การทดสอบการดัดโค้ง (Bending Test)

            การทดสอบการดัดโค้ง เป็นการทดสอบเพื่อดูพฤติกรรมการแปรรูปของวัสดุหลังจากทำการดัดโค้ง โดยพิจารณาดูว่าที่ผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบตรงบริเวณที่ทำการดัดโค้งเกิดรอยแตกขึ้นหรือไม่ หลังจากทำการดัดโค้งชิ้นทดสอบด้วยรัศมีความโค้งที่กำหนด จนได้มุมตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐานการทดสอบ

          หลักการในการทดสอบการดัดโค้ง คือ ใช้วิธีใดก็ได้ในการดัดชิ้นวัสดุทดสอบซึ่งอาจมีหน้าตัดเป็นวงกลม, สี่เหลี่ยม หรือรูปทรงหลายเหลี่ยม ให้ได้รัศมีความโค้งตามที่กำหนดไว้ หรือให้ได้มุมตามที่กำหนด โดยทิศทางของแรงที่ใช้ในการดัดโค้งต้องคงที่ และการให้แรงในการดัดโค้งต้องเป็นไปอย่างช้าๆ เพื่อป้องกันการเกิดการเคลื่อนที่ของชิ้นทดสอบในแนวข้าง   หลังจากชิ้นทดสอบโค้งงอไปตามที่กำหนดแล้ว ทำการตรวจสอบดูว่าที่พื้นผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบตรงบริเวณที่ดัดโค้ง ซึ่งจะเป็นบริเวณที่รับความเค้นแรงดึงในระหว่างการดัดโค้ง มีรอยแตกเกิดขึ้นหรือไม่   จะเห็นได้ว่าหลักการของการทดสอบการดัดโค้ง แตกต่างจากการทดสอบสมบัติเชิงกลประเภทอื่นๆ ซึ่งจะได้ผลลัพธ์ออกมาในเชิงปริมาณ คือ ได้ค่าสมบัติเชิงกลออกมาเป็นตัวเลข เช่น ค่าความแข็ง,ความเค้นจุดคราก ในขณะที่ผลจากการทดสอบการดัดโค้งจะเป็นผลในเชิงคุณภาพ คือพิจารณาแค่ชิ้นทดสอบนั้นผ่านเกณฑ์การทดสอบหรือไม่  คือสามารถผ่านการดัดโค้งตามที่กำหนดไว้ในการทดสอบ โดยไม่เกิดรอยแตกที่ผิวด้านนอกเนื่องจากความเค้นแรงดึง ได้หรือไม่

          การพิจารณาว่าชิ้นทดสอบผ่านการทดสอบการดัดโค้งนั้นหรือไม่นั้นพิจารณาจากการตรวจสอบดูที่ผิวด้านนอกของชิ้นทดสอบว่าไม่มีรอยแตก  การตรวจสอบอาจทำโดยการตรวจสอบด้วยตาเปล่า หรืออาจใช้กล้องที่มีกำลังขยายไม่เกิน 20 เท่า(ปกติจะกำหนดให้ใช้ตาเปล่า)

          สำหรับชิ้นงานที่มีอัตราส่วน ความกว้าง/ความหนา มากกว่า 8 ขึ้นไป  ถ้าตรวจพบรอยแตกที่ขอบ (edge) ของชิ้นทดสอบ ให้ทำการขัดขอบของชิ้นทดสอบที่แตกนั้นให้เรียบ แล้วทำการทดสอบใหม่อีกครั้ง

ภาพที่ 1 : ชิ้นงานทดสอบการดัดโค้ง

          เมื่อทำการดัดโค้งด้วยมุม (bending angle) ที่เท่ากัน วัสดุที่มีความสามารถในการดัดโค้งที่ดีกว่าจะสามารถทำการดัดโค้งโดยใช้รัศมีการดัดโค้ง (bending  radius) ที่เล็กกว่าได้โดยไม่เกิดรอยแตกขึ้น   ในทางตรงกันข้ามเมื่อทำการดัดโค้งด้วยรัศมีการดัดโค้ง (bending  radius) ที่คงที่  วัสดุที่มีความสามารถในการดัดโค้งที่ดีกว่าจะสามารถทำการดัดโค้งได้ด้วยมุม (bending angle) ที่มากกว่าจึงจะเกิดรอยแตกขึ้น

          รัศมีการดัดโค้งที่ต่ำที่สุด (minimum  bend  radius) คือ รัศมีการดัดโค้งที่น้อยที่สุด ที่จะสามารถใช้ในการทำการดัดโค้งได้โดยที่ไม่เกิดรอยแตกที่พื้นผิวของวัสดุ โดยปกติแล้วรัศมีการดัดโค้งที่ต่ำที่สุด (minimum  bend  radius) จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาของชิ้นงาน ดังนั้นโดยมากมักจะรายงานค่ารัศมีการดัดโค้งที่ต่ำที่สุดโดยการบอกเป็นจำนวนเท่าของความหนาของวัสดุ (t) เช่น วัสดุที่มีรัศมีการดัดโค้งที่ต่ำที่สุด = 3t  ก็คือวัสดุที่สามารถทำการดัดโค้งด้วยรัศมีการดัดโค้งที่มากกว่า 3 เท่าของความหนาได้โดยไม่เกิดรอยแตกที่ผิว    ค่ารัศมีการดัดโค้งที่ต่ำที่สุด ไม่ใช่สมบัติที่เป็นค่าคงที่ของวัสดุ เนื่องมาจากความสามารถของผู้ตรวจสอบรอยแตกในการตรวจพบรอยแตกที่เริ่มเกิดขึ้นไม่เท่ากัน  และการใช้รัศมีการดัดโค้งในการทดสอบได้ไม่ต่อเนื่องและเหมือนกัน เนื่องจากจำกัดอยู่ที่ รัศมีของ  mandrel ที่ใช้ในการทดสอบ

          ในการเปรียบเทียบความสามารถในการดัดโค้งของวัสดุ  ข้อมูลที่จะนำมาเปรียบเทียบกันได้นั้นจะต้องมาจากการทดสอบที่ใช้วิธีการทดสอบแบบเดียวกัน,ผู้ตรวจสอบรอยแตกคนเดียวกัน และใช้ชิ้นทดสอบที่มีขนาดเท่ากัน ตลอดจนใช้รัศมีการดัดโค้ง (bending  radius) และมุมดัดโค้ง (bending angle) ที่เท่ากันด้วย ข้อมูลจึงจะสามารถนำมาเปรียบเทียบกันได้

          อุปกรณ์และเครื่องมือในการทำการทดสอบการดัดโค้ง นั้นไม่มีข้อกำหนดที่ตายตัว เนื่องจากการทดสอบไม่ซับซ้อนยุ่งยาก และไม่ต้องการความละเอียดของเครื่องมือมากนัก ขอแค่สามารถทำการดัดโค้งชิ้นทดสอบด้วยรัศมีต่างๆตามที่กำหนดไว้ หรือดัดโค้งไปด้วยมุม (bending angle) ที่ต้องการ เมื่อกำหนดรัศมีการดัดโค้ง (bending  radius) ที่คงที่ ได้ก็เพียงพอแล้ว   โดยทั่วไปเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการทดสอบการดัดโค้ง เช่น pin , roller และ mandrel นั้นควรจะมีความยาวยาวกว่า ความกว้างของชิ้นทดสอบ และจะต้องมีความแข็งแรง และแข็งเกร็ง เพียงพอที่จะทนต่อการแปรรูปและการสึกหรอในระหว่างทำการดัดโค้งได้

ภาพที่ 2 : อุปกรณ์และเครื่องมือในการทำการทดสอบการดัดโค้ง แบบต่างๆ

วิธีการทดสอบการดัดโค้ง  
          เราสามารถเลือกวิธีการทดสอบการดัดโค้งได้หลากหลายวิธี ซึ่งแต่ละวิธีจะแตกต่างกันในรายละเอียดแต่จะมีหลักการในการทดสอบที่เหมือนกัน วิธีทดสอบการดัดโค้งที่นิยมใช้กันโดยทั่วๆ ไปมี 3 วิธี ได้แก่

1. แบบ pressing  bend  

          การทดสอบทำโดย นำชิ้นทดสอบมาวางอยู่บนตัวฐานรอง ซึ่งควรจะเป็นทรงกระบอกที่มีรัศมีความโค้งไม่ต่ำกว่า 10 มม.  แล้วค่อยๆเพิ่มแรงในการกดที่จุดกึ่งกลางของชิ้นงานทดสอบ  เพื่อทำการดัดโค้งชิ้นงาน  ระยะห่างระหว่างฐานรองที่ใช้ในการทดสอบ =  2r + 3t โดยที่ r คือ รัศมีการดัดโค้ง  และ t คือ ความหนา หรือเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นทดสอบ  ส่วนปลายของ mandrel จะต้องเป็นทรงกระบอก ที่มีรัศมีความโค้งเท่ากับรัศมีการดัดโค้งที่ต้องการจะทำการทดสอบ

ภาพที่ 3 : Pressing  bending  method

2. แบบ Winding  bend  

          การทดสอบทำโดย ค่อยๆเพิ่มแรงที่ใช้ในการม้วนชิ้นทดสอบรอบๆ mandrel  ตามที่กำหนดไว้ โดยการที่กดยึดปลายด้านหนึ่งของชิ้นทดสอบไว้ และทำการดัดโค้งที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ทำให้เกิดการดัดโค้งรอบ mandrel ดังรูป

ภาพที่ 4 : Winding  bending  method

3. แบบ V-block  bend

          การทดสอบทำโดย นำชิ้นทดสอบมาวางอยู่บนฐานรูปตัววี  ดังรูป แล้วค่อยๆ เพิ่มแรงกดผ่าน mandrel ลงตรงกลางของชิ้นงานทดสอบ เพื่อทำการดัดโค้งชิ้นงานให้ได้ตามที่กำหนดไว้

ภาพที่ 5 : V-block  bending  method

ชิ้นงานในการทดสอบการดัดโค้ง
          ชิ้นงานที่มีรูปทรงเป็นแผ่น และท่อนจะสามารถตัดมาทำการทดสอบได้เลย  แต่สำหรับชิ้นงานที่มีหน้าตัดเป็นรูปหลายเหลี่ยม (polygonal  section) ในบางกรณี ชิ้นทดสอบอาจจะหนาเกินกว่าที่อุปกรณ์ยึดจับจะจับได้ หรือเครื่องที่จะทำการทดสอบการดัดโค้งอาจจะมีกำลังไม่สูงพอ  จึงต้องมีการกลึงไส หรือขัดให้ผิวด้านหนึ่งเรียบลง โดยใช้ด้านที่ไม่ได้ถูกกลึงเป็นผิวด้านนอกที่จะต้องรับแรงดึงในระหว่างทำการทดสอบการดัดโค้ง   ขอบของชิ้นงานที่ทำการตัดมา อาจทำการตะไบหรือขัดด้วยสายพานให้ผิวเรียบลงได้   โดยรัศมีของขอบของชิ้นงานควรจะมีขนาดรัศมีมากกว่า  1/10 ของความหนาของชิ้นงานขึ้นไป  แต่สำหรับชิ้นงานที่มีอัตราส่วนความกว้าง/ความหนา มากกว่า 8 ไม่มีความจำเป็นจะต้องเตรียมขอบให้เรียบลง ยกเว้นในกรณีที่เกิดรอยแตกขึ้นที่มุม ในระหว่างการทดสอบการดัดโค้ง

          สำหรับความยาวของชิ้นทดสอบ สำหรับการทดสอบแบบ   Wrap  bending  และ Wipe  bending ชิ้นทดสอบจะต้องมีความยาวพอที่จะสามารถจับได้โดยไม่เกิดการเลื่อนไถล  แต่สำหรับการทดสอบแบบ V-block  bending ขอแค่มีความยาวเกินกว่าระยะระหว่างฐานรองก็สามารถทำการทดสอบได้

          ชิ้นงานที่นำมาทดสอบการดัดโค้งจะเตรียมมาจากแนวใดก็ได้ แต่โดยปกติชิ้นงานที่เตรียมในแนวตั้งฉากกับแนวรีด จะมีความเหนียวต่ำกว่าชิ้นงานที่เตรียมในแนวขนานกับแนวรีด

ภาพที่ 6 : ชิ้นงานทดสอบการดัดโค้งที่เตรียมมาจากแนวต่างๆ

          สำหรับชิ้นงานที่มีอัตราส่วน ความกว้าง/ความหนา ต่ำกว่า 8  สภาวะการทดสอบจะเป็นแบบความเค้นระนาบ  ซึ่งค่าความต้านทานการดัดโค้งจะขึ้นกับ อัตราส่วนความกว้าง/ความหนา ดังรูปที่ 7แต่สำหรับชิ้นงานที่มีอัตราส่วน ความกว้าง/ความหนา มากกว่า 8 ขึ้นไป  การดัดโค้งที่เกิดขึ้นจะอยู่ในสภาวะของ ความเครียดระนาบ และความต้านทานการดัดโค้งจะไม่ขึ้นกับ อัตราส่วนความกว้าง/ความหนา ดังนั้น การทดสอบการดัดโค้งจึงมักจะกำหนดขนาดชิ้นงานให้มีอัตราส่วน ความกว้าง/ความหนา มากกว่า 8 ขึ้นไป เพื่อกำจัดผลของขนาดของชิ้นงาน ที่จะมีต่อการทดสอบ

ภาพที่ 7 : ความเค้นและความเครียดในการทดสอบการดัดโค้ง

• (a) ความเค้นและความเครียดที่เกิดขึ้น ณ บริเวณที่ทดสอบการดัดโค้ง
• (b) กราฟระหว่างความเครียดและ อัตราส่วนความกว้าง/ความหนา

          ดังที่ได้กล่าวมาข้างต้น จะเห็นได้ว่าปกติเราจะไม่ค่อยมีข้อกำหนดเกี่ยวกับขนาดของชิ้นทดสอบการดัดโค้งมากนัก แต่อย่างไรก็ดี ตามมาตรฐาน JIS Z 2204 ได้แบ่งชิ้นทดสอบสำหรับการดัดโค้ง ออกเป็น 3 กลุ่ม ดังนี้

1.) ชิ้นทดสอบประเภทแผ่นที่มีความหนา (t) ตั้งแต่ 3 มม. ขึ้นไป โดยความกว้าง (w) ของชิ้นทดสอบที่ใช้จะอยู่ระหว่าง 20 - 50 มม.  ถ้าวัสดุมีความกว้างไม่ถึงตามที่กำหนดก็ให้ใช้ความกว้างสูงสุดที่สามารถเตรียมได้    ส่วนความยาวนั้นจะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นทดสอบ และอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ

          ถ้าวัสดุมีความหนามากกว่า 25 มม. สามารถที่จะทำการกลึงไสผิวด้านหนึ่งให้มีความหนาลดลงได้ ตามแต่ความเหมาะสมกับอุปกรณ์การทดสอบ แต่ต้องมีความหนาไม่ต่ำกว่า  25 มม. และในการทดสอบ ให้ใช้ด้านที่ไม่ได้ทำการกลึงไสมาเป็นผิวด้านนอกที่รับแรงดึงในระหว่างทำการดัดโค้ง



ภาพที่ 8 : ชิ้นงานทดสอบประเภทแผ่น

2.) ชิ้นทดสอบท่อน (bar) ดังแสดงในรูปที่ 9  โดยค่า  D ซึ่งเป็นเส้นผ่านศูนย์กลาง (สำหรับชิ้นงานที่มีหน้าตัดเป็นวงกลม) หรืออาจเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของรูปหลายเหลี่ยม (สำหรับชิ้นงานที่มีหน้าตัดเป็นรูปหลายเหลี่ยม)   ถ้าวัสดุมีค่า D มากกว่า 30 มม. สามารถที่จะทำการกลึงไสให้มีขนาดเล็กลง แต่ต้องมี D หลังทำการกลึงไสไม่ต่ำกว่า  25 มม. ดังรูปที่ 10  และในการทดสอบ ให้ใช้ด้านที่ไม่ได้ทำการกลึงไสมาเป็นผิวด้านที่รับแรงดึงในระหว่างทำการดัดโค้ง     ส่วนความยาวของชิ้นทดสอบนั้นจะขึ้นอยู่กับค่า D ของชิ้นทดสอบ และอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ



ภาพที่ 9 : ชิ้นงานทดสอบประเภท bar ก่อนทำการกลึงไส



ภาพที่ 10 : ชิ้นงานทดสอบประเภท bar หลังจากทำการกลึงไสแล้ว

3.) ชิ้นทดสอบสำหรับทำการทดสอบ วัสดุพวก plate หรือ strip ที่มีความหนาต่ำกว่า 3 มม. ลงไป โดยความกว้างของชิ้นทดสอบจะใช้อยู่ระหว่าง 15 -50 มม.  โดยถ้าวัสดุมีความกว้างไม่ถึงตามที่กำหนดก็ให้ใช้ความกว้างสูงสุดที่สามารถเตรียมได้     ส่วนความยาวนั้นจะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นทดสอบ และอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ

 

ที่มา : สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย