หน่วยที่ 3 สมบัติทางกลของโลหะ

1. หน่วยที่ 3
คุณสมบ ัติทางกลของโลหะ
Mechanical Properties of Metals
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 1

2. จุดประสงค์การเรียนรู ้
1. เข้าใจคุณสมบ ัติทางกลของว ัสดุและการทดสอบ
2. เข้าใจความหมายของ Elastic deformation,
Plastic deformation, Strength, Hardness
Toughness, Creep, Fatigue
ั
3. เข้าใจความสมพ ันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคก ับ
สมบ ัติทางกล
4. เข้าใจกลไกการแตกห ักแบบเปราะ และการ
แตกห ักแบบเหนียวได้
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 2

3. Mechanical Properties of Metal
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 3

4. Material Properties
There a 5 properties typically used to describe a
materials behavior and capabilities:
1. Strength
2. Hardness
3. Ductility
4. Brittleness
5. Toughness
6. Fracture Mechanic
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 4

5. 1.ความแข็งแรง (Strength)
The ability to resist deformation and maintain its shape
คอคอด(Necking)
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 5

6. Elastic Deformation of Metals
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 6

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. Plastic Deformation of Metals
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 8

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 strength
Hook law’s
Region strain hardening
fracture
σ Eε 4

σ 1
E
σy
EEngineering Materials ε  ε Chapter 3 Mechanical Properties
Strain (  ) =(e/Lo) 9
ε 2 1

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 F
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 10

11. Stress and Strain
l0
F F l f  l0

F
l0
F
lf
l0 เป็ นความยาวเร่ิ มต้น,
lf - l0 เป็ นความยาวที่เปลี่ยนไป
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 11

12. Stress and Strain
• Deformation
– Elastic: temporary
– Plastic: permanent
Engineering 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. Stress and Strain
Engineering 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. • 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
A0
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 14

15. Modulus of Elasticity
Metal Forming&
Metal Working
Engineering Design
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 15

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
deformation
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 16

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 part
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 17

18. Exercises
1. 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 N
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 18

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. Mode of Fracture
Moderately Brittle
Ductility Cast Iron ,Ceramic
Mild steel ,Cu
Au ,Ag ,Al
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 20

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. 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. 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. 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. 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. 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. ้
เปรียบเทียบผิวรอยแตกเมือใชกล้อง
่
จุลทรรศน์อเลคตรอน
ิ
แตกแบบเปราะ แตกแบบเหนียว
หลุมทีเกิดจาก particles
่
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 27

28. (3)
(3) Brittle fracture
(2) with no elongation
(1)
(2) Ductile fracture
(1) Ductile fracture with with necking
uniform elongation
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 28

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 increases
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 29

30. Anisotropies
• Highest strength parallel to
the rolling direction
• Ductility is highest at a 45o
angle to rolling direction.
• Compressive stress
• Shot peening
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 30

31. Microstructure change
• Cold deformation
• Anisotropic properties
depend on direction
• Highest strength is achieved
in axial direction
• Sheet texture is produced
with cold rolling
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 31

32. อิทธิพลของกระบวนการผลิต
1. Composition
2. Heat Treatment
3. Strain Rate
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 32

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. ตารางเปรียบเทียบความแข็ง
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 34

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. Rockwell Hardness Scales
สเกล 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” 150
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 36

37. ความสามารถในการทดสอบความแข็ง แบบร๊อคเวล
ข้อควรระว ั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. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล(Brinell Hardness)
หล ักการทดสอบ
ิ้ ้
ความแข็งของชนงานขึนอยูก ับขนาด
่
ของรอยกด
• กาหนดแรงกด(F)
• กาหนดขนาดห ัวกด(D)
• ิ้
กดชนงาน(30 วินาที)
• ว ัดรอยกด(d)
• กาหนดค่าความแข็งแบบบริเนล
• คานวณ
• เปิ ดตาราง
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 38

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 500 100
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 39

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 ดตาราง
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 40

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. 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. การทดสอบความแข็งแบบจุลภาค นูป(Knoop)
หล ักการทดสอบ ิ้
ค่าความแข็งของชนงานจะ
้
ขึนอยูก ับขนาดของรอยกด
่
Knoop test methods are
defined in ASTM E384
450HK0.5
Where 450 is the calculated hardness
and 0.5 is the test force in kg.
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 43

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. 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. 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. Hardness test
Black
scale
Red scale
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 47

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. “TITANIC”
“Unsinkable Ship หรือ
เรือทีไม่มว ันจม"
่ ี
แล้วเกิดเหตุการณ์น ี้
ได้อย่างไร?
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 49

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
ชัดเจน
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 50

51. Impact Test
ั
ความสามารถในการดูดซบพล ังงาน
เพือต้านทานต่อการเกิดรอยร้าวและ
่
การแตกห ักจากการกระแทก
Method
• Sudden intense force
applied to specimen
• Evaluates brittleness of
a material
• Toughness
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 51

52. พารามิเตอร์ทมผลกระทบต่อความเหนียว
ี่ ี
1. Strain Rate
• ความเร็วในการให้แรงกระแทก
•นาหน ักของค้อนตีกระแทก
้
• Izod Test
V
• Charpy Test
W=mg
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 52

53. พารามิเตอร์ทมผลกระทบต่อความเหนียว
ี่ ี
2. Stress Concentration
•รูปร่าง ล ักษณะของรอยบาก
3. Temperature
•Transition Temperature
•Ductile & Brittle Factrue
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 53

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
temperature
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 54

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. ผลการทดสอบว ัสดุชนิดต่าง ๆ
FCC
BCC
( )
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 56

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. Facture
แบบเหนียว แบบเปราะ
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 58

59. Facture
1. Brittle Facture
A
D Ductile Facture C
C % Brittle  100
Brittle Facture A
2. Ductile Facture
D Ductile Facture D
C % Ductile  100
Brittle Facture A
A
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 59

60. Transition temperature
• Transition temperature average impact strength of a fully brittle
and fully ductile specimen.
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 60

61. Charpy Test
High Carbon Steel Stainless Steel
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 61

62. Brittle Facture
Liberty ships
Problem: Used a type of steel with a DBTT ~ Room temp.
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 62

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. ้
• 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 ัสดุ
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 64

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. 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. 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 m
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 67

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. • Fatigue strength เปนแรงเค้นดึงทีว ัสดุสามารถร ับได้
็ ่
ก่อนการแตกห ัก ณ จานวนรอบทีกาหนด
่
Mild Steel
Fatigue limit
Copper
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 69

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. จุดเริ่มต้ น
บริเวณแตกหัก
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 71

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. 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. 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. 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. Strain () กับ เวลา (t) Strain rate( ) กับ เวลา (t)
3
2
ε 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 state
เพราะอ ัตราการจ ัดเรียงต ัวใหม่ของอะตอม=การเกิด
และการเคลือนทีของ dislocations Strain ของว ัสดุ
่ ่
่ ้
จะเพิมสูงขึนในอ ัตราทีเกือบคงที่
่
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 76

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 Kelvin
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 77

78. ตัวอย่างกราฟการเกิดการคืบของตะกัวที่อณหภูมิห้อง
่ ุ
Stress คงที่
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 78

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. 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. 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. กลไกการแตกห ักเนืองมาจากการคืบ
่
(CREEP RUPTURE Mechanism)
การเลื่อนตัวของขอบเกรน
σ
การไหลของ
σ อะตอม เกรน
σ
การไหลของ
σ vacancy
ช่องว่างที่ triple point
Vacancy creep Grain boundary sliding
่ ้
รูพรุนตามขอบเกรน เกิดและขยายเพิมขึน
่
ในชวงต้นของ state 3 ของการคืบ
ึ่ ื่
ซงจะขยายเชอมก ันเมือร ับแรง และอุณหภูมสง
่ ิ ู
่
และสงผลให้เกิดการแตกห ักแบบเปราะในทีสด่ ุ
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 82

83. Creep voids
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 83

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. 6. กลไกการแตกห ักของโลหะ
(Fracture Mechanism)
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 85

86. 6. กลไกการแตกห ักของโลหะ
(Fracture Mechanism)
การแตกแบบเปราะ
• เกิดจากรอยร้าวในโครงผลึก
• ไม่มการยืดต ัวของชนงาน
ี ิ้
้
• รอยแตกจะเปนเสนตรงผ่าเกรน
็
• ไม่มการเลือนของโครงผลึก
ี ่
• ม ักจะเกิดทีอณหภูมตา
่ ุ ิ ่
• ม ักเกิดก ับว ัสดุจาพวก
่
เซอร์รามิก, โลหะ เชนเหล็กหล่อ
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 86

87. สรุปสมบ ัติทางกล
1. เมือว ัสดุมแรงทางกลมากระทา ก็จะตอบสนองต่อ
่ ี
ั้ ้
แรงนนโดยมีความเค้นเกิดขึนภายในว ัสดุเพือ่
ี
ต้านทานการเสยรูป โดยแรงเค้นจะกระจาย
สมาเสมอทงหน้าต ัด แต่เมือว ัสดุไม่สามารถต้าน
่ ั้ ่
แรงนนได้ก็จะเกิดการเสยรูป
ั้ ี
ี
2. การเสยรูปแบ่งได้ 2 แบบ คือ แบบยืดหยุน และ
่
แบบถาวร
3. ว ัสดุทมโครงสร้างผลึกแบบ hcp จะเปราะ เพราะ
ี่ ี
มี slip system น้อย
4. ว ัสดุทมโครงสร้างผลึกแบบ Fcc จะเหนียว เพราะ
ี่ ี
มี slip system มาก
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 87

88. สรุปสมบ ัติทางกล
5. การแตกห ักแบบเหนียวเกิดก ับว ัสดุทมเปอร์เซนต์การ
ี่ ี
ยืดสูง และม ักมีคอคอดก่อนแตกห ัก
6. 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. Check lists
1. อธิบายคุณสมบ ัติของทางกลของว ัสดุ
2. Elastic deformation คือ
3. Plastic deformation คือ
4. Strength คือ
5. Toughness คือ
6. Creep คือ
7. Fatigue คือ
8. ั
ความสมพ ันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคก ับสมบ ัติ
ทางกล
9. การแตกห ักแบบเปราะ และการแตกห ักแบบ
เหนียว
Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 89