Civil Engineering CMU

Course Explorer
banner ce 215

S1: Steel Properties

 

การทดสอบแรงดึงของเหล็ก (Tension Test of Steel)

 

ทฤษฎี

 

            

                                 รูปที่ 1                                                                                   รูปที่ 2

รูปที่ 1  แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น(stress) และความเครียด (strain) ของเหล็กเหนียว (ductile steel) ภายใต้แรงดึงตามแนวแกน เส้น OA จะเป็นเส้นตรงตามทฤษฎีของ Hooke

 

     Elastic Limit    เป็นค่าความเค้นที่สูงสุด ซึ่งวัสดุสามารถรับได้โดยไม่เกิดการเสียรูปทรงถาวรเมื่อคลายแรงกระทำออก แต่ในทางปฏิบัตินั้นเราจะหาค่า Elasgtic Limit ได้ยากและไม่นิยมหากัน

     Proportional Limit    คือ  ค่าความเค้นสูงสุดซึ่งวัสดุสามารถรับแรงได้โดยที่ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดยังไม่เบี่ยงเบนจากเส้นตรง

     Yield Point     เป็นจุดที่ค่าอัตราการยึดตัวของเหล็กสูงกว่าอัตราการเพิ่มของแรงดึงมากจนเห็นได้ชัด เรามักจะกำหนดจุดคลากโดยวิธี offset ดังในรูปที่ 2 ซึ่งนิยมใช้ค่าความเครียดที่ 0.1% หรือ 0.2% (0.001 มม./มม. หรือ 0.002 มม./มม. ตามลำดับ)

     Ultimate Strength  เป็นจุดที่มีความเค้นสูงสุด

     Breaking Stress หรือ Rupturre Stress เป็นความเค้นที่จุด failure 

เส้นประในรูปที่ 1 แสดงถึง True Stress-strain Curve หาได้โดยการนำพื้นที่หน้าตัดของเหล็กขณะใด ๆ ไปหารค่าแรงดึงขณะนั้น แต่โดยทั่วไปเราไม่นิยมใช้เพราะเป็นการยากที่จะวัดพื้นที่หน้าตัดที่คอดลง

     Modulus of Resilience    คือพลังงานต่อ 1 หน่วยปริมาตรที่เหล็กตัวอย่างสะสมไว้ในช่วง Elastic ซึ่งก็คือพื้นที่ใต้กราฟจากจุด 0 ถึงจุด Elastic Limit แต่เนื่องจากการกำหนดจุด Elastic Limit ค่อนข้างยาก จึงนิยมใช้พื้นที่ใต้เส้นกราฟจากจุด 0 ถึงจุด Proportional Limit แทน

 

วัตถุประสงค์                 

  1. เพื่อทดสอบกำลังดึงของเหล็กเหนียว (Ductile Steel)
  2. เพื่อศึกษาลักษณะการรับแรงและกำลังของข้อต่อชนิดปลายชนกัน (Butt Weld Joint)
  3. เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น (Stress) และความเครียด (Strain)
  4. เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกลต่าง ๆ รวมทั้งรูปแบบของรอยขาด

 

เอกสารอ้างอิง      มาตรฐาน ASTM A 370

 

วัสดุทดสอบ                   

1. เหล็กเส้นกลม/ข้ออ้อย  เส้นผ่าศูนย์กลาง 12.5 mm.  2 เส้น

2. เหล็กแผ่นขนาด 5 x 50 mm.2  1 ชิ้น

3. ข้อต่อโดยการเชื่อมชนิดปลายชนกัน 2 อัน

 

 

 

เครื่องมือ                       

1. เครื่องทดสอบแบบยูนิเวอร์แซล SATEC รุ่น 200 HVL

2. Dial Gage

3. Vernier

 

วิธีทดสอบ

1. วัดขนาดของวัสดุตัวอย่างให้ละเอียดถึง 0.01 ซม. ชั่งน้ำหนัก (คำนวณเส้นผ่าศูนย์กลางและพื้นที่หน้าตัดให้หน่วยน้ำหนักของเหล็กเท่ากับ 7.85 กรัม/ลบ.ซม. สำหรับเหล็กข้ออ้อย)

2. วัดจุดกึ่งกลางความยาวของตัวอย่าง แล้วทำรอยเครื่องหมายไว้ จากนั้นให้ทำรอยเครื่องหมายโดยวัดออกจากจุดกึ่งกลางข้างละ 2.5 , 5.0 , 7.5 และ 10.0 ซม. ตามลำดับ ตรวจสอบว่ามีรอยเครื่องหมายทั้งหมด 9 จุด แต่ละจุดห่างกัน 2.5 ซม. และระยะห่างระหว่างจุดหัวท้ายเท่ากับ 20.0 ซม. ใช้ชอล์กกดลงบนรอยเครื่องหมายเพื่อให้เด่นชัดยิ่งข้น

3. จัดเตรียมหัวจับให้อยู่ในตำแหน่งพอเหมาะยึดปลายชิ้นส่วนทดลองกับหัวจับให้แน่นทั้งสองปลาย

4. ติดตั้งเครื่องมือวัดส่วนยึดแล้วเดินเครื่องออกแรงดึง อ่านค่าแรงดึงทุก ๆ 0.02 มม. ของการยึดตัวจนถึงจุดคลาก และทุก ๆ 1 มม. ของการยึดตัวหลังจากนั้นจนกระทั่งเหล็กขาดจากกัน

5. บันทึกค่าแรงดึงสูงสุด

6. บันทึกลักษณะการเสียหาย พร้อมวาดภาพประกอบ

7. นำตัวอย่างที่ขาดจากกันมาวางต่อกันให้แนบสนิท แล้ววัดส่วนยึดโดยทำการวัดระยะจากจุดหัวถึงจุดท้ายของรอยเครื่องหมาย ค่านี้ใช้ในการคำนวณส่วนยึดสำหรับ Gage Length 20 ซม. ส่วนการคำนวณส่วนยึดของ Gage Length 5 ซม. ให้ใช้ช่วงที่เหล็กขาดและวัดขนาดของรอยขาด

หมายเหตุ:  สำหรับตัวอย่างเชื่อมยกเว้นวิธีการทดสอบข้อ 2, 4 และ 7

 

ข้อมูล

 

 

ผลการทดสอบ

  1. คุณสมบัติทางกลในช่วง elastic
  • Proportional Limit
  • Upper Yield Point
  • Lower Yield Point
  • Yield Strength for 0.1% offset
  • Modulus of Elasticity
  • Modulus of Resilience
  1. แรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength)
  2. ความเหนียว (Ductility)
  • การยึดตัวสำหรับ Gage Length 20 ซม.
  • การยึดตัวสำหรับ Gage Length 5 ซม. (ใช้ช่วงที่เหล็กขาด)
  • เปอร์เซ็นต์การลดลงของพื้นที่หน้าตัด

 

                           

 

 

วิธีทดสอบ

1. วัดขนาดของวัสดุตัวอย่างให้ละเอียดถึง 0.01 ซม. ชั่งน้ำหนัก (คำนวณเส้นผ่าศูนย์กลางและพื้นที่หน้าตัดให้หน่วยน้ำหนักของเหล็กเท่ากับ 7.85 กรัม/ลบ.ซม. สำหรับเหล็กข้ออ้อย)

2. วัดจุดกึ่งกลางความยาวของตัวอย่าง แล้วทำรอยเครื่องหมายไว้ จากนั้นให้ทำรอยเครื่องหมายโดยวัดออกจากจุดกึ่งกลางข้างละ 2.5 , 5.0 , 7.5 และ 10.0 ซม. ตามลำดับ ตรวจสอบว่ามีรอยเครื่องหมายทั้งหมด 9 จุด แต่ละจุดห่างกัน 2.5 ซม. และระยะห่างระหว่างจุดหัวท้ายเท่ากับ 20.0 ซม. ใช้ชอล์กกดลงบนรอยเครื่องหมายเพื่อให้เด่นชัดยิ่งข้น

3. จัดเตรียมหัวจับให้อยู่ในตำแหน่งพอเหมาะยึดปลายชิ้นส่วนทดลองกับหัวจับให้แน่นทั้งสองปลาย

4. ติดตั้งเครื่องมือวัดส่วนยึดแล้วเดินเครื่องออกแรงดึง อ่านค่าแรงดึงทุก ๆ 0.02 มม. ของการยึดตัวจนถึงจุดคลาก และทุก ๆ 1 มม. ของการยึดตัวหลังจากนั้นจนกระทั่งเหล็กขาดจากกัน

5. บันทึกค่าแรงดึงสูงสุด

6. บันทึกลักษณะการเสียหาย พร้อมวาดภาพประกอบ

7. นำตัวอย่างที่ขาดจากกันมาวางต่อกันให้แนบสนิท แล้ววัดส่วนยึดโดยทำการวัดระยะจากจุดหัวถึงจุดท้ายของรอยเครื่องหมาย ค่านี้ใช้ในการคำนวณส่วนยึดสำหรับ Gage Length 20 ซม. ส่วนการคำนวณส่วนยึดของ Gage Length 5 ซม. ให้ใช้ช่วงที่เหล็กขาดและวัดขนาดของรอยขาด

หมายเหตุ:  สำหรับตัวอย่างเชื่อมยกเว้นวิธีการทดสอบข้อ 2, 4 และ 7

 

 

การทดสอบที่ 2

การทดสอบแรงเฉือนเหล็กด้วยแรงบิด (Torsional Shear Test of Steel)

 

วัตถุประสงค์   

เพื่อศึกษาพฤติกรรมของเหล็กเหนียวภายใต้แรงบิดและหาคุณสมบัติในการรับแรงบิด

 

วัสดุตัวอย่าง

เหล็กเส้นกลมเส้นผ่าศูนย์กลาง 12 มม. และ 15 มม.

 

เครื่องมือ         

1.   เครื่องมือทดสอบแรงบิด (Torsion Testing Machine)

                              (เหล็กเส้นผ่าศูนย์กลาง 15 มม. ใช้ตุ้มน้ำหนักเต็ม

                                    เมื่อใช้มือหมุนควรอ่านค่าทุก ๆ                  200 กก.- ซม.

                                    เมื่อใช้มอเตอร์หมุนควรอ่านค่าทุก ๆ           100 กก.- ซม.

                              เหล็กเส้นผ่าศูนย์กลาง 12 มม. ให้ถอดลูกตุ้ม “ C “ ออกทั้ง 4 ตัว แล้วปรับ

                              สเกลบนจานหน้าปัทม์ออกและควรอ่านค่าทุก ๆ 100 กก. ซม. ตลอด)

 

 

2.      ไมโครมิเตอร์

 

 

ทฤษฎี

 

 

 

 

         

 

                     รูปที่ 1                                                                                        รูปที่ 2

จากความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างส่วนต่าง ๆ ของแท่งทรงกระบอกกลมภายใต้แรงบิด (รูปที่ 1)

                    

เมื่อ          =    ความเครียดเฉือน (เรเดียน)

                  r     =    รัศมีขอบนอกของแท่งทรงกระบอกกลม (ซม.)

                  L    =    ช่วงระยะของความยาวที่วัดมุมปิด (มม.)

ภายในขอบเขตของการยืดหยุ่นหลักฐานทั้งหมดบ่งว่าความเค้นเฉือนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะทางจากแกนปิด (รูปที่ 2) และความสัมพันธ์โดยประมาณอย่างคร่าว ๆ ว่า การเป็นสัดส่วนนี้ยังปรากฏเป็นจริงนอกเหนือขอบเขตของการเป็นสัดส่วน (รูปที่ 3)

                

เมื่อ           =    หน่วยแรงเฉือนตรงขอบนอกสุดของแท่งทรงกระบอกกลม (กก./ซม.3)

                  G   =    โมดูลัสออฟริจิดิตี้หรือเชียริ่งโมดูลัสออฟติลัสติซิตี้ (กก./ซม.3)

หน่วยแรงเฉือนแปลี่ยนแปลงเป็นสัดส่วนโดยตรงจากศูนย์กลางทุกชนิดไปสู่ค่าสูงตรงขอบนอกสุดของแท่งทรงกระบอกกลมและเปลี่ยนแปลงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมุมปิด

โดยรวมหน่วยแรงตลอดพื้นที่ภาคตัดขวางจะได้ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงเฉือนตรงขอบนอกสุดของแท่งทรงกระบอกกลมกับแรงบิดที่ใช้ดังนี้

                 

เมื่อ                =    แรงบิดหรือโมเมนต์ปิด (Torsional Moment)(กก./ซม.)

                        J   =    Polar Moment of Inertia (ซม.4)

                                          =      (สำหรับหน้าตัดรูปทรงกระบอกกลมตัน)

ความสัมพันธ์นี้เรียกว่าสูตรแรงบิด และสามารถนำไปใช้กับรูปหน้าตัดที่เป็นรูปวงกลมเท่านั้น

Modulus of Rigidity สามารถแสดงอยู่ในรูปของแรงบิดและมุมปิดได้

                 

กำลังเฉือนยืดหยุ่นของเหล็กเหนียวและเหล็กค่อนข้างเหนียวมีค่าใกล้กับ 0.5เท่าของกำลังดึงยืดหยุ่น

ในการทดสอบด้วยแรงบิดคา Ductility หาได้โดยเปรียบเทียบความยาวสุดท้ายของเส้นที่อยู่ขอบนอกสุด L' (รูปที่ 1) เมื่อตัวอย่างขาดแล้วความยาวแรกเริ่ม L ความยาว  L' สามารถคำนวณจากระยะ L และ r ซึ่งหาค่าได้

ค่า ductility แสดงไว้ในรูปเปอร์เซ็นต์ การยึดของเส้นขอบนอกสุดของทรงกระบอกกลมและมีค่าเท่ากับ 

วิธีทดสอบ

1.   วัดเส้นผ่าศูนย์กลางเหล็กเส้นกลมใกล้จุดกึ่งกลางความยาวหลายครั้งด้วยไมโครมิเตอร์ หาเส้นผ่าศูนย์กลางเฉลี่ยของตัวอย่าง

2.   ทำเครื่องหมายจุดที่วัดมุมปิดไว้ 2 จุดพร้อมทั้งวัดระยะห่างระหว่างจุด 2 จุดนั้น บันทึกค่ามุมที่อ่านได้ละเอียดสุดบนจานวัดมุมปิด เอาน้ำหนักแขวนตุ้มถ่วงตามแรงบิดที่ต้องการใช้

3.   ปรับเข็มเครื่องวัดแรงบิดให้ตรงขีดศูนย์ สอดปลายตัวอย่างเหล็กเส้นเข้ากับปลายกับข้างที่อยู่ติดตายตัวกับเครื่องปิด ให้ปลายจับตรงจุดที่ทำเครื่องหมายได้และขยับตัวอย่างเหล็กให้แกนเหล็กตัวอย่างอยู่ตรงกลางแกนหมุน เลื่อนปลายจับตัวอย่างเหล็กอีกข้างหนึ่งเข้ามาจับตัวอย่างเหล็กตรงจุดที่ทำเครื่องหมายไว้อีกข้างหนึ่งค่อย ๆ ไขสกรูจับตัวอย่างเหล็กให้แน่นเกิดแรงบิดขึ้นในเหล็กตัวอย่าง ปรับเข็มบนจานหน้าปัทม์เพื่อให้แรงบิดเป็นศูนย์ก่อนเริ่มทดสอบ

4.   ยื่นท่อซึ่งติดกับปลายปิดข้างล่างตุ้มน้ำหนักไปและกันจานซึ่งติดปลายดัชนีทางปลายปิดด้านติดตายตัวกับเครื่องปิดและหมุนจานองศาให้ขีดบอกศูย์องศาอยู่ตรงปลายดัชนีพอดี

 

       

 

5.   ค่อย ๆ ใช้มือหมุนพวงมาลัยมือหมุนบิดปลายเหล็กเส้นอย่างช้า ๆ อ่านค่าแรงบิดและมุมบิดไปเรื่อย ๆ หลังจากบิดจนตัวอย่างเหล็กเส้นคลาก (สังเกตได้ว่ามุมบิดจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในขณะที่แรงบิดเกือบจะไม่เพิ่มเลย) ถอดพวงมาลัยมือหมุนออกแล้วรีบกดสวิทช์ที่เครื่องเพื่อให้เครื่องหมุนด้วยไฟฟ้า บิดเหล็กตัวอย่างไวกว่าเดิมจนกระทั่งตัวอย่างเหล็กขาด บันทึกแรงบิดสูงสุดและมุมบิดสูงสุดพร้อมทั้งสังเกตลักษณะการขาดของเหล็กเส้นตัวอย่าง