การทดสอบแรงดึง (Tensile test)

(ตอบคำถามลำดับที่ 132 ในส่วนของห้องสนทนา)

            การทดสอบแรงดึง เป็นวิธีที่นิยมใช้เพื่อวัดคุณสมบัติความต้านทานของวัสดุต่อแรงที่มากระทำ     โดยเริ่มจาก

-          การกัด (Milling) ชิ้นงานสำหรับทดสอบให้ได้ขนาดตามมาตรฐานที่ต้องการทดสอบ เช่น สมอ., JIS    

-          เช็ดสารหล่อลื่นที่ติดมากับชิ้นงานที่กัดเสร็จแล้วให้สะอาด   และอาจใช้กระดาษทรายลูบชิ้นงานทดสอบ  ถ้าผิวเหล็กมีสนิม (Scale, เช่น ในกรณีของเหล็กแผ่นรีดร้อน)  เพื่อป้องกันการเลื่อน (slip) ของชิ้นงานจากหัวจับขณะทำการดึง

-          ตรวจสอบความเรียบของชิ้นงาน  โดยจะต้องไม่โกงงอ   เพื่อให้ได้ค่าที่ถูกต้องจากการทดสอบ

-          ทำการวัดและบันทึกค่าขนาดของชิ้นทดสอบที่ได้จากการเตรียม  และตรวจเช็คว่าให้แน่ใจว่าขนาด (Dimension) ของชิ้นทดสอบอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ของมาตรฐานทดสอบนั้นๆ

-          ทำการดึงด้วยเครื่องดึง (Tensile machine) ซึ่งเมื่อดึงเสร็จสิ้น (ชิ้นงานขาดจากกันเป็นสองส่วน)     โปรแกรมของเครื่องส่วนใหญ่จะทำการวาดกราฟและคำนวณค่าต่างๆ ที่เราต้องการ

รูปที่ 1 : กราฟความเค้น-ความเครียดของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในสภาพอบอ่อน

            กราฟข้างบนแสดงค่าความเค้น (Stress) เทียบกับความเครียด (Strain) จากการทดสอบแรงดึงเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ     โดยค่าต่างๆ ในกราฟคำนวณจาก

                        ความเค้น (Stress) = แรงที่กระทำ / พื้นที่หน้าตัดที่รับแรงนั้น   

(หน่วยของความเค้นอาจเป็น N/mm² หรือ MPa หรือ kgf/mm2 หรือ psi หรือ ksi ก็ได้)

   โดยพื้นที่หน้าตัดที่ใช้ในการคำนวณค่าความเค้นมักจะใช้พื้นที่หน้าตัดเริ่มต้นก่อนที่จะทำการทดสอบ (A₀)   เราเรียกค่าความเค้นนี้ว่า Engineering stress ซึ่งแสดงดังเส้นโค้ง ABCDEF ในกราฟรูปที่ 1 ซึ่งค่าความเค้นจะลดลงในช่วงปลายของการยืดตัวเนื่องจากเกิดการคอด (Necking) ทำให้ชิ้นงานรับแรงได้น้อยลงอย่างมาก     (แต่ถ้าคำนวณความเค้นจากพื้นที่หน้าตัด ณ. ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งที่หน้าตัดเล็กลง   เราจะเรียกค่าความเค้นจากการคำนวณนี้ว่า True Stress ซึ่งแสดงดังเส้นโค้ง ABCDG ซึ่งความเค้นในช่วงปลายของการยืดตัวยังคงสูงขึ้นเนื่องจากใช้พื้นที่จริงๆ ขณะนั้นเป็นตัวหาร)

                        ความเครียด (Strain) = ความยาวที่ยืดออก (Dl)/ ความยาวเริ่มต้น (l₀)

            ในทำนองเดียวกัน เราเรียกค่าความเครียดที่คำนวณโดยการใช้ค่าความยาวเริ่มต้น (l₀) เป็นตัวเทียบนี้ ว่า Engineering strain

ช่วงต่างๆ ของกราฟความเค้น-ความเครียดที่น่าสนใจได้แก่

            ช่วง AB เป็นช่วงที่วัสดุเริ่มยืดตัว โดยที่ระยะยืดตัวจะมีความสัมพันธ์กับแรงที่มาดึงเป็นแนวเส้นตรง เราเรียกช่วงนี้ของกราฟว่า Proportional limit หรือ Limit of Proportionality โดยความชันของเส้นตรงดังกล่าวจะเรียกว่า Young’s Modulus of Elasticity

            เมื่อวัสดุยืดตัวอีกเล็กน้อยจะถึงจุด C ซึ่งเป็นจุดที่เริ่มที่จะมีการแปรรูปแบบถาวร (Plastic deformation)     โดยวัสดุที่ได้รับแรงดึงในช่วง AC เมื่อทำการหยุดดึงชิ้นงานจะหดกลับไปยังความยาวเริ่มแรกของวัสดุนั้น เราเรียกการแปรรูปในช่วง AC ว่า Elastic deformation     ในทางปฏิบัติ จุด B และ C จะอยู่ใกล้กันมากจนสามารถถือได้ว่าเป็นจุดเดียวกัน

            สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเมื่อทำการแปรรูปต่อจากจุด C   ความเค้นจะลดลงและคงที่โดยวัสดุสามารถยืดตัวออกไปได้เองโดยไม่ต้องเพิ่มความเค้น ซึ่งเป็นคุณสมบัติเฉพาะของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ     เราเรียกค่าความเค้นที่จุด D ว่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคลาก (Yield strength)

            เมื่อดึงวัสดุต่อจากจุด D ไปเรื่อย   ค่าความเค้นจะค่อยเพิ่มขึ้นเมื่อระยะยืดเพิ่มขึ้นจนถึงจุด E ซึ่งเป็นจุดที่ความเค้นสูงสุดของกราฟที่เป็นเส้นเต็ม   เราเรียกค่าความเค้นสูงสุดนี้ว่า ความต้านทานแรงดึง (Tensile strength)     ซึ่งถ้าวัสดุถูกดึงออกจากจุด D     พื้นที่หน้าตัดบางส่วนของชิ้นงานจะเริ่มเกิดการคอด (Non-uniform deformation) และทำให้รับแรงได้น้อยลงอย่างมาก

            เมื่อดึงวัสดุต่อจนถึงจุด F วัสดุจะขาดในที่สุด     ซึ่งเราสามารถหาค่าความยาวที่วัสดุยืดตัวออกโดยการนำเอาชิ้นงานที่ขาดมาต่อกัน แล้วหาความยาวของวัสดุหลังการดึง (Initial gauge length) ลบด้วยความยาวของวัสดุก่อนดึง (Initial gauge length)     และทำการคำนวณหาค่าความยืดตัวร้อยละ (Percentage elongation)   ได้โดย

          ความยืดร้อยละ (%Elongation) = (Gauge length หลังดึง- Gauge length ก่อนดึง) X 100

                                                          ความยาว Gauge length ก่อนดึง

            สำหรับตัวอย่างกราฟเหล็กกล้าคาร์บอนแบบอื่นๆ แสดงดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 : แสดงกราฟความเค้น-ความเครียดของเหล็กกล้าคาร์บอนที่ผ่านการชุบแข็ง (A) และที่ผ่านการชุบแข็งและอบคืนตัว (B)

            สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเมื่อเหล็กผ่านการรีดปรับผิว (Skin pass rolling) จะไม่ปรากฏจุดคลากที่แท้จริงให้เห็น     ดังนั้นการคำนวณค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคลากจะใช้วิธีการลากเส้นขนานกับเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรง (Proportional limit) หรือเรียกว่า Offset method เช่น วัดที่ระยะห่าง 0.2% ของ Gauge length ไปตัดกับเส้นกราฟที่ได้จากการดึง   เราเรียกค่าความเค้นตรงจุดที่ทั้งสองตัดกันเรียกว่า ค่าความเค้นพิสูจน์ (Proof stress) ที่ 0.2% เป็นต้น

รูปที่ 3 : แสดงกราฟความเค้น-ความเครียดของเหล็กกล้าคาร์บอนที่ผ่านอบอ่อนและรีดปรับผิว (as annealed&skin pass rolled)