1

2109101 วัสดุในงานวิศวกรรม

สมบัติทางกลของวัสดุ (2)

เนื้อหา

การแตกหักของโลหะ (Fracture)

ความลา (Fatigue)

ความคืบ (Creep)

3

การตอบสนองตอภารกรรมทางกล

เกิดการแปรรูปแบบอิลาสติก (ยืดหยุน) (Elastic deformation)เกิดการแปรรูปแบบพลาสติก (ถาวร) (Plastic deformation)เกิดการแตกหัก (Fracture)

4

การแตกหัก (Fracture)

การแตกหักแบบเหนียว (Ductile Fracture)

การแตกหักแบบเปราะ (Brittle Fracture)

a) Pure gold, lead at room T, Other metal, Polymer, glass at quite high T

สิ่งสําคัญ Temperature, material, strain rate!

5

จากการทดสอบแรงดึง

ความตานแรงดึงความเคนแรงดึงสูงสุดกําลังวัสดุ

Hook’s law

6

การแตกหัก (Fracture)

7

การแตกหักแบบเหนียว

เกิดการแปรรูปถาวรกอนในระดับหนึ่ง (ถาเปนการทดสอบแรงดึงสังเกตจากการคอด)เกิดชองวาง (Void) ในเนื้อโลหะชองวางเชื่อมตอกันเปนแนวตั้งฉากทิศแรงดึงการขาดสุดทายทํามุม 45°

รอยแตกแบบเหนียวมักเปน Cup and Cone

8

การแตกหักแบบเปราะ

9

การแตกหักแบบเปราะ

ไมมีหรือมีการแปรรูปถาวรนอยมากแตกหักดวยแรงดึงในลักษณะเนื้อโลหะแยกจากกันดวยแรงดึงตามระนาบเฉพาะที่เรียกวา Cleavage Plane – เปนการแตกหักผานเกรน (Transgranular Fracture)ในโลหะบางชนิดมีจุดออนในขอบเกรนทําใหเกิดการแตกหักแบบเปราะระหวางเกรน (Intergranular Fracture)

10

การทดสอบแรงกระแทก(Impact Test)

ประเมินความเปนวัสดุเปราะ/เหนียว อันนําไปสูความปลอดภัยในการใชงานเพื่อประเมินความแกรง Toughness ของวัสดุ

ประเมินจากพื้นที่ใตกราฟ stress-strain ก็ไดแตวิธีทดสอบแรงกระแทกจะสะดวกกวา

11

การทดสอบแรงกระแทก

(Impact Test)

12

การทดสอบแรงกระแทก(Impact Test)

Ductile to brittleTransition T

DBTT

FCC

FCC

BCC

13

ตัวอยางของผลการทดสอบแรงกระแทก

14

การทดสอบแรงกระแทก(Impact Test)

15

Aluminium (FCC)

16

ผลของโครงสรางของโลหะตอสมบัติทางกล

ปจจัยของโครงสรางผลึกตอความเหนียว

โลหะ FCC เหนียวที่ทุกอุณหภูมิโลหะ BCC เหนียวที่อุณหภูมิสูงเปราะที่อุณหภูมิต่ําโลหะ HCP เปราะที่ทุกอุณหภูมิ

ตัวอยาง: เหล็กที่อุณหภูมิหองเปน BCC การแปรรูปไมดีนัก

ที่อุณหภูมิสูงเปน FCC การแปรรูปงายกวา แปรรูปไดมากกวา

สิ่งสําคัญ Temperature, material, strain rate!

17

Vdo Impact Test Charpy

18

ความลา (Fatigue)

ความเสียหายเนื่องจากการรับแรงกระทําซ้ํา ๆ เปนรอบ (Cyclic Load) ทั้งที่แรง (ความเคน) ในแตละรอบ ไมไดเกินกําลังวัสดุ(UTS; หรือในการออกแบบใช YS) แตเมื่อเวลา (จํานวนรอบ) ผานไป ก็เกิดความเสียหายได

19

ความลา (Fatigue)

กลไกของความลา

20

ความลา (Fatigue)

กลไกของความลาการเริ่มตนเกิดรอยแตก (Crack Initiation) เกิดบริเวณจุดออนโดยเฉพาะรอยตําหนิ รอยขูดขีด รอยบาก รองตาง ๆ ที่บริเวณผิวการขยายตัวของรอยแตก (Crack Propagation) ภายใตแรงดึงในแตละรอบการแตกหักในขั้นสุดทาย (Fracture)

21

การทดสอบความลา

Stress amplitude

22

S-N Curve จากการทดสอบความลา

โลหะประเภทเหล็ก, ทองแดง โลหะนอกกลุมเหล็กทั่วไป

(Fatigue Limit)

Failure

Stre

ss a

mpl

itude

Stre

ss a

mpl

itude ไมแสดง Endurance limit

23

ความลา (Fatigue)

การออกแบบชิ้นงานที่รับแรงกระทําซ้ํา ๆ เปนรอบออกแบบใหความเคนไมเกิน Fatuige Limit หรือ Fatigue Strength แลวแตกรณีเสริมสรางความแข็งใหผิวชิ้นงาน เชน ทําการชุบแข็งผิว (ปองกัน crack initiation)ทําใหเกิดความเคนตกคางที่เปนแรงอัดบนผิวชิ้นงาน (ปองกัน crack initiation)หลีกเลี่ยงจุดที่เกิดความเคนสูง เชน รอง รอยบาก รู บนผิวชิ้นงาน (ปองกัน crack initiation)

24

ความคืบ (Creep)

ปรากฏการณที่วัสดุยืดออกเองได (เกิดการแปรรูปถาวร) ภายใตแรงหรือความเคนคงที่ เมื่อเวลาผานไปนาน ๆเกิดที่อุณหภูมิสูง (>0.4Tm โดยประมาณ)

เปนปญหาที่เกิดกับเครื่องยนต เครื่องจักรที่ใชงานที่ อุณหภูมิสูงๆเปนเวลานานๆ

25

Lead Tm=327oC 0.4*(273+327)=240oC

Heater

26

การทดสอบความคืบ

Creep Test สนใจคาอัตราการคืบตัวต่ําสุด (Minimum Creep Rate)Stress-rupture Test สนใจเวลาสุดทาย

27

เสนโคงความคืบ (Creep Curve)

28

เสนโคงความคืบ (Creep Curve)

29

สมบัติทางกล(Mechanical Properties)

Mechanical Property

Stress

Strain and Deformation

Stress-Strain Relationship

Creep

Toughness

Fatigue

Hardness