม 42525 ออกแบบใบบันทึกผลการทดลอง ้ เตรียมชินงาน ้ อลู มเิ นี ยม 12.5 mm, กลุ่มละ 1 ชิน เหล็กเพลาขาว 12.5 mm , กลุ่มละ 1 ้ ชิน ้ ทองเหลือง 12.5 mm, กลุ่มละ 1 ชิน 29