Tensile strength คือ ค่าความแข็งแรงของวัสดุเมื่อถูกแรงดึงมากระทำ ซึ่งวิธีการทดสอบจะใช้เครื่องมือทดสอบที่ เรียกว่า Tensile tester, Tensile testing machine หรือ Universal testing machine สำหรับภาษาไทยเรามักเรียกว่า เครื่องทดสอบแรงดึง หรือ เครื่องทดสอบแรงดึงวัสดุแบบเอนกประสงค์
เพื่อให้เข้าใจถึงความหมายต่างๆที่จะอธิบายในหัวข้อถัดไปได้ง่ายยิ่งขึ้น ขอแนะนำให้ดูวีดีโอการทดสอบแรงดึง ตามวีดีโอด้านล่างนี้
เครื่องมือและอุปกรณ์สำหรับทดสอบ Tensile Strength tester
- ชุดขับเคลื่อนบอลสกรูด้วยมอเตอร์ Servo
- Load cell ตรวจวัดแรง
- Grip สำหรับจับชิ้นงาน
- หน้าจอแสดงผล
Universal testing machines
การอ่านค่าผลการทดสอบ Tensile strength
เมื่อวัสดุถูกดึงจากแรงกระทำภายนอกจนกระทั่งขาด ผลการทดสอบจะแสดงตามรูปกราฟด้านล่าง โดยแกนตั้งคือแรง Load (Kgf) และแกนนอน คือระยะทาง Displacement (mm) เราสามารถวิเคราะห์ข้อมูลที่เกิดจากวัสดุได้ 3 จุดดังนี้
- A เรียกว่า จุด Yield point คือเป็นจุดที่วัสดุเริ่มเปลี่ยนรูปและไม่สามารถกลับมามีสภาพดังเดิมได้
- B เรียกว่า จุด Maximum load, Maximum Force หรือ Ultimate load คือจุดที่วัสดุสามารถทนแรงได้สูงสุด
- C เรียกว่า จุด Break point คือจุดที่วัสดุขาด เสียหาย (ข้อสังเกตุคือจุดที่ขาดไม่จำเป็นต้องเป็นจุดที่วัสดุทนแรงสูงสุด ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุนั้นๆ)
กราฟแสดงผล ค่าแรง Force ต่อ ระยะทาง Displacement
หลังจากที่เราได้ทราบความหมายของจุด A, B และ C แล้ว ต่อไปจะมาอ่านผลการทดสอบในแต่ละจุดว่ามีอะไรบ้าง
- Force คือค่าแรงดึง ที่เกิดจากการอ่านค่าของ โหลดเซล Load cell มีหน่วย เช่น N, Kgf, Ton
- Stress หรือ Tensile strength คือแรงเค้น คำนวนได้จากสูตร Stress = Force/Area มีหน่วยเป็น Mpa, N/sq.cm โดย Area คือ พื้นที่หน้าตัดของวัสดุ
- Strian คือ ค่าความตึงเครียดแรงดึง
- Elongation คือ เปอร์เซ็นต์การยืดตัวของวัสดุ
สรุป
ดังนั้นเราจึงสามารถอ่านผลการทดสอบในแต่ละจุดได้ดังนี้
- จุด Yield point
- Force at Yield point
- Stress at Yield point
- Strian at Yield point
- Elongation at Yield point
- จุด Maximum Load
- Force at Maximum Load
- Stress at Maximum Load
- Strian at Maximum Load
- Elongation at Maximum Load
- จุด Break point
- Force at Break point, Break load
- Stress at Break point
- Strian at Break point
- Elongation at Break point
โหลดเซล Load cell ความหมาย และการเลือกใช้ให้เหมาะสมกับการทดสอบ
โหลดเซล ชนิด Circle
- Load cell โหลดเซล ที่ใช้ในเครื่องทดสอบ Tensile tester คือเซนเซอร์ที่รับแรงกระทำกับวัสดุ จากนั้นทำการเปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก และส่งไปที่ระบบแปลงสัญญาณ อนาล็อกเป็นดิจิตอลของตัวเครื่องทดสอบ เพื่อประมวลผลแสดงผลเป็นค่าแรงแบบดิจิตอล
- โหลดเซล มีหลายขนาดด้วยกัน เช่น 10N, 50N, 500N, 1KN, 100KN เป็นตั้น แล้วเราจะเลือกขนาดเท่าไรดี การเลือกขนาดที่ไม่เหมาะสม จะทำให้ค่าการทดสอบไม่เที่ยงตรง ( Accuracy) และได้ค่าความละเอียดต่ำ (Resolution) หรืออาจทำให้เกิดความเสี่ยงที่ทำให้ Load cell เสียหายได้
ดังนั้นการเลือกใช้ Load cell ต้องคำนึงถึงรายละเอียดดังนี้
- เลือกใช้ขนาด Load cell เป็น 2 เท่าของแรงสูงสุดที่จะทดสอบ เช่น ค่าแรงสูงสุดการทดสอบคือ 500 N เราควรเลือกโหลดเซลขนาด 1000 N
- ย่านการวัด Range ที่ใช้งานได้ดีสำหรับโหลดเซลจะมีค่าระหว่าง 2-98% เช่น โหลดเซลขนาด 1000 N จะมีช่วงใช้งานที่เหมาะสมอยู่ระหว่าง 20-980 N
- ความเที่ยงตรง Accuracy จะมีสเปกใช้งานทั่วไป เช่น 1% (Class 1.0) และ 0.5% (Class 0.5)
- ความละเอียด Resolution จะมีสเปกการใช้งานทั่วไป เช่น 1/50,000 , 1/100,000 เป็นต้น
Force, Load, Weight และ Mass แตกต่างกันอย่างไร
- Mass(มวล ) คือการวัดปริมาณวัสดุในวัตถุซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับจำนวนและประเภทของอะตอมที่มีอยู่ในวัตถุ มวลไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อมีการเปลี่ยนตำแหน่ง การเคลื่อนไหวหรือการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ยกเว้นแต่จะมีการเพิ่มหรือนำวัสดุออก หน่วยของมวลในระบบ SI คือกิโลกรัม (kg)
- Weight (น้ำหนัก) ซึ่งใช้ทั่วไปสำหรับซื้อขายสินค้า ในที่นี้ น้ำหนักจะหมายถึงมวลและมีหน่วยวัดเป็นกิโลกรัม อย่างไรก็ตามในทางวิทยาศาสตร์ปกติเราจะระบุน้ำหนักของวัตถุตามแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมัน ด้วยเหตุนี้เราจึงควรวัดเป็นนิวตัน (N)
- Force (แรง) คือ การวัดค่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุ มีหลายรูปแบบเช่น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง แรง เรียกว่าปริมาณเวกเตอร์เนื่องจากมีทั้งทิศทางและขนาด
- Load (ภาระ) โหลดเป็นคำที่ใช้บ่อยในงานวิศวกรรมหมายถึงแรงที่กระทำบนพื้นผิวหรือวัตถุ
Elongation ในการทดสอบโดยเครื่อง Tensile testing machine
Elongation ในความหมายความของการทดสอบการดึง คือ ระยะยืดของวัสดุ ณ จุดต่างๆ เช่น ระยะยืดที่จุดขาดของวัสดุ (Elongation at break) , ระยะยืดที่จุดทนแรงสูงสุดของวัสดุ (Elongation at max load) เป็นต้น ซึ่งการรายงานผลจะบอกค่าเป็น เปอร์เซ็นต์ % (Percentage of Elongation) โดยค่ามากจะบอกถึงการยืดตัวที่มากกว่า
วิธีคำนวณค่า Elongation percentage
จากรูป จะเป็นการดึงพลาสติกรูปดัมเบล (Dumbbell specimen) ให้เครื่องทดสอบ Tensile tester ทำการดึงชิ้นงานทดสอบจนกระทั้งขาด
โดยกำหนดให้ L1 เท่ากับ ระยะเริ่มต้น และ L2 เท่ากับ ระยะทางที่จุดขาด ในกรณีที่ไม่มีอุปกรณ์วัดระยะอิเลคทรอนิกส์ Extensometer ให้ทำการวัดระยะจากปากจับ Grip ด้านล่างถึงปากจับ Grip ด้านบน
ตัวอย่างการคำนวณ
สมมุติให้ L1 ระยะเริ่มต้น มีค่าเท่ากับ 100 มิลลิเมตร และ L2 ระยะทางที่จุดขาด มีค่าเท่ากับ 150 มิลลิเมตร
สูตร 
= 50 %Elongation
การคำนวณ Elongation ด้านบนเป็นพื้นฐานความรู้เท่านั้น ซึ่งการใช้งานจริงเครื่องจะคำนวณค่าต่างๆ ให้โดยอัตโนมัติ
