Residual stress 20 09-2015

TISTR
Thailand Institute of Scientific and Technological Research – TISTR www.tistr.or.th
กิตติพงค์ นิมากร
นักทดลองวิทยาศาสตร์บริการ
kittiphong@tistr.or.th
02-577-9268
October 13, 2015
ศูนย์พัฒนาและวิเคราะห์สมบัติของวัสดุ (ศพว.)
1

TISTR
2
Oceanic Steam Navigation Company or White Star Line

TISTR
3
RMS Titanic

TISTR
4
RMS Titanic

TISTR
5
 ปิ โตรเคมี และโรงกลั่นน้ามันปิ โตรเลียม
 โรงไฟฟ้าพลังความร้อนและพลังน้า
 โรงงานผลิตปูนซีเมนต์
 ท่อประปา
 ตึกสูงและสะพาน
 อากาศยาน
 ชิ้นส่วนเครื่องจักรกล
 ฯลฯ
กลุ่มอุตสาหกรรมที่ใช้งานวัสดุโลหะ

TISTR
สมบัติทางกล
สมบัติทางกล หมายถึง สมบัติที่บ่งบอกความสามารถ
ในการรับภาระหรือแรงกระทาของวัสดุ หรือเป
็ นสิ่งที่บ่ง
บอกพฤติกรรมของวัสดุต่อแรงกระทา
เป
็ นสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุแต่ละชนิด และได้จาก
การทดสอบเท่านั้น
สมบัติทางกลที่สาคัญหลายตัวสามารถหาได้จากการ
ทดสอบความเค้น-ความเครียดภายใต้แรงดึง?
6

TISTR
ความสาคัญของการทดสอบทางกล
การออกแบบ (Design) และการเลือกใช้วัสดุในงานวิศวกรรม
(Material selection)
การควบคุมคุณภาพการผลิต (Manufacturing process)
การตรวจสอบผลิตภัณฑ์ได้คุณภาพตามมาตรฐาน (Quality
Assuring Product)
การพัฒนาผลิตภัณฑ์ (Material Research and
Development)
การวัดค่าทางวิทยาศาสตร์ของวัสดุ(Scientific
Measurement)
7

TISTR
8

TISTR
a) In general, can have
6 independent stresses
(3 normal and 3 shear)
acting at a point.
b) Many practical
engineering problems
involve only three
independent stresses –
called plane stress.
c) Stress state for
plane stress can be
summarized on a 2D
element.
Stress States:
Preferred stress element
for 2D stress:

TISTR
10

TISTR
11

TISTR
ประเภทการทดสอบทางกล
การทดสอบแรงดึง (Tensile Test)
การทดสอบแรงกระแทก (Impact Test)
การทดสอบความแข็ง (Hardness Test)
การวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด (Stress-
Strain Analysis)
12

TISTR
13

TISTR
การทดสอบแรงดึง
การทดสอบแรงดึง เป
็ นรูปแบบการทดสอบความเค้น-
ความเครียดรูปแบบหนึ่งที่ใช้กันแพร่หลาย เพื่อประเมินความ
แข็งแรงของโลหะหรือโลหะผสมด้วยการใช้แรงดึงจนขาดใน
ช่วงเวลาสั้นๆ ด้วยอัตราคงที่
สามารถประเมินสมบัติทางกลที่สาคัญต่อการออกแบบได้หลายค่า
จากการทดสอบแรงดึง โดยอยู่ในรูปของแผนภูมิความสัมพันธ์
ระหว่างความเค้น-ความเครียด (Stress-Strain Diagram)
14

TISTR
แผนภูมิความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียด (stress-
strain diagram)
15
y

u

pl

แตกหัก
คอคอด
การยืดตัวถาวรแบบ
สม่าเสมอ
Proof stress
o
A
F
area
tion
cross
force
stress =
−
=
sec
, 
F
A0
F
การยืดตัวแบบ
ยืดหยุ่น

TISTR
เหล็กกล้า
อลูมิเนียม
ความต้านทาน ณ จุดคราก (Yield strength)
16

TISTR
มอดุลัสความยืดหยุ่น (Modulus of elasticity)
หนังสือบางเล่มอาจเรียกว่า มอดุลัสของยัง หรือ มอดุลัสความแกร่ง
หรือความแข็งตึง ( Modulus of stiffness, E )
คือ ค่าความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุเมื่อได้รับ
แรงกระทาสามารถคานวณได้จากความชันของกราฟความเค้นและ
ความเครียดของวัสดุในระยะแรกที่ยังแสดงสมบัติยืดหยุ่น
(Proportional limit, )
pl

17


=
E


Elastic Deformation

TISTR
ความต้านทาน ณ จุดคราก (Yield strength)
คือ ความต้านทาน ณ จุดที่วัสดุเปลี่ยนพฤติกรรมการ
แปรรูปแบบยืดหยุ่นไปเป
็ นแบบถาวร เรียก
ปรากฏการณ์นี้ว่า การครากตัว (yielding, )
y

18
Plastic Deformation
yo

yi


TISTR
เปอร์เซ็นต์การยืดตัว (Percent elongation)
คือ ปริมาณร้อยละการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของ
ชิ้นงานภายใต้แรงดึง เมื่อเทียบกับระยะการวัด
(gage length)
เป
็ นดัชนีบอกถึงความอ่อนตัว (ductility) ของวัสดุ
และความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุได้โดยไม่
แตกหัก
19
%
100
, 

=
o
L
L
strain 

TISTR
เปอร์เซ็นต์การลดลงของพื้นที่หน้าตัด
(Percent Reduction of Area)
%
100
area
of
reduction
% 
−
=
o
f
o
A
A
A
เป
็ นดัชนีบอกถึงความอ่อนตัว (ductility) ของวัสดุ
และความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุ
Af
L
A0
L0
20

TISTR
Modulus of toughness
 เป
็ นค่า strain energy density ที่วัสดุกักเก็บไว้ก่อนที่จะเกิดการ
แตกหัก หรือ พลังงานที่วัสดุรับได้โดยไม่แตกหัก มีความสาคัญใน
การป
้ องกันการพังทลายของโครงสร้าง โดยวัสดุที่มีค่า Ut สูงๆ มัก
มีการเสียรูปมาก ซึ่งเป
็ นสัญญาณเตือนก่อนเกิดการแตกหัก
Strain
Ductile material
Stress
Strain
Brittle material
Stress
21

TISTR
สมบัติเชิงกลที่ได้จากการทดสอบแรงดึง
มอดุลัสของความยืดหยุ่น (Modulus of elasticity)
ความต้านทาน ณ จุดคราก (Yield strength)
ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Ultimate tensile
strength)
เปอร์เซ็นต์การยืดตัว (Percent elongation)
เปอร์เซ็นต์การลดลงของพื้นที่หน้าตัด (Percent
reduction of area)
22

TISTR
ความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งและความต้านแรงดึง
HB
45
.
3
(MPa)
UTS 
=
HB
500
(psi)
UTS 
=
For Steel
23

TISTR
24
Residual Stress and Distortion

TISTR
25

TISTR
26

TISTR
27

TISTR
28

TISTR
29

TISTR
30

TISTR
31

TISTR
32

TISTR
33

TISTR
34

TISTR
Types of loads carried by welding

TISTR
36

TISTR
37

TISTR
ประเภทของแรงกระทาต่อโครงสร้าง
38

TISTR
39

TISTR
40

TISTR
41

TISTR
42

TISTR
43

TISTR
กิตติพงค์ นิมากร
นักทดลองวิทยาศาสตร์บริการ
kittiphong@tistr.or.th
October 13, 2015
ศูนย์พัฒนาและวิเคราะห์สมบัติของวัสดุ (ศพว.)
44

TISTR
45
Measuring and Testing
❖Those used to measure a mechanical property –
Quantitative tests
❖Those used to assess the joint quality –
Qualitative tests

TISTR
46
Residual stress measuring
❖Methods x-ray diffraction(XRD)
❖Ultrasonic methods
❖Magnetic methods(BARKHAUSEN NOISE)
❖Electronic Speckle Pattern Interferometry
❖Hole drilling and strain gage technique
❖Core Hole drilling and strain gage technique

TISTR
47

TISTR
48
Methods x-ray diffraction(XRD)
Residual Stress measuring
ASTM standard E 1426-91

TISTR
49
Ultrasonic methods(UCC)

TISTR
50
Electronic Speckle Pattern Interferometry

TISTR
51
Magnetic methods(BARKHAUSEN NOISE)

TISTR
52
Magnetic methods(BARKHAUSEN NOISE)
- The MBN technique has a somewhat limited range of stress sensitivity,
Around ±300 MPa, and a few mm depth of measurement.
- Measurement times of a few seconds and spatial resolutions
in the sub-mm range are possible with magnetic methods.

TISTR
53
DIC (Digital Image Correlation)

TISTR
Stress Concentration
 What?
 Stress at a geometrical
discontinuity is much higher
than the stress at a nominal section
 How?
 Experiment, theory, FEA

TISTR

TISTR
57
Hole drilling and strain gage technique

TISTR
58
Core Hole drilling and strain gage technique

TISTR
59

TISTR
60

TISTR
การวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียด
(Stress-Strain Analysis)
ความเครียดของวัสดุเกิดขึ้น เนื่องจากการรับภาระกรรม
ภายนอกส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเนื้อวัสดุ เช่น
แรง ความดัน โมเมนต์ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เป
็ นต้น
สเตรนเกจถูกประยุกต์ใช้วัดความเครียดในเนื้อวัสดุ ใน
สภาวะที่มีการใช้งานจริง และนาค่าความเครียดมาคานวณ
เพื่อวิเคราะห์ความเค้น ทาให้สามารถทานายอายุการใช้
งานชิ้นส่วนได้
61

TISTR
Hook’s Law


=
E
จากหลักการการเปลี่ยนรูป
ในช่วงอิลาสติก ซึ่งมีดัชนีการ
ยืด-หดตัว หรือ modulus
of elasticity คงที่ตามกฎ
ของฮุค
สเตรนเกจจึงถูกนามาประยุกต์ใช้
ในการวัดความเครียดในเนื้อวัสดุ
1
62

TISTR
Concepts of Strain

TISTR
Strain Measurement by Strain Gage
 Why?
 Direct strain measurement→ Indirect stress calculation
 Where?
 Body surface: plane stress
 How?
 Electrical resistance strain gage
Concepts of Strain

TISTR
สเตรนเกจ (Strain Gage)
สเตรนเกจ คือ เซนเซอร์แบบความต้านทานชนิดหนึ่งที่ทา
หน้าที่เปลี่ยนปริมาณความเครียดในรูปของปริมาณเชิงกล
ให้เป
็ นปริมาณค่าทางไฟฟ
้ าในรูปของการเปลี่ยนแปลงความ
ต้านทาน
65

TISTR
Stress Calculation Procedures
Strain Gage/Rosette
Attachment
Wheatstone
Bridge
Strain
(a, b, c)
Strain
(x, y, xy)
a
b
c
Transformation
Measuring
Wiring
 

Concepts of Strain

TISTR
 Strain Rosette Equations
 0o – 45o – 90o (Rectangular)
90
0
45
90
0
o
o
o
2
o
2
90
o
o
o
2
o
2
45
o
o
o
2
o
2
0
2
,
,
90
cos
90
sin
90
sin
90
cos
45
cos
45
sin
45
sin
45
cos
0
cos
0
sin
0
sin
0
cos




















−
−
=
=
=

+
+
=
+
+
=
+
+
=
xy
y
x
xy
y
x
xy
y
x
xy
y
x
x
y
0
45
90
Concepts of Strain

TISTR
หลักการทางานของสเตรนเกจ
การทางานของสเตรนเกจอาศัยหลักการพื้นฐานของการ
เปลี่ยนแปลงความต้านทานกระแสไฟฟ
้ าของชั้นโลหะแผ่น
บางเมื่อสัมผัสกับวัสดุที่มีความเครียด
ความเครียดในเนื้อวัสดุแบ่งออกเป
็ น 2 ชนิด
ความเครียดแบบดึง (tensile strain) แสดงโดย
เครื่องหมาย + หมายถึง มีการยืดตัว
ความเครียดแบบอัด (compressive strain) แสดงโดย
เครื่องหมาย - หมายถึง มีการหดสั้นลง
68

TISTR
ข้อดีของการใช้สเตรนเกจเพื่อวัดข้อมูลทางกล
สามารถแยกวัดความเค้นแต่ละประเภทที่เกิดขึ้นบนชิ้นส่วนได้
มีความผิดพลาดต่า เนื่องจากสามารถชดเชยผลกระทบจากสิ่งแวดล้อม
ต่อการวัดได้ เช่น ความผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
มีความละเอียดสูง สามารถวัดความเครียดในระดับไมโครเมตร
สามารถวัดได้ในช่วงอุณหภูมิถึง -196˚C to +1000˚C
ไม่มีข้อจากัดเกี่ยวกับชิ้นส่วนที่ถูกวัด เนื่องจากสเตรนเกจมีขนาด
เล็กและน้าหนักเบา
สามารถวัดได้ในสภาวะสถิตย์ (static) และสภาวะพลวัต
(dynamic)
สามารถใช้ผลิตทรานสดิวเซอร์สาหรับการวัดแรง โมเมนต์ ความ
ดัน และการขจัด เป
็ นต้น
69

TISTR
70

TISTR
71

TISTR
ตัวอย่างการใช้งานสเตรนเกจ
73

TISTR
74

TISTR
75

Residual stress 20 09-2015

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Residual stress 20 09-2015