หน่วยที่ 3 สมบัติทางกลของโลหะ(ใช้สอน)

8,227 views

Published on

หน่วยที่ 3 สมบัติทางกลของโลหะ

Published in: Technology
1 Comment
5 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
8,227
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
10
Actions
Shares
0
Downloads
205
Comments
1
Likes
5
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

หน่วยที่ 3 สมบัติทางกลของโลหะ(ใช้สอน)

  1. 1. หน่วยที่ 3 คุณสมบ ัติทางกลของโลหะMechanical Properties of Metals Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 1
  2. 2. จุดประสงค์การเรียนรู ้1. เข้าใจคุณสมบ ัติทางกลของว ัสดุและการทดสอบ2. เข้าใจความหมายของ Elastic deformation, Plastic deformation, Strength, Hardness Toughness, Creep, Fatigue ั3. เข้าใจความสมพ ันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคก ับ สมบ ัติทางกล4. เข้าใจกลไกการแตกห ักแบบเปราะ และการ แตกห ักแบบเหนียวได้Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 2
  3. 3. Mechanical Properties of MetalEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 3
  4. 4. Material PropertiesThere a 5 properties typically used to describe amaterials behavior and capabilities: 1. Strength 2. Hardness 3. Ductility 4. Brittleness 5. Toughness 6. Fracture MechanicEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 4
  5. 5. 1.ความแข็งแรง (Strength)The ability to resist deformation and maintain its shape คอคอด(Necking)Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 5
  6. 6. Elastic Deformation of MetalsEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 6
  7. 7. Elastic Deformation • เปนกระบวนการทีผ ันกล ับได้ ็ ่Energy between atoms รวมพลังงานผลัก-ดูด Reversible กล่าวคือ ่ ิ้ (1) เมือชนงานได้ร ับแรงดึง จะ แรงผลัก ทาให้ระยะระหว่างอะตอม Emin ่ ้ เพิมขึน ระยะระหว่าง แรงดูด จุดศูนย์กลางอะตอม (2) แต่ถาแรงดึงด ังกล่าวน้อย ้ กว่าแรงหรือพ ันธะระหว่าง อะตอม ถ้าเราปลดแรงออก อะตอมจะอยู่ชิดกันในสภาวะ ่ อะตอมจะกล ับสูภาวะสมดุล equilibrium ที่ Emin r0 ิ้ ทาให้ชนงานกล ับมีขนาดและ (1) มีแรงกระทา รูปร่างเหมือนเดิม (แต่จะมี Dislocation เคลือนที่ ่ (2) ไม่มีแรงกระทา ประมาณ 100-200 ต ัว) r0 Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 7
  8. 8. Plastic Deformation of MetalsEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 8
  9. 9. Stress-Strain Diagram ultimate tensile necking strength 3  UTS Strain yield Fracture strength Hardening y 5 2 Plastic Elastic region Region slope=Young’s(elastic) modulus yield strength Plastic region Elastic ultimate tensile strengthHook law’s Region strain hardening fractureσ Eε 4  σ 1 E σy EEngineering Materials ε  ε Chapter 3 Mechanical Properties Strain (  ) =(e/Lo) 9 ε 2 1
  10. 10. Stress and Strain In order to compare materials, we must have measures.• Average Stress : load per unit Area F   dA F    dA  A σ F A F : load applied in Newton(N) A : cross sectional area in mm2  : stress in N/mm2 A F FEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 10
  11. 11. Stress and Strain l0 F F l f  l0  F l0 F lf l0 เป็ นความยาวเร่ิ มต้น, lf - l0 เป็ นความยาวที่เปลี่ยนไปEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 11
  12. 12. Stress and Strain• Deformation – Elastic: temporary – Plastic: permanentEngineering stress:() F   (units: Pa = N/m2) A0 ้ ่ ิ้ F = แรงกระทาเฉลียต่อพืนทีหน้าต ัดชนงาน มีหน่วยเปนนิวต ัน (N), และ ่ ็ ้ ่ ิ้ A0 = พืนทีหน้าต ัดเดิมของชนงาน มีหน่วยเปน ตารางมิลลิเมตร (mm2) ็Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 12
  13. 13. Stress and StrainEngineering strain: l  l0  l0 Geometric quantity (units: 1 = m/m) l0 = ความยาวเดิมทีกาหนดขนาดความยาวเกจ(mm.) ่ l = ความยาวสุดท้ายเมือผ่านการดึง(mm.) ่Hooke’s Law: E is the modulus of elasticity   E Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 13
  14. 14. • Percent elongation at fracture, % เปนค่าความ ็ สามารถในการยืดได้ของว ัสดุภายใต้แรงดึง คานวณได้จาก l f  l0 %   100 l0• Percent reduction in area at fracture, %RA เปนการว ัด ็ ี ี ่ ้ั ี้ ึ ค่าความเหนียวของว ัสดุอกวิธหนึง รวมทงสามารถชถง ั้ ิ้ คุณภาพของว ัสดุนนๆด้วย กล่าวคือ ถ้าชนงานมีจดบกพร่อง ุ ่ ิ่ เชน รูโพรง, สงปลอมปน จะทาให้คา %RA น้อยลง ่ A0  A f % RA   100 A0Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 14
  15. 15. Modulus of Elasticity Metal Forming& Metal Working Engineering DesignEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 15
  16. 16. 0.2% Yield Strength 1. plastic deformation of 0.2% 2. Permanent when the force is released 3. Material (or part) has a defined elastic-plastic transition 4. Renewed application of a load less than the yield stress creates no further plastic deformationEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 16
  17. 17. Stress and Strain: Tensile Test• Tensile test measures the resistance of a material to a static of slowly applied load• A strain gage measures the amount of stretching of a partEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 17
  18. 18. Exercises1. วัสดุชนิดหนึ่ งมีค่า yield stress เท่ากับ 200 MPa เรา ต้องให้แรงดึงอย่างน้ อยเท่าใดจึงจะสามารถดึงชิ้นงาน ชนิดนี้ ที่มีพืนที่หน้ าตัด 100 mm2 ให้เกิดการเสียรูปแบบ ้ ถาวรได้ yield force = yield stress x area = (200 x 106 N/ m2) x (100 x 10-6 m2) = 20,000 NEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 18
  19. 19. 2. วัสดุชนิดหนึ่ งมีค่าเปอร์เซ็นต์การยืด 10% ถ้าวัสดุนี้เริ่มต้น ยาว 200 mm เราจะต้องดึงวัสดุนี้ให้มีความยาวเพิ่มอีก เท่าใดจึงจะขาด l f  l0 %  100 l0 %  lo l f  lo  100 10  200 l f  lo   20mm 100 Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 19
  20. 20. Mode of Fracture Moderately Brittle Ductility Cast Iron ,Ceramic Mild steel ,CuAu ,Ag ,AlEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 20
  21. 21. Ductile fracture• The material exhibits substantial plastic deformation in the vicinity of an advancing crack with high energy absorption before fracture. There is evidence of appreciable gross deformation at fracture surfaces (e.g., twining and tearing). • It proceeds relatively slowly as the crack length is extended •Crack is stable, i.e., resists any further extension unless there is an increase in applied stress. •Cup-and-cone facture type.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 21
  22. 22. Ductile fracture (Cons.)• Ductile fracture preferred due to: – Ductile fracture gives warning (due to associated plastic deformation). This allows preventive measures to be taken. –More strain energy is required to induce ductile facture (Ductile materials are tougher).Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 22
  23. 23. Ductile fracture (Moderately)• Evolution to failure: void void growth shearing necking fracture nucleation and linkage at surface • Resulting 50 mm 50 mm fracture surfaces (steel) particles 100 mm serve as void nucleation sites.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 23
  24. 24. Brittle fracture •The material experiences little or no plastic deformation with low energy absorption. • Cracks may spread extremely rapidly. • Crack is unstable, i.e., crack propagation, once started, will continue spontaneously without an increase in applied stress.• Direction of crack propagation is nearly perpendicular to direction of applied tensile stress and yields relatively flat fracture surface.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 24
  25. 25. กลไกการแตกแบบเปราะ แรงดึง ิ้ • ชนงานจะแตกห ักโดยมีการแปรรูป ถาวรเล็ กน้อยหรือไม่มเลย ทาให้ม ี ี ค่าความเหนียวตา ่ ระนาบ ผิวหน้า • ผิวรอยแตกค่อนข้างตรง และ ค่อนข้างวาวเมือมองด้วยตาเปล่า ่ • โลหะทีแตกแบบเปราะค่อนข้างทีจะ ่ ่ อ ันตรายเพราะสามารถเกิดการ แตกห ักได้งายในบริเวณทีมความ ่ ่ ี เค้นสะสมสูง และถ้ามีรพรุนมากๆ ูEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 25
  26. 26. Brittle fracture (Cont.)• Cleavage: In brittle fracture, crack propagation corresponds to successive and repeated breaking of atomic bonds along specific crystallographic planes.• Cleavage is Trangranular since cracks pass through the grains.• Crack surface may have grainy or faceted texture due to changes in orientation of cleavage planes from one grain to another.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 26
  27. 27. ้ เปรียบเทียบผิวรอยแตกเมือใชกล้อง ่ จุลทรรศน์อเลคตรอน ิ แตกแบบเปราะ แตกแบบเหนียว หลุมทีเกิดจาก particles ่Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 27
  28. 28. (3) (3) Brittle fracture (2) with no elongation (1) (2) Ductile fracture (1) Ductile fracture with with necking uniform elongationEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 28
  29. 29. Effect of Temperature • Yield strength, tensile strength, modulus of elasticity, and fracture point decrease or relocate with higher temperature • Vibrational energy of individual atoms increases with temperature – slip becomes easier – ductility increasesEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 29
  30. 30. Anisotropies • Highest strength parallel to the rolling direction • Ductility is highest at a 45o angle to rolling direction. • Compressive stress • Shot peeningEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 30
  31. 31. Microstructure change • Cold deformation • Anisotropic properties depend on direction • Highest strength is achieved in axial direction • Sheet texture is produced with cold rollingEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 31
  32. 32. อิทธิพลของกระบวนการผลิต 1. Composition 2. Heat Treatment 3. Strain RateEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 32
  33. 33. 2.ความแข็ง (Hardness) Performance of the material property to resist indentation ,abrasion and wear.• This property is tested by subjecting the metal to an instrument that measures depth of penetration by a penetrator.• Common instruments include ; – Rockwell Hardness test – Brinell Hardness test – Vickers Hardness test – Micro Hardness test Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 33
  34. 34. ตารางเปรียบเทียบความแข็งEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 34
  35. 35. การทดสอบความแข็งแบบร๊อคเวล(Rockwell Hardness)หล ักการทดสอบ ิ้ ้ ความแข็งของชนงานขึนอยูก ับ ่ ความลึกของรอยกด • เลือกชนิดห ัวกด(ห ัวเพชร,บอล) • กาหนดแรงกด(F) • ิ้ กดชนงาน(30 วินาที) • อ่านค่าความแข็ง Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 35
  36. 36. Rockwell Hardness Scalesสเกล หัวกด แรงกด(กิ โลกรัม) การใช้งาน A หัวเพชรมุม 120 60 วัสดุที่มีความแข็งมาก ๆ เช่น ทังสเตนคาร์ไบด์ มีดเล็บ โลหะซิ นเตอร์ B หัวบอล  1/16” 100 วัสดุแข็งปานกลาง เหล็กกล้าคาร์บอนตา-ปานกลาง ทองเหลือง ทองเหลืองผสม ่ C หัวเพชรมุม 120 150 ่ เหล็กที่มีความแข็งมาก ๆ เช่นเหล็กที่ผานการชุบแข็ง และอบคืนตัว D หัวเพชรมุม 120 100 เหล็กผ่านการชุบผิ วแข็ง (Surface Hardening) E หัวบอล  1/8” 100 เหล็กหล่อ อลูมิเนี ยม และแมกนี เซียมผสม F หัวบอล  1/16” 60 ทองเหลือง ทองแดงที่ผ่านการอบอ่อน G หัวบอล  1/16” 150 ทองแดง-เบอริ เลียม ฟอสฟอรัส-บรอนซ์ H หัวบอล  1/8” 60 อลูมิเนี ยมแผ่น K หัวบอล  1/8” 150 เหล็กหล่อ และอลูมิเนี ยมผสม L หัวบอล  1/4” 60 พลาสติ ก โลหะอ่อน เช่นตะกัว ดีบก ่ ุ M หัวบอล  1/4” 100 P หัวบอล  1/4” 150 R หัวบอล  1/2” 60 ใช้ได้เช่นเดียวกับสเกล L ขึ้นอยู่กบขนาดและความหนาของชิ้ นงานทดสอบ ั S หัวบอล  1/2” 100 V หัวบอล  1/2” 150Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 36
  37. 37. ความสามารถในการทดสอบความแข็ง แบบร๊อคเวลข้อควรระว ังในการทดสอบ ้ • ในการทดสอบแบบร๊อคเวลกรณีใชห ัวกดเปนห ัวบอลจะต้องมนใจว่าเหล็ก ็ ่ั ็ ่ ่ั ้ ทีนาทดสอบเปนเหล็กกล้าคาร์บอนตา – ปานกลางถ้าไม่มนใจให้ใชห ัว ่ ี เพชรกดก่อนเสมอ เพือปองก ันความเสยหายของห ัวกด ่ ้ • การทดสอบต้องทดสอบอย่างน้อย 3-5 จุด เพือหาค่าเฉลียความแข็งของ ่ ่ ิ้ ชนงาน • กรณีกดด้วยห ัวเพชร ระยะห่างระหว่างรอยกดแต่ละรอยต้องไม่ตากว่า 3 ่ ้ เท่าของเสนผ่านศูนย์กลางรอยกด(หรือประมาณ 3 มิลลิเมตร) ้ • ถ้าใชห ัวบอลกด ระยะห่างระหว่างรอยกดควรมีไม่นอยกว่า 4 เท่าของ ้ รอยกด Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 37
  38. 38. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล(Brinell Hardness)หล ักการทดสอบ ิ้ ้ ความแข็งของชนงานขึนอยูก ับขนาด ่ ของรอยกด • กาหนดแรงกด(F) • กาหนดขนาดห ัวกด(D) • ิ้ กดชนงาน(30 วินาที) • ว ัดรอยกด(d) • กาหนดค่าความแข็งแบบบริเนล • คานวณ • เปิ ดตารางEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 38
  39. 39. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล(Brinell Hardness) ั ความสมพ ันธ์ของแรงกด ห ัวกด และชนิดของว ัสดุ แรงกด(กิโลกรัม)เส้นผ่าศูนย์ เหล็กกล้า ทองแดง อะลูมิเนี ยม ตะกัว ่กลางหัวกด เหล็กหล่อ ทองแดงผสม บริสทธ์ ิ ุ ดีบกผสม ุ(มิลลิเมตร) F/D2 = 30 F/D2 = 10 F/D2 = 5 F/D2 = 1 1 30 10 5 1 2 120 40 20 4 5 750 250 125 25 10 3000 1000 500 100Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 39
  40. 40. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล(Brinell Hardness)การกาหนดความแข็ง 120 HB 5 250 30 120 (5 .) (250 ) (30 )1. คานวณจากสูตรหาค่าความแข็ง 2F BHN  d  D D - D 2  d 2 2. เปิ ดตารางEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 40
  41. 41. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล(Brinell Hardness)ข้อควรระว ังในการทดสอบ Pile up d Depression (a) (b) ี่ ่ ี • สาหร ับการทดสอบแบบบริเนลในกรณีทว ัสดุออนอาจจะทาให้เกิดการเสย รูปของรอยกดในล ักษณะ Pile up คือมีการยืดต ัวออกของขอบรอยกดทา ให้การว ัดค่าขนาดรอยกดอาจจะคลาดเคลือนได้งาย ่ ่ ่ •เชนเดียวก ับว ัสดุทมอ ัตราการเกิดความเครียดแข็งสูง ได้แก่ ี่ ี ึ่ เหล็กออสเตนนิตก อาจจะทาให้เกิด Depression รอบรอยกดซงจะทาให้ ิ การว ัดค่าขนาดรอยกดเพือกาหนดค่าความแข็งคาดเคลือนได้เชนก ัน ่ ่ ่ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 41
  42. 42. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล(Brinell Hardness)ข้อควรระว ังในการทดสอบ 3D 3D ่ ั ั้ ้ • รอยกดทีเห็นได้อย่างชดเจนนน จะต้องใชกดโลหะทีมความหนาไม่ตากว่า ่ ี ่ ้ สามเท่าของเสนผ่าศูนย์กลางของห ัวกด ้ • จุดทดสอบจะต้องอยูหางก ันอย่างน้อยสามเท่าของเสนผ่าศูนย์กลางของ ่ ่ ห ัวกดเพือไม่ให้ขอบของรอยบุมมาชนก ัน ่ ๋ • สาหร ับชนทดสอบทีออนมากหรือเล็กมาก ต้องใช ้ Load น้อยลง และ ิ้ ่ ่ ขนาดของห ัวกดก็ตองเล็กลงด้วย แต่ตองให้ได้ตามมาตรฐานการทดสอบด้วย ้ ้ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 42
  43. 43. การทดสอบความแข็งแบบจุลภาค นูป(Knoop)หล ักการทดสอบ ิ้ ค่าความแข็งของชนงานจะ ้ ขึนอยูก ับขนาดของรอยกด ่Knoop test methods aredefined in ASTM E384 450HK0.5Where 450 is the calculated hardness and 0.5 is the test force in kg. Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 43
  44. 44. การทดสอบความแข็งแบบจุลภาค นูป(Knoop) • แรงกด 10-1000 กร ัม • เวลากด 10 - 15 วินาที. ้ ้ • ว ัดรอยกดเสนทแยงมุมเสนยาว(l) • กาหนดค่าความแข็งโดยการคานวณค่าจากสูตร F HK  14.230  2 l l 450HK0.5 Where 450 is the calculated hardness and 0.5 is the test force in kg. ็ ี ่ ุ่ ่• เปนวิธการทดสอบทีมงเน้นการว ัดความแข็งของโครงสร้างจุลภาค เชน เกรน ี ขอบเกรน รวมทงเฟสต่าง ๆ ได้แก่เฟอร์ไรท์ ซเมนไตต์ คาร์ไบด์ หรือ ั้ ื่ ่ โครงสร้างของ งานเชอม เชน HAZ , WM หรือโครงสร้างเกรนยาว Columnar , Fine Grain เปนต้น ็ ่ ึ• ต้องเตรียมผิวหน้างานให้เรียบเหมือนการเตรียมเพือศกษาโครงสร้างจุลภาค•การให้แรงกดต้องให้อย่างสมาเสมอ ่ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 44
  45. 45. การทดสอบความแข็งแบบวิกเกอร์(Vickers)หล ักการทดสอบ ิ้ ค่าความแข็งของชนงานจะ ้ ขึนอยูก ับขนาดของรอยกด ่ d ้ ใชห ัวกดเพชร (Diamond indenter) แบบ Vickers หรือ Knoop กดลงบนผิวว ัสดุท ี่ ต้อ งการว ด ค่า ความแข็ ง ด้ว ยแรงกดคงที่ ั ั ่ั (1-1,000 กร ม ) ช ว ระยะเวลาหนึง จะเกิด ่ ั ั ้ รอยกดบนผิว ว ส ดุ ว ด ขนาดเส น ทแยงมุ ม ของรอยกดเพือ ใช ้ค านวณค่า ความแข็ ง ่ ด ังนี้ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 45
  46. 46. การกาหนดค่าความแข็งแบบวิกเกอร์ (Vickers Hardness Test) การอ่า นค่า ความแข็ ง ของ วิ ก เ ก อ ร์ ส า ม า ร ถ อ่ า น ไ ด้ ่ ด ังนี้ เชน 650 HV 30 • 650 คือ ค่าความแข็ง แบบวิกเกอร์ ้ • ใชแรงกด 30 กิโลกร ัม • เวลากด 10-15 วินาที (เปนการกาหนดค่า ็ มาตรฐาน)Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 46
  47. 47. Hardness test Black scale Red scaleEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 47
  48. 48. แบบฝึ กห ัด• สมบ ัติทางกลคืออะไร? • ความแข็งแรงของ• ประกอบด้วยสมบ ัติ ว ัสดุคอ? ว ัดได้ ื อะไรบ้าง? อย่างไร?• มีความสาค ัญอย่างไร? • วิธเพิมความ ี ่• และสมบ ัติทางกลได้ร ับ แข็งแรงให้ก ับว ัสดุ อิทธิพล หรือมีผลมา สามารถทาได้โดย? จากอะไร? ให้เหตุผล พร้อมยกต ัวอย่าง • ความแข็งของว ัสดุ ประกอบ? คือ? ว ัดได้อย่างไร? Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 48
  49. 49. “TITANIC” “Unsinkable Ship หรือ เรือทีไม่มว ันจม" ่ ี แล้วเกิดเหตุการณ์น ี้ ได้อย่างไร?Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 49
  50. 50. 3. Toughness (ความทนทาน)• เป็ นความทนทานของวัสดุต่อการแตกหัก เมื่อมีแรง มากระทาอย่างเฉี ยบพลัน ณ ที่อณหภูมิหนึ่ ง ุ• สามารถวัดได้จาก พลังงานที่ชิ้นงานสามารถซับไว้ ได้ในระหว่างที่ถกแรงกระทา ู• ค่า Toughness จะขึนกับอุณหภูมิ โดยเฉพาะ เหล็ก ้ จะมีช่วงของการเปลี่ยนจาก brittle ไปเป็ น ductile ชัดเจนEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 50
  51. 51. Impact Test ั ความสามารถในการดูดซบพล ังงาน เพือต้านทานต่อการเกิดรอยร้าวและ ่ การแตกห ักจากการกระแทก Method • Sudden intense force applied to specimen • Evaluates brittleness of a material • ToughnessEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 51
  52. 52. พารามิเตอร์ทมผลกระทบต่อความเหนียว ี่ ี1. Strain Rate • ความเร็วในการให้แรงกระแทก •นาหน ักของค้อนตีกระแทก ้ • Izod Test V • Charpy Test W=mgEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 52
  53. 53. พารามิเตอร์ทมผลกระทบต่อความเหนียว ี่ ี2. Stress Concentration •รูปร่าง ล ักษณะของรอยบาก3. Temperature •Transition Temperature •Ductile & Brittle Factrue Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 53
  54. 54. หล ักการทดสอบด้วยแรงกระแทก • Charpy V-Notch Test (continued) - The potential energy of the pendulum before and after impact can be calculated form the initial and final location of the pendulum. - The potential energy difference is the energy it took to break the material.  absorbed during the impact. - Charpy test is an impact toughness measurement test because the energy is absorbed by the specimen very rapidly. - Purpose : to evaluate the impact toughness as a function of temperatureEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 54
  55. 55. ผลการทดสอบด้วยแรงกระแทก• Charpy V-Notch Test (continued) Brittle Ductile Transition Temperature Ductile Facture Charpy Toughness(lb·in) Ductile High impact Energy Brittle Behavior Behavior Brittle Facture Transition Temperature Low impact Energy Temperature (°F)Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 55
  56. 56. ผลการทดสอบว ัสดุชนิดต่าง ๆ FCC BCC ( )Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 56
  57. 57. ผลการทดสอบด้วยแรงกระแทก• Charpy V-Notch Test (continued)- At low temperature, where the material is brittle and not strong, little energy is required to fracture the material.- At high temperature, where the material is more ductile and stronger, greater energy is required to fracture the material-The transition temperature is the boundary between brittle and ductile behavior. The transition temperature is an extremely important parameter in selection of construction material. Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 57
  58. 58. Facture แบบเหนียว แบบเปราะEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 58
  59. 59. Facture1. Brittle Facture A D Ductile Facture C C % Brittle  100 Brittle Facture A2. Ductile Facture D Ductile Facture D C % Ductile  100 Brittle Facture A AEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 59
  60. 60. Transition temperature• Transition temperature average impact strength of a fully brittle and fully ductile specimen.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 60
  61. 61. Charpy Test High Carbon Steel Stainless SteelEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 61
  62. 62. Brittle Facture Liberty ships Problem: Used a type of steel with a DBTT ~ Room temp.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 62
  63. 63. 4. การล้า (FATIGUE)• มีก าร ค าด กา ร ณ์ ก น ว่ า กว่ า 90 % ข อง คว า ม ั เส ย หายทีเ กิด ขึน ก บ ช น ส ่ว นเป นความเส ย หายที่ ี ่ ้ ั ิ้ ็ ี เกิดจากการล้า• คือ เมือโลหะได้ร ับแรงทีตากว่า Yield Strength ่ ่ ่ เปนรอบติดต่อก ันเปนเวลานาน การแตกห ักจะเริม ็ ็ ่ ิ้ ึ่ ั จากรอยร้า วเล็ ก ๆทีผ ว นอกของช น งานซ ง ม ก จะ ่ ิ มองด้วยตาเปล่าไม่เห็ น จากนนทุกๆรอบของแรง ั้ ่ ้ เค้นทีกระทา จะทาให้ร อยร้า วขยายต ัวเพิม ขึน ไป ่ ในทิศทางทีตงฉากก ับทิศทางของแรง ่ ั้ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 63
  64. 64. ้• การขยายของรอยร้า วจะเกิดขึน อย่า งชา ๆ จน ้ เมือ ช น งานส ่ว นทีย ง ติด ก น ไม่ส ามารถรองร บ ่ ิ้ ่ ั ั ั แรงเค้นได้อกต่อไป ทาให้เกิดการห ักขึนอย่าง ี ้ รวดเร็ว• การล้าเปนสาเหตุของ Failure ทีพบมากทีสุด ็ ่ ่ ่ ้ ของโลหะทีใชใน aircraft, I-beams cranes, bridges and ships และใน crankshaft• ด ังนนจาเป นต้องมีการทดสอบเพือว ัดอายุการ ั้ ็ ่ ้ ใชงานของว ัสดุEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 64
  65. 65. Fatigue• A form of failure that occurs in structures subject to dynamic and fluctuating stresses.• Failure occurs at stress levels lower than yield or tensile stresses for static loads.• It occurs after a lengthy period of repeated stress of strain cycling.• Comprise approximately 90% of metallic failures.Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 65
  66. 66. Fatigue Rotating Beam Test• The repeated application of stress typically produced by an oscillating load such as vibration.• Sources of ship vibration are engine, propeller and waves. Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 66
  67. 67. Fatigue Test ้ • มีว ัตถุประสงค์ในการทานายอายุการใชงาน และความทนทานของ ว ัสดุ (Endurance limit หรือ Fatigue limit) • ทุกการทดสอบจะเปนการให้แรงเปนคาบในล ักษณะ Sinusoidal ็ ็ โดยมีคาความเค้นสูงสุดคงที่ (Stress amplitude, a ) และม ักจะ ่ ให้คา Mean stress, m เปน 0 ด ังรูป ่ ็ a  Time mEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 67
  68. 68. ิ้• ชนงานจะร ับแรงกระทาเปนแบบ sinusoidal ตงแต่ ็ ั้ ิ้ 1,000-10,000 รอบ/นาที จนกว่าชนงานจะแตกห ัก• ได้กราฟ Stress-Cycle (ความเค้น-จานวนรอบ) (a) Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 68
  69. 69. • Fatigue strength เปนแรงเค้นดึงทีว ัสดุสามารถร ับได้ ็ ่ ก่อนการแตกห ัก ณ จานวนรอบทีกาหนด ่ Mild Steel Fatigue limit Copper Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 69
  70. 70. ที่ผ ิว งานแตกจะมีล ก ษณะพิเ ศษของการเกิด การล้า ั ้ กล่า วคือ จะเห็ น เป นเส น โค้ง ออกไปจากจุด ก าเนิด และ ็ ั ่ ้ ร ศ มีเ พิม ขึน ตามการเจริญ เติบ โตของรอยแยก จะเป น ็ ้ ้ ด้านทีมผวค่อนข้างเรียบ ความถีของเสนจะขึนก ับขนาน ่ ี ิ ่ ่ ของแรงดึง สวนทีเกิดการแตกห ักขนสุดท้ายจะเห็ นเปน ่ ั้ ็ ผิวหยาบ ด ังรูป Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 70
  71. 71. จุดเริ่มต้ น บริเวณแตกหักEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 71
  72. 72. จุดกาเนิดของ Crack – จุดทีมการสะสมของ ความเค้น ่ ี – บริเวณทีมจดบกพร่อง, Dislocations or ่ ี ุ grain boundaries, สารมลทิน – มุมทีแหลมคม จากการผลิต หรือแบบ ่ด ังนน Fatigue Strength ของว ัสดุสามารถเพิม ั้ ่ ู ้ ให้สงขึนได้โดย ่ – เพิมความแข็งผิว เชน Nitriding, ่ Carburizing – เพิมความเรียบผิว ข ัดเงาเพือลดรอยร้าวเล็ กๆ ่ ่ ้ – เลือกใชว ัสดุทมสารเจือปนน้อย ี่ ีEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 72
  73. 73. 5. การคืบ (CREEP) ่ ิ ี• ทีอุ ณ หภู ม ต ่า การเส ย รู ป ถาวร (Plastic ้ deformation) จะเกิดขึนเมือว ัสดุร ับแรง ่ สูงเกินค่า yield strength ของว ัสดุนนๆ ั้ ่• สวนทีอณหภูมสง ถึงแม้วาโลหะจะร ับแรง ่ ุ ิ ู ่ ทีตากว่า Yield ่ ่ strength แต่เมือเวลา ่ ผ่า นไปก็ ส ามารถท าให้เ กิด การเปลีย น ่ รูปทรงได้ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 73
  74. 74. การเกิด Plastic deformation ของว ัสดุท ี่ ิ ึ่อุ ณ หภู ม สู ง ซ ง จะเกิด จากการทีไ ด้ร บ แรง ่ ักระท าที่ไ ม่ สู ง แต่ อ ยู่ ภ ายใต้แ รงน น เป น ั้ ็ ้ ัเวลานาน(ขึน ก บ เวลา) ท าให้โ ลหะเกิด การ ี ีเคลือ นต ว หรือ บิด จนเส ย รู ป การเส ย รู ป นี้ ่ ัเรียกว่า “Creep” (การคืบ)Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 74
  75. 75. ล ักษณะของการเกิดการคืบ ้• การคืบสามารถเกิดขึนได้ทงว ัสดุทมผลึกและไม่มผลึก ั้ ี่ ี ี กล่าวคือสามารถเกิดได้ใน โลหะ, โพลิเมอร์ และ เซรามิกส ์ ่ ้ ่ ุ• อ ัตราการเกิดการคืบจะเพิมมากขึนทีอณหภูมสงกว่า ~ ิ ู 0.5Tm สาหร ับ เซรามิกส ์ สวน โลหะ จะเพิมขึนที่ อุณหภูมสง ่ ่ ้ ิ ู กว่า ~ 0.3-0.4Tm• ด ังนนว ัสดุทมจดหลอมเหลวตา จะเกิดการคืบง่ายกว่า ว ัสดุท ี่ ั้ ี่ ี ุ ่ มีจดหลอมเหลวสูง ุ• การคืบ เปนสาเหตุของการแตกห ักแบบเหนียวทีอณหภูมตา ็ ่ ุ ิ ่ และแบบเปราะทีอณหภูมสง ่ ุ ิ ู Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 75
  76. 76. Strain () กับ เวลา (t) Strain rate( ) กับ เวลา (t) 3 2ε 1   1 2 3 time time ที่อณหภูมิและความเค้นคงที่ ุ1 ้ Strain จะสูงขึน โดย Strain rate ณ จุดเริมต้นจะ ่ Stage ้ 3 Strain ของว ัสดุจะสูงขึนใน ่ ้สูงสุดแต่จะเพิมสูงขึนในอ ัตราทีลดลง เนืองจากมีความ ่ ่ ่ ู ้ อ ัตราทีสงขึน เนืองจากว ัสดุเริมมีความ ่ ่ต้านทานจากการเกิดและการเคลือนทีของ ่ ่ ต้านทานน้อยลง ด ังนน ทาให้ว ัสดุ ั้ ้dislocations ในเนือว ัสดุ แตกห ักอย่างรวดเร็ว2 ่ Strain rate จะเข้าสูภาวะคงที่ หรือ steady stateเพราะอ ัตราการจ ัดเรียงต ัวใหม่ของอะตอม=การเกิดและการเคลือนทีของ dislocations Strain ของว ัสดุ ่ ่ ่ ้จะเพิมสูงขึนในอ ัตราทีเกือบคงที่ ่ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 76
  77. 77. Strain rate ในช่วงที่ 2 ที่ภาวะ steady state สามารถคานวณได้จาก   A exp( Q RT )  m A =ค่าคงที,่ m ~1 หรือ 4, Q = พลังงานกระตุ้น, R =ค่าคงที่ของกาซเฉื่ อย, T = อุณหภูมิ KelvinEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 77
  78. 78. ตัวอย่างกราฟการเกิดการคืบของตะกัวที่อณหภูมิห้อง ่ ุ Stress คงที่Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 78
  79. 79. อิทธิพลของแรงเค้นก ับการคืบ High Temp or High Stress Strain Medium Temp or Medium Stress Low Temp or Low Stress, <0.4Tm, Metals show primary creep but negligible secondary creep เวลา อัตราการเกิดการคืบจะสูงขึนเมื่อปริมาณแรงเค้นเพิ่มขึน ้ ้Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 79
  80. 80. กลไกการแตกห ักเนืองมาจากการคืบ ่ (CREEP RUPTURE Mechanism)โลหะทีมความต้านทานการเกิดการคืบ เมือได้ร ับแรงเปน ่ ี ่ ็เวลานานๆ ทีอณหภูมสง ก็สามารถแตกห ักได้กอนเวลา ่ ุ ิ ู ่อ ันควร เนืองจาก จะมีพล ังงานกระตุนในการเกิด ่ ้กระบวนการด ังนี้ ่1. Vacancy creep (การย้ายต ัวของชองว่าง) การย้ายต ัว ของ vacancy จะสวนทางก ับ การย้ายต ัวของโลหะ อะตอม ทาให้เกรนเกิดการเปลียนรูปร่าง ่2. Grain boundary sliding (การเลือนต ัวของขอบเกรน) ่ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 80
  81. 81. กลไกการแตกห ักเนืองมาจากการคืบ ่ (CREEP RUPTURE Mechanism)• ทีอณหภูมสง ~0.5Tm และ low stress จะเกิดการ ่ ุ ิ ู ่ เคลือนต ัวของขอบเกรนแบบสุม (Randomly) และมี ่ Creep rate ทีตา ่ ่• ถ้าเกรนมีความแข็ งแรง จะทาให้เกิดความเค้นสะสมที่ ่ ่ Triple point สงผลให้เกิดชองว่างทีรอยต่อระหว่าง ่ ้ เกรน และขยายต ัว ทาให้อ ัตราการเกิดการคืบสูงขึน อย่างรวดเร็ว (state 3 of Creep rate vs Time) ่ ิ้ สงผลให้ชนงานเกิดการห ักแบบเปราะได้ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 81
  82. 82. กลไกการแตกห ักเนืองมาจากการคืบ ่ (CREEP RUPTURE Mechanism) การเลื่อนตัวของขอบเกรน σ การไหลของ σ อะตอม เกรน σ การไหลของ σ vacancy ช่องว่างที่ triple pointVacancy creep Grain boundary sliding ่ ้ รูพรุนตามขอบเกรน เกิดและขยายเพิมขึน ่ ในชวงต้นของ state 3 ของการคืบ ึ่ ื่ ซงจะขยายเชอมก ันเมือร ับแรง และอุณหภูมสง ่ ิ ู ่ และสงผลให้เกิดการแตกห ักแบบเปราะในทีสด่ ุ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 82
  83. 83. Creep voidsEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 83
  84. 84. สรุป Creep ้• Materials ทีจะใชงานทีอุณหภูมสูงจาเปนต้องมีความ ่ ่ ิ ็ ้ เหนียว และความแข็ งแรงสูง ไม่มสารเจือปนในเนือว ัสดุ ี และมีความต้านทานต่อการเกิด Creep and Oxidation ่ เชน high strength aluminium alloy, superalloys (Ni-based alloys) and titanium เปนต้น ็• Microstructure จะต้องมี สารประกอบทีเพิมความแข็ ง ่ ่ (hardening precipitate) ทีมคณสมบ ัติกดขวางการ ่ ี ุ ี เคลือ นทีข อง dislocations ่ ่ และไม่ส ลายต ัว ณ ที่ ิ ้ อุณหภูมใชงาน Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 84
  85. 85. 6. กลไกการแตกห ักของโลหะ (Fracture Mechanism)Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 85
  86. 86. 6. กลไกการแตกห ักของโลหะ (Fracture Mechanism) การแตกแบบเปราะ • เกิดจากรอยร้าวในโครงผลึก • ไม่มการยืดต ัวของชนงาน ี ิ้ ้ • รอยแตกจะเปนเสนตรงผ่าเกรน ็ • ไม่มการเลือนของโครงผลึก ี ่ • ม ักจะเกิดทีอณหภูมตา ่ ุ ิ ่ • ม ักเกิดก ับว ัสดุจาพวก ่ เซอร์รามิก, โลหะ เชนเหล็กหล่อEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 86
  87. 87. สรุปสมบ ัติทางกล1. เมือว ัสดุมแรงทางกลมากระทา ก็จะตอบสนองต่อ ่ ี ั้ ้ แรงนนโดยมีความเค้นเกิดขึนภายในว ัสดุเพือ่ ี ต้านทานการเสยรูป โดยแรงเค้นจะกระจาย สมาเสมอทงหน้าต ัด แต่เมือว ัสดุไม่สามารถต้าน ่ ั้ ่ แรงนนได้ก็จะเกิดการเสยรูป ั้ ี ี2. การเสยรูปแบ่งได้ 2 แบบ คือ แบบยืดหยุน และ ่ แบบถาวร3. ว ัสดุทมโครงสร้างผลึกแบบ hcp จะเปราะ เพราะ ี่ ี มี slip system น้อย4. ว ัสดุทมโครงสร้างผลึกแบบ Fcc จะเหนียว เพราะ ี่ ี มี slip system มากEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 87
  88. 88. สรุปสมบ ัติทางกล5. การแตกห ักแบบเหนียวเกิดก ับว ัสดุทมเปอร์เซนต์การ ี่ ี ยืดสูง และม ักมีคอคอดก่อนแตกห ัก6. ว ัสดุทเปราะจะมีเปอร์เซนต์การยืดตา ผิวรอยแตกแบบ ี่ ่ เปราะม ักเรียบ ม ันวาว ี่ ้ ็7. การล้าม ักเกิดก ับว ัสดุทใชเปนเวลานาน เกิดโดยมีรอย ร้าวทีผว และลึกลงไปในผิว ่ ิ ี่ ้8. ว ัสดุทใชในงานทีอณหภูมสงต้องมีคณสมบ ัติตานทาน ่ ุ ิ ู ุ ้ การคืบ Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 88
  89. 89. Check lists1. อธิบายคุณสมบ ัติของทางกลของว ัสดุ2. Elastic deformation คือ3. Plastic deformation คือ4. Strength คือ5. Toughness คือ6. Creep คือ7. Fatigue คือ8. ั ความสมพ ันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคก ับสมบ ัติ ทางกล9. การแตกห ักแบบเปราะ และการแตกห ักแบบ เหนียวEngineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 89

×