การขนรปโลหะ (Metal Forming)รหสวชา 255417

สมบตทางกลของโลหะโดย....ดร.วสวชร นาคเขยว

ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม

Mechanical Properties of Metals

Mechanical

Properties of

Metals

Define

engineering

stress and

engineering

strain

State Hooke’s

law

Define Poisson’s

ratio

The modulus of

elasticity, yield

strength, tensile

strength

Ductility (%

Elongation)

Hardness

สมบตอนๆ• ความหนาแนน (Density)

• จดหลอมเหลว (Melting Point)

• สมบตทางแสง (Optical Properties)

• สมบตเชงความรอน (Thermal Properties)

• สมบตทางไฟฟา (Electrical Properties)

• สมบตทางแมเหลก (Magnetic Properties)

• อนๆ

คณสมบตทเกยวกบการตานทานการเปลยนรปของวสดเมอถกแรงภายนอกมากระท าในลกษณะตางๆ เชน แรงกด แรงดง แรงเฉอนเพอการน าไปใชงานทางวศวกรรมวาเหมาะสมทจะใชงานหรอไม

• ความแขงแรง (Strength)

• ความแขง (Hardness)

• ความออนตว (Ductility)

• ความแขงตง (Stiffness)

• ถาเราใสแรงทคงท หรอมลกษณะทแปรเปลยนตามเวลาอยางชาในอตราทคงทในทศทางทตงฉากกบพนทหนาตดของวสด (หรอขนานกบพนทหนาตด ในกรณของแรงเฉอน) ลกษณะทางกลทจะเกดขนกบวสดจะเปนความเคน (stress)และความเครยด (strain) ซงเปนลกษณะทมกจะเกดกบวสดโลหะ ณอณหภมหอง

• ความเคนและความเครยดทเกดขนนจะมอย 3 ประเภทดวยกนไดแก ความเคนดง (tension stress), ความเคนกด (compression stress) และความเคนเฉอน (shear stress)

• Typical tensile specimen

• Typical tensile

test machine

• Tensile stress, s: • Shear stress, t:

s Ft

Aooriginal area

before loading

ENGINEERING STRESS

• Tensile strain: • Lateral strain:

• Shear strain:

/2

/2

/2 -

/2

/2

/2

L/2L/2

Lowo

Strain is always

dimensionless.

ENGINEERING STRAIN

F

bonds

stretch

return to

initial

1. Initial 2. Small load 3. Unload

Elastic means reversible!

ELASTIC DEFORMATION (การแปรรปแบบยดหยน)

• Modulus of Elasticity, E:

(also known as Young's modulus)

• Hooke's Law:

s = E e

• Poisson's ratio, n:

metals: n ~ 0.33

ceramics: ~0.25

polymers: ~0.40

Units:

E: [GPa] or [psi]

n: dimensionless

Poisson’s ratio

• Elastic Shear

modulus, G:

t

1

G

t = G

• Elastic Bulk

modulus, K:

• Special relations for isotropic materials:

G

E

2(1 n) K

E

3(1 2n)

simple

torsion

test

pressure

test: Init.

vol =Vo.

Vol chg.

= DV

Resilience, Ur

• Ability of a material to store energy

– Energy stored best in elastic region

If we assume a linear stress-

strain curve this simplifies to

Adapted from Fig. 6.15,

Callister 7e.

yyr2

1U es@

e

esy

dUr 0

1. Initial 2. Small load 3. Unload

Plastic means permanent!

PLASTIC DEFORMATION (METALS) (การแปรรปแบบถาวร

Plastic deformation

กราฟความเคน ความเครยดของวสดโลหะในชวงการเปลยนรปแบบ และ

Tensile Properties- Yielding and Yield Strength

• เปนคาความแขงแรงของโลหะ หรอโลหะผสมทส าคญตอการเปลยนรปทเกดขนอยางถาวรจาก stress-strain curve ไมมจดทแนนอนส าหรบการออกแบบโครงสรางของวศวกรไดก าหนดให 0.002 ของคา strain เปนคา yield strength

• Proportional limit เปนคาทแบงระหวางชวง elastic กบplastic deformation

ความออนตว (Ductility) (หรอความเหนยว)เปนคณสมบตทส าคญของวสด โดยเปนการวดความตานทานตอการแตกหกของวสด

• ปรมาณการยดทเกดจากการน าตวอยางไปดง เปนคาทใชบอกถงความออน (ductile) ของโลหะ ซงโดยทวไปจะบอกดวยคาเปอรเซนตความยด (% elongation : %EL)

lf : ความยาวทจดแตกหกl0 : ความยาวเกจ (gauge) เรมตน 50 mm (2 in.)

100%0

0

l

llEL

f

• Percent reduction in area : %RA

100%0

0

A

AARA

f

• เปนความสามารถของวสดทสามารถรบพลงงานไดจนถงจดแตกหก

• สามารถหาไดจากพนทใตกราฟระหวางความเคน-ความเครยดจากจดเรมตนจนถงจดแตกหก

• วธวดความทนทานของวสดทงายทสดสามารถใชเครองทดสอบแรงกระแทก (Impact testing machine)

ความเคนจรง และความเครยดจรง (True Stress and Strain)

True stress :

i

TA

Fs

True Strain :

0

lnl

liT e

ee

ess

1ln

1

T

T

= ความเครยดทางวศวกรรม e

• อธบายการแปรรปไดถกตองมากขน

• True Stress,

• True Strain,

ความเคนจรง และความเครยดจรง

A

Ps

A: Instantaneous Area

)ln(ol

le

)ln(

sides,both on Integral Taking

From

0

0

0

l

l

l

dld

l

dld

e

l

l

ll

DD

e

e

e

e

Approximation of

true stress-strain curve

e, true strain

s

True

stres

syield

Max

load

fracture

Uniform

deform

Non-uniform

deform

nKes K: strength coefficient

n: strain-hardening exponent

Hardening

• Curve fit to the stress-strain response:

sT

K eT n

“true” stress (F/A) “true” strain: ln(L/Lo)

hardening exponent:n = 0.15 (some steels) to n = 0.5 (some coppers)

• An increase in sy due to plastic deformation.

s

e

large hardening

small hardeningsy0

sy1

True Stress-strain Curves

E.g.

• ความแขง เปนการวดความตานทาน (resistance) ตอการเปลยนรปรางอยางถาวร (plastic deformation) ของโลหะ

• การทดสอบความแขงของวสดนนจะใชวธกดดวยวสดทแขงกวา เชน เหลกแขง ทงสเตนคารไบต เพชร โดยมรปรางทแตกตางกน เชน รปกลมพระมด โคน หรอกรวย

• ในการทดสอบความแขงของวสดทใชกนม 4 แบบคอ Brinell, Rockwell,Vickers microhardness และ Knoop microhardness

Brinell

e.g., 10 mm sphere

apply known force: P measure size of indent after removing load

dDSmaller indents mean larger hardness.

increasing hardness

most plastics

brasses Al alloys

easy to machine steels file hard

cutting tools

nitrided steels diamond

22

2dDD

D

PBHN

Hardness: Measurement

• Rockwell

– รอยเลกลงบนชนงานททดสอบ

– Minor load 10 kg

– Major load 60 (A), 100 (B) & 150 (C) kg

• A = diamond, B = 1/16 in. ball, C = diamond

• BHN = Brinell Hardness Number (คาความแขงบรเนล)

– TS (psi) = 500 x BHN

– TS (MPa) = 3.45 x BHN

Hardness (continue)• Vickers (HV)

– หวทดสอบเปนเพชรรปทรงสมมาตร (Square based diamond tip)

• Knoop

– ใชโหลดทดสอบไมสง (Light load), เหมาะกบวสดแผนบางขนาดเลก

– หวทดสอบเปนรปขาวหลามตดไมสมมาตร

เมอน าโลหะไปใชท าอปกรณหรอชนสวนของเครองจกรหรอเครองมอกลตางๆ ทตองใชงานทเกดความเคนอยางตอเนอง หรอเกดcyclic stresses จะท าใหโลหะนนเกดการแตกหกได แมจะใชงานทมความเคนต าๆ เชน เพลา เกยร เปนตน

ครพ (Creep)โลหะ หรอโลหะผสมเมอถวง

หรอใสน าหนกเขาไป หรอท าใหเกดความเคนสม าเสมอ โลหะนนจะเกดการเปลยนรปอยางถาวร(plastic deformation) ตลอดชวงเวลานน ความเครยดทเกดในโลหะและขนอยกบเวลาดวยเรยกวา ครพ (creep)