การทดสอบคุณภาพวัศดุทางกายภาพ

การทดสอบคุณภาพวัศดุทางกายภาพ

•Static Load Test หมายถึง การทดสอบโดยใช้แรงงานกระทำอยู่คงที่ เช่นการทดสอบความแข็ง,การทดสอบความเค้นดึง
•Cycle Load Test หมายถึง การทดสอบโดยใช้แรงที่กระทำเป็นจังหวะ เช่นการทดสอบความล้าตัวของวัสดุ
•Dynamic Load Test หมายถึง การทดสอบโดยใช้แรงกระทำที่เคลื่อนที่ เช่นการทดสอบการกระแทกของวัสดุ

•การทดสอบแรงดึง เป็นวิธีที่นิยมใช้เพื่อวัดคุณสมบัติความต้านทานของวัสดุต่อแรงที่มากระทำ โดยเริ่มจาก
- การกัด (Milling) ชิ้นงานสำหรับทดสอบให้ได้ขนาดตามมาตรฐานที่ต้องการทดสอบ เช่น สมอ., JIS.,ASTM.,ISO
- เช็ดสารหล่อลื่นที่ติดมากับชิ้นงานที่กัดเสร็จแล้วให้สะอาด และอาจใช้กระดาษทรายลูบชิ้นงานทดสอบ ถ้าผิวเหล็กมีสนิม (Scale, เช่น ในกรณีของเหล็กแผ่นรีดร้อน) เพื่อป้องกันการเลื่อน (slip) ของชิ้นงานจากหัวจับขณะทำการดึง
ความเค้น (Stress)
•ความเค้นคือ Stress คือแรงต้านภายในของวัสดุที่พยายามต้านทานแรงภายนอกที่มากระทำเพื่อไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแลงขนาดและรูปร่างของวัสดุนั้นๆ แรงต้านทานจะกระจายกระทำบนพื้นที่หน้าตัดของวัสดุที่รับแรงนั้น
•ชนิดของความเค้น (Stress Type)
- แรงดึง (Tensile Force)
- แรงอัด (Compression Force)
- แรงเฉือน (Shear Force)


ความแข็งแกร่ง (Stiffness)

•หมายถึงคุณสมบัติทางกลชนิดหนึ่งที่มีความสัมพันธ์มากในการออกแบบ เพราะเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่แสดงถึงความสามรถในการต้านทานการแปรรูป
•ความแข็งแกร่งและความแข็งมีความหมายที่แตกต่างกัน นอกจากนั้นยังมีคุณสมบัติที่ไม่สัมพันธ์กันด้วย คือความแข็งแกร่งจะคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงเนื่องจากกรรมวิธีการอบชุบ ปริมาณคาร์บอนที่ผสม และปริมาณการผสมอื่นๆ แต่ความแข็งแรงจะถูกเปลี่ยนแปลงโดยอาศับองค์ประกอบที่กล่าวมา เช่น ความแข็งแกร่งของเหล็กกล้าต่างชนิดกัน จะมีค่าเท่ากัน โดยไม่ต้องคำนึงถึงว่า ปริมาณคาร์บอนที่ผสมและปริมาณส่วนผสมอื่น และกรรมวิธีการอบชุบต่างกันก็ตาม แต่คุณสมบัติทางด้านความแข็งแรงจะเปลี่ยนแลง
ความเครียด Strain

•ความเครียด คือ วัสดุรับแรงภายนอกมากระทำ ก็ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดรูปร่างไปในทิศทางที่แรงมากระทำ เช่น เมื่อวัสดุอยู่ภายใต้แรงดึงก็จะถูกยืดออก (Elongation) และเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้แรงอัดก็จะหดเข้า (Contraction)
•ในทางวิศวกรรมนิยมส่วนยืดและส่วนหด เป็นอัตราส่วนระหว่างความยาวของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงไป จากการยืดหรือหดต่อความยาวเดิม และเรียกอัตราส่วนนี้ว่า ความเครียด (Strain

ความยืดหยุ่น (Elasticity)

•หมายถึง คุณสมบัติของวัสดุที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปได้ภายใต้แรงที่มากระทำโดยไม่เกิดการเปลี่ยนรูปร่างถาวร คือถ้าเอาแรงที่กระทำออก วัสดุจะคืนรูปเดิมได้เองเหมือนกับคุณสมบัติของสปริง

ความเครียด (Strain)
•ความเครียด คือ ระยะที่วัตถุยืดตัวหารด้วยระยะเริ่มต้น
Î = rL / Lo = L1-Lo / Lo
Î = ความเครียด
L1 = ระยะความยาวของวัตถุหลังยืดตัวแล้ว
Lo = ระยะความยาวเริ่มต้นของวัตถุก่อนยืดตัว
rL = ระยะที่ยืดออกไป
•ในทำนองเดียวกัน เราเรียกค่าความเครียดที่คำนวณโดยการใช้ค่าความยาวเริ่มต้น (L0) เป็นตัวเทียบนี้ ว่า Engineering strain

Modulus of Elasticity
•Young , s Modulus = ความเค้น / ความเครียด
•ในการคำนวณค่า Young’s Modulus ของเหล็กต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความไวสูง เพราะค่าความเค้นจะมากกว่าค่าความเครียดมาก จึงจำเป็นต้องวัดให้เที่ยงตรง ไม่เช่นนั้นจะมีค่า ERROR สูง
•หน่วยของ Young’s Modulus คือ GPa (GPa = MPa x 1,000)
•Young , s Modulus เป็นการวัดค่าความแข็ง บางครั้งถูกเรียกว่า Modulus of Elasticity

จุดคราก (Yield Point)
•Yield Point เมื่อดึงชิ้นงาน ช่วงที่ชิ้นงานเริ่มเปลี่ยนจาก Elastic ไปสู่ Plastic จะให้ Yield Point ออกมาในกราฟ ความเค้น -ความเครียด (แรง-ระยะ) เป็นตัวอย่างของกราฟแรง-ระยะของ ช่วงที่แรงตกลงมาเราจะเรียกจุดนั้นว่า upper yield ช่วง
•แรงเริ่มคงที่เราเรียกว่า lower yield point


การทดสอบการดัดโค้ง (Bending Test)

•การพิจารณาว่าชิ้นทดสอบผ่านการทดสอบการดัดโค้งนั้นหรือไม่นั้นพิจารณาจากการตรวจสอบดูที่ผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบว่าไม่มีรอยแตก การตรวจสอบอาจทำโดยการตรวจสอบด้วยตาเปล่า หรืออาจใช้กล้องที่มีกำลังขยายไม่เกิน 20 เท่า(ปกติจะกำหนดให้ใช้ตาเปล่า)
•สำหรับชิ้นงานที่มีอัตราส่วน ความกว้าง/ความหนา มากกว่า 8 ขึ้นไป ถ้าตรวจพบรอยแตกที่ขอบ (edge) ของชิ้นทดสอบ ให้ทำการขัดขอบของชิ้นทดสอบที่แตกนั้นให้เรียบ แล้วทำการทดสอบใหม่อีกครั้ง

•เมื่อทำการดัดโค้งด้วยมุม (bending angle) ที่เท่ากัน วัสดุที่มีความสามารถในการดัดโค้งที่ดีกว่าจะสามารถทำการดัดโค้งโดยใช้รัศมีการดัดโค้ง (bending radius) ที่เล็กกว่าได้โดยไม่เกิดรอยแตกขึ้น ในทางตรงกันข้ามเมื่อทำการดัดโค้งด้วยรัศมีการดัดโค้ง (bending radius) ที่คงที่ วัสดุที่มีความสามารถในการดัดโค้งที่ดีกว่าจะสามารถทำการดัดโค้งได้ด้วยมุม (bending angle) ที่มากกว่าจึงจะเกิดรอยแตกขึ้น

•การทดสอบทำโดย นำชิ้นทดสอบมาวางอยู่บนตัวฐานรอง ซึ่งควรจะเป็นทรงกระบอกที่มีรัศมีความโค้งไม่ต่ำกว่า 10 มม. แล้วค่อยๆเพิ่มแรงในการกดที่จุดกึ่งกลางของชิ้นงานทดสอบ เพื่อทำการดัดโค้งชิ้นงาน
• ระยะห่างระหว่างฐานรองที่ใช้ในการทดสอบ = 2r + 3t
• r คือ รัศมีการดัดโค้ง
• t คือ ความหนา หรือเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นทดสอบ

การทดสอบแรงกระแทก (Impact Test)
•เป็นวิธีการทดสอบความเหนียวที่นิยมใช้ ซึ่งเป็นการทดสอบเพื่อทำการวัดค่า Impact Energy,
•ศึกษาผิวรอยแตก (Fracture Surface) ของวัสดุ โดยการตีชิ้นทดสอบขนาดมาตรฐาน จนเกิดการแตกหัก จุดประสงค์ในการทำการทดสอบเพื่อศึกษาเกี่ยวกับความสามารถในการรับแรงกระแทก (Dynamic Load) ของวัสดุ

•การทดสอบแบ่งออกเป็น 2 ส่วนใหญ่ๆคือ
•Izod Test จะวางชิ้นทดสอบไว้ในแนวตั้งและให้ลูกตุ้มกระแทกกับด้านที่มีรอยบาก
•Charpy test จะวางชิ้นทดสอบไว้ในแนวระดับ และให้ลูกตุ้มตกกระแทกที่ด้านตรงข้ามกับรอยบาก

•วิธีการทดสอบของทั้ง 2 ชนิดนี้คล้ายกัน คือ
จะวางชิ้นงานทดสอบไว้รับแรงกระแทกจากการเหวี่ยงของลูกตุ้มที่น้ำหนักค่าหนึ่ง (น้ำหนักและขนาดของตุ้มน้ำหนักจะต้องเป็นไปตามที่มาตรฐานที่เลือกใช้ในการทำการทดสอบระบุไว้)
พลังงานที่กระแทกชิ้นทดสอบขึ้นอยู่กับมวลของลูกตุ้ม และความเร็วของมันขณะกระแทก
จุดกระแทกจะเป็นจุดต่ำสุดของการเหวี่ยง ซึ่งเป็นจุดที่ลูกตุ้มมีความเร็วสูงที่สุด เมื่อลูกตุ้มกระทบชิ้นทดสอบ ลูกตุ้มจะเสียพลังงานไปจำนวนหนึ่งในการทำให้ชิ้นทดสอบหัก ค่าพลังงานที่เสียไปนี้ก็คือ ค่า Impact Energy นั่นเอง มีหน่วยเป็น ฟุต-ปอนด์ หรือ จูล

ชิ้นทดสอบจะเป็นแท่งยาว มีพื้นที่ภาคตัดขวางเป็นสี่เหลี่ยมจตุรัส และมีรอยบากอยู่ตรงกลาง รอยบากนี้จะทำเป็นรูปตัว V, U หรือรูปรูกุญแจ ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุและมาตรฐานการทดสอบที่เลือกใช้

•สำหรับมาตรฐานอุตสาหกรรมไทย เลือกใช้ชิ้นงานที่มีรอยบากเป็นตัวยูลึก 5 มิลลิเมตร ขนาดชิ้นทดสอบเท่ากับ 10x10x50 มิลลิเมตร แต่สามารถใช้การทดสอบที่แตกต่างไปจากนี้ได้ และเขียนสัญลักษณ์แทนไว้ดังนี้
•KCU 30/3 คือทำ การทดสอบ โดยใช้พลังงานในการกระแทก 30 kg m และใช้ชิ้นทดสอบที่มีรอยบากลึก 3 มิลลิเมตร

•อุณหภูมิมีผลต่อความเหนียวอย่างมาก วัสดุเหนียวอาจจะเปลี่ยนเป็นวัสดุเปราะได้เมื่ออุณหภูมิต่ำลง ถ้าเรานำค่า Impact Energy มาพลอตกับอุณหภูมิ
• มีอุณหภูมิอยู่ช่วงหนึ่งซึ่งมีค่าของ Impact Energy ลดลงอย่างรวดเร็ว ค่าอุณหภูมิในช่วงนี้เรียกว่า Impact Transition Temperature (ITT) โดยค่า ITT นี้เป็นอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุจากวัสดุเหนียวมาเป็นวัสดุเปราะ คือ เปลี่ยนจากวัสดุเหนียวที่มีค่าพลังงานสูงมาเป็นวัสดุเปราะซึ่งมีพลังงานต่ำ

•ค่า Impact energy จะไม่นำมาใช้โดยตรงในการออกแบบ แต่มันมีประโยชน์ที่จะใช้เป็นแนวทางในการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ โดยเฉพาะพวกเหล็กที่มีค่า ITT อยู่ใกล้กับอุณหภูมิห้อง เราจะต้องระมัดระวัง ไม่ใช้งานวัสดุที่อุณหภูมิต่ำกว่า ITT ของมัน
•วิธีในการกำหนดค่า ITT มีอยู่หลายวิธี เช่น การตรวจสอบผิวรอยแตก (Fracture Surface) ของชิ้นงานที่แตกหักจากการทดสอบแรงกระแทก หรือการกำหนดค่า ITT โดยใช้อุณหภูมิที่ผิวรอยแตกของชิ้นงานทดสอบแรงกระแทกมีสัดส่วนของพื้นที่ที่เกิดการแตกแบบเปราะ (Brittle Fracture) กับพื้นที่ที่แสดงการแตกแบบเหนียว (Ductile Fracture) เป็น 50:50 พอดี (ซึ่งมีชื่อเรียกเฉพาะว่า Fracture Appearance Transition Temperature - FATT


•วิธีที่นิยมใช้กันมากที่สุด คือ กำหนดค่า Impact Energy ค่าหนึ่งขึ้นมาเป็นเกณฑ์ โดยควรจะมีค่ามากกว่าพลังงานที่วัสดุจะได้รับในระหว่างการใช้งาน ถ้าวัสดุใดทดสอบแล้วมีค่า Impact Energy ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ก็ถือว่าเป็นวัสดุเปราะซึ่งอาจเกิดการแตกหักได้ง่าย จึงไม่ควรจะนำมาใช้งาน

ในการรายงานผลการทดสอบแบบชาร์ปี้นั้น ชิ้นงานที่ทดสอบจะมีการแตกหักต่างกันจึงมีการรายงานผลดังนี้

•การแตกหักสมบูรณ์ (Complete break) คือการแตกหักของชิ้นงานแตกหักอย่างสมบูรณ์และแยกออกจากกันเป็นสองชิ้นหรือมากกว่า ใช้สัญลักณ์ว่า C
•การแตกหักแบบบานพับ (Hinge break) คือการแตกหักไม่สมบูรณ์ชิ้นส่วนของชิ้นทดสอบยังคงติดอยู่กับเศษเนื้อวัสดุที่มีความบางแต่ชิ้นงานด้านหนึ่งไม่สามารถที่จะรับน้ำหนักของชิ้นงานอีกด้านหนึ่งของรอยบากได้เมื่อถือชิ้นงานในแนวตั้งจะมีลักษณะคล้ายบานพับใช้สัญลักษณ์ว่า H

•แตกหักบางส่วน (Partial break) คือการที่ชิ้นงานเกิดการแตกหักแบบไม่สมบูรณ์โดยมีระยะการแตกหักอย่างน้อย 90 % ของความกว้างของชิ้นงานหลังรอยบากและไม่มีลักษณะของการแตกหักแบบบานพับใช้สัญลักษณ์ว่า P
•ไม่แตกหัก (Non-break) คือการที่ชิ้นงานไม่แตกหักเพียงแต่เกิดการดัดงอใช้สัญลักษณ์ว่า NB



การทดสอบการดัดโค้ง เป็นการทดสอบเพื่อดูพฤติกรรมการแปรรูปของวัสดุหลังจากทำการดัดโค้ง โดยพิจารณาดูว่าที่ผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบตรงบริเวณที่ทำการดัดโค้งเกิดรอยแตกขึ้นหรือไม่ หลังจากทำการดัดโค้งชิ้นทดสอบด้วยรัศมีความโค้งที่กำหนด จนได้มุมตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐานการทดสอบ