24 คุณสมบัติที่สัมพันธ์กันระหว่างความเค้น /ความเครียด

4.2 คุณสมบัติที่มีความสัมพันธ์กันระหว่างความเค้น /ความเครียด

      เมื่อชิ้นงานโลหะที่มีความเหนียวถูกแรงดึงจนเกิดการยืดตัว ความยาวก็จะเพิ่มขึ้น โดยชิ้นงานจะเกิดผลดังนี้ ถูกทำให้ยืดยาวออกไป (Elongation), เกิดการเสียรูป (Deformation), มีการเปลี่ยนแปลงของความยาว (Change of length) หรือ มีการขยายตัว

วิดีโอการทดสอบความเค้นความเครียด

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

รูปชิ้นงานที่ผ่านการดึง

      และเมื่อชิ้นงานโลหะนั้นถูกแรงกดอัดจนทำให้เกิดการหดตัวจนความยาวลดลง นั่นก็หมายถึง

มีความยาวลดน้อยลงระหว่างที่มีการอัด เมื่อความยาวลดลงชิ้นงานจะเกิดผลดังนี้ วัสดุเกิดการเสียรูป, เกิดการหดตัว (Contraction) หรือมีการเปลี่ยนแปลงความยาว

รูปชิ้นงานที่ผ่านการอัด

      ดังนั้น การวัดความยาวที่มีการเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม นั่นก็คือ การหาค่าเปอร์เซ็นต์การยืดตัว (Percent elongation) ค่าที่หาได้นี้จะสิ้นสุดก็ต่อเมื่อวัสดุเกิดการหักพังเสียหาย ตัวแปรของค่าความเหนียวจึงประกอบไปด้วย ความเครียด และความยืดหยุ่นในเนื้อวัสดุ

4.2.1 เปอร์เซ็นต์การยืดตัว

      เปอร์เซ็นต์การยืดตัว คืออัตราที่วัสดุยืดตัวก่อนที่จะแตกหักโดยคิดเป็นเปอร์เซ็นต์ หรือร้อยละ ในสมการทางคณิตศาสตร์ นี้เท่ากับผลรวมของการเสียรูปหารด้วยความยาวเดิม โดยคิดค่านี้เป็นเปอร์เซ็นต์คือคูณด้วย 100 ดังนี้

% การยืดตัว = (ความยาวที่เปลี่ยนไป / ความยาวเดิม) ´ 100 %

e = (d/l) ´ 100%

รูปเปอร์เซ็นต์การยืดตัวคือเปอร์เซ็นต์ความยาวเดิมที่วัสดุขยายตัวก่อนที่จะขาด

ตัวอย่าง 4.7 (หน่วยเมตริก หรือ SI) แท่งโลหะยาว พิจารณาการยืดขยายตัวก่อนที่จะพัง โดยความยาวเดิมของแท่งโลหะได้ก็คือ 20 เซนติเมตร และถูกแรงยืดออกจนสามารถยืดตัวออกมาได้ 23.5 เซนติเมตร ก่อนที่จะขาดออกจากกัน ให้หาเปอร์เซ็นต์การยืดตัวของแท่งโลหะ

วิธีทำ จากโจทย์กำหนดให้ ความยาวเดิม (l) = 20 cm ; ส่วนที่ยืดออก (d) = 23.5 - 20 = 3.5 cm; ให้หา e = ? %

e = (d/l) ´ 100%

= (3.5cm /20cm) ´ 100%

= 0.175 ´100% = 17.5 %

ดังนั้น เปอร์เซ็นต์การยืดตัวของแท่งโลหะก็คือ 17.5 % ตอบ

4.2.2 ความเครียด

      ความเครียด (Strain) คืออัตราส่วนของการเสียรูป (ความยาวที่เปลี่ยนไป) ต่อความยาวเดิม จะเหมือนกับเปอร์เซ็นต์ยืดตัวแต่ต่างกันตรงที่ความเครียดจะไม่มีการนำ 100 % ไปคูณ จะกล่าวถึงการขยายตัวจนกระทั้งชิ้นงานพังทลายลง การคิดคำนวณความเครียดจะคิดก่อนที่วัสดุจะพังทลาย และเป็นอัตราขยายตัวสูงสุดของวัสดุ ดังนั้นสมการความเครียดจะเป็นดังนี้

ความเครียด = ความยาวเปลี่ยนแปลง/ความยาวเดิม

e = d/l

      หน่วยของความเครียดปกติคือหน่วยความยาวต่อความยาว แต่บางครั้งก็ไม่จำเป็นต้องใส่หน่วย ทั้งนี้ก็เพราะว่าค่าทั้งความยาวที่เปลี่ยนแปลง และความยาวเดิม มีหน่วยเดียวกัน จึงตัดกันไป

การคำนวณความเครียดดูได้จากตัวอย่างที่ 4.8

ตัวอย่างที่ 4.8 (หน่วยเมตริก หรือ SI) รางรถไฟแห่งหนึ่งเมื่อโดนแดดเผาในตอนกลางวันจนรางเกิดการขยายตัว ทำการวัดความยาวเดิมได้ 10 เมตร และวัดความยาวของรางที่เปลี่ยนไปหลังจากถูกความร้อนได้ 2.8 มิลลิเมตร จงคำนวณหาความเครียดภายในเนื้อเหล็กรางรถไฟ

รูปรางรถไฟ

วิธีทำ จากโจทย์ที่กำหนดให้ l = 10 m; d = 2.8 mm = 0.0028 m ; e = ?

นำค่ามาแทนในสมการ

e = d/l = 0.0028m/10m

= 0.00028m/m=0.00028 (ไม่มีหน่วย)

\         ความเครียดที่เกิดขึ้นในเนื้อรางรถไฟจะมีค่าเท่ากับ 0.00028 ตอบ

      สมมุติใส่แรงลงไปที่ตัววัสดุ จนวัสดุยืดตัว แล้วนำแรงออก ส่วนที่ยืดนั้นคืนกลับสู่รูปร่าง และความยาวเดิมโดยไม่มีการเสียรูปถาวร เมื่อเป็นเช่นนี้เราเรียกส่วนตรงนี้ว่า วัสดุอยู่ใน ช่วงยืดหยุ่น (Elastic) หรือ ความยืดหยุ่น (Elasticity)

      แต่ถ้าวัสดุไม่สามารถคืนกลับมาดังสภาพเดิมแล้ว เราเรียกส่วนตรงนี้ว่า วัสดุอยู่ใน ช่วงพลาสติก (Plastic) การเป็นพลาสติก (Plasticity) จะมีพฤติกรรมตรงกันข้าม มันเป็นความสามารถของวัสดุที่เสียรูปถาวร วัสดุมีรูปร่างใหม่แต่ไม่มีการเสียหาย

      ช่วงยืดหยุ่น และช่วงพลาสติก จะนำมาใช้ในการพิจารณาวัสดุ คือวัสดุหนึ่งถูกแรงกระทำจนขนาดเปลี่ยนแปลงไป วัสดุจะกลับมาสู่รูปร่างเดิมหลังจากปลดแรงออก ส่วนวัสดุที่อยู่ช่วงพลาสติกเสียรูปถาวรเนื่องจากแรงกระทำ เหล่านี้คือพฤติกรรมของการยืดหยุ่น และพลาสติก

รูปแบบของการเป็นพลาสติกทำให้วัสดุเกิด การเปลี่ยนรูป (Malleability) คือ วัสดุสามารถเปลี่ยนรูปถาวรมีรูปร่างใหม่ที่สามารถใช้งานได้หลังจากผ่านแรงกระทำทั้งผ่านแรงการทุบ, ตี, อัด หรือม้วน

รูปการตีขึ้นรูป

รูปตัวอย่างการฉีดอัดขึ้นรูป

วิดีโอแสดงการฉีดอัดขึ้นรูปอลูมิเนียมในการเปลี่ยนรูปวัสดุ

      ในการเปลี่ยนรูปเพื่อให้วัสดุนำมาใช้งานได้ อาทิเช่น การตีขึ้นรูป (Forging), การดึงรูป (Drawing), ฉีดอัดขึ้นรูป (Extruding) หรือการกดขึ้นรูป วัสดุที่ถูกกระทำด้วยแรงเหล่านี้จะต้องเป็นวัสดุที่เหนียวพอที่จะสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้โดยไม่เกิดการพังเสียหาย

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ถ้าคนเราไม่ปล่อยวางอดีต ก็จะไม่รู้จักอนาคต”