การทดสอบกำลังรับแรงบิดของเหล็ก
ทฤษฎี
เหล็กเป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่ใช้กันอยู่อย่างแพร่หลาย
เช่นเดียวกันกับวัสดุวิศวกรรมอื่นๆ ซึ่งมีทั้งที่ใช้ภายในอาคารและภายนอกอาคาร
เหล็กที่ใช้จะมีหลายประเภท อาทิ เหล็กเส้นกลมเหล็กข้ออ้อย และเหล็กรูปพรรณ
โดยได้มีการกำหนดมาตรฐาน
แยกประเภทและชนิดของเหล็กตามลักษณะการใช้งานที่แตกต่างกันไปตามลักษณะเฉพาะงาน ดังนั้นจึงต้องมีการศึกษาพฤติกรรมทางกล
และการทดสอบคุณสมบัติทางกลของเหล็ก ได้แก่ กำลังรับแรงดึง, อัด
กำลังรับแรงเฉือน กำลังรับแรงบิด และกำลังรับแรงดัด เพื่อให้สามารถนำเหล็กมาใช้ในเครื่องจักร
หรืองานก่อสร้างได้อย่างเหมาะสม ตรวจสอบคุณภาพผลิตภัณฑ์
ตลอดจนปรับปรุงวัสดุนั้นให้มีคุณภาพดีขึ้น ซึ่งมีความสัมพันธ์ต่อการใช้งานในทางวัสดุวิศวกรรมเป็นอย่างมาก
ซึ่งการทดสอบนี้ จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อที่จะศึกษาพฤติกรรมทางกล (mechanical behavior) และคุณสมบัติทางกล (mechanical
properties) ของเหล็กกล้า ภายใต้การกระทำ ของแรงบิด (torque)
5.1 การทดสอบกำลังรับแรงบิดของเหล็ก (Torsion Test of Steel)
แรงที่ขนานกันและมีทิศทางตรงกันข้ามกระทำต่อวัสดุ
โดยไม่ได้กระทำตามแนวของวัสดุนั้น ซึ่งจะทำให้เกิดแรงคู่ควบโดยพยายามบิดวัสดุให้หมุน
ทำให้เกิดพฤติกรรมการเฉือนขาดตามทิศทางของแรง
ดังนั้นพื้นที่ในการรับแรงเฉือนบิดจะขนานกับแนวแรง
ดังตัวอย่างชิ้นส่วนของเครื่องกลที่รับแรงเฉือนบิด ได้แก่ เพลาต่างๆ
ดังแสดงในรูปที่ 5.1 ในกรณีที่วัสดุได้รับแรงเฉือนบิด
หน่วยแรงเฉือนที่ผิววัสดุซึ่งสัมพันธ์กับหน่วยแรงดึงและหน่วยแรงอัดจะเกิดขึ้นด้วย
ดังในรูปที่ 5.2
รูปที่ 5.1 วัสดุภายใต้แรงเฉือนบิด
รูปที่ 5.2 หน่วยแรงเฉือนที่ทำให้เกิดหน่วยแรงดึงและอัด
จากรูปที่ 5.2 จะสังเกตเห็นได้ว่าเมื่อวัสดุได้รับหน่วยแรงเฉือนแล้ว
จะทำให้เกิดหน่วยแรงดึงและอัด โดยตั้งฉากกับระนาบทำมุมเอียง 45 องศา หรือระนาบตามมุมเส้นทแยงนั่นเอง
ระนาบดังกล่าวนี้เป็นระนาบที่มีหน่วยแรงเฉือนที่เกิดขึ้นมากที่สุด
ดังนั้นผลรวมของหน่วยแรงดึงที่เกิดขึ้นทั้งหมดจะเท่ากับหน่วยแรงเฉือน (. . ) ด้วย
ตัวอย่างเช่น เพลาอันหนึ่งได้รับแรงบิด
จะทำให้เกิดหน่วยแรงที่ผิวของเพลาเป็นแบบประกอบกันหรือรวมกันของหน่วยแรงเฉือนและหน่วยแรงดึง
หรือหน่วยแรงเฉือนและหน่วยแรงอัด ดังแสดงในรูปที่ 5.3
รูปที่ 5.3 หน่วยแรงต่างๆ ที่เกิดขึ้นบนผิวของเพลาขณะรับแรงบิด
สำหรับการกระจายของหน่วยแรงเฉือนในเพลาขณะรับแรงบิด
จะสังเกตได้ว่าคล้ายกับการกระจายของหน่วยแรงในคาน
คือหน่วยแรงที่จุดศูนย์กลางของแกนหมุนจะเป็นศูนย์
และมีค่ามากขึ้นจนมากที่สุดที่ขอบนอกสุดของวัสดุ ดังแสดงในรูปที่ 5.4 ซึ่งจุดศูนย์กลางของแกนหมุนจะเปรียบเทียบได้กับแกนสะเทิน
(Neutral Axis) ของคานนั่นเอง ในรูปที่ 5.7 จะพบว่าความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างเส้นต่างๆ
ของแท่งทรงกระบอกกลมภายใต้แรงบิด ได้ตามสมการ (5-1).
นอกจากนี้ ในรูปที่ 5.7 จะพบว่าค่าหน่วยแรงเฉือน (
)
จะแปรผันโดยตรงกับระยะจากจุดศูนย์กลางแรงเฉือน (
)
และแปรผกผันกับความยาวช่วงของวัสดุภายใต้แรงบิด (L) ซึ่งจะได้ตามสมการ (5-2)
รูปที่ 5.5 การเปลี่ยนรูปภายใต้แรงบิดของเพลา
สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างแรงเฉือนกับโมเมนต์บิดที่ขอบนอกสุดของแท่งทรงกระบอกกลม
คือ
โดยทั่วไปแล้ว
สำหรับเหล็กเหนียว ค่าแรงเฉือนบิด (
)
จะมีค่าประมาณ 0.6 เท่าของหน่วยแรงดึงภายในช่วงขีดจำกัดของส่วน
รูปที่ 5.6 ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงและความเครียดภายในขีดจำกัดสัดส่วนและนอกช่วงขีดจำกัดสัดส่วน
คุณสมบัติอีกประการหนึ่งคือ ค่าความเหนียว (Ductility) หาได้โดยเปรียบเทียบความยาวสุดท้ายของเส้นที่อยู่ขอบนอกสุด
(
) รูปที่ 5.7 เมื่อตัวอย่างขาดแล้ว กับความยาวแรกเริ่ม
(L) โดยที่ (
)
สามารถคำนวณจากระยะ L และ
r ซึ่งหาค่าได้จากสมการ (5-6)
รูปที่ 5.7 การเพิ่มขึ้นของความยาวเมื่อวัสดุได้รับแรงเฉือนบิด
รูปที่ 5.8 ตัวอย่างการขาดเนื่องจากแรงบิด (ก) แท่งทรงกระบอกตันของวัสดุเหนียว
การวิบัติเกิดบนระนาบที่ตั้งฉากกับแท่งวัสดุ (ข) แท่งทรงกระบอกตันของวัสดุเหนียว
การวิบัติเกิดบนระนาบโค้งแบบก้นหอย (ค) ท่อกลมกลวงของวัสดุเหนียว การวิบัติแบบโก่งเดาะ
(Buckling) (ง)
ท่อกลมกลวงของวัสดุเหนียวมรการลดหน้าตัดในช่วงสั้นๆ
การวิบัติเกิดบนระนาบที่ตั้งฉากกับแท่งวัสดุ
รูปที่
5.9 การปรับไดอัลเกจให้มีค่าศูนย์ตลอดเวลา
เพื่อให้เกิดสภาวะปลายยึดแน่นที่สมบูรณ์
รูปที่
5.10 เครื่องมือทดสอบแรงบิด (Torsion
Testing Apparatus)
รูปที่
5.11 กราฟแสดงการปรับเทียบค่าของเครื่องมือทดสอบแรงบิด
(Calibrate Torsion Testing Machine)
5.2 วัตถุประสงค์
เพื่อศึกษาพฤติกรรมของเหล็กเหนียวภายใต้แรงบิด
และหาคุณสมบัติของเหล็กเหนียวภายใต้การรับแรงบิด
5.3 มาตรฐานอ้างอิง
ASTM A 370-94 Standard Test Methods and Definitions
for Mechanical Testing of Steel Products
5.4 ชิ้นตัวอย่าง
ใช้เหล็กกลมขนาด 20 mm ยาว 15 – 20 cm ส่วนกลาง
กลึงให้ได้ขนาด 8 mm ใช้ความยาวพิกัด 50 mm ดังแสดงในรูปที่
5.12
รูปที่
5.12 ตัวอย่างเหล็กที่ใช้ในการทดสอบ
5.5 เครื่องมือ
1.
เครื่องมือทดสอบแรงบิด (Torsion
Testing Machine)
2.
เวอร์เนียร์คาลิเปอร์
5.6 วิธีการทดสอบ
1. วัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นทดสอบในช่วงที่ต้องทดสอบ
จำนวน 3 ครั้ง เพื่อหาค่าเฉลี่ย
2. วัดความยาวช่วงทดสอบ (gauge length) ของตัวอย่างชิ้นทดสอบและบันทึกผล
3. วัดความยาวช่วงทดสอบของตัวอย่างและบันทึกค่า
4. ติดตั้งชิ้นทดสอบเข้ากับเครื่องทดสอบ
5. เปิดเครื่องทดสอบ
6. กดปุ่ม T-C เพื่อเซตค่ามุมบิดและกดปุ่ม A-C เพื่อเซตค่าแรงบิดให้เป็นศูนย์
7. เมื่อพร้อมทดสอบให้กดปุ่ม Test และหมุนพวงมาลัยด้วยความเร็วรอบคงที่อย่างต่อเนื่องไปจนกว่าชิ้น งานจะขาดออกจากกัน
8. ในระหว่างที่หมุนนั้นให้บันทึกค่ามุมบิด (องศา)
ที่เพิ่มขึ้นครั้ง 60 องศา และแรงบิด (Torque, N-m) จนกว่าชิ้นงานจะขาด
9. บันทึกแรงบิดสูงสุดและมุมบิดสูงสุด
พร้อมทั้งวาดรูปลักษณะการขาดของวัสดุตัวอย่าง
10. เขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์บิด (
) กับมุมบิด
(
) และหน่วยแรงเฉือนบิด
(Torsional Stress;
) กับความเครียดเฉือนบิด
(Torsional Strain;
)
11. ทำการทดสอบซ้ำกับตัวอย่างที่เหลือ
หมายเหตุ : กรณีเหล็กเปราะ ให้ปรับลดลงตามความเหมาะสม แนะนำให้เพิ่มขึ้นครั้งละ 2
องศา ในรอบแรกของการมหมุนวัสดุทดสอบ และเพิ่มขึ้นครั้งละ 4 องศา ในรอบที่ 2 และรอบที่ 3 และเพิ่มขึ้นครั้งละ
8 องศา ในรอบที่ 4 ถึงรอบที่ 10
หลังจากนั้นให้เพิ่มขึ้นครั้งละ 20 องศา
จนวัสดุทดสอบขาด
5.7 ตารางบันทึกผลการทดสอบ
5.8 ตารางบันทึกแรงบิดกับมุมบิดสำหรับชิ้นทดสอบที่ 1
5.9 ตารางบันทึกแรงบิดกับมุมบิดสำหรับชิ้นทดสอบที่ 2
5.10 ตารางบันทึกแรงบิดกับมุมบิดสำหรับชิ้นทดสอบที่ 3
รูปที่
5.13 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์บิด (T) กับมุมบิด (
)
5.11 ตัวอย่างการคำนวณ
5.12 ตารางสรุปผลการทดสอบ
วีดีโอสอนการทำทดลอง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น