ารึ้นรูปโลหะ ( metal forming)personel.eng.cmu.ac.th/~wasawat/metal forming...
TRANSCRIPT
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)