2109 - 101 วิชา Engineering Materials บทที่ 2 คุณสมบัติของวัสดุ (Properties of Materials) วัตถุประสงค เพื่อใหนิสิตมีความเขาใจเกี่ยวกับคุณสมบัติตาง ๆ ที่ตองคํานึงถึงในการใชงาน

วัสดุตาง ๆ โดยเฉพาะวัสดุโลหะ สามารถอธิบายความหมายของศัพทวิชาการตาง ๆ ที่เกี่ยวของ รวมทั้งอธิบายปรากฏการณที่เกิดในวัสดุ (โดยเฉพาะโลหะ) ไดเปนอยางดี

เนื้อหา 1. คุณสมบัติเชิงกล 2-1

1.1 ความเคน (Stress) 2-1 1.2 ความเครียดและการเปลี่ยนรูป (Strain and Deformation) 2-3 1.3 ความสัมพันธระหวางความเคนกับความเครียด (Stress-Strain Relationship) 2-4 1.4 ความคืบ (Creep) 2-9 1.5 ความแกรง (Toughness) 2-10 1.6 ความลา (Fatigue) 2-14 1.7 ความแข็ง (Hardness) 2-16

2. คุณสมบัติเชิงอุณหภูมิ (Thermal Properties) 2-17 2.1 ความทนความรอน (Heat Resistance) 2-18 2.2 Thermal Conductivity and Emissivity 2-18 2.3 Thermal Stress and Expansion 2-19

3. คุณสมบัติเชิงเคมี (Chemical Properties) 2-20 3.1 คุณสมบัติเกี่ยวกับการกัดกรอน 2-20

3.1.1 ลักษณะของการเกิดการกัดกรอน 2-20 3.1.2 ลักษณะการเกิด Cathodic และ Anodic Area 2-21

3.2 Oxidation 2-24 3.3 Water Absorption 2-24

4. คุณสมบัติเชิงไฟฟา (Electrical Properties) 2-24 4.1 Electrical Conductivity (การนําไฟฟา) 2-24 4.2 Insulation and Dielectric Properties 2-25

5. คุณสมบัติอ่ืน ๆ (Other Properties) 2-25

2-1

บทที่ 2 คุณสมบัติของวัสดุ (Properties of Materials)

หากจะกลาวถึงคุณสมบัติของวัสดุตาง ๆ โดยละเอียดแลว ก็จะมีมากกวารอยอยาง

และบางอยางก็เปนคุณสมบัติเฉพาะ ซึ่งมีขอบขายใชงานที่แคบมาก ดังนั้นที่จะกลาวถึงตอไปนี้จะเปนคุณสมบัติที่สําคัญ ๆ ซึ่งวิศวกรควรจะรูและเขาใจ สามารถนําไปไวประกอบการพิจารณาและเลือกใชวัสดุตาง ๆ ได คุณสมบัติที่สําคัญดังกลาวพอจะจําแนกออกเปนหัวขอไดดังนี้ คือ

1. คุณสมบัติเชิงกล (Mechanical Properties) 2. คุณสมบัติเชิงอุณหภูมิ (Thermal Properties) 3. คุณสมบัติเชิงเคมี (Chemical Properties) 4. คุณสมบัติเชิงไฟฟา (Electrical Properties) 5. คุณสมบัติอ่ืน ๆ (Other Properties)

1. คุณสมบัติเชิงกล คุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ เชน ความแข็ง (Hardness) ความแข็งแรง (Strength)

ความเหนียว (Ductility) ฯลฯ เปนสิ่งที่จะบอกวาวัสดุนั้น ๆ สามารถที่จะรับหรือทนทานแรง หรือพลังงานเชิงกลภายนอกที่มากระทําไดดีมากนอยเพียงใด ในงานวิศวกรรมคุณสมบัติเชิงกลมีความสําคัญมากที่สุด เพราะเมื่อเราจะเลือกใชวัสดุใด ๆ ก็ตาม ส่ิงแรกที่จะนํามาพิจารณาก็คือ คุณสมบัติเชิงกลของมัน การที่เครื่องจักรหรืออุปกรณใด ๆ จะสามารถทํางานไดอยางปลอดภัยขึ้นอยูกับคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่ใชทําเครื่องจักร อุปกรณนั้น ๆ เปนสําคัญ ในหัวขอนี้จะกลาวถึงความรูเบื้องตนของคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุรวมทั้งการทดสอบที่สําคัญบางประเภท เพื่อเปนพื้นฐานในการศึกษาขั้นตอไป

1.1 ความเคน (Stress) ตามความเปนจริงความเคนหมายถึง แรงตานทานภายในเนื้อวัสดุที่มีตอแรงภายนอก

ที่มากระทําตอหนึ่งหนวยพื้นที่ แตเนื่องจากความไมเหมาะสมทางปฏิบัติ และความยากในการวัดหาคานี้ เราจึงมักจะพูดถึงความเคนในรูปของแรงภายนอกที่มากระทําตอหนึ่งหนวยพื้นที่ ดวยเหตุผลที่วา แรงกระทําภายนอกมีความสมดุลกับแรงตานทานภายใน การหาคาความเคนสามารถเขียนเปนสมการไดดังนี้คือ

2-2

σ =ΡΑ

เมื่อ σ = ความเคน (Stress) มีหนวยเปนปาสกาล (Pa, 1 Pa = 1N/m2) หรือ kgf/mm2 หรือ psi (lbf/in2)

Ρ = แรงภายนอกที่มากระทํา มีหนวยเปน N หรือ kgf หรือ lbf Α = พื้นที่ภาคตัดขวางที่แรงกระทํา : m2 หรือ mm2 หรือ in2

โดยทั่วไปความเคนสามารถแบงออกไดเปน 3 ชนิด ตามลักษณะของแรงที่มากระทํา 1. ความเคนแรงดึง (Tensile Stress) เกิดขึ้นเมื่อมีแรงดึงมากระทําตั้งฉากกับพื้นที่

ภาคตัดขวาง โดยพยายามจะแยกเนื้อวัสดุใหแยกขาดออกจากกัน ดังรูปที่ 2.1a

a) แรงดึง (Tension)

b) แรงกด (Compression)

C) แรงเฉือน (Shear)

รูปที่ 2.1 แสดงลักษณะของแรงกระทําชนิดตาง ๆ

2. ความเคนแรงอัด (Compressive Stress) เกิดขึ้นเมื่อมีแรงกดมากระทําตั้งฉาก

กับพื้นที่ภาคตัดขวาง เพื่อพยายามอัดใหวัสดุมีขนาดสั้นลง ดังรูปที่ 2.1b 3. ความเคนแรงเฉือน (Shear Stress) ใชสัญลักษณ τ เกิดขึ้นเมื่อมีแรงมากระทํา

ใหทิศทางขนานกับพื้นที่ภาคตัดขวาง เพื่อใหวัสดุเคลื่อนผานจากกันดังรูปที่ 2.1c มีคาเทากับแรงเฉือน (Shear Force) หารดวยพื้นที่ภาคตัดขวาง A ซึ่งขนานกับทิศทางของแรงเฉือน

2-3

ในทางปฏิบัติความเคนที่เกิดจะมีทั้ง 3 แบบนี้พรอม ๆ กัน 1.2 ความเครียดและการเปลี่ยนรูป (Strain and Deformation)

ความเครียด (Strain) คือ การเปลี่ยนแปลงรูปรางของวัสดุ (Deformation) เมื่อมีแรงภายนอกมากระทํา (เกิดความเคน) การเปลี่ยนรูปของวัสดุนี้เปนผลมาจากการเคลื่อนที่ภายในเนื้อวัสดุ ซึ่งลักษณะของมันสามารถแบงเปน 2 ชนิดใหญ ๆ คือ

1. การเปลี่ยนรูปแบบอิลาสติกหรือความเครียดแบบคืนรูป (Elastic Deformation or Elastic Strain) เปนการเปลี่ยนรูปในลักษณะที่เมื่อปลดแรงกระทํา อะตอมซึ่งเคลื่อนไหวเนื่องจากผลของความเคนจะเคลื่อนกลับเขาตําแหนงเดิม ทําใหวัสดุคงรูปรางเดิมไวได ตัวอยางไดแก พวกยางยืด, สปริง ถาเราดึงมันแลวปลอยมันจะกลับไปมีขนาดเทาเดิม

2. การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกหรือความเครียดแบบคงรูป (Plastic Deformation or Plastic Strain) เปนการเปลี่ยนรูปที่ถึงแมวาจะปลดแรงกระทํานั้นออกแลววัสดุก็ยังคงรูปรางตามที่ถูกเปลี่ยนไปนั้น โดยอะตอมที่เคลื่อนที่ไปแลวจะไมกลับไปตําแหนงเดิม

วัสดุทุกชนิดจะมีพฤติกรรมการเปลี่ยนรูปทั้งสองชนิดนี้ข้ึนอยูกับแรงที่มากระทํา หรือความเคนวามีมากนอยเพียงใด หากไมเกินพิกัดการคืนรูป (Elastic Limit) แลว วัสดุนั้นก็จะมีพฤติกรรมคืนรูปแบบอิลาสติก (Elastic Behavior) แตถาความเคนเกินกวาพิกัดการคืนรูปแลววัสดุก็จะเกิดการเปลี่ยนรูปแบบถาวรหรือแบบพลาสติก (Plastic Deformation)

นอกจากความเครียดทั้ง 2 ชนิดนี้แลว ยังมีความเครียดอีกประเภทหนึ่งซึ่งพบในวัสดุประเภทโพลีเมอร เชน พลาสติก เรียกวาความเครียดกึ่งอิลาสติกจะมีลักษณะที่เมื่อปราศจากแรงกระทําวัสดุจะมีการคืนรูป แตจะไมกลับไปจนมีลักษณะเหมือนเดิม

การวัดและคํานวณหาคาความเครียดมีอยู 2 ลักษณะคือ 1. แบบเสนตรง ความเครียดที่วัดไดจะเรียกวา ความเครียดเชิงเสน (Linear Strain)

จะใชไดเมื่อแรงที่มากระทํามีลักษณะเปนแรงดึงหรือแรงกด ดังรูปที่ 2.2 คาของความเครียดจะเทากับความยาวที่เปลี่ยนไปตอความยาวเดิม ดังสมการ

eL

Lo=∆

เมื่อ e = ความเครียดเชิงเสน ∆L = ความยาวที่เปลี่ยนไป ( )L Lo− Lo = ความยาวเดิมของวัสดุที่สนใจ หรือ Gage Length

2-4

รูปที่ 2.2 ความเครียดเชิงเสน (Linear Strain)

รูปที่ 2.3 ความเครียดเฉือน (Shear Strain)

2. แบบเฉือน เรียกวา ความเครียดเฉือน (Shear Strain) ใชกับกรณีที่แรงที่กระทํามีลักษณะเปนแรงเฉือน (τ ) ดังรูป คาของความเครียดจะเทากับระยะที่เคลื่อนที่ไปตอระยะหางระหวางระนาบ ดังสมการ

γ =ah

เมื่อ γ = tan θ θ≈ (Radian ในกรณีที่เปนมุมเล็ก) a = ระยะที่เคลื่อนที่ไป (Displacement) h = ระยะหางระหวางระนาบ θ = มุมที่เปลี่ยนไป

จะเห็นไดวาคาของความเครียดทั้งสองแบบไมมีหนวย เพราะตัวตั้งและตัวหารมีหนวยเปนความยาวอยูแลว

1.3 ความสัมพันธระหวางความเคนกับความเครียด (Stress-Strain Relationship) ในการแสดงความสัมพันธระหวางความเคนและความเครียด ในที่นี้เราจะใชเสนโคง

ความเคน-ความเครียด (Stress-Strain Curve) ซึ่งไดจากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) เปนหลัก โดยจะพลอตคาของความเคนในแกนตั้งและความเครียดในแกนนอน ดังรูป 2.4 การทดสอบแรงดึง นอกจากจะใหความสัมพันธระหวางความเคน-ความเครียดแลว ยังจะแสดงความสามารถในการรับแรงดึงของวัสดุ ความเปราะ เหนียวของวัสดุ (Brittleness and Ductility) และบางครั้งอาจใชบอก

2-5

ความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุ (Formability) ไดอีกดวย

รูปที่ 2.4 เสนโคงความเคน-ความเครียด (Stress-Strain Curve) แบบมีจุดคราก (Yield Point)

การทดสอบแรงดึง (Tension Test) วิธีการทดสอบนั้น เราจะนําตัวอยางที่จะทดสอบมาดึงอยางชา ๆ แลวบันทึกคาของ

ความเคนและความเครียดที่เกิดขึ้นไว แลวมาพลอตเปนเสนโคงดังรูปที่ 2.4 ขนาดและรูปรางของชิ้นทดสอบมีตาง ๆ กัน ข้ึนอยูกับชนิดของวัสดุนั้น ๆ มาตรฐานตาง ๆ ของการทดสอบ เชน มาตรฐานของ ASTM (American Society of Testing and Materials), BS (British Standards), JIS (Japanese Industrial Standards) หรือแมแต มอก. (มาตรฐานผลิตภัณฑอุตสาหกรรมไทย) ไดกําหนดขนาดและรูปรางของชิ้นทดสอบไว ทั้งนี้เพื่อใหผลของการทดสอบเชื่อถือได พรอมกับกําหนดความเร็วในการเพิ่มแรงกระทําเอาไวดวย

จากการศึกษาเสนโคงความเคน-ความเครียด เราพบวา เมื่อเราเริ่มดึงชิ้นทดสอบอยางชา ๆ ชิ้นทดสอบจะคอย ๆ ยืดออก จนถึงจุดจุดหนึ่ง (จุด A) ซึ่งในชวงนี้ความสัมพันธระหวางความเคน-ความเครียดจะเปนสัดสวนคงที่ ทําใหเราไดกราฟที่เปนเสนตรง ตามกฎของฮุค (Hook’s law) ซึ่งกลาววาความเคนเปนสัดสวนโดยตรงกับความเครียด จุด A นี้ เรียกวาพิกัดสัดสวน (Proportional Limit) และภายใตพิกัดสัดสวนนี้ วัสดุจะแสดงพฤติกรรมการคืนรูปแบบอิลาสติก (Elastic Behavior) นั่นคือเมื่อปลอยแรงกระทํา ชิ้นทดสอบจะกลับไปมีขนาดเทาเดิม

2-6

เมื่อเราเพิ่มแรงกระทําตอไปจนเกินพิกัดสัดสวน เสนกราฟจะคอย ๆ โคงออกจากเสนตรง วัสดุหลายชนิดจะยังคงแสดงพฤติกรรมการคืนรูปไดอีกเล็กนอยจนถึงจุด ๆ หนึ่ง (จุด B) เรียกวา พิกัดยืดหยุน (Elastic limit) ซึ่งจุดนี้จะเปนจุดกําหนดวาความเคนสูงสุดที่จะไมทําใหเกิดการแปรรูปถาวร (Permanent Deformation or Offset) กับวัสดุนั้น เมื่อผานจุดนี้ไปแลววัสดุจะมีการเปลี่ยนรูปอยางถาวร (Plastic Deformation) ลักษณะการเริ่มตนของความเครียดแบบพลาสติกนี้เปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของวัสดุในโลหะหลายชนิด เชน พวกเหล็กกลาคารบอนตํ่า (Low Carbon Steel) จะเกิดการเปลี่ยนรูปอยางรวดเร็ว โดยไมมีการเพิ่มความเคน (บางครั้งอาจจะลดลงก็มี) ที่จุด C ซึ่งเปนจุดที่เกิดการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก จุด C นี้เรียกวาจุดคราก (Yield Point) และคาของความเคนที่จุดนี้เรียกวา ความเคนจุดคราก (Yield Stress) หรือ Yield Strength คา Yield Strength นี้มีประโยชนกับวิศวกรมาก เพราะเปนจุดแบงระหวางพฤติกรรมการคืนรูปกับพฤติกรรมการคงรูป และในกรณีของโลหะจะเปนคาความแข็งแรงสูงสุดที่เราคงใชประโยชนไดโดยไมเกิดการเสียหาย

วัสดุหลายชนิดเชน อะลูมิเนียม ทองแดง จะไมแสดงจุดครากอยางชัดเจน แตเราก็มีวิธีที่จะหาไดโดยกําหนดความเครียดที่ 0.10 - 0.20% ของความยาวกําหนดเดิม (Original Gage Length) แลวลากเสนขนานกับกราฟชวงแรกไปจนตัดเสนกราฟที่โคงไปทางดานขวา ดังรูปที่ 2.5 คาความเคนที่จุดตัดนี้จะนํามาใชแทนคาความเคนจุดครากได ความเคนที่จุดนี้บางครั้งเรียกวา ความเคนพิสูจน (Proof Stress) หรือความเคน 0.1 หรือ 0.2% offset ดังแสดงในรูปที่ 2.5

รูปที่ 2.5 เสนโคงความเคน-ความเครียดแบบที่ไมมีจุดคราก

2-7

หลังจากจุดครากแลว วัสดุจะเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกโดยความเคนจะคอย ๆ เพิ่มอยางชา ๆ หรืออาจจะคงที่จนถึงจุดสูงสุด (จุด D) คาความเคนที่จุดนี้เรียกวา Ultimate Strength หรือความเคนแรงดึง (Tensile Strength) ซึ่งเปนคาความเคนสูงสุดที่วัสดุจะทนไดกอนที่จะขาดหรือแตกออกจากกัน (Fracture) เนื่องจากวัสดุหลายชนิดสามารถเปลี่ยนรูปอยางพลาสติกไดมาก ๆ คาความเคนสูงสุดนี้สามารถนํามาคํานวณใชงานได นอกจากนี้ คานี้ยังใชเปนดัชนีเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุไดดวยวา คําวา ความแข็งแรง (Strength) ของวัสดุ หรือ กําลังวัสดุนั้น โดยทั่วไป จะหมายถึงคาความเคนสูงสุดที่วัสดุทนไดนี้เอง

ที่จุดสุดทาย (จุด E) ของกราฟ เปนจุดที่วัสดุเกิดการแตกหรือขาดออกจากกัน (Fracture) สําหรับโลหะบางชนิด เชน เหล็กกลาคารบอนตํ่าหรือโลหะเหนียว คาความเคนประลัย (Rupture Strength) นี้จะต่ํากวาความเคนสูงสุด เพราะเมื่อเลยจุด D ไป พื้นที่ภาคตัดขวางของตัวอยางทดสอบลดลง ทําใหพื้นที่จะตานทานแรงดึงลดลงดวย ในขณะที่เรายังคงคํานวณคาของความเคนจากพื้นที่หนาตัดเดิมของวัสดุกอนที่จะทําการทดสอบแรงดึง ดังนั้นคาของความเคนจึงลดลง สวนโลหะอื่น ๆ เชน โลหะที่ผานการขึ้นรูปเย็น (Cold Work) มาแลว มันจะแตกหักที่จุดความเคนสูงสุด โดยไมมีการลดขนาดพื้นที่ภาคตัดขวาง ดังรูป 2.6a ทํานองเดียวกับพวกวัสดุเปราะ (Brittle Materials) เชน เซรามิค ที่มีการเปลี่ยนรูปอยางพลาสติกนอยมากหรือไมมีเลย สวนกรณีของวัสดุที่เปนพลาสติกจะเกิดแตกหักโดยที่ตองการความเคนสูงขึ้น ดังรูป 2.6 b

(a) วัสดุเปราะ (b) วัสดุพลาสติก

รูปที่ 2.6 เปรียบเทียบเสนโคงความเคน-ความเครียดของวัสดุเปราะและวัสดุพลาสติก

เสนโคงความเคน-ความเครียดนี้ นอกจากจะใชบอกคาความแข็งแรง ณ จุดคราก (Yield Strength) ความเคนสูงสุดและความเคนประลัยแลว ยังจะใชบอกคาตาง ๆ ไดอีกดังนี้ คือ

2-8

1. ความเหนียว (Ductility) คาที่ใชวัดจะบอกเปนเปอรเซนต การยืดตัว (Percentage Elongation) และการลดพื้นที่ภาคตัดขวาง (Reduction of Area) โดยที่

เปอรเซนตการยืดตัว 100%Lo

LoLf = (%El) ×−

เมื่อ fL = ความยาวของเกจหลังจากดึงจนขาด oL = ความยาวของเกจเริ่มตน

การลดพื้นที่ภาคตัดขวาง (%R.A.) = 100%×−

oAfAoA

เมื่อ oA = พื้นที่หนาตัดกอนดึง fA = พื้นที่หนาตัดหลังจากดึงขาด

ในทางปฏิบัติเรามักใชคา %El มากกวาเพราะสะดวกในการวัด ความเหนียวของวัสดุนี้จะเปนตัวบอกความสามารถในการขึ้นรูปของมัน คือถาวัสดุมีความเหนียวดี (%El สูง) ก็สามารถนําไปขึ้นรูป เชน รีด ตีข้ึนรูป ดึงเปนลวด ฯลฯ ไดงาย แตถามีความเหนียวต่ํา (เปราะ , Brittle) ก็จะนําไปขึ้นรูปยาก หรือทําไมได เปนตน

2. Modulus of Elasticity or Stiffness ภายใตพิกัดสัดสวนซึ่งวัสดุมีพฤติกรรมเปนอิลาสติก อัตราสวนระหวางความเคนตอความเครียดจะเทากับคาคงที่ คาคงที่นี้เรียกวา Modulus of elasticity (E) หรือ Young’s Modulus หรือ Stiffness

Ee

PLA L

= =σ

∆ มักมีหนวยเปน ksi (1 ksi=1000 psi) หรือ kgf/mm2 หรือ GPa

(สังเกตวาเปนหนวยเดียวกับหนวยของความเคน)

ถาแรงที่มากระทําเปนแรงเฉือนเราเรียกคาคงที่นี้วา Shear Modulus หรือ Modulus of Rigidity (G)

GPhAa

= =τγ

คา E และ G ของวัสดุแตละชนิดจะมีคาเฉลี่ยคงที่ และเปนตัวบอกความสามารถคงรูป (Stiffness, Rigidity) ของวัสดุ นั่นคือ ถา E และ G มีคาสูง วัสดุจะเปลี่ยนรูปอยางอิลาสติกไดนอย แตถา E และ G ตํ่า มันก็จะเปลี่ยนรูปอยางอิลาสติกไดมาก คา E และ G นี้มีประโยชนมาก

2-9

สําหรับงานออกแบบวัสดุที่ตองรับแรงตาง ๆ ตารางที่ 2.1 จะแสดงตัวอยางคา E และ G ของวัสดุ ตาง ๆ ไว

ตารางที่ 2.1 ตัวอยางคาคงที่ E และ G ของวัสดุชนิดตาง ๆ วัสดุ Modulus of

elasticity 106 psi

Shear Modulus 106 psi

Aluminium alloy …………………

10.5 4.0

Copper …………………………… 16.0 6.0 Steel (plain carbon and low alloys)

29.0 11.0

Stainless Steel (18.8) 28.0 9.5 Titanium 17.0 6.5 Tungsten 58.0 22.8

1.4 ความคืบ (Creep)

วัสดุสวนใหญเมื่ออยูภายใตแรงที่มากระทํา แมวาจะต่ํากวาพิกัดยืดหยุน หากทิ้งไวนาน ๆ แลว ก็อาจเกิดการเปลี่ยนรูปอยางถาวรหรือแบบพลาสติกได ทั้งนี้ข้ึนอยูกับอุณหภูมิที่ใช ดวยปรากฏการณเชนนี้เราเรียกวา ความคืบ ปริมาณของความคืบที่เกิดจะขึ้นอยูกับชนิดของวัสดุ ปริมาณของความเคน อุณหภูมิและเวลา หากเราใหสภาวะที่เหมาะสมและมีเวลาเพียงพอ ความคืบจะเกิดขึ้นไดจนครบ 3 ข้ันตอน ดังที่แสดงในรูป ที่ 2.7

รูปที่ 2.7 เสนโคงความคืบ

2-10

เมื่อเราใชแรงกระทําคงที่จะเกิดความเครียด (OA) ข้ึนทันที ซึ่งคาความเครียด OA นี้ ข้ึนอยูกับชนิดของวัสดุและสภาวะที่ให (ปริมาณของแรงกระทํา ความเคนและอุณหภูมิ) และจะมีความสัมพันธกับคา Modulus of elasticity (E) ของวัสดุนั้น หลังจากนั้นวัสดุก็จะเริ่มเกิดความคืบในชั้นที่ I ซึ่งอัตราการเกิดความเครียดจะคอย ๆ ลดลง (AB) ในขั้นที่ II (BC) อัตราการเกิดความเครียดจะคงที่และเปนอัตราการเกิดความเครียดต่ําสุดในขณะที่วัสดุเกิด Creep ข้ึน อัตราการเกิดความเครียดนี้เรียกวา Minimum Creep Rate จากนั้นเมื่อถึงขั้นที่ III (CD) อัตราการเกิดความเครียดจะเพิ่มข้ึนอยางรวดเร็ว จนวัสดุขาดหรือแตกออกจากกัน ที่จุด D

การเกิดความคืบไมจําเปนจะตองครบทั้ง 3 ข้ัน ข้ึนอยูกับสภาวะและเวลาที่ใช ดังรูปที่ 2.8

รูปที่ 2.8 Creep Curve ที่ Condition ตางกัน

เสนบน ถาเราใหแรงกระทําที่ทําใหเกิดความเคนหรืออุณหภูมิสูงพอจะเกิดความคืบจนครบ 3 ข้ัน แตเสนลางนั้นความเคนหรืออุณหภูมิตํ่าจะมีแค 2 ข้ัน นั่นคือจะไมเกิดการแตกหักขึ้น

ในกรณีของพวกโพลีเมอร อาจเกิดความคืบข้ึนได แมที่อุณหภูมิหอง แตโลหะสวนใหญและพวกเซรามิคจะไมเกิดความคืบที่อุณหภูมิตํ่า แตถาที่อุณหภูมิสูงก็อาจเกิดได ดังนั้น การใชพวกโลหะหรือเซรามิคที่อุณหภูมิสูงจะตองนําคุณสมบัติในการเกิดความคืบมาพิจารณาดวย

2-11

1.5 ความแกรง (Toughness) ความสามารถของวัสดุที่จะดูดซึมพลังงานไวไดโดยไมเกิดการแตกหัก เรียกวา ความ

แกรง (Toughness) ซึ่งมีความสัมพันธกับคุณสมบัติดานความแข็งแรงและความเหนียวของมัน โดยกําหนดวา Modulus of Toughness เทากับพื้นที่ภายใตเสนโคงความเคน-ความเครียดที่ไดจากการทดสอบแรงดึงดังรูปที่ 2.9 คา Modulus of Toughness นี้ จะแสดงถึงงานตอหนวยปริมาตรของวัสดุที่ตองใชจนทําใหเกิดการแตกหักดวย ขอกําหนดนี้จะแสดงใหเห็นถึงขอแตกตางระหวางวัสดุเหนียวที่มีความแกรงสูงและวัสดุเปราะที่มีความแกรงต่ําดวย ดังรูปที่ 2.9 a และ b

(a)

2-12

(b) รูปที่ 2.9 Modulus of Toughness ของวัสดุเหนียวและวัสดุเปราะ

2-13

รูปที่ 2.10 การทดสอบแรงกระแทกแบบ Charpy และ Izod

การวัดคาความแกรงที่แนนอนเปนเรื่องคอนขางยาก จึงไดมีผูกําหนดวิธีการทดสอบที่

เรียกวาการทดสอบแรงกระแทก (Impact Test) วัดคา Impact Energy หรือ Impact Toughness ซึ่งเปนการวัดปริมาณของพลังงานที่วัสดุจะดูดซึมไวไดเมื่อไดรับแรงจากการกระแทกจนหัก (Dynamic

2-14

Impact Force) วิธีการทดสอบมีอยู 2 ชนิดคือ Charpy Impact Test และ Izod Impact Test เครื่องมือทดสอบทั้ง 2 ชนิดนี้แสดงไวในรูปที่ 2.10

วิธีการทดสอบของทั้ง 2 ชนิดนี้คลายกัน คือจะวางชิ้นงานทดสอบไวรับแรงกระแทกจากการเหวี่ยงของลูกตุมที่น้ําหนักคาหนึ่ง พลังงานนี้ข้ึนอยูกับมวลของลูกตุม และความเร็วของมันขณะกระแทก จุดกระแทกจะเปนจุดต่ําสุดของการเหวี่ยง ซึ่งลูกตุมมีความเร็วมากที่สุด เมื่อลูกตุมกระทบชิ้นทดสอบ ลูกตุมจะเสียพลังงานไปจํานวนหนึ่งในการจะทําใหชิ้นทดสอบหัก พลังงานที่เสียไปนี้ก็คือ คา Impact Energy นั่นเอง มีหนวยเปน ft-lbf หรือ Joule

ชิ้นทดสอบจะเปนแทงยาว มีพื้นที่ภาคตัดขวางเปนสี่เหลี่ยมจตุรัส และมีรอยบากอยูตรงกลาง รอยบากนี้จะทําเปนรูปตัว V, U หรือรูปรูกุญแจ ข้ึนอยูกับชนิดของวัสดุ ซึ่งมีมาตรฐานกําหนดไว

ขอแตกตางระหวาง Charpy และ Izod ก็คือ การวางชิ้นทดสอบ Charpy test จะวางชิ้นทดสอบไวในแนวระดับ ใหลูกตุมตกกระแทกที่ดานตรงขามกับรอยบาก สวน Izod จะวางชิ้นทดสอบไวในแนวตั้งและใหลูกตุมกระแทกกับดานที่มีรอยบาก

อุณหภูมิมีผลตอความแกรงอยางมาก วัสดุเหนียวอาจจะเปลี่ยนเปนวัสดุเปราะไดเมื่ออุณหภูมิตํ่าลง ถาเรานําคา Impact Energy มาพลอตกับอุณหภูมิ เราจะพบวามีอุณหภูมิอยูชวงหนึ่งซึ่งมีคาของ Impact Energy เพิ่มข้ึนอยางรวดเร็วดังรูปที่ 2.11 คาอุณหภูมิในชวงนี้เรียกวา Impact Transition Temperature (ITT) Impact Transition Temp. นี้เปนอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงจากวัสดุเหนียวมาเปนวัสดุเปราะ คือชวงที่มีคาพลังงานสูงจะเปนวัสดุเหนียวและชวงที่มีพลังงานต่ําจะเปนวัสดุเปราะ

คา Impact energy จะไมนํามาใชโดยตรงในการออกแบบ แตมันมีประโยชนที่จะใชเปนแนวทางในการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อใชงานที่อุณหภูมิตํ่า ๆ โดยเฉพาะพวกเหล็กที่มีคา ITT อยูใกลกับอุณหภูมิหอง เราจะตองระมัดระวัง ไมใชงานวัสดุที่อุณหภูมิตํ่ากวา ITT ของมัน

วิธีกําหนดคา ITT เปนคาเดียว (ไมใชชวงอุณหภูมิดังที่แสดงในรูป 2.11) มีอยูหลายวิธี เชน ตรวจสอบผิวรอยแตกของชิ้นงานทดสอบแรงกระแทกแลว ใชอุณหภูมิที่ผิวรอยแตกมีสัดสวนของการแตกแบบเปราะ (Brittle Fracture) กับการแตกแบบเหนียว (Ductile Fracture) เปน 50:50 พอดี เปนคา ITT (ซึ่งมีชื่อเรียกเฉพาะวา Fracture Appearance Transition Temperature - FATT) แตวิธีที่นิยมใชกันมากที่สุด คือ กําหนดคา Impact Energy ที่ตํ่าคาหนึ่งขึ้นมาเปนเกณฑ ซึ่งถาวัสดุใดทดสอบแลวมีคา Impact Energy ตํ่ากวานี้ก็ถือวาเปนวัสดุเปราะอยางแนนอน แลวกําหนดใหอุณหภูมิที่ทดสอบไดคา Impact Energy เทากับเกณฑนี้พอดีเปน ITT (ITT ที่กําหนดโดยวิธีนี้เรียกวา Ductility Transition Temperature) คาพลังงานแรงกระแทกที่ใชเปนเกณฑ คือ 20 J สําหรับการทดสอบ Charpy V-Notch (ชิ้นงานมีรอยบากรูปตัว V)

2-15

รูปที่ 2.11 แสดงแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับ Impact Transition Temperature และอิทธิพลของอุณหภูมิตอความแกรง (ความเปนวัสดุเหนียว-เปราะ) ของวัสดุ

1.6 ความลา (Fatigue)

เมื่อวัสดุถูกแรงซึ่งต่ํากวาคาความแข็งแรงสูงสุด (Ultimate Strength) มากระทํากลับไปกลับมาซ้ํา ๆ กันก็อาจจะเกิดการแตกหักขึ้นได เนื่องจากเกิดความลาหรือ Fatigue ข้ึน ความลาที่เกิดในวัสดุนี้ เปนสาเหตุใหญของการเสียหายของชิ้นสวนเครื่องจักรตาง ๆ เพราะตลอดอายุงานของเครื่องจักร เชน เครื่องยนต สวิตชรีเลย ฯลฯ จะตองเกิดความเคนสลับไปสลับมาเปนลาน ๆ คร้ัง ทําใหเกิดการลาขึ้นในชิ้นสวนตาง ๆ ของมันได ขบวนการเกิดความลาที่แทจริงยังไมเปนที่เขาใจดีนัก แตจากการศึกษาพบวาความลาจะเกิดเปน 2 ระยะ คือ ระยะแรกจะเกิดรอยแตกขึ้น เมื่อมีความเคนรวมศูนย (Stress Concentration) ในบริเวณนั้น และในระยะที่สอง เมื่อมีความเคนซ้ําไปซ้ํามารอยแตกนี้ก็จะโตขึ้นเรื่อย ๆ จะมีพื้นที่ภาคตัดขวางของวัสดุลดลง จนกระทั้งแรงกระทําตอหนวยพื้นที่สูงกวาคาความแข็งแรงสูงสุด วัสดุก็จะแตกหักจากกัน

ถาเรากําหนดจํานวนรอบของความเคนที่ทําซ้ําไปซ้ํามาแลว (โดยปกติจะใชที่คา 106 รอบ) คาความเคนที่จะทําใหวัสดุแตกหักไดที่จํานวนรอบของความเคนรอบนั้น ๆ เราเรียกวา Fatigue Strength สําหรับโลหะโดยเฉพาะพวกเหล็ก จะมีคาความเคนอยูคาหนึ่ง ซึ่งถาใชความเคนต่ํากวานี้แลว ไมวาจํานวนรอบของแรงกระทําจะเปนเทาใด วัสดุจะไมแตกออก คาความเคนนี้เรียกวา Endurance Limit

การทดสอบความลามีอยูหลายวิธี แตโดยหลักการจะเหมือนกันคือ จะใหแรงกระทําเปนรอยกับชิ้นทดสอบ โดยใหเกิดความเคนคาตาง ๆ แลวบันทึกจํานวนรอบ (Cycles) ที่วัสดุจะทน

2-16

ไดไว จากนั้นนํามาพลอตเปนกราฟไดดังรูปที่ 2.12 เรียกวา S-N Curve สําหรับโลหะในกลุมเหล็กเกือบทั้งหมดและโลหะที่ไมใชเหล็กบางชนิด จะมี Endurance Limit ดังรูป 2.12 (a) สวนพวกโพลีเมอรและโลหะที่ไมใชเหล็กหลายชนิดจะไมมี Endurance Limit ดังรูป 2.12 (b) สําหรับโลหะที่มี Endurance limit นั้น คา Endurance limit จะมีความสัมพันธกับคาความแข็งแรงสูงสุด กลาวคือ พวกเหล็กกลาที่ข้ึนรูปแลว จะมีคา Endurance limit ที่คร่ึงหนึ่งของคาความแข็งแรงสูงสุด สวนโลหะผสมทองแดงจะอยูประมาณ 25-50% ของความแข็งแรงสูงสุด สําหรับการออกแบบชิ้นสวนตาง ๆ ที่ตองรับแรงสลับ ก็คงตองคํานึงถึงเรื่องของความลาดวย และพยายามออกแบบใหรับความเคนต่ํากวา Endurance Limit หรือ Fatigue Strength ตามแตกรณี

(a)

(b)

รูปที่ 2-12 S-N Curve สองลักษณะคือ (a) ในวัสดุที่มี Endurance Limit และ (b) ในวัสดุที่ไมมี Endurance Limit

2-17

1.7 ความแข็ง (Hardness)

ความแข็งเปนความตานทานการเจาะทะลุ (penetration) หรือการเสียดสี (Abrasion) ของวัสดุ ความแข็งของวัสดุเกี่ยวพันกับการจับตัวของอะตอมและโมเลกุลภายในเนื้อวัสดุ เชนเดียวกันกับความแข็งแรง ดังนั้นความแข็งมักจะเพิ่มเมื่อวัสดุมีความแข็งแรงสูงขึ้นนั่นคือ พวกโลหะและเซรามิคจะแข็งกวาพวกโพลีเมอร

การทดสอบความแข็ง มีอยูหลายวิธี แตที่ใชกันมากที่สุดมี 3 วิธี คือ 1. การทดสอบความแข็งแบบบริเนล (Brinell Hardness Test) วิธีการ คือ ใช

ลูกบอลเหล็กที่ผานการชุบแข็งมาอยางดี ขนาดเสนผานศูนยกลาง 10 มม. กดลงบนผิวเรียบของวัสดุที่จะวัด โดยใชแรง 3000 กก. สําหรับวัสดุแข็ง และ 500 กก. สําหรับวัสดุออน โดยใชเวลา 30 วินาที เปนมาตรฐาน จากนั้นวัดเสนผานศูนยกลางของรอยบุม (Indentation) คาความแข็งแรงแบบบริเนล (Brinell Hardness Number) จะใชสูตรคํานวณดังนี้คือ

( )

BhnP

D D D d= =

− −⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

แรงที่ใชกดพื้นที่ของรอยบุม π / 2 2 2

เมื่อ Bhn = Brinell Hardness Number มีหนวยเปนแรง/หนวยพื้นที่ P = แรงที่ใชกด D = เสนผาศูนยกลางของลูกบอล (Indenter) d = เสนผาศูนยกลางของรอยบุม

การทดสอบความแข็งแบบบริเนลนี้ ไมเหมาะสมกับวัสดุแข็ง เนื่องจากความแข็งของหัวกดไมมากนัก นอกจากนี้ยังไมเหมาะกับชิ้นทดสอบที่บางกวาขนาดของรอยบุม

2. การทดสอบความแข็งแบบรอคเวล (Rockwell Hardness Test) การทดสอบแบบนี้คลายกับการทดสอบแบบบริเนล แตใชหัวกดเล็กกวาและแรงนอยกวา คาของแรงที่ใชและชนิด หรือขนาดของหัวกดจะเปลี่ยนได ข้ึนกับสเกลของความแข็งแบบรอคเวลที่เราจะเลือกใชใหเหมาะสมกับชนิดของวัสดุที่จะทดสอบ การอานคาความแข็งจะอานโดยตรงจากเครื่อง กลาวคือ ถาความลึกของรอยกดลงไปตื้น คาของตัวเลขจะสูง แสดงวาวัสดุมีความแข็งมาก วิธีการทดสอบจะใหแรงกระทําเล็กนอยคือ 10 กก. จากนั้นจะเพิ่มแรงกระทําขึ้น ซึ่งอาจจะมีต้ังแต 60-100 กก. ข้ึนอยูกับขนาดและชนิดของหัวกด นอกจากนี้ยังขึ้นอยูกับชนิดของวัสดุที่จะทดสอบดวย หัวกดที่ใช

2-18

อาจจะเปนลูกบอลเหล็กหรือเพชรที่มีรูปกรวย การทดสอบแบบรอคเวลนี้ ใชอยางกวางขวางเพราะสามารถใชวัดความแข็งของวัสดุชนิดตาง ๆ ไดมากกวา สามารถวัดความแข็งของวัสดุที่การทดสอบแบบบริเนลวัดไมได การใชงานสะดวกอานคาไดรวดเร็ว เพราะอานโดยตรงจากเครื่อง และเนื่องจากรอยบุมมีขนาดเล็กจึงไมทําลายผิวของชิ้นทดสอบ

3. การทดสอบความแข็งแบบวิคเกอร (Vickers Hardness Test) การทดสอบแบบวิคเกอรนี้คลายกับบริเนลในแงที่วา คาที่ไดเปนอัตราสวนระหวางแรงที่ใชตอพื้นที่ของรอยกด แตตางกันที่หัวกดที่ใชเปนเพชรรูปประมิด แรงที่ใชมีต้ังแต 5-120 กก. ข้ึนอยูกับความแข็งของวัสดุ การคํานวณคา Vickers Hardness Number (VHN) หรือ Diamond-Pyramid Hardness (DPH) ใชสูตร

DPHF

D=

185442

. โดยที่ F = น้ําหนักที่กด (กก.) D = ความยาวเฉลี่ยของเสนทะแยงมุม (mm) 1.8544 เปนคา 2 sin (θ/2) เมื่อ θ = มุมระหวางหนาตรงขามของเพชร ซึ่ง = 136°

การทดสอบแบบนี้เหมาะกับตัวอยางที่บางและแข็งมาก ๆ

ตารางที่ 2.2 แสดงตัวอยางคาเปรียบเทียบความแข็งที่วัดโดยวิธีตาง ๆ Comparison of Hardness Value

Brinell Vickers

Rockwell

Material Impression

BHN Pyramid

Scale Shore

dia, mm Number

C B

Soft brass - 60 61 - - - Mild Steel 5.2 131 131 - 74 20 Soft Chisel Steel

3.95 235 235 22 99 34

White Cast Iron

3.00 415 437 44 144

57

Nitride Surface

2.25 745 1050 65 - 100

2. คุณสมบัติเชิงอุณหภูมิ (Thermal Properties)

2-19

ในการใชงานวัสดุมักจะมีพลังงานความรอนเขามาเกี่ยวของเสมอ พลังงานความรอนนี้อาจจะมาจากสิ่งแวดลอมที่อยูนั้น หรืออาจเกิดจากการทํางานของมันเองก็ได นอกจากนี้ยังมีการใชงานวัสดุที่ตองใชความรอนมาเกี่ยวของดวย เชน ลูกรีดที่ใชในการรีดเหล็ก, เครื่องยนตตาง ๆ ซึ่งทํางานที่อุณหภูมิสูง ฯลฯ พลังงานความรอนนี้จะทําใหคุณสมบัติตาง ๆ ของวัสดุเปลี่ยนไป ดังนั้น เราจําเปนจะตองรูจักคุณสมบัติดานความรอนของวัสดุไวบาง เพื่อชวยใหการเลือกใชวัสดุไดถูกตองยิ่งขึ้น 2.1 ความทนความรอน (Heat Resistance) หมายถึง ความสามารถของวัสดุที่จะคงสภาพและคุณสมบัติเดิมไว เมื่อมีการเปลี่ยนอุณหภูมิ อุณหภูมิที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเราเรียกวา Transition หรือ Transformation Temperature (Point) ในพวกโลหะอุณหภูมิหรือจุดเหลานี้มีความสําคัญมาก เพราะเปนจุดที่มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของมัน เชน ความแข็ง สภาพการเปนแมเหล็ก ฯลฯ ซึ่งจะอธิบายใหชัดเจนยิ่งขึ้นในบทตอไปเร่ือง แผนภูมิสมดุล (Phase Equilibrium Diagram)

ส่ิงที่สําคัญสําหรับการนําวัสดุมาใชงานคือ อุณหภูมิที่จะใชงานตองต่ํากวาจุดหลอมเหลวหรือจุดออนตัว (Softening Point) ของมัน ในกรณีของพวก Crystalline Materials (วัสดุที่มีการจัดเรียงอะตอมเปนโครงสรางผลึกที่แนนอน) จะมีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจน เพราะจะมีการหลอมตัวเกิดขึ้น แตในพวกพอลิเมอรจะไมเปนเชนนั้น มันจะเกิดการออนตัวขึ้นกอน (Softening) ซึ่งชวงอุณหภูมิในการออนตัวของมันจะกวางมาก และบางกรณีมันอาจจะเปลี่ยนสภาพ (Decompose) ไปกอนที่มันจะละลายเสียอีก จุดออนตัวของพอลิเมอร เชน พลาสติก จะเปนจุดสูงสุดที่มันจะใชงานได และใชเปนจุดบอกความทนความรอนของมันวามีมากนอยเพียงใด สวนกรณีของโลหะเราจะใช Transition Point เปนตัวกําหนด และบางครั้งอุณหภูมิที่ทําใหโลหะเกิดออกซิเดชันอยางมาก (แมวาจะไมเกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอยางอื่น) ก็เปนตัวกําหนดอณุหภูมิใชงานของมันดวย โดยสรุป เมื่อเราพูดถึงความทนความรอนของวัสดุก็จะหมายถึงความทนทานของวัสดุตอการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ โดยไมทําใหสภาพภายนอกและภายในเปลี่ยนไปเกินกวาจะใชงานได 2.2 Thermal Conductivity and Emissivity ปกติความรอนจะไหลผานวัสดุจากจุดที่มีอุณหภูมิสูงไปหาที่ที่มีอุณหภูมิตํ่า การถายเทความรอนในของแข็งจะเกิดขึ้นโดยกลไกที่เรียกวา การนําความรอน (Conduction) วัสดุแตละชนิดจะมีความสามารถในนําความรอนไดแตกตางกัน คุณสมบัติที่เปนตัววัดความสามารถในการนําความรอนของวัสดุ คือ Thermal Conductivity (K) คา K นี้ กําหนดไวจากกฎการนําความรอนของ Fourier ซึ่งกลาวไววา อัตราการสงผานพลังงานความรอนผานตัวกลาง (วัสดุ ซึ่งมักจะหมายถึงกรณทีี่เปนของแข็ง) จะแปรผันตรงกับคาความชันของอุณหภูมิ (Thermal Gradient = อัตราผลตางของอุณหภูมิตอระยะทางหนึ่งหนวย) ในทิศทางของการสงผาน

2-20

พลังงานนั้น และแปรผันตรงกับพื้นที่หนาตัดที่พลังงานความรอนนั้นไหลผานดวย คาคงที่ของการแปรผันนี้คือคา K นั่นเอง จากนิยามเราจะไดความสัมพันธดังสมการคือ

QKA t t

L=

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟1 2

เมื่อ Q = ปริมาณความรอนที่ไหลผานตอหนึ่งหนวยเวลา (Btu/hr หรือ W) K = coefficient of thermal conductivity (Btu/hr-ft-°F หรือ W/m-K) 1t = อุณหภูมิดานที่รอนของวัสดุ (°F หรือ K)

2t = อุณหภูมิดานที่เย็นของวัสดุ (°F หรือ K) L = ความหนาของวัสดุ (ft หรือ m) A = พื้นที่หนาตัดของวัสดุที่ความรอนไหลผาน (ft2 หรือ m2)

คา K จะเปลี่ยนไปตามชนิดของวัสดุและอุณหภูมิ วัสดุที่มีการนําความรอนที่ดี (K สูง) จะสามารถลดความแตกตางของอุณหภูมิภายในตัวมันเองไดเร็วกวาวัสดุที่มีความสามารถในการนําความรอนต่ํา ในวัสดุโลหะคา K จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สวนวัสดุอ่ืนคา K จะสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

การเลือกใชวัสดุเราจะตองคํานึงถึงการใชงาน ถาตองใชในระบบระบายความรอนของเครื่องจักร เราจะเลือกดูที่มีการนําความรอนที่ดี (K สูง) สวนกรณีที่ใชฉนวนความรอน เพื่อจะเก็บรักษาอุณหภูมิ เราจะเลือกใชวัสดุที่มีคา K ตํ่า ซึ่งไดแก พวกที่มีเนื้อเปนรูพรุน เพราะอากาศเปนตัวนําความรอนที่เลว (พวกเซรามิคมักจะมีคุณสมบัติอยางนี้)

การสงผานความรอนของวัสดุอาจจะไดดวยวิธีการแผรังสี (Radiation) ความสามารถของวัสดุที่จะแผความรอนนี้เราเรียกวา Emissivity ซึ่งขึ้นอยูกับลักษณะผิวของวัสดุและอุณหภูมิ คา Emissivity จะเทากับปริมาณความรอนที่วัสดุจะแผรังสีออกมา ไดตอปริมาณความรอนที่ Ideal Black Body จะแผรังสีออกมาไดที่อุณหภูมินั้น ๆ Ideal Black Body คือ วัสดุที่จะดูดซึมความรอนที่มากระทบไวไดทั้งหมด โดยไมมีการสะทอน หรือสงผานออกไป 2.3 Thermal Stress and Expansion วัสดุจะขยายตัวเมื่อรอนและหดตัวเมื่อเย็น ถึงแมวาการหดตัวจากความรอนนี้จะมีไมมากนัก (ประมาณ 5%) แตมันก็ทําใหเกิดความเคนขึ้นภายในวัสดุได และถาความเคนนี้มีมากพอ (ชิ้นงานขนาดใหญ) ก็อาจทําใหเกิดการเสียหายได โดยเฉพาะกับวัสดุที่เปราะ ซึ่งไมสามารถปรับตัวไปตาม Thermal Stress

2-21

เราใช Thermal Expansion Coefficient เปนตัวบอกวาวัสดุจะขยายตัวมากนอยเพียงใดเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น คานี้จะเทากับความยาวที่เพิ่มข้ึนตอความยาวเริ่มตนตอองศาอุณหภูมิ และมีหนวยเปน in/in/°F หรือ cm/cm/°C

Thermal Expansion Coefficient นี้จะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ และโดยปกติสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น นอกจากนี้มันยังมีความสัมพันธกับคาความจุความรอนจําเพาะและจุดหลอมเหลวของวัสดุดวย โดยทั่วไปวัสดุประเภทพลาสติกซึ่งมี Softening Point ตํ่า จะมีคา Coefficient of Expansion สูงกวาของโลหะมาก

2-22

3. คุณสมบัติเชิงเคมี (Chemical Properties) 3.1 คุณสมบัติเกี่ยวกับการกัดกรอน (Corrosion)

ส่ิงแวดลอมของวัสดุที่กําลังทํางานมักจะมีผลทางเคมีกับวัสดุนั้น ส่ิงแวดลอมนี้อาจจะเปนของเหลว เชน สารเคมี, น้ํา หรือเปนแกส เชน ออกซิเจน หรืออาจจะเปนของแข็งหรือหลาย ๆ อยางประกอบกัน เปนตน ปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นกับวัสดุ เนื่องจากสิ่งแวดลอมเหลานี้เราเรียกวาการกัดกรอน ซึ่งมีผลทําใหเสียเนื้อวัสดุไปหรือเกิดความเสียหายกับวัสดุ หรืออาจจะทั้ง 2 อยาง นอกจากนี้มันอาจจะมีผลทําใหคุณสมบัติบางอยางของวัสดุเปลี่ยนไป เชน การทนทานการเสียดสี สึกกรอนและความตานทานตอความลา

การวัดปริมาณหรือทํานายการเกิดการกัดกรอนเปนเรื่องยาก เพราะปฏิกิริยาที่เกิดเกี่ยวของกับปจจัยตาง ๆ มากมาย เชน สวนประกอบเคมีของตัวกลาง (Media) ลักษณะที่วัสดุสัมผัสกับ Media (ทั้งหมดหรือบางสวน ตลอดเวลาหรือเปนบางขณะ) ระยะเวลาที่สัมผัสกับ Media นั้น อุณหภูมิและลักษณะการเคลื่อนไหวของ Media อยางไรก็ตามก็ไดมีการกําหนดวิธีการทดสอบมาตรฐานไวบางพอสมควร ที่ใชกันมากก็คือ การวัดน้ําหนักที่เปลี่ยนไปในชวงระยะเวลา (ปกติใช 1 ป) อีกวิธีหนึ่งก็ใชวัดความลึกจากผิวเดิมของวัสดุวาการกัดกรอนเกิดลงไปลึกเทาใด นอกจากนี้ในหองทดลองบางแหงจะใชวิธีวัดปริมาณออกซิเจนที่หายไปหรือไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น เนื่องจากปฏิกิริยา 3.1.1 ลักษณะของการเกิดการกัดกรอน

กระบวนการเกิดการกัดกรอนเปนเรื่องที่ยุงยากสับสนมาก ซึ่งยังไมมีการอธิบายไดอยางแจมแจง แตในทางปฏิบัติการเกิดการกัดกรอนแบงเปน 2 ลักษณะคือ

1. Chemical Corrosion เกิดเมื่อมีการสัมผัสกันโดยตรงระหวางวัสดุกับของเหลวซึ่งตัวมันละลายไดบาง การเกิดการกัดกรอนในพวกโพลิเมอรจะเปนลักษณะนี้สวนใหญ ตัวอยางเชน พวกโพลีเมอรสามารถละลายไดในพวกสารละลายอินทรีย (Organic Solvent)

2. Electrochemical Corrosion การกัดกรอนลักษณะนี้จะพบไดมากกวา โดยเฉพาะกับพวกโลหะ รูปที่ 2.13 แสดงใหเห็นการเกิดการกัดกรอนแบบนี้อยางงาย ๆ ของเหลวที่อยูลอมรอบโลหะจะทําตัวเปน Electrolyte นั่นคือ เปนตัวนํากระแสไฟฟาระหวางบริเวณ 2 บริเวณที่มีศักยไฟฟาตางกัน บริเวณทั้งสองนี้อาจจะเปนโลหะคนละชนิด หรือวัสดุชนิดเดียวกันแตคนละสวนกันก็ได กระแสจะไหลและนําวัสดุออกจาก Anodic Zone (ซึ่งมีความตางศักยไฟฟาสูงกวา Cathodic Zone) ที่บริเวณที่เปน Cathodic จะไมเกิดการกัดกรอนขึ้น การเกิดการกัดกรอนในลักษณะนี้ข้ึนอยูกับธรรมชาติของ Corrosion Media ซึ่งจะเปนกระบวนการดูดเอาออกซิเจนไป (Oxygen-Absorption Process) หรือกระบวนการที่ให H2 ก็ได (Hydrogen Evolution Process) กรณีที่เปนกระบวนการดูดซึมออกซิเจน ผลที่เกิดจากการกัดกรอนจะไปตกลงบนบริเวณ Cathode เชน ในกรณีที่เหล็กเกิดสนิมข้ึน

2-23

รูปที่ 2.13 รูปแสดงการเกิดการกัดกรอนอยางงาย ๆ

3.1.2 การเกิด Cathodic และ Anodic Area ในโลหะไดนั้นมีอยู 3 กรณีคือ

1. Composition Couples เนื่องจาก 2 พื้นที่มีโครงสรางหรือสวนประกอบทางเคมีตางกัน ที่พบบอยที่สุดก็คือโลหะตางชนิดกันมาสัมผัสกัน โดยมีของเหลวหรือความชื้นอยูดวย เชน ใช Screw หรือ Bolt ทําดวยเหล็กไปขันยึดแผน Tinplate สกรูเหล็กจะสึกไป เพราะเหล็กจะทําตัวเปน Anodic ไดมีผูจัดเรียงชนิดของโลหะตามสภาพการเปน Cathodic และ Anodic เรียกวา Galvanic Series ดังตารางที่ 2.3 โลหะที่มีชื่ออยูลางจะทําตัวเปน Anode สวนตัวบนจะเปน Cathode และถาใชโลหะที่ชื่อในตารางอยูหางกันมาก ๆ มาสัมผัสกันโดยมีของเหลว เชนน้ํา อยูดวยการเกิดการกัดกรอนก็จะมากดวย ตัวอยางเชนอะลูมิเนียมกับทองแดงเอามาไวติดกันในน้ํา อะลูมิเนียมจะสึกไป แตทองแดงจะยังเหมือนเดิม เปนตน

อีกตัวอยางหนึ่งที่เห็นไดชัดก็คือ กรณีการหายไปของ Zn ในทองเหลืองบางชนิดที่มีการแยกเฟสระหวางทองแดงและสังกะสี ซึ่งถา Galvanic Series ทั้ง 2 ตัวนี้อยูหางกันมาก เมื่อโลหะผสมนี้อยูในสิ่งแวดลอมที่เปนของเหลว สังกะสีจะถูกกัดกรอนหายไปทําใหโลหะผสมเปนรูพรุนและออนไป

Composition Coupling สามารถใชเปนเครื่องปองกันการเกิดการกัดกรอนได เรียกวา Cathodic Protection โดยการนําเอาโลหะที่มีชื่ออยูตํ่าในตาราง Galvanic Series (เชน Mg, Zn) ไปติดไวกับโลหะตัวที่เราจะปองกัน พวก Mg หรือ Zn นี้จะเกิดการผุกรอนไปแทนตัวโลหะที่เราจะปองกันนั้น เชน ในการวางทอสงแกส น้ํามัน อาจจะใช Mg หรือ Zn ฝงไวดวยเปนชวง ๆ เพื่อปองกันไมใหทอผุกรอนไป

2-24

2. Stress Couple เกิดเนื่องจากบางบริเวณในโลหะชนิดเดียวกันมีความเคนภายในสูงกวาบริเวณขางเคียง ซึ่งความเคนนี้อาจจะเกิดจากการเชื่อม หรือโลหะสวนนั้นผานการแปรรูปเย็น (Cold Work) มาแลว บริเวณที่มีความเคนสูงจะเปน Anodic Area ดังนั้นจะเกิดการกัดกรอนขึ้นบริเวณนั้น ตัวอยาง ถาเรางอตะปูแลวทิ้งไวในน้ําบริเวณที่งอจะเกิดสนิมข้ึนกอน และจะเปนมากกวาบริเวณอื่น นอกจากนี้บริเวณรอยตอของเกรนของโลหะ ซึ่งมีความเคนสูงจะถูกกัดกรอนไดงายกวาสวนกลางของผลึก

3. Concentration Couples เกิดเมื่อมีความเขมขนของ Corrosive Media ตางกัน พบบอยในกรณีของการกัดกรอนเปนรอง เมื่อ Media มีอิออนโลหะสูง (O2 นอย) ทําใหบริเวณนั้นเปน Anodic เมื่อเทียบกับบริเวณอื่น

2-25

ตารางที่ 2.3 Galvanic series of some commercial metals and alloys in seawater

Platinum Gold Noble or Graphite cathodic Titanium Silver Chlorimet 3 (62 Ni, 18 Cr, 18 Mo)

Hastelloy C (62 Ni, 17 Cr, 15 Mo) 18-8 Mo stainless steel (passive)

18-8 stainless steel (passive) Chromium stainless steel 11-30% Cr. (passive)

Inconel (passive) (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe) Nickel (passive)

Silver solder Monel (70 Ni, 30 Cu) Cupronickels (60-90 Cu, 40-10 Ni) Bronzes (Cu-Sn) Copper Brass (Cu-Zn) Chlorimet 2 (66 Ni, 32 Mo, 1 Fe)

Hastelloy B (60 Ni, 30 Mo, 6 Fe, 1 Mn)

Inconel (active) Nickel (active)

Tin Lead Lead-in solders 18-8 Mo stainless steel (active)

18-8 stainless steel (active) Ni-Resist (high Ni cast iron) Chromium stainless steel, 13% Cr

(active) Cast iron Steel or iron 2024 aluminum (4.5 Cu, 1.5 Mg, 0.6

Mn) Active or Cadmium

2-26

anodic Commercially pure aluminum (1100) Zinc Magnesium and magnesium alloys

3.2 Oxidation วัสดุหลายชนิดรวมทั้งโลหะสวนใหญจะสามารถรวมตัวกับ O2 ในบรรยากาศไดใน

โลหะ ปฏิกิริยา Oxidation จะเกิดขึ้นอยางรวดเร็วเมื่อถูกกับอากาศ จนกระทั่งเกิดเปน Oxide Film หรือสนิมข้ึนมาปองกัน อัตราการเกิด Oxidation ในโลหะขึ้นอยูกับความสามารถในการปองกันของ Oxide Film นี้ ในกรณีของเหล็กกลาคารบอนตํ่า Oxide Film จะมีลักษณะเปนรูพรุน (Porous) ทําใหไมสามารถปองกันการเกิด Oxidation ไดหรือปองกันไดนอย แตในขณะที่ Oxide Film ของ Al มีความแนนมาก จึงปองกัน Oxidation ไดอยางดี โดยทั่วไปอัตราการเกิด Oxidation ของโลหะจะลดลงเมื่อระยะเวลานานขึ้น แตจะเร็วขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ

พลาสติกสวนใหญและยางจะถูก Oxidized ไดเมื่อมี Oxygen กรณีของยาง การเกิด Oxidation เรียกวา Aging ซึ่งปฏิกิริยาระหวาง O2 กับยางในชวงแรกจะทําให Elasticity ลดลง แตความแข็งจะเพิ่มข้ึน แตเมื่อนานไปยางก็จะแปรสภาพทําใหความแข็งแรงหายไป พอลีเมอรสวนใหญจะเกิด Aging เชนเดียวกัน แตนอยกวาพวกยาง กระบวนการเกิดนี้ข้ึนอยูกับปจจัยอื่น ๆ ดวย เชน ความรอน อุณหภูมิ ลักษณะของบรรยากาศ ฯลฯ

3.3 Water absorption การดูดซึมน้ําเปนคุณสมบัติเกี่ยวของโดยตรงกับพวกโพลีเมอร ซึ่งสวนใหญจะดูดซึม

น้ําได โดยมีผลทําใหปริมาณและน้ําหนักเพิ่มข้ึน นอกจากนี้ยังทําใหมันเกิดการโกงงอ บวมและสูญเสียคุณสมบัติทางกลและไฟฟาไป

4. Electrical Properties คุณสมบัติทางไฟฟาเกี่ยวของกับพฤติกรรมของวัสดุภายใตกระแสไฟฟา และโดย

หลักการคือ ความสามารถในการสงผานกระแสไฟฟาของมัน

4.1 Electrical Conductivity (การนําไฟฟา) ถาจะพิจารณาความสามารถในการนําไฟฟาของวัสดุ เราสามารถแบงวัสดุเปน 3

ชนิดดวยกันคือ ตัวนํา ฉนวนและ semiconductor แตในที่นี้เราจะกลาวถึงเฉพาะตัวนําและฉนวนเทานั้น

เราจะพูดถึงการนําไฟฟาในรูปของความตานทานไฟฟาของมัน ที่เปนความตานทานการไหลของกระแสไฟฟา ซึ่งกําหนดวาเปนความตานทานตอหนวยความยาวและหนวยพื้นที่ คา

2-27

ความตานทานของโลหะจะบอกเปน ohm-centimeter หรือ ohm-inch ในกรณีของโลหะมักจะบอกวาการนําไฟฟาในรูปของเปอรเซนตเทียบกับคาการนําไฟฟาของทองแดง ซึ่งสมมติใหเทากับ 100 คาความตานทานของทองแดงกําหนดโดย International Annealed Copper Standard (IACSS) เทากับ 1.7241 microohm-cm ที่ 68°F (20°C)

4.2 Insulation and Dielectric Properties ความสามารถในการปองกันการสงผานพลังงานไฟฟาหรือประจุไฟฟา เราเรียกวา

Dielectric Strength Dielectric Strength จะเปนเครื่องวัดคุณภาพความเปนฉนวนของวัสดุ (Insulating Quality) โดยที่มันเปนตัวบอกความสามารถของวัสดุที่จะทน Electric Stress ไดโดยไม Breakdown คาของ Breakdown Electric Stress จะบอกเปน Voltage ตอหนวยความหนา (volts/mil)

Dielectric Constant เปนคาใชวัดความจุไฟฟาของวัสดุ ไมมีหนวย กรณีของฉนวนเราตองการใหมีคานี้ตํ่า สวนคาสูงใชเปนพวก Capacitor

5. Other Properties นอกจากคุณสมบัติสําคัญ ๆ ที่ไดกลาวมาแลว ยังมีคุณสมบัติอ่ืน ๆ ที่อาจจะตอง

นํามาพิจารณาเปนบางกรณีได ไดแก 1. Magnetic Properties คุณสมบัติการเปนแมเหล็ก 2. ความทึบแสงเกี่ยวของกับพวก Polymers เปนสวนใหญ โดยเฉพาะพวกสี ซึ่งเปน

ตัวบอกความสามารถในการบังสีเดิมวาดีหรือไม 3. สีของวัสดุ บางครั้งนอกจากคุณสมบัติใชงานแลว เราอาจจะตองดูถึงความ

สวยงามในการใชดวย