Glossary of Materials Testing

การทดสอบแรงดึงคืออะไร ?

การทดสอบแรงดึงถือได้ว่าเป็นประเภทของการทดสอบพื้นฐานที่สุดของการทดสอบสมบัติทางกลสำหรับวัสดุ การทดสอบแรงดึงนั้นง่าย, ค่าใช้จ่ายต่ำ และได้รับการทำให้เป็นมาตรฐานอย่างสมบูรณ์ เมื่อท่านดึงของยางอย่าง ท่านจะสามารถประเมินได้ว่าวัสดุนั้นตอบสนองต่อแรงที่ใช้ดึงอย่างไร ในขณะที่วัสดุถูกดึง ท่านจะพบว่ามีความแข็งแรงมากน้อยเท่าใดพร้อมกับว่ายืดตัวได้มากน้อยเพียงใด

ทำไมจึงต้องทดสอบแรงดึง ?

ท่านสามารถรู้จักวัสดุได้มากจากการทดสอบแรงดึง ในขณะที่ท่านให้แรงดึงวัสดุจนเกิดการขาด ท่านจะได้ลักษณะการตอบสนองต่อแรงดึงอย่างสมบูรณ์ เส้นกราฟจะแสดงว่าวัสดุมีการตอบสนองเช่นไรต่อแรงกระทำ จุดที่เกิดการเสียหายนั้นจะได้รับความสนใจมากและถูกเรียกว่า ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Ultimate Strength)

กฎของฮุก

สำหรับการทดสอบวัสดุส่วนใหญ่แล้ว ท่านจะสังเกตได้ว่าในส่วนแรกของการทดสอบ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกระทำและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของชิ้นงานทดสอบนั้นจะมีลักษณะเชิงเส้น ในส่วนที่เป็นเส้นตรงนี้ เส้นกราฟจะเป็นไปตามความสัมพันธ์ที่เรียกว่า กฎของฮุก ที่ซึ่งอัตราส่วนระหว่างความเค้นและความเครียดมีค่าคงที่ หรือ  โดยค่า E คือค่าความชันของเส้นกราฟในบริเวณที่ค่าความเค้น (σ)  เป็นสัดส่วนกับค่าความเครียด (ε)  และมีชื่อเรียกว่า มอดูลัสของความยืดหยุ่น (Modulus of Elasticity) หรือมอดูลัสของยัง (Young's Modulus)

มอดูลัสของความยืดหยุ่น

มอดูลัสของความยืดหยุ่นนั้นเป็นการวัดความแกร่งตัวของวัสดุ แต่จะใช้อธิบายได้ในส่วนความสัมพันธ์ที่เป็นเส้นตรงของกราฟ หากชิ้นงานทดสอบถูกให้แรงกระทำไม่เกินส่วนที่เป็นเชิงเส้นนี้ วัสดุจะสามารถคืนตัวกลับไปยังสภาพเดิมได้หากยุติให้แรงกระทำ จุดที่เส้นกราฟไม่เป็นเส้นต้นและเบี่ยงเบนออกจากความสัมพันธ์แบบเชิงเส้น กฎของฮุกจะไม่สามารถใช้อธิบายและจะเริ่มเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างถาวรขึ้นในชิ้นงานทดสอบ จุดนี้เรียกว่าขีดจำกัดความยืดหยุ่น (elastic limit) หรือขีดจำกัดความเป็นสัดส่วน (proportional limit) จากจุดนี้เป็นต้นไปในการทดสอบแรงดึง วัสดุจะตอบสนองแบบพลาสติกต่อการเพิ่มขึ้นของแรงหรือความเค้น และจะไม่ตืนตัวกลับสูงจุดเริ่มต้น เมื่อยุติการให้แรงกระทำหรือความเค้น

ความต้านทานแรงดึงสูงสุด ณ จุดคราก

ความต้านทานแรงดึงสูงสุด ณ จุดคราก คือ ค่าความเค้นที่ให้แก่วัสดุในขณะที่วัสดุเริ่มแสดงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแบบพลาสติกในขณะอยู่ภายใต้แรงกระทำ

วิธีการออฟเซ็ต

สำหรับบางวัสดุ (เช่นโลหะและพลาสติก) การเบี่ยงเบนจากบริเวณที่แสดงความยืดหยุ่นเชิงเส้นนั้นไม่สามารถที่จะกำหนดได้โดยง่าย ดังนั้นจึงอนุญาตให้ใช้วิธีการออฟเซ็ตในการประเมินค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด ณ จุดครากได้ วิธีการนี้ถูกระบุไว้ในมาตรฐาน ASTM E8 (สำหรับโลหะ) และ D638 (สำหรับพลาสติก) วิธีการออฟเซ็ตจะระบุค่าที่ % ของความเครีดย (สำหรับโลหะมักใช้ 0.2 % ตามมาตรฐาน E8 ในขณะที่จะใช้ค่าที่ 2% สำหรับพลาสติก) ค่าของความเค้น ® ที่กำหนดขึ้นจากจุดที่ตัดกัน “r” เมื่อเส้นตรงของกราฟในบริเวณแสดงความยืดหยุ่นเชิงเส้น (ที่ค่าความชันเท่ากับค่ามอดูลัสของความยืดหยุ่น) ถูกลากจากจุดออฟเซ็ต ‘m’ และเรียกว่า ค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด ณ จุดครากโดยวิธีการออฟเซ็ต

ค่าอมดูลัสอื่น ๆ

ในเส้นกราฟแรงดึงของบางวัสดุนั้นจะไม่แสดงถึงบริเวณที่มีลักษณะเป็นเชิงเส้นอย่างชัดเจน ซึ่งในกรณีเช่นนี้ มาตรฐาน ASTM E111 ระบุถึงวิธีการหาค่ามอดูลัสของวัสดุประเภทอื่น เช่นเดียวกับ ค่ามอดูลัสของยัง ได้แก่ มอดูลัสซีแคนท์ และมอดูลัสแทนเจ้นต์

ความเครียด

ท่านสามารถที่จะหาปริมาณของการยืดตัวหรือการยืดตัวของชิ้นงานทดสอบขณะตกอยู่ภายใต้แรงดึง โดยอาจสามารถวัดค่าได้เป็นการเปลี่ยนแปลงความยาวอย่างสมบูรณ์หรือการวัดค่าเชิงเปรียบเทียบ ที่เรียกว่า ความเครียด ซึ่งสามารถคำนวณได้สองแบบ คือ ความเครียดทางวิศวกรรม และความเครียดจริง ความเครียดทางวิศวกรรมนั้นจะง่ายกว่าในการวัดค่าและมักจะเป็นค่าความเครียดที่แสดง โดยหมายถึงอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงความยาวชองชิ้นงานเมื่อเทียบกับความยาวเริ่มต้น  ในขณะที่ความเครียดจริงนั้นจะคล้ายคลึงแต่จะเทียบกับความยาวในขณะนั้นของชิ้นงานทดสอบในขณะทำการทดสอบ เมื่อ L_i คือความยาวในขณะนั้น และ L_o คือความยาวเริ่มต้น

ความต้านทานแรงดึงสูงสุด

หนึ่งในสมบัติของวัสดุที่จะได้ ได้แก่ ค่าความต้านทานแรงดึงสุดท้าย (UTS) ซึ่งเป็นค่าแรงสูงสุดที่ชิ้นงานประสบในระหว่างการทดสอบ ค่า UTS นี้อาจจะเท่าหรือไม่เท่ากับค่าความต้านทานสูงสุดที่จุดแตกหัก โดยจะขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุที่ทดสอบว่ามีลักษณะเปราะหรือเหนียวหรือทั้งเปราะและเหนียว บางครั้งวัสดุอาจจะมีลักษณะเหนียวเมื่อทดสอบในห้องปฏิบัติการ แต่เมื่อนำไปใช้งานจริงภายใต้อุณหภูมิต่ำ อาจจะเปลี่ยนสภาพไปแสดงลักษณะเปราะได้