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”