หน่วยที่ 3 สมบัติทางกลของโลหะ(ใช้สอน)

Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 1

หนวยท 3 คณสมบตทางกลของโลหะ

Mechanical Properties of Metals


จดประสงคการเรยนร

1. เขาใจคณสมบตทางกลของวสดและการทดสอบ

2. เขาใจความหมายของ Elastic deformation, Plastic deformation, Strength, Hardness Toughness, Creep, Fatigue

3. เขาใจความสมพนธระหวางโครงสรางจลภาคกบสมบตทางกล

4. เขาใจกลไกการแตกหกแบบเปราะ และการแตกหกแบบเหนยวได


Mechanical Properties of Metal


Material Properties

There a 5 properties typically used to describe a materials behavior and capabilities:

1. Strength

2. Hardness

3. Ductility

4. Brittleness

5. Toughness

6. Fracture Mechanic


The ability to resist deformation and maintain its shape

1.ความแขงแรง (Strength)

คอคอด(Necking)


Elastic Deformation of Metals


• เปนกระบวนการทผนกลบได Reversible กลาวคอ

(1) เมอชนงานไดรบแรงดง จะท าใหระยะระหวางอะตอมเพมข น

(2) แตถาแรงดงดงกลาวนอยกวาแรงหรอพนธะระหวางอะตอม ถาเราปลดแรงออก อะตอมจะกลบสภาวะสมดล ท าใหชนงานกลบมขนาดและรปรางเหมอนเดม (แตจะม Dislocation เคลอนทประมาณ 100-200 ตว)

ระยะระหวาง จดศนยกลางอะตอม

Ener

gy b

etwe

en at

oms

แรงผลก

แรงดด

r0

รวมพลงงานผลก-ดด

Emin

อะตอมจะอยชดกนในสภาวะ equilibrium ท Emin

(1) มแรงกระท า

(2) ไมมแรงกระท า r0

Elastic Deformation


Plastic Deformation of Metals


Stress-Strain Diagram

Strain ( ) =(e/Lo)

4 1

2

3

5

Elastic

Region

Plastic

Region

Strain

Hardening Fracture

ultimate tensile strength

Elastic region

slope=Young’s(elastic) modulus

yield strength

Plastic region

ultimate tensile strength

strain hardening

fracture

necking

yield strength

UTS

y

εEσ

ε

σE

12

y

ε ε

σE

Hook law’s


Stress and Strain

In order to compare materials, we must have measures.

• Average Stress : load per unit Area

A

Fσ

F : load applied in Newton(N)

A : cross sectional area in mm2

: stress in N/mm2

A

F F

dAF AdAF


0

0

l

ll f

F F

F F

l0

lf

l0 เปนความยาวเรมตน, lf - l0 เปนความยาวทเปลยนไป

Stress and Strain


Stress and Strain

• Deformation – Elastic: temporary – Plastic: permanent

Engineering stress:()

(units: Pa = N/m2) F = แรงกระท าเฉลยตอพนทหนาตดชนงาน มหนวยเปนนวตน (N), และ A0 = พนทหนาตดเดมของชนงาน มหนวยเปน ตารางมลลเมตร (mm2)

0A

F


Stress and Strain

Hooke’s Law: E is the modulus of elasticity

Engineering strain:

Geometric quantity (units: 1 = m/m) l0 = ความยาวเดมทก าหนดขนาดความยาวเกจ(mm.) l = ความยาวสดทายเมอผานการดง(mm.)

0

0

l

ll

E


• Percent elongation at fracture, % เปนคาความ

สามารถในการยดไดของวสดภายใตแรงดง ค านวณไดจาก

• Percent reduction in area at fracture, %RA เปนการวดคาความเหนยวของวสดอกวธหนง รวมท งสามารถชถงคณภาพของวสดน นๆดวย กลาวคอ ถาชนงานมจดบกพรองเชน รโพรง, ส งปลอมปน จะท าใหคา %RA นอยลง

100%0

0

l

ll f

100%0

0

A

AARA

f


Modulus of Elasticity

Engineering Design

Metal Forming& Metal Working


1. plastic deformation of 0.2%

2. Permanent when the force is

released

3. Material (or part) has a defined

elastic-plastic transition

4. Renewed application of a load

less than the yield stress

creates no further plastic

deformation

0.2% Yield Strength


• Tensile test measures the resistance of a material to a static of slowly

applied load

• A strain gage measures the amount of stretching of a part

Stress and Strain: Tensile Test


Exercises

1. วสดชนดหนงมคา yield stress เทากบ 200 MPa เราตองใหแรงดงอยางนอยเทาใดจงจะสามารถดงชนงานชนดนทมพนทหนาตด 100 mm2 ใหเกดการเสยรปแบบถาวรได

yield force = yield stress x area

= (200 x 106 N/ m2) x (100 x 10-6 m2)

= 20,000 N


2. วสดชนดหนงมคาเปอรเซนตการยด 10% ถาวสดนเรมตนยาว 200 mm เราจะตองดงวสดนใหมความยาวเพมอกเทาใดจงจะขาด

mmll

lll

l

ll

of

oof

f

20100

20010

100

%

100%0

0


Mode of Fracture

Ductility Au ,Ag ,Al

Moderately Mild steel ,Cu

Brittle Cast Iron ,Ceramic


Ductile fracture

• The material exhibits substantial plastic deformation in the vicinity of an advancing crack with high energy absorption before fracture. There is evidence of appreciable gross deformation at fracture surfaces (e.g., twining and tearing).

•Cup-and-cone facture type.

•Crack is stable, i.e., resists any further extension

unless there is an increase in applied stress.

• It proceeds relatively slowly as the crack length is extended


Ductile fracture (Cons.)

• Ductile fracture preferred due to:

–More strain energy is required to induce

ductile facture (Ductile materials are tougher).

– Ductile fracture gives warning

(due to associated plastic deformation).

This allows preventive measures to be taken.


• Evolution to failure:

neckingvoid nucleation

void growth and linkage

shearing at surface

fracture

• Resulting

fracture

surfaces

(steel)

50 mm

particles

serve as void

nucleation

sites.

50 mm

100 mm

Ductile fracture (Moderately)


Brittle fracture

• Direction of crack propagation is nearly

perpendicular to direction of applied tensile

stress and yields relatively flat fracture surface.

• Crack is unstable, i.e., crack propagation,

once started, will continue spontaneously without an increase in applied stress.

• Cracks may spread extremely rapidly.

•The material experiences little or no plastic deformation

with low energy absorption.


กลไกการแตกแบบเปราะ

• ชนงานจะแตกหกโดยมการแปรรปถาวรเลกนอยหรอไมมเลย ท าใหมคาความเหนยวต า

• ผวรอยแตกคอนขางตรง และคอนขางวาวเมอมองดวยตาเปลา

• โลหะทแตกแบบเปราะคอนขางทจะอนตรายเพราะสามารถเกดการแตกหกไดงายในบรเวณทมความเคนสะสมสง และถามรพรนมากๆ

แรงดง

ระนาบผวหนา


Brittle fracture (Cont.)

• Crack surface may have grainy or faceted texture due to

changes in orientation of cleavage planes from one

grain to another.

• Cleavage is Trangranular since cracks pass

through the grains.

• Cleavage: In brittle fracture, crack propagation corresponds

to successive and repeated breaking of atomic bonds

along specific crystallographic planes.


เปรยบเทยบผวรอยแตกเมอใชกลองจลทรรศนอเลคตรอน

หลมทเกดจาก particles

แตกแบบเหนยว แตกแบบเปราะ


(3) Brittle fracture

with no elongation

(1) Ductile fracture with uniform elongation

(2) Ductile fracture with necking

(1) (2)

(3)


Effect of Temperature

• Yield strength, tensile strength, modulus of elasticity, and fracture point decrease or relocate with higher temperature

• Vibrational energy of individual atoms increases with temperature

– slip becomes easier

– ductility increases


Anisotropies

• Highest strength parallel to the rolling direction

• Ductility is highest at a 45

o

angle to rolling direction. • Compressive stress • Shot peening


Microstructure change

• Cold deformation

• Anisotropic properties depend on direction

• Highest strength is achieved in axial direction

• Sheet texture is produced with cold rolling


อทธพลของกระบวนการผลต

1. Composition

2. Heat Treatment

3. Strain Rate


2.ความแขง (Hardness) Performance of the material property to resist

indentation ,abrasion and wear.

• This property is tested by subjecting the metal to

an instrument that measures depth of penetration

by a penetrator.

• Common instruments include ;

– Rockwell Hardness test

– Brinell Hardness test

– Vickers Hardness test

– Micro Hardness test


ตารางเปรยบเทยบความแขง


การทดสอบความแขงแบบรอคเวล(Rockwell Hardness)

หลกการทดสอบ

ความแขงของชนงานขนอยกบความลกของรอยกด

• เลอกชนดหวกด(หวเพชร,บอล) • ก าหนดแรงกด(F) • กดชนงาน(30 วนาท)

• อานคาความแขง


Rockwell Hardness Scales สเกล หวกด แรงกด(กโลกรม) การใชงาน

A หวเพชรมม 120 60 วสดทมความแขงมาก ๆ เชน ทงสเตนคารไบด มดเลบ โลหะซนเตอร

B หวบอล 1/16” 100 วสดแขงปานกลาง เหลกกลาคารบอนต า-ปานกลาง ทองเหลอง ทองเหลองผสม

C หวเพชรมม 120 150 เหลกทมความแขงมาก ๆ เชนเหลกทผานการชบแขง และอบคนตว

D หวเพชรมม 120 100 เหลกผานการชบผวแขง (Surface Hardening)

E หวบอล 1/8” 100 เหลกหลอ อลมเนยม และแมกนเซยมผสม

F หวบอล 1/16” 60 ทองเหลอง ทองแดงทผานการอบออน

G หวบอล 1/16” 150 ทองแดง-เบอรเลยม ฟอสฟอรส-บรอนซ

H หวบอล 1/8” 60 อลมเนยมแผน

K หวบอล 1/8” 150 เหลกหลอ และอลมเนยมผสม

L หวบอล 1/4” 60 พลาสตก โลหะออน เชนตะกว ดบก

M หวบอล 1/4” 100

ใชไดเชนเดยวกบสเกล L ขนอยกบขนาดและความหนาของชนงานทดสอบ

P หวบอล 1/4” 150

R หวบอล 1/2” 60

S หวบอล 1/2” 100

V หวบอล 1/2” 150


ความสามารถในการทดสอบความแขง แบบรอคเวล

• ในการทดสอบแบบรอคเวลกรณใชหวกดเปนหวบอลจะตองม นใจวาเหลก ทน าทดสอบเปนเหลกกลาคารบอนต า – ปานกลางถาไมม นใจใหใชหว

เพชรกดกอนเสมอ เพอปองกนความเสยหายของหวกด

• การทดสอบตองทดสอบอยางนอย 3-5 จด เพอหาคาเฉลยความแขงของ ชนงาน

• กรณกดดวยหวเพชร ระยะหางระหวางรอยกดแตละรอยตองไมต ากวา 3 เทาของเสนผานศนยกลางรอยกด(หรอประมาณ 3 มลลเมตร) • ถาใชหวบอลกด ระยะหางระหวางรอยกดควรมไมนอยกวา 4 เทาของ รอยกด

ขอควรระวงในการทดสอบ


การทดสอบความแขงแบบบรเนล(Brinell Hardness)

หลกการทดสอบ

• ก าหนดแรงกด(F) • ก าหนดขนาดหวกด(D) • กดชนงาน(30 วนาท) • วดรอยกด(d)

• ก าหนดคาความแขงแบบบรเนล • ค านวณ • เปดตาราง

ความแขงของชนงานขนอยกบขนาด ของรอยกด



เสนผาศนย

กลางหวกด

(มลลเมตร)

แรงกด(กโลกรม)

เหลกกลา เหลกหลอ

ทองแดง ทองแดงผสม

อะลมเนยม บรสทธ

ตะกว ดบกผสม

F/D2 = 30 F/D2 = 10 F/D2 = 5 F/D2 = 1

1

2

5

10

30

120

750

3000

10

40

250

1000

5

20

125

500

1

4

25

100

ความสมพนธของแรงกด หวกด และชนดของวสด


22 dD-DD

2F BHN


การก าหนดความแขง

1. ค านวณจากสตรหาคาความแขง

2. เปดตาราง

120

120

( 5 .)

(250 )

(30 )

HB 5 250 30

d



Pile up

Depression

d

(a) (b)


• ส าหรบการทดสอบแบบบรเนลในกรณทวสดออนอาจจะท าใหเกดการเสย รปของรอยกดในลกษณะ Pile up คอมการยดตวออกของขอบรอยกดท า

ใหการวดคาขนาดรอยกดอาจจะคลาดเคลอนไดงาย •เชนเดยวกบวสดทมอตราการเกดความเครยดแขงสง ไดแก เหลกออสเตนนตก อาจจะท าใหเกด Depression รอบรอยกดซงจะท าให

การวดคาขนาดรอยกดเพอก าหนดคาความแขงคาดเคลอนไดเชนกน




• รอยกดทเหนไดอยางชดเจนน น จะตองใชกดโลหะทมความหนาไมต ากวา

สามเทาของเสนผาศนยกลางของหวกด

• จดทดสอบจะตองอยหางกนอยางนอยสามเทาของเสนผาศนยกลางของ

หวกดเพอไมใหขอบของรอยบมมาชนกน

• ส าหรบชนทดสอบทออนมากหรอเลกมาก ตองใช Load นอยลง และ

ขนาดของหวกดกตองเลกลงดวย แตตองใหไดตามมาตรฐานการทดสอบดวย

3D 3D


การทดสอบความแขงแบบจลภาค นป(Knoop)

หลกการทดสอบ คาความแขงของชนงานจะ ขนอยกบขนาดของรอยกด

Knoop test methods are defined in ASTM E384

450HK0.5 Where 450 is the calculated hardness

and 0.5 is the test force in kg.


การทดสอบความแขงแบบจลภาค นป(Knoop)

• แรงกด 10-1000 กรม • เวลากด 10 - 15 วนาท. • วดรอยกดเสนทแยงมมเสนยาว(l) • ก าหนดคาความแขงโดยการค านวณคาจากสตร

l 2

230.14l

FHK

• เปนวธการทดสอบทมงเนนการวดความแขงของโครงสรางจลภาค เชน เกรน ขอบเกรน รวมท งเฟสตาง ๆ ไดแกเฟอรไรท ซเมนไตต คารไบด หรอ โครงสรางของ งานเชอม เชน HAZ , WM หรอโครงสรางเกรนยาว Columnar

, Fine Grain เปนตน

• ตองเตรยมผวหนางานใหเรยบเหมอนการเตรยมเพอศกษาโครงสรางจลภาค

•การใหแรงกดตองใหอยางสม าเสมอ

450HK0.5 Where 450 is the calculated hardness and 0.5 is the test force in kg.


การทดสอบความแขงแบบวกเกอร(Vickers)

d

หลกการทดสอบ คาความแขงของชนงานจะ ขนอยกบขนาดของรอยกด

ใชหวกดเพชร (Diamond indenter) แบบ Vickers หรอ Knoop กดลงบนผววสดท

ตองการวดคาความแขงดวยแรงกดคงท (1-1,000 กรม) ช วระยะเวลาหนง จะเกด

รอยกดบนผววสด วดขนาดเสนทแยงมมของรอยกดเพอใชค านวณคาความแขง ดงน


การก าหนดคาความแขงแบบวกเกอร (Vickers Hardness Test)

การอานคาความแขงของวกเกอรสามารถอานไดดงน เชน

• 650 คอ คาความแขง แบบวกเกอร • ใชแรงกด 30 กโลกรม • เวลากด 10-15 วนาท (เปนการก าหนดคา มาตรฐาน)

650 HV 30


Hardness test

Red scale

Black scale

แบบฝกหด • สมบตทางกลคออะไร?

• ประกอบดวยสมบต อะไรบาง?

• มความส าคญอยางไร?

• และสมบตทางกลไดรบอทธพล หรอมผลมาจากอะไร? ใหเหตผลพรอมยกตวอยางประกอบ?

• ความแขงแรงของวสดคอ? วดไดอยางไร?

• วธเพมความแขงแรงใหกบวสดสามารถท าไดโดย?

• ความแขงของวสดคอ? วดไดอยางไร?



“TITANIC” “Unsinkable Ship หรอ

เรอทไมมวนจม"

แลวเกดเหตการณน ไดอยางไร?


3. Toughness (ความทนทาน)

• เปนความทนทานของวสดตอการแตกหก เมอมแรงมากระท าอยางเฉยบพลน ณ ทอณหภมหนง

• สามารถวดไดจาก พลงงานทชนงานสามารถซบไวไดในระหวางทถกแรงกระท า

• คา Toughness จะขนกบอณหภม โดยเฉพาะ เหลก จะมชวงของการเปลยนจาก brittle ไปเปน ductile ชดเจน


Impact Test

ความสามารถในการดดซบพลงงาน เพอตานทานตอการเกดรอยราวและ การแตกหกจากการกระแทก

• Toughness

• Evaluates brittleness of a material

• Sudden intense force applied to specimen

Method


พารามเตอรท มผลกระทบตอความเหนยว

1. Strain Rate

• ความเรวในการใหแรงกระแทก

•น าหนกของคอนตกระแทก

W=mg

V

• Izod Test

• Charpy Test


พารามเตอรท มผลกระทบตอความเหนยว

2. Stress Concentration

•รปราง ลกษณะของรอยบาก

3. Temperature

•Transition Temperature

•Ductile & Brittle Factrue


หลกการทดสอบดวยแรงกระแทก

• Charpy V-Notch Test (continued)

- The potential energy of the pendulum before and after

impact can be calculated form the initial and final location

of the pendulum.

- The potential energy difference is the energy it took to

break the material. absorbed during the impact.

- Charpy test is an impact toughness measurement test

because the energy is absorbed by the specimen very

rapidly.

- Purpose : to evaluate the impact toughness as a function of

temperature



Temperature (°F)

Char

py T

oughnes

s(lb

·in)

Brittle

Behavior

Ductile

Behavior

Transition

Temperature

ผลการทดสอบดวยแรงกระแทก

Low impact Energy

High impact Energy

Brittle Facture

Ductile Facture

Brittle Ductile Transition Temperature


ผลการทดสอบวสดชนดตาง ๆ

FCC

BCC

( )



- At low temperature, where the material is brittle and

not strong, little energy is required to fracture the material.

- At high temperature, where the material is more ductile

and stronger, greater energy is required to fracture the

material

-The transition temperature is the boundary between brittle

and ductile behavior.

The transition temperature is an extremely important

parameter in selection of construction material.

ผลการทดสอบดวยแรงกระแทก

Engineering Materials Chapter 3 Mechanical Properties 58 แบบเหนยว แบบเปราะ

Facture


Facture

1. Brittle Facture

C Ductile Facture

Brittle Facture 100%

A

CBrittle

A

2. Ductile Facture

C Ductile Facture

Brittle Facture 100%

A

DDuctile

A

D

D


Transition temperature

• Transition temperature average impact strength of a fully brittle

and fully ductile specimen.


High Carbon Steel

Charpy Test

Stainless Steel


Liberty ships

Problem: Used a type of steel with a DBTT ~ Room temp.

Brittle Facture


4. การลา (FATIGUE)

• มการคาดการณกนวา กวา 90% ของความเสยหายทเกดขนกบชนสวนเปนความเสยหายทเกดจากการลา

• คอ เมอโลหะไดรบแรงทต ากวา Yield Strength เปนรอบตดตอกนเปนเวลานาน การแตกหกจะเร มจากรอยราวเลกๆทผวนอกของชนงานซงมกจะมองดวยตาเปลาไมเหน จากน นทกๆรอบของแรงเคนทกระท า จะท าใหรอยราวขยายตวเพมข นไปในทศทางทต งฉากกบทศทางของแรง


• การขยายของรอยราวจะเกดขนอยางชาๆ จนเมอชนงานสวนทยงตดกนไมสามารถรองรบแรงเคนไดอกตอไป ท าใหเกดการหกขนอยางรวดเรว

• การลาเปนสาเหตของ Failure ทพบมากทสดของโลหะทใชใน aircraft, I-beams cranes, bridges and ships และใน crankshaft

• ดงน นจ าเปนตองมการทดสอบเพอวดอายการใชงานของวสด


Fatigue

• A form of failure that occurs in structures subject to dynamic and fluctuating stresses.

• Failure occurs at stress levels lower than yield or tensile stresses for static loads.

• It occurs after a lengthy period of repeated stress of strain cycling.

• Comprise approximately 90% of metallic failures.


Fatigue Rotating Beam Test

• The repeated application of stress typically produced by an oscillating load such as vibration. • Sources of ship vibration are engine, propeller and waves.


Fatigue Test

Time

a

• มวตถประสงคในการท านายอายการใชงาน และความทนทานของวสด (Endurance limit หรอ Fatigue limit)

• ทกการทดสอบจะเปนการใหแรงเปนคาบในลกษณะ Sinusoidal

โดยมคาความเคนสงสดคงท (Stress amplitude, a ) และมกจะใหคา Mean stress, m เปน 0 ดงรป

m


• ชนงานจะรบแรงกระท าเปนแบบ sinusoidal ต งแต 1,000-10,000 รอบ/นาท จนกวาชนงานจะแตกหก

• ไดกราฟ Stress-Cycle (ความเคน-จ านวนรอบ)

(a)


• Fatigue strength เปนแรงเคนดงทวสดสามารถรบไดกอนการแตกหก ณ จ านวนรอบทก าหนด

Mild Steel

Copper

Fatigue limit


ทผ วงานแตกจะมลกษณะพเศษของการเกด การลา กลาวคอจะเหนเปนเสนโคงออกไปจากจดก าเนด และรศมเพมข นตามการเจรญเตบโตของรอยแยก จะเปนดานทมผวคอนขางเรยบ ความถของเสนจะขนกบขนานของแรงดง สวนทเกดการแตกหกข นสดทายจะเหนเปนผวหยาบ ดงรป


จดเรมตน

บรเวณแตกหก


จดก าเนดของ Crack

–จดทมการสะสมของ ความเคน

–บรเวณทมจดบกพรอง, Dislocations or grain boundaries, สารมลทน

–มมทแหลมคม จากการผลต หรอแบบ

ดงน น Fatigue Strength ของวสดสามารถเพม ใหสงข นไดโดย

– เพมความแขงผว เชน Nitriding, Carburizing

– เพมความเรยบผว ขดเงาเพอลดรอยราวเลกๆ

– เลอกใชวสดท มสารเจอปนนอย


5. การคบ (CREEP)

• ทอณหภมต า การเสยรปถาวร (Plastic deformation) จะเกดขนเมอวสดรบแรงสงเกนคา yield strength ของวสดน นๆ

• สวนทอณหภมสง ถงแมวาโลหะจะรบแรงทต ากวา Yield strength แตเมอเวลาผานไปกสามารถท าใหเกดการเปลยนรปทรงได


การเกด Plastic deformation ของวสดท อณหภมสง ซงจะเกดจากการทไดรบแรงกระท าทไมสง แตอยภายใตแรงน นเปนเวลานาน(ขนกบเวลา) ท าใหโลหะเกดการเคลอนตว หรอบดจนเสยรป การเสยรปน เรยกวา “Creep” (การคบ)


ลกษณะของการเกดการคบ • การคบสามารถเกดขนไดท งวสดท มผลกและไมมผลก กลาวคอสามารถเกดไดใน โลหะ, โพลเมอร และ เซรามกส

• อตราการเกดการคบจะเพมมากขนทอณหภมสงกวา ~ 0.5Tm ส าหรบ เซรามกส สวน โลหะ จะเพมข นท อณหภมสงกวา ~ 0.3-0.4Tm

• ดงน นวสดท มจดหลอมเหลวต า จะเกดการคบงายกวา วสดท มจดหลอมเหลวสง

• การคบ เปนสาเหตของการแตกหกแบบเหนยวทอณหภมต า และแบบเปราะทอณหภมสง


Strain rate( ) กบ เวลา (t) Strain () กบ เวลา (t)

ε

time

1 2

3

time

1 2 3

ทอณหภมและความเคนคงท 1 Strain จะสงขน โดย Strain rate ณ จดเร มตนจะสงสดแตจะเพมสงข นในอตราทลดลง เนองจากมความตานทานจากการเกดและการเคลอนทของ dislocations ในเนอวสด

2 Strain rate จะเขาสภาวะคงท หรอ steady state เพราะอตราการจดเรยงตวใหมของอะตอม=การเกดและการเคลอนทของ dislocations Strain ของวสดจะเพมสงข นในอตราทเกอบคงท

Stage 3 Strain ของวสดจะสงขนในอตราทสงข น เนองจากวสดเร มมความตานทานนอยลง ดงน น ท าใหวสดแตกหกอยางรวดเรว


Strain rate ในชวงท 2 ทภาวะ steady state สามารถค านวณไดจาก

A =คาคงท, m ~1 หรอ 4, Q = พลงงานกระตน,

R =คาคงทของกาซเฉอย, T = อณหภม Kelvin

)exp( RTQA m


ตวอยางกราฟการเกดการคบของตะกวทอณหภมหอง

Stress คงท


อทธพลของแรงเคนกบการคบ

อตราการเกดการคบจะสงขนเมอปรมาณแรงเคนเพมขน

High Temp or High Stress

Medium Temp or Medium Stress

Low Temp or Low Stress, <0.4Tm, Metals show primary creep but negligible secondary creep

Strain

เวลา


กลไกการแตกหกเนองมาจากการคบ (CREEP RUPTURE Mechanism)

โลหะทมความตานทานการเกดการคบ เมอไดรบแรงเปน เวลานานๆ ทอณหภมสง กสามารถแตกหกไดกอนเวลา อนควร เนองจาก จะมพลงงานกระตนในการเกด กระบวนการดงน 1. Vacancy creep (การยายตวของชองวาง) การยายตว

ของ vacancy จะสวนทางกบ การยายตวของโลหะอะตอม ท าใหเกรนเกดการเปลยนรปราง

2. Grain boundary sliding (การเลอนตวของขอบเกรน)


• ทอณหภมสง ~0.5Tm และ low stress จะเกดการเคลอนตวของขอบเกรนแบบสม (Randomly) และม Creep rate ทต า

• ถาเกรนมความแขงแรง จะท าใหเกดความเคนสะสมท Triple point สงผลใหเกดชองวางทรอยตอระหวางเกรน และขยายตว ท าใหอตราการเกดการคบสงขนอยางรวดเรว (state 3 of Creep rate vs Time) สงผลใหชนงานเกดการหกแบบเปราะได



เกรน σ

σ

σ

σ การไหลของ อะตอม

การไหลของ vacancy

การเลอนตวของขอบเกรน

Vacancy creep Grain boundary sliding ชองวางท triple point

รพรนตามขอบเกรน เกดและขยายเพมข น ในชวงตนของ state 3 ของการคบ ซงจะขยายเชอมกนเมอรบแรง และอณหภมสง และสงผลใหเกดการแตกหกแบบเปราะในทสด



Creep voids


• Materials ทจะใชงานทอณหภมสงจ าเปนตองมความเหนยว และความแขงแรงสง ไมมสารเจอปนในเนอวสด และมความตานทานตอการเกด Creep and Oxidation เชน high strength aluminium alloy, superalloys (Ni-based alloys) and titanium เปนตน

• Microstructure จะตองม สารประกอบทเพมความแขง (hardening precipitate) ทมคณสมบตกดขวางการเคลอนทของ dislocations และไมสลายตว ณ ทอณหภมใชงาน

สรป Creep


6. กลไกการแตกหกของโลหะ (Fracture Mechanism)


6. กลไกการแตกหกของโลหะ (Fracture Mechanism)

การแตกแบบเปราะ

• เกดจากรอยราวในโครงผลก • ไมมการยดตวของชนงาน • รอยแตกจะเปนเสนตรงผาเกรน • ไมมการเลอนของโครงผลก • มกจะเกดทอณหภมต า • มกเกดกบวสดจ าพวก เซอรรามก, โลหะ เชนเหลกหลอ


สรปสมบตทางกล 1. เมอวสดมแรงทางกลมากระท า กจะตอบสนองตอ

แรงน นโดยมความเคนเกดขนภายในวสดเพอตานทานการเสยรป โดยแรงเคนจะกระจายสม าเสมอท งหนาตด แตเมอวสดไมสามารถตานแรงน นไดกจะเกดการเสยรป

2. การเสยรปแบงได 2 แบบ คอ แบบยดหยน และแบบถาวร

3. วสดทมโครงสรางผลกแบบ hcp จะเปราะ เพราะม slip system นอย

4. วสดทมโครงสรางผลกแบบ Fcc จะเหนยว เพราะม slip system มาก


5. การแตกหกแบบเหนยวเกดกบวสดท มเปอรเซนตการยดสง และมกมคอคอดกอนแตกหก

6. วสดท เปราะจะมเปอรเซนตการยดต า ผวรอยแตกแบบเปราะมกเรยบ มนวาว

7. การลามกเกดกบวสดท ใชเปนเวลานาน เกดโดยมรอยราวทผว และลกลงไปในผว

8. วสดท ใชในงานทอณหภมสงตองมคณสมบตตานทานการคบ

สรปสมบตทางกล


Check lists

1. อธบายคณสมบตของทางกลของวสด 2. Elastic deformation คอ 3. Plastic deformation คอ 4. Strength คอ 5. Toughness คอ 6. Creep คอ 7. Fatigue คอ 8. ความสมพนธระหวางโครงสรางจลภาคกบสมบต

ทางกล 9. การแตกหกแบบเปราะ และการแตกหกแบบ

เหนยว

Technology

หน่วยที่ 3 สมบัติทางกลของโลหะ(ใช้สอน)