บทความ
 เคมี (Chemistry)
 สู่อิสรภาพทางการเงิน (To Financial Freedom)
 การคำนวณ และออกแบบ (Calculation and design)
 เทคโนโลยีการเกษตร (Agricultural Technology)
 เครื่องมือกล (Machine tools)
 Laws of Nature
 อวกาศ
 พลังงาน
 อิเล็กทรอนิกส์
 ทฤษฏีสัมพัทธภาพ
 ไครโอเจนิกส์
 เฮลิคอปเตอร์
 เกียร์อัตโนมัติ
 โทรศัพท์มือถือ
 ยาง
 รถไฟความเร็วสูง
 คลัตช์ และกระปุกเกียร์ธรรมดา
 เจ็ทแพ็ค
 แผ่นดินไหว
 คู่มือ ต้องรอด
 โรงไฟฟ้าพลังน้ำ
 ดาวเทียม
 เชื่อมโลหะใต้น้ำ
 กังหันลมผลิตไฟฟ้า
 เครื่องยนต์ดีเซล
 เครื่องยนต์เบนซิน
 คัมภีร์สงครามซุนวู ฉบับเข้าใจง่าย
 โลหะ
 ฟิสิกส์
 ปัญหาพระยามิลินท์
 ยานยนต์สมัยใหม่
 แมคาทรอนิกส์
 เครื่องกล 6 แกน
 เครื่องยนต์เจ็ท
 หุ่นยนต์
 สินค้า ผลงาน
 เขียนแบบ
 ออกแบบ คำนวณ
 วางโครงการ
 งานโลหะ
 อุปกรณ์
 เครื่องกล
วันนี้ 1,435
เมื่อวาน 1,871
สัปดาห์นี้ 7,540
สัปดาห์ก่อน 15,976
เดือนนี้ 70,466
เดือนก่อน 47,501
ทั้งหมด 4,338,353
  Your IP :3.236.219.157

23 ความทนทานต่อการล้าตัว และการกระแทก

4.1.11 ความแข็งแกร่งต่อการล้าตัว

 

      การล้าตัวของวัสดุเกิดจากการที่มีแรงกระทำซ้ำ ๆ กลับไปกลับมา จนวัสดุเกิดความอ่อนล้าในเนื้อวัสดุ เมื่อยังมีแรงมากระทำอีกต่อไปที่วัสดุนั้นก็อาจจะแตกหักเสียหายได้

 

      ความล้าตัวที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนเครื่องกล ยกตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ทำงานอยู่ตลอดเวลา, การทำงานของสวิตซ์แม่เหล็กไฟฟ้า (รีเลย์ หรือแม็กเนติก), การสั่นสะเทือนของสปริง ฯลฯ

 

รูปตัวอย่างของรีเลย์

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

 

วิดีโอการทำงานของรีเลย์

 

      ซึ่งตัวอย่างที่กล่าวมาเหล่าจะมีการกระทำซ้ำ ๆ จนเกิดความเค้นสลับกันไป / มา บางครั้งจำนวนทำงานอาจนับเป็นล้านครั้งก่อนที่มันจะล้า และเกิดความเสียหาย

 

วิดีโอการทดสอบความล้าตัวของวัสดุ

 

 

      ความทนทานต่อความล้าตัวนี้ การคำนวณยังไม่สามารถคำนวณได้เป็นที่แน่นอน แต่สามารถประมาณค่าได้กว้าง ๆ อีกทั้งพฤติกรรมการล้าตัวก็ยังไม่ค่อยเป็นที่เข้าใจนัก ซึ่งส่วนใหญ่ต้องอาศัยการทดลองในห้องปฏิบัติการ และบันทึกค่าไว้เพื่อหาพฤติกรรมการล้าตัวของวัสดุแต่ละชนิด, แต่ละรูปร่าง, แต่ละสภาพแวดล้อม หรืออื่น ๆ

 

รูปหน้าตัดเพลาเสียหายอันเนื่องมาจากความล้า

 

จากการศึกษาเรียนรู้จะพบว่า พฤติกรรมความล้าตัวจะเกิดจาก 2 ระยะก็คือ

 

Ø จะเริ่มเกิดรอยแตกร้าวขึ้นในระยะเริ่มแรก และ

 

Ø ต่อมาเมื่อมีรอยแตกแล้ว และยังคงเกิดความเค้นกระทำซ้ำไปซ้ำมาเรื่อย ๆ ณ บริเวณนั้นอีก รอยแตกร้าวก็จะเกิดการลุกลาม จนวัสดุนั้นไม่สามารถรับความเค้นได้อีก วัสดุนั้นก็จะเริ่มพังทลายเสียหายลงไป

 

วิดีโอแสดงการทดลองการล้าตัวจากการหมุนของเพลา

 

      การทดสอบการล้าตัว เราคิดเป็นจำนวนรอบการหมุนที่ทำซ้ำ ๆ ปกติจะคิดที่ค่ารอบการหมุนที่ 1,000,000 รอบขึ้นไป จึงเป็นการทดสอบแบบระยะยาว อาจะเป็นวัน, เดือน หรือเป็นปีก็ได้

 

      ในการทดลองจะมีค่าความเค้นทำให้วัสดุเริ่มเกิดความเสียหาย แต่วัสดุยังสามารถทนทานได้อยู่ จนถึงค่าความเค้นอยู่ค่าหนึ่ง ช่วงความเค้นนั้นก็คือ ขีดจำกัดความทนทาน (Endurance limit)

 

      ในการใช้งานของชิ้นส่วนเครื่องกล จึงไม่ควรให้ความเค้นถึงค่านี้ เพราะจะทำให้วัสดุเริ่มแตกร้าวแต่ยังไม่พังทันที แต่ถ้าความเค้นสูงกว่าขีดจำกัดความทนทานแล้ว ก็จะพังทลายลง

 

รูปเพลาข้อเหวี่ยงในเครื่องยนต์ที่เกิดการล้าตัวจนตัวเพลาเกิดพังเสียหาย

 

      อุณหภูมิที่ร้อน และเย็นก็มีผลต่อความทนทานต่อการล้าตัวของวัสดุ ตัวอย่างเช่น ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นความทนทานของวัสดุจะมีค่าลดลง แล้วก็ยังทำให้ช่วงขีดจำกัดความทนทานลดลงอีกด้วย

 

      นอกจากอุณหภูมิแล้ว สารเคมี และโครงสร้างทางจุลภาคของวัสดุ ก็มีผลเช่นกัน เช่น เมื่อเราเติมสารเคมีบางตัวลงไปในเนื้อวัสดุจะทำให้วัสดุนั้นมีความแข็งแกร่งต่อการล้าตัวเพิ่มขึ้น

 

      การทดสอบความล้าตัวมีอยู่ด้วยกันหลายวิธี เช่น ใช้เครื่องทดสอบความเค้นแนวแกน, เครื่องทดสอบความเค้นดัดงอ, เครื่องทดสอบอเนกประสงค์ (Universal testing machine), การทดสอบความล้าแบบพับงอ (Reversed bending) ดังรูป

 

รูปเครื่องทดสอบการล้าตัวของวัสดุแบบดิจิตอล

 

วิดีโอแสดงเครื่องกลทดสอบความล้าตัวแบบพลวัต (Dynamic fatigue testing machine)

 

แต่ละวิธีจะมีแรงกระทำในแนวแรงลักษณะต่าง ๆ กัน กับชิ้นงานทดสอบจนเกิดรอยแตกร้าว และเกิดความเค้นขึ้น แล้วทำการบันทึกจำนวนรอบที่วัสดุชิ้นงานทนได้ ก่อนที่จะพังทลาย แล้วก็นำค่าที่ทดสอบนั้นมาทำเป็นกราฟ ที่เรียกกว่า กราฟทดสอบความล้า (S-N Curve)

 

รูปตัวอย่าง S-N Curve

 

รูปสปริงขาดอันเนื่องจากการล้าตัว

 

วิดีโอแสดงการทดสอบการล้าตัวของสปริง

 

ค่าขีดจำกัดความทนทาน จะมีความสัมพันธ์กับค่าความแข็งแกร่งสูงสุด นั่นก็คือ ในการออกแบบชิ้นส่วนต่าง ๆ ที่จะก่อให้เกิดความล้า จะออกแบบให้ใช้ค่าขีดจำกัดความทนทานจะไม่เกินครึ่งหนึ่งของค่าความแข็งแกร่งสูงสุด วัสดุแต่ละชนิดค่าขีดจำกัดความทนทานจะไม่เท่ากัน จึงต้องมีการออกแบบเป็นรายกรณีไป

 

วิดีโอแสดงการทดสอบการล้าตัวของอลูมิเนียมโดยการใช้คลื่นความถี่เหนือเสียงเข้ากระแทกซ้ำ ๆ ที่วัสดุจนวัสดุเกิดการล้าตัว

 

 

4.1.12 ความแข็งแกร่งต่อการกระแทก

 

       ในการออกแบบเลือกใช้วัสดุ วิศวกรมีความจำเป็นที่จะต้องรู้ถึงคุณสมบัติ ความเหนียว (Toughnes: คือ ความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานไว้ได้โดยไม่เกิดการพังเสียหาย) ในตัววัสดุด้วย เพื่อใช้ประเมินความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้น และเพื่อความปลอดภัย เมื่อนำชิ้นงานนั้นมาใช้งานในสภาพการณ์ต่าง ๆ

 

      ยกตัวอย่างเช่น ในห้องเผาไหม้ในเครื่องยนต์ลูกสูบจะต้องรับแรงกระแทกอันเกิดจากการระเบิดภายในห้องเผาไหม้, เครื่องไฮดรอลิกส์อัดกระแทกที่ต้องกระแทกกับชิ้นงานเพื่อการอัดงาน หรือทำลาย, เครื่องบดหินในเหมืองแร่ เพื่อใช้ในการบดแร่ให้เป็นเศษเล็ก ๆ ฯลฯ

 

รูปการทดสอบแบบกระแทก

 

 

      การทดสอบกระแทก (Impact testing) เป็นการทดสอบวัสดุด้วยการกระแทกที่ชิ้นวัสดุด้วย ตุ้มเหวี่ยง (Pendulum) เป็นการศึกษาความสามารถในการรับแรงกระแทก (Dynamic load) ของวัสดุ

 

      ที่ทำแบบนี้ก็เพื่อดูความสามารถของวัสดุ ว่าเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้แรงกระทำที่รุนแรง หรือการกระแทก วัสดุทดสอบจะทนทานได้มากน้อยเพียงใด

 

      วิธีการก็โดยใช้ตุ้มเหวี่ยงที่มีน้ำหนักอยู่ค่าหนึ่ง ประกอบกับเครื่องทดสอบ แล้วยกตัวตุ้มเหวี่ยงให้สูงถึงจุดหนึ่ง แล้วปล่อยลงมากระแทกกับชิ้นทดสอบ เพื่อตรวจวัดพลังงานที่ตุ้มเหวี่ยงปล่อยออกมา เพื่อให้วัสดุทดสอบดูดซับพลังงานของตุ้มเหวี่ยง จนทำให้ชิ้นทดสอบเกิดความเสียหาย จากการกระแทกเพียงครั้งเดียว โดยวัสดุที่มีความเหนียวมากจะใช้พลังงานที่สูงกว่าวัสดุที่มีความเหนียวน้อยกว่าในการกระแทกชิ้นงาน แล้วอุณหภูมิจะมีผลต่อความเหนียวของวัสดุอย่างมาก

 

      ความทนทานต่อการกระแทกเป็นคุณสมบัติหนึ่งของวัสดุที่ยากต่อการคำนวณหาค่า จึงต้องใช้การทดลองเป็นส่วนสำคัญในการหาความทนทาน ส่วนประโยชน์จากการทดสอบนี้ที่สำคัญ ก็คือให้ความน่าเชื่อถือต่อชิ้นงานที่ผลิตออกมาว่าเมื่อโดนแรงกระทำขนาดนี้จะไม่พัง และให้ความปลอดภัยต่อการนำไปใช้งาน

 

รูปชิ้นงานทดสอบก่อนทำการกระแทก

 

รูปตัวอย่างชิ้นงานหลังการทดสอบ

 

      พลังงานของการกระแทกจะขึ้นอยู่กับมวลของตุ้มเหวี่ยง และระดับความสูงที่ตุ้มเหวี่ยงยกตัว จุดที่กระแทกชิ้นงานจะเป็นจุดต่ำสุดในการเหวี่ยงกระแทก โดยความเร็วของตุ้มเหวี่ยงก่อนที่จะถึงชิ้นทดสอบจะมีความเร็วสูงสุดและมีโมเมนตัมสูง

 

      เมื่อตุ้มเหวี่ยงกระทบกับชิ้นงานทดสอบแล้ว ตุ้มเหวี่ยงจะสูญเสียพลังงานไปส่วนหนึ่งเพื่อให้ชิ้นทดสอบนั้นหักพัง ค่าพลังงานที่สูญเสียไปนี้ก็คือ พลังงานการกระแทก (Impact energy) มีหน่วยเป็นฟุต-ปอนด์ (ft-lb) หรือ จูล (Joule: J)

 

      ในการทดสอบด้วยการกระแทก นิยมนำมาใช้อยู่ 2 วิธี นั่นก็คือ การทดสอบกระแทกแบบชาร์ปี (Charpy impact testing) และการทดสอบการกระแทกแบบไอซอด (Izod impact testing)

 

รูปการทดสอบกระแทกแบบชาร์ปี และตัวอย่างชิ้นงานทดสอบ

 

วิดีโอแสดงการทดสอบความแข็งแกร่งต่อการกระแทกด้วยการวิธีการชาร์ปี

 

วิดีโอทดสอบแบบชาร์ปี

 

      การทดสอบแบบชาร์ปีเป็นเครื่องทดสอบที่สามารถวัดพลังงานจากการกระแทกได้จาก 1.356 J (1 ft.lb) ถึง 406.8 J (300 ft.lbs) สามารถทดสอบที่ช่วงอุณหภูมิจาก -195.5°C (-320°F) ถึง 1093°C (2,000 °F) ชิ้นงานทดสอบจะถูกทำมีลักษณะตรงกลางชิ้นงานเป็นรอยบากได้แก่ รอยบากตัววี (V-notch), รอยบากตัวยู (U-notch), รอยบากรูปรูกุญแจ (Key-hole notch) รวมถึงชิ้นทดสอบที่ไม่มีรอยบาก

 

 

      การทดสอบแบบไอซอด จะคล้ายกับแบบชาร์ปี และให้พลังงานกระแทกทำได้สูงสุด 325.44 J (240 ft.lbs) มาตรฐานของชิ้นงานทดสอบเป็นรอยบากตรงกลางเช่นเดียวกับแบบชาร์ปี

 

รูปเครื่องทดสอบกระแทกแบบไอซอด

 

การวางชิ้นงานในการทดสอบแบบไอซอด

 

วิดีโอการทดสอบกระแทกแบบไอซอดโดยเครื่องกลสมัยใหม่

 

      การทดสอบทั้งสองแบบจะมีลักษณะคล้ายกัน แตกต่างกันตรงที่ การวางชิ้นงาน โดยการทดสอบแบบชาร์ปีจะวางชิ้นทดสอบในแนวนอน และให้ตุ้มเหวี่ยงตกกระแทกตรงกลางที่เป็นด้านตรงข้ามรอยบาก ส่วน การทดสอบแบบไอซอด จะวางชิ้นงานทดสอบแบบแนวตั้ง และให้ตุ้มเหวี่ยงไปกระแทกด้านที่มีรอยบาก

 

วิดีโอจำลองการทดสอบการกระแทกแบบชาร์ปี

 

วิดีโอการทดสอบกระแทกแบบไอซอด

 

ความแข็งแกร่งในวัสดุที่สามารถทนต่อการล้าตัว และแรงกระแทก จนทำให้วัสดุมีความต้านทานต่อแรงช็อก (Shock force) วัสดุชิ้นงานที่มีคุณสมบัติเหล่านี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากมาย ดังนั้นวัสดุนั้นต้องมีความแข็งแกร่ง และความเหนียวอยู่พอสมควร

 

รูปโช๊ค หรือช๊อคแอบซอฟเบอร์

 

รูปโช๊คอัพ

      ยกตัวอย่างเช่น โช๊คอัพ (Shock absorber) ในรถยนต์ ที่ต้องสามารถทนทานต่อการไหลอัดตัวของน้ำมันภายในกระบอกโช๊คอัพ, ก้านสูบ (Connecting rods) ในเครื่องยนต์, ประแจอัดกระแทก (Impact wrenches) ฯลฯ

 

รูปประแจอัดกระแทก หรือบล็อคลม

      ตัวอย่างชิ้นงานที่กล่าวมานี้ต้องสามารถทนทานต่อแรงช็อกที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหัน ดังนั้นสิ่งที่สำคัญที่สุดในการออกแบบสร้างก็คือ ความทนทาน

      ชิ้นงานบางประเภทสามารถทนทานต่อแรงกระทำได้สูง ถ้าชิ้นงานนั้นถูกแรงกระทำที่น้อย และเบาชิ้นงานนั้นก็ยังคงอยู่ แต่ก็มีชิ้นงานอยู่ไม่น้อยที่ไม่สามารถทนต่อแรงกระทำที่เกิดขึ้นทันทีทันใด เมื่อเจอแรงกระแทกอย่างรวดเร็วก็จะพังทลายทันที ยกตัวอย่างเช่น ค้อนไปตีอัดกระแทกกับปูน ผลก็คือปูนจะพังทันทีเมื่อค้อนกระทบ       

 

รูปค้อนกระแทกคอนกรีต

      เหล็กหล่อมีความแข็งแกร่งต่อแรงกดอัดได้ดี แต่ไม่ทนทานต่อแรงดึง จึงทำให้มันไม่สามารถทนทานต่อแรงช็อกที่สูงได้ จึงผิดกับเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีความแข็งแกร่ง และการยืดได้พอสมควร มันจึงทนทานต่อแรงช็อกได้ดีกว่า ดังนั้นการเลือกใช้วัสดุจึงต้องคำนึงถึงข้อนี้ด้วย

 

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

 

 

จงพอใจเท่าที่มี และจงยินดีเท่าที่ได้

Share on Facebook
 
Google

WWW
http://www.thummech.com/
ฟังเพลงออนไลน์ คลิกเลย
 
Copyright © 2013-2015 Thummech All Rights Reserved. 
Powered by  ThaiWebPlus 
คนธรรมดามีความรู้คือคนฉลาด คนฉลาดมีความเข้าใจคือคนธรรมดา