1

2109101 วัสดุในงานวิศวกรรม

สมบัติทางกลของวัสดุ (ครึ่งหลัง)

2

เนื้อหา

การแปรรูปถาวรของโลหะผลึกเดี่ยว

การแปรรูปถาวรของโลหะที่มีหลายผลึก

การเพิ่มความแข็งแรงจากการเกิดสารละลายของแข็ง

การอบออนของโลหะที่ผานการขึ้นรูปเย็น

การแตกหักของโลหะ

ความลา

ความคืบ

3

การตอบสนองตอภารกรรมทางกล

เกิดการแปรรูปแบบอิลาสติก (ยืดหยุน)

เกิดการแปรรูปแบบพลาสติก (ถาวร)

เกิดการแตกหัก

4

การแปรรูปถาวรของโลหะผลึกเดี่ยว

5

การแปรรูปถาวรของโลหะผลึกเดี่ยว

การเคลื่อนตัวของอะตอมในระบบผลึก เปนการเคลื่อนตัวในโหมดสลิป (เลื่อนไถล) คือ ระนาบของอะตอมเลื่อนไถลจากกันเปนชั้น ๆ

ถึงแมวาแรงกระทําเปนแรงดึงก็ตาม จะมีระนาบอยางนอยหนึ่งระนาบที่รับสวนประกอบของแรงนี้ในแนวขนานกับระนาบ ทําใหเกิดแรงเฉือนขึ้น

6

การแปรรูปถาวรของโลหะผลึกเดี่ยว

ผลของโครงสรางผลึกFCC เหนียวสุด รองลงไปเปน BCC ซึ่งจะเหนียวที่อุณหภูมิสูง สวน HCP จะแปรรูปถาวรไดยากทุกอุณหภูมิ (ระนาบที่จะ slip ได = ระนาบโคลสแพ็กทิศทางที่จะ slip = ทิศทางที่ close-packed)

7

การแปรรูปถาวรของโลหะผลึกเดี่ยว

การสลิปหรือเลื่อนไถลออกจากกันของระนาบ ไมไดเปนการเลื่อนไถลในคราวเดียว ซึ่งตองใชแรงมาก

แตอาศัยกลไกการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน ทําใหใชแรงนอยลง

8

การเคลื่อนที่ของ Edge Dislocation

9

ลักษณะเฉพาะของการแปรรูปถาวรในโลหะ (หลายผลึก)

เกิดจากการสลิป

โดยอาศัยกลไกการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน

ดิสโลเคชัน ทําใหใชแรงนอยลง ในการแปรรูป

แตเมื่อขนาดการแปรรูปสูงขึ้น (ความเครียดมากขึ้น) ความหนาแนนดิสโลเคชันเพิ่มขึ้น จะทําใหดิสโลเคชันสงผลตานกันเอง ใชแรงสูงขึ้นอีก ปรากฏการณStrain Hardening หรือ Work Hardening

โลหะเกรนละเอียด มีความแข็งแรงสูงกวาเกรนหยาบ

10

ลักษณะเฉพาะของการแปรรูปถาวรในโลหะ (หลายผลึก)

โลหะเกรนละเอียด มีความแข็งแรงสูงกวาเกรนหยาบ

(สัญลักษณดิสโลเคชัน)

11

ผลของสารละลายของแข็ง

เมื่อดิสโลเคชันเคลื่อนที่มาพบอะตอมตัวถูกละลายจะเกิดแรงดึงดูดกันไวทําใหเคลื่อนตอไดยากขึ้น

โลหะผสม มีความแข็งแรงสูงกวาโลหะบริสุทธิ์

12

ปรากฏการณการคืนตัวและการตกผลึกใหม

หรือเรียกรวมวา การอบออน (Annealing)

เมื่อโลหะถูกขึ้นรูปเย็น จะเกิดความเครียดถาวร

มีดิสโลเคชันหนาแนนขึ้น

ความแข็งแรงสูงขึ้น

ความเหนียวลดลง

13

ปรากฏการณการคืนตัวและการตกผลึกใหม

นําโลหะที่ผานการขึ้นรูปเย็นแลวมาอบที่อุณหภูมิสูง (>0.3~0.7Tm)จะเกิด

การคืนตัว (Recovery)ลดความเครียดในเนื้อโลหะ

กําจัดความบกพรองในโครงสรางผลึกออก

ความเหนียวจะเพิ่มขึ้นอยางเห็นไดชัด

14

ปรากฏการณการคืนตัวและการตกผลึกใหม

การตกผลึกใหม (Recrystallization)เกิดผลึกใหมซึ่งมีลักษณะเปนผลึกที่ไมมีความเครียดเหลืออยู (Strain-free Grain)

ความแข็งแรงจะลดลง

ความเหนียวเพิ่มขึ้น

เนื้อโลหะกลับไปเหมือนตอนที่ยังไมถูกขึ้นรูปเย็นมา

15

ปรากฏการณการคืนตัวและการตกผลึกใหม

เกี่ยวกับการตกผลึกใหมโลหะตองถูกขึ้นรูปเย็นในปริมาณหนึ่ง จึงสามารถเกิดการตกผลึกใหมได

ปริมาณการขึ้นรูปเย็นยิ่งสูง อุณหภูมิการตกผลึกใหมยิ่งต่ําลง และขนาดเกรนสุดทายยิ่งละเอียด

16

การแตกหัก (Fracture)

การแตกหักแบบเหนียว (Ductile Fracture)

การแตกหักแบบเปราะ (Brittle Fracture)

17

การแตกหัก (Fracture)

18

การแตกหักแบบเหนียว

เกิดการแปรรูปถาวรกอนในระดับหนึ่ง (ถาเปนการทดสอบแรงดึง สังเกตจากการคอด)

เกิดชองวาง (Void) ในเนื้อโลหะ

ชองวางเชื่อมตอกันเปนแนวตั้งฉากทิศแรงดึง

การขาดสุดทายทํามุม 45°

รอยแตกแบบเหนียวมักเปน Cup and Cone

19

การแตกหักแบบเปราะ

20

การแตกหักแบบเปราะ

ไมมีหรือมีการแปรรูปถาวรนอยมากแตกหักดวยแรงดึงในลักษณะเนื้อโลหะแยกจากกันดวยแรงดึงตามระนาบเฉพาะที่เรียกวาCleavage Plane – เปนการแตกหักผานเกรน (Transgranular Fracture)ในโลหะบางชนิดมีจุดออนในขอบเกรนทําใหเกิดการแตกหักแบบเปราะระหวางเกรน(Intergranular Fracture)

21

การทดสอบแรงกระแทก(Impact Test)

เพื่อประเมินความแกรง Toughness ของวัสดุ

ประเมินความเปนวัสดุเปราะ/เหนียว อันนําไปสูความปลอดภัยในการใชงาน

22

การทดสอบแรงกระแทก

(Impact Test)

23

การทดสอบแรงกระแทก(Impact Test)

24

การทดสอบแรงกระแทก(Impact Test)

25

ผลของโครงสรางของโลหะตอสมบัติทางกล

ปจจัยของโครงสรางผลึกตอความเหนียว

โลหะ FCC เหนียวที่ทุกอุณหภูมิ

โลหะ BCC เหนียวที่อุณหภูมิสูง เปราะที่อุณหภูมิต่ํา

โลหะ HCP เปราะที่ทุกอุณหภูมิ

เหล็กที่อุณหภูมิหองเปน BCC การแปรรูปไมดีนักที่อุณหภูมิสูงเปน FCC การแปรรูปดีกวาการใชงานเหล็กที่อุณหภูมิต่ํามาก

26

ความลา (Fatigue)

ความเสียหายเนื่องจากการรับแรงกระทําซ้ํา ๆ เปนรอบ (Cyclic Load) ทั้งที่แรง (ความเคน) ในแตละรอบ ไมไดเกินกําลังวัสดุ แตเมื่อเวลา (จํานวนรอบ) ผานไป ก็เกิดความเสียหายได

27

ความลา (Fatigue)

กลไกของความลา

28

ความลา (Fatigue)

กลไกของความลาการเริ่มตนเกิดรอยแตก (Crack Initiation) เกิดบริเวณจุดออนโดยเฉพาะรอยตําหนิ รอยขูดขีด รอยบาก รองตาง ๆ ที่บริเวณผิว

การขยายตัวของรอยแตก (Crack Propagation) ภายใตแรงดึง ในแตละรอบ

การแตกหักในขั้นสุดทาย (Fracture)

29

S-N Curve จากการทดสอบความลา

โลหะประเภทเหล็ก, ทองแดง โลหะนอกกลุมเหล็กทั่วไป

(Fatigue Limit)

30

ความลา (Fatigue)

การออกแบบชิ้นงานที่รับแรงกระทําซ้ํา ๆ เปนรอบออกแบบใหความเคนไมเกิน Fatuige Limit หรือ Fatigue Strength แลวแตกรณี

เสริมสรางความแข็งใหผิวชิ้นงาน เชน ทําการชุบแข็งผิว (ปองกัน crack initiation)

ทําใหเกิดความเคนตกคางที่เปนแรงอัดบนผิวชิ้นงาน (ปองกันcrack initiation)

หลีกเลี่ยงจุดที่เกิดความเคนสูง เชน รอง รอยบาก รู บนผิวชิ้นงาน (ปองกัน crack initiation)

31

ความคืบ (Creep)

ปรากฏการณที่วัสดุยืดออกเองได (เกิดการแปรรูปถาวร) ภายใตแรงหรือความเคนคงที่ เมื่อเวลาผานไปนาน ๆ

เกิดที่อุณหภูมิสูง (>0.4Tm โดยประมาณ)

32

เสนโคงความคืบ (Creep Curve)

33

เสนโคงความคืบ (Creep Curve)

34

การทดสอบความคืบ

Creep Test สนใจคาอัตราการคืบตัวต่ําสุด(Minimum Creep Rate)

Stress-rupture Test สนใจเวลาสุดทาย

35

สมบัติทางกล (Mechanical Properties)

Mechanical Property

Stress

Strain and Deformation

Stress-Strain Relationship

Creep

Toughness

Fatigue

Hardness