บทที่ 8 การทดสอบแรงดัดโค้ง Bending Test

1. PL PR Tension Compression บทที่ 8การทดสอบแรงดัดโค้ง Bending Test 1302 423 Industrial Materials Testing Dr. Sukangkana Lee

2. ส่ง รายงานปฏิบัติการ พร้อมชิ้นงาน กลุ่ม วันที่ 25 กย 52 สอบ ปฏิบัติการ 11-12 น. วันอังคารที่ 22 กย 52 สอบ ปลายภาค 9-12 น. วันอังคารที่ 29 กย 52 EN5 535

3. วัสดุที่ใช้งานท่อโค้ง หรือ โลหะแผ่นดัดขึ้นรูป ในงานวิศวกรรมจะต้องมีคุณสมบัติที่สามารถดัดโค้งได้ จึงสามารถขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ได้

4. ส่วนงานคอนกรีตนั้น เราคงไม่อยากให้บ้านพังเพราะแรงดัดเป็นแน่ http://www.lflassociates.com/content/philosophy.html

5. ภราดร คงไม่ปลื้มแน่ ถ้าไม้หักขณะที่กำลังแข่งเทนนิส

6. การทดสอบแรงดัดโค้ง • เป็นการทดสอบเพื่อศึกษาพฤติกรรมการแปรรูปของวัสดุเมื่อได้รับแรงดัดโค้ง ด้วยรัศมีความโค้งที่กำหนด จนได้มุมตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐานการทดสอบ • จากนั้นจะพิจารณาดูว่าที่ผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบตรงบริเวณที่ทำการดัดโค้งเกิดรอยแตกขึ้นหรือไม่

7. วัสดุในงานวิศวกรรม ที่จำเป็นต้องทดสอบแรงดัดได้แก่ • คาน, ตะขอ, โลหะแผ่น, โลหะรูปพรรณ และเสา เป็นต้น • คอนกรีต, โลหะ และไม้ ที่มีรูปร่างหน้าตัดต่างๆ • รอยเชื่อมของโลหะ

8. พฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงดัดพฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงดัด เมื่อชิ้นงานได้รับแรง ไม่ว่าจะเป็นแรงในแนวตั้งฉาก หรือตามแนวแกนเส้นศูนย์กลางของชิ้นงาน ทำให้เกิด แรงดึงและแรงกด ในฝั่งตรงกันข้ามกัน แล้วเป็นผลให้ชิ้นงานเกิดการโก่งงอ จะเรียกว่า วัสดุอยู่ภายใต้แรงดัด (Bending)

9. C T EC ET Compression Neutral axis แสดงพฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงดัด P PL PL PR PR Tension ระนาบที่มีค่าความเค้นดึงเท่ากับความเค้นกด จะมีแรงกระทำเป็นศูนย์ เรียกว่า แกนสะเทิน (Neutral axis) สมมติฐานการทดสอบมี สอง ข้อคือ • ไม่มีการบิดของคาน และ • การเคลื่อนที่ของชิ้นทดสอบจะขนานกับแนวแรง

10. Bending Strength • การดัดจะทำให้เกิดBending Moment, Mซึ่งเป็นผลรวมของแรงที่กระทำต่อจุดรองรับ PL หรือ PR • แรงที่ทำให้เกิด M จะเรียกว่า Bending Stress,  ในช่วงยืดหยุ่น จะเท่ากับ M is the Bending moment, c is the distance from the neutral axis to the plane I is the centroidal moment of inertia

11. Bending strength Load เปราะ เหนียว Deflection

12. Material Property Characterization of Ultra-High Performance Concrete www.tfhrc.gov/structur/pubs/06103/chapt4.htm

13. หลักการในการทดสอบการดัดโค้งหลักการในการทดสอบการดัดโค้ง • ใช้วิธีใดก็ได้ในการดัดชิ้นวัสดุทดสอบ • ชิ้นทดสอบอาจมีหน้าตัดเป็นวงกลม, สี่เหลี่ยม หรือรูปทรงหลายเหลี่ยม • ดัดให้ได้รัศมีความโค้ง ( Bend radius, R)หรือให้ได้มุม(Bend angle, )ตามที่กำหนด • ทิศทางของแรงที่ใช้ในการดัดโค้งต้องคงที่ • การให้แรงในการดัดโค้งต้องเป็นไปอย่างช้าๆ เพื่อป้องกันการเกิดการเคลื่อนที่ของชิ้นทดสอบในแนวข้าง

14. หลังการทดสอบ R 

15. การพิจารณาว่าชิ้นทดสอบผ่านการทดสอบการดัดโค้งนั้นหรือไม่นั้นพิจารณาจากการพิจารณาว่าชิ้นทดสอบผ่านการทดสอบการดัดโค้งนั้นหรือไม่นั้นพิจารณาจาก • การตรวจสอบดูที่ผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบว่าไม่มีรอยแตก การตรวจสอบอาจทำโดยการตรวจสอบด้วยตาเปล่า หรืออาจใช้กล้องที่มีกำลังขยายไม่เกิน 20 เท่า (ปกติจะกำหนดให้ใช้ตาเปล่า) • ลักษณะการแตกหัก หรือเสียหาย ของวัสดุว่าแตกแบบเหนียวหรือเปราะ

16. รอยแตกของวัสดุที่เปราะ เช่น ไม้ คอนกรีต และเหล็กหล่อจะแตกในทันที (Rupture) และด้านที่รับแรงดึงจะแตกก่อน ลักษณะการแตกของไม้ จะมีได้หลายลักษณะดังนี้ • Simple Tension • Cross-grain Section • Splintering Tension • Brash Tension • Compression • Horizontal shear

17. บทเรียน online 1 • การทดสอบแรงดัดของไม้ • http://civilx.unm.edu/laboratories_ss/mechmat/bendwood.html

18. ความเสียหายวัสดุที่เหนียว เช่น เหล็กกล้า จะไม่เกิดการแตกหัก แต่จะทำให้เกิดการยืดตัวบริเวณที่ถูกกด และเกิดการเสียรูปแบบถาวร ดังรูป เสียรูปแบบถาวร PL PR ความยาวช่วงการเกิดการเสียรูป

19. บทเรียน online 2 • Weld Integrity of Low Carbon 12%Chromium Alloy Steel • http://steel.keytometals.com/default.aspx?ID=CheckArticle&NM=228

20. ชนิดของการทดสอบการดัดชนิดของการทดสอบการดัด 7.4.1 Cold-Bend Test การดัดโค้งเย็น • คือการทดสอบการดัดโค้ง ที่อุณหภูมิห้อง 7.4.2 Hot-Bend Test การดัดโค้งแบบร้อน • นิยมการทดสอบเพื่อตรวจ defects ที่เกิดจากการมี sulfur มากเกินไปในเหล็ก • เช่น ในเหล็กรีด จะทำการทดสอบการดัดที่ประมาณ 1000 °C, sulfur ที่มีมากเกินไปจะหลอมเหลวบริเวณขอบเกรนของเหล็กกล้า และทำให้เหล็กเกิดการแตกเปราะได้

21. 7.4.3 Quench-Bend Test • เป็นการทดสอบการดัดโค้งหลังจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อตรวจ defects ที่เกิดจากการมี carbon มากเกินไปในเหล็กกล้า • เช่น หมุดย้ำ ที่ใช้งานกับ Boiler จะทำการทดสอบดังนี้ จะให้ความร้อนแก่หมุดย้ำจากนั้นให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว แล้วทำการทดสอบการดัดโค้งในทันที เพื่อทดสอบความเหนียว/เปราะ ของหมุดย้ำในระหว่างการใช้งานได้

22. C มาก ชุบแข็งมาก • โครงสร้างจะเปลี่ยนจาก ออสเทนไนท์ เป็นมาเทนไซท์ แข็ง • เหล็กที่ต้องใช้งานที่อุณหภูมิสูง-ต่ำ สลับกัน ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างได้ และ อาจจะเกิดการแตกเปราะได้เมื่อรับแรงดัด

24. 7.5 หลักเกณฑ์ของการทดสอบแรงดัด • เพื่อป้องกันการแตกหักเนื่องจากแรงเฉือน ชิ้นทดสอบควรจะมีสัดส่วน ความกว้าง/ความหนา (W/t) มีค่าตั้งแต่ 8 ขึ้นไป W t L

25. 2. รัศมีของขอบของชิ้นงานควรจะมีขนาดรัศมีมากกว่า 1/10 ของความหนาของชิ้นงานขึ้นไป • ชิ้นงานที่มีค่า W/t มากกว่า 8 ขึ้นไป ไม่มีความจำเป็นจะต้องเตรียมขอบให้เรียบลง ยกเว้น ถ้าตรวจพบรอยแตกที่ขอบ (edge) ของชิ้นทดสอบ ให้ทำการขัดขอบของชิ้นทดสอบที่แตกนั้นให้เรียบ แล้วจึงทำการทดสอบใหม่

26. เมื่อทำการดัดโค้งด้วยมุม (Bending angle, ) ที่เท่ากัน วัสดุที่มีความสามารถในการดัดโค้งที่ดีกว่าจะใช้R (bend radius) ที่เล็กกว่าได้โดยไม่เกิดรอยแตกขึ้น • เมื่อทำการดัดโค้งด้วยรัศมีการดัดโค้ง (R, bend radius) ที่คงที่ วัสดุที่มีความสามารถในการดัดโค้งที่ดีกว่าจะสามารถทำการดัดโค้งได้ด้วยมุม  ที่มากกว่า(พับงอได้มากกว่า)จึงจะเกิดรอยแตกขึ้น R  180-

27. รัศมีการดัดโค้งที่ต่ำที่สุด (minimum bend radius) Rmin คือ รัศมีการดัดโค้งที่น้อยที่สุด ที่จะสามารถใช้ในการทำการดัดโค้งได้โดยที่ไม่เกิดรอยแตกที่พื้นผิวของวัสดุ • โดยปกติแล้ว Rmin จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ t Rmin = At

28. ข้อมูลที่จะใช้ในการเปรียบเทียบความสามารถในการดัดโค้งของวัสดุ จะต้อง • มาจากการทดสอบที่ใช้วิธีการทดสอบแบบเดียวกัน, • ผู้ตรวจสอบรอยแตกคนเดียวกัน • ชิ้นทดสอบที่มีขนาดเท่ากัน • ใช้รัศมีการดัดโค้ง (bend radius) และมุมดัดโค้ง (bend angle) ที่เท่ากัน

29. 6. อุปกรณ์และเครื่องมือในการทำการทดสอบการดัดโค้ง นั้นไม่มีข้อกำหนดที่ตายตัว และไม่ต้องการความละเอียดของเครื่องมือมากนัก เพียงแค่สามารถทำการดัดโค้งชิ้นทดสอบด้วยรัศมีต่างๆตามที่กำหนดไว้ หรือดัดโค้งไปด้วยมุม  ที่ต้องการ เมื่อกำหนดรัศมีการดัดโค้ง (bend radius) ที่คงที่ ได้ก็เพียงพอแล้ว

30. โดยทั่วไปเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการทดสอบการดัดโค้ง เช่น pin , roller และ mandrel นั้นควรจะมีความยาว มากกว่า ความกว้างของชิ้นทดสอบ และจะต้องมีความแข็งแรง และแข็งแกร่ง เพียงพอที่จะทนต่อการแปรรูปและการสึกหรอในระหว่างทำการดัดโค้งได้ ความยาวของหัวกด ความกว้างของชิ้นทดสอบ

33. 7.6 วิธีการทดสอบการดัดโค้ง วิธีทดสอบการดัดโค้งที่นิยมใช้กันโดยทั่วๆ ไปมี 3 วิธี ได้แก่ 1. แบบ Pressing bend L= 2r + 3t 180-

36. 2. แบบ Winding bend 

37. 3. แบบ V-block bend 180°-

38. 7.7 ชิ้นทดสอบสำหรับการทดสอบการดัดโค้ง 1.Specimen • รูปทรงเป็นแผ่น และท่อนจะสามารถตัดมาทำการทดสอบได้เลย Top View L

39. สำหรับชิ้นงานที่มีหน้าตัดเป็นรูปหลายเหลี่ยม (polygonal section) และหนาเกินไป(มากกว่า 25 มม.) ต้องมีการกลึงไส หรือขัดให้ผิวด้านหนึ่งเรียบลง โดยใช้ด้านที่ไม่ได้ถูกกลึงเป็นผิวด้านนอกที่จะต้องรับแรงดึง

40. ความยาวของชิ้นทดสอบ สำหรับการทดสอบแบบ Wrap bending และ Wipe bending ชิ้นทดสอบจะต้องมีความยาวพอที่จะสามารถจับได้โดยไม่เกิดการเลื่อนไถล • สำหรับการทดสอบแบบ V-block bending ขอแค่มีความยาวเกินกว่าระยะระหว่างฐานรองก็สามารถทำการทดสอบได้

41. ชิ้นงาน เตรียมโดย ความยาว ตั้งฉาก กับทิศทางการรีดนิยมใช้เมื่อต้องการทดสอบ defects ในเหล็ก เพราะจะมีความเหนียว ต่ำกว่า ชิ้นงานที่เตรียมในแนวขนานกับแนวรีด ชิ้นงาน เตรียมโดย ความยาว ขนานกับทิศทางการรีด

42. W Width-to-thickness ratio ชิ้นงานที่มี Width-to-thickness ratioต่ำกว่า 8 สภาวะการทดสอบจะเป็นแบบความเค้นระนาบ กราฟจะมี slope แต่สำหรับชิ้นงานที่มี Width-to-thickness ratioมากกว่า 8 ขึ้นไป การดัดโค้งจะอยู่ในสภาวะของ ความเครียดระนาบ (Plain Strain) ทำให้ความต้านทานการดัดโค้ง ไม่ขึ้นกับ Width-to-thickness ratio

43. 7.8 ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อผลการทดสอบ • ชนิดของแรง (Loading type) • แรงกดที่กระทำที่กึ่งกลาง จะให้ค่า Modulus of rupture สูงสุด • แรงกดที่ปลายด้านเดียว จะให้ค่า Bending stress สูงกว่า แรงกดที่กระทำที่กึ่งกลางเล็กน้อย

44. Third-point loading จะได้ค่า Bending stress น้อยกว่า แรงกดที่กระทำที่กึ่งกลาง แต่วิธีนี้เหมาะกับทดสอบวัสดุที่เปราะ เพราะให้ค่าที่เหมาะสมมากกว่าการกดจุดเดียว • ความเร็วทดสอบสูง จะทำให้ได้ค่า strength สูงกว่าความเร็วทดสอบต่ำ ซึ่งเหมือนกับการทดสอบ Tensile and Compression

45. 3. ขนาดของชิ้นงาน • วัสดุที่เปราะและ ชิ้นงานสั้น จะให้ค่า the modulus of rupture ที่สูงกว่าชิ้นงานยาว • ถ้าชิ้นงานที่มีพื้นที่หน้าตัดมาก ให้ค่า strength ต่ำกว่า ชิ้นงานที่มีพื้นที่หน้าตัดน้อย ซึ่งอาจมีสาเหตุจาก defects ที่มีมากกว่า

46. คำถามท้ายบท