การใช้ค่าความแข็งเพื่อคำนวณค่าความต้านทานแรงดึงในมุมมองโลหะวิทยางานเชื่อม
ในงานโลหะวิทยาการเชื่อม ค่าความแข็ง (Hardness) เป็นตัวชี้วัดที่สำคัญ ใช้ในการคาดการณ์ค่าความต้านทานแรงดึง (Tensile Strength) ได้
ความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งและค่าความต้านทานแรงดึงใช้ในการประเมินสมบัติทางกลของ Weld Metal) และ HAZ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าค่าความแข็งและความต้านทานแรงดึงจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างจุลภาคและกระบวนการทางความร้อน
แต่มีการศึกษาหลายชิ้นที่แสดงให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์เชิงเส้นโดยประมาณ*** ระหว่างค่าความแข็งในหน่วย Brinell Hardness (HB), Vickers Hardness (HV) และ Rockwell Hardness (HR) กับค่าความต้านทานแรงดึง (UTS, Ultimate Tensile Strength)
ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความแข็งและความต้านทานแรงดึงขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นในแนวเชื่อมและ HAZ
การเกิด มาร์เทนไซต์ (Martensite), เฟอร์ไรต์ (Ferrite), เพิร์ลไลต์ (Pearlite), และเบนไนต์ (Bainite) มีผลต่อค่าความแข็งและความต้านทานแรงดึงโดยตรง
เหล็กกล้าที่มีปริมาณมาร์เทนไซต์สูงจะมีค่าความแข็งสูงขึ้นและค่าความต้านทานแรงดึงที่สูงขึ้นตามไปด้วย ในขณะที่เหล็กกล้าที่มีโครงสร้างเฟอร์ไรต์หรือเพิร์ลไลต์จะมีค่าความแข็งต่ำกว่า ในการประมาณค่าความต้านทานแรงดึงจากค่าความแข็งสามารถแสดงได้ดังนี้
UTS≈3.45×HB
UTS≈0.35×HV
โดยที่ UTS มีหน่วยเป็น MPa และ HB, HV เป็นค่าความแข็งของวัสดุ อย่างไรก็ตาม สมการเหล่านี้ใช้ได้ดีสำหรับวัสดุที่มีโครงสร้างจุลภาคที่คล้ายกัน หากมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง เช่น การเปลี่ยนเฟสจากเฟอร์ไรต์เป็นมาร์เทนไซต์ หรือเกิดการแยกตัวของธาตุผสม อาจทำให้ค่าที่คำนวณได้มีความคลาดเคลื่อน
ในกรณีของแนวเชื่อม ค่าเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัว (Cooling Rate) และการเกิดโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน เนื่องจาก HAZ อาจมีอุณหภูมิสูงและเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ซึ่งมีค่าความแข็งสูงและเปราะ ในขณะที่ Weld Metal อาจมีเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ที่ช่วยเพิ่มความเหนียวและลดค่าความแข็งลง การใช้ค่าความแข็งเพื่อคำนวณค่าความต้านทานแรงดึงในงานเชื่อมจึงต้องพิจารณาปัจจัยเหล่านี้ร่วมด้วย
อีกปัจจัยงคือผลกระทบของส่วนผสมทางเคมี แนวเชื่อมที่มีคาร์บอนสูงมักจะมีค่าความแข็งและค่าความต้านทานแรงดึงที่สูงขึ้น แต่ก็อาจทำให้เปราะมากขึ้นเช่นกัน การเติมธาตุผสม เช่น โครเมียม (Cr), โมลิบดีนัม (Mo), และวานาเดียม (V) ช่วยปรับปรุงสมบัติทางกลของแนวเชื่อมและทำให้สามารถคำนวณค่าความแข็งและค่าความต้านทานแรงดึงได้แม่นยำขึ้น
การใช้ค่าความแข็งในการคำนวณค่าความต้านทานแรงดึงมีประโยชน์ในงานเชื่อม เช่น ในการตรวจสอบแนวเชื่อมภาคสนามโดยใช้การทดสอบความแข็งแบบ Vickers หรือ Rockwell ซึ่งใช้เป็นเกณฑ์ในการประเมินความแข็งแรงของแนวเชื่อมโดยไม่ต้องทำการทดสอบแรงดึงแบบทำลาย (Destructive Tensile Testing) การใช้ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความแข็งและความต้านทานแรงดึงช่วยให้ประเมินความแข็งแรงของแนวเชื่อมได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องใช้กระบวนการทดสอบที่ซับซ้อน
เทคนิคที่ได้รับการยอมรับและใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยอาศัยความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างค่าความแข็งและค่าความต้านทานแรงดึง พิจารณาถึงปัจจัยที่อาจส่งผลต่อความแม่นยำ เช่น ส่วนผสมทางเคมี อัตราการเย็นตัวและโครงสร้างจุลภาคของแนวเชื่อมและ HAZ เพื่อให้การคำนวณมีความถูกต้องและนำไปใช้ในงานภาคสนามได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ค่าความแข็งเพื่อคำนวณค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength, UTS) และ Yield Strength, YS ได้ โดยทั่วไปมีความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างค่าความแข็งและค่าความเค้นครากที่นำมาใช้ในการประมาณค่าได้ ความสัมพันธ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับวัสดุและโครงสร้างจุลภาคของแนวเชื่อม
1.ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความแข็งกับค่า Yield Strength, YS) และค่า UTS จากการศึกษาทางโลหะวิทยา ค่าความเค้นครากสามารถประมาณได้จากค่าความแข็งในหน่วยต่าง ๆ เช่น Brinell Hardness (HB), Vickers Hardness (HV), และ Rockwell Hardness (HR) ความสัมพันธ์ที่นิยมใช้กันมีดังนี้
UTS(MPa)≈3.45×HB
YS(MPa)≈0.35×HV
นอกจากนี้ ความสัมพันธ์เชิงประสบการณ์ที่ใช้ในเหล็กกล้าและแนวเชื่อม ได้แก่
YS(MPa)≈0.7×UTS
YS(MPa)≈0.1×HV+10
2.การคำนวณตัวอย่าง การหาค่าความเค้นครากจากค่าความแข็งของแนวเชื่อม
ตัวอย่างที่ 1***
คำนวณค่าความเค้นครากจากค่าความแข็ง Vickers
สมมติว่า แนวเชื่อมของเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) มีค่าความแข็งวัดได้ HV = 200
YS=0.35×200=70 MPa
ตัวอย่างที่ 2: คำนวณค่าความเค้นครากจากค่าความแข็ง Brinell
สมมติว่า แนวเชื่อมของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ มีค่าความแข็ง HB = 180
UTS=3.45×180=621 MPa
YS=0.7×621=434.7 MPa
จากการคำนวณจะเห็นว่า เหล็กกล้าที่มีค่าความแข็งสูงขึ้นจะมีค่าความเค้นครากสูงขึ้นด้วย อย่างไรก็ตามความสัมพันธ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาคของแนวเชื่อมและส่วนทางเคมี
3. ปัจจัยที่ส่งผลต่อความสัมพันธ์ระหว่างค่าความแข็งและค่าความเค้นคราก
โครงสร้างจุลภาคของแนวเชื่อม (Weld Microstructure) แนวเชื่อมที่มีมาร์เทนไซต์ (Martensitic) จะมีค่าความแข็งสูงและค่าความเค้นครากสูง
แนวเชื่อมที่มีเฟอร์ไรต์ (Ferritic) หรือเพิร์ลไลต์ (Pearlitic) จะมีค่าความแข็งต่ำและค่าความเค้นครากต่ำ
ส่วนผสมทางเคมีของแนวเชื่อม การเติมโครเมียม (Cr), โมลิบดีนัม (Mo), และวาเนเดียม (V) จะเพิ่มค่าความแข็งและค่าความเค้นคราก แนวเชื่อมที่มีคาร์บอนสูงขึ้นจะมีค่าความแข็งสูงขึ้น แต่ความเหนียวลดลง
กระบวนการเชื่อมและอัตราการเย็นตัว (Cooling Rate)
อัตราการเย็นตัวสูงจะเพิ่มปริมาณมาร์เทนไซต์ ส่งผลให้ค่าความแข็งสูงขึ้น
หากโลหะเย็นตัวช้า อาจทำให้เกิดเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์มากขึ้น ทำให้ค่าความแข็งลดลง
เอกสารอ้างอิง
1. ASM International. (2016). ASM Handbook, Volume 13: Corrosion. ASM International.
2. ASM International. (2016). ASM Handbook, Volume 11: Failure Analysis and Prevention. ASM International.
3. ASM International. (2016). ASM Handbook, Volume 13A: Welding, Brazing, and Soldering. ASM International.
4. Kou, S. (2021). Welding Metallurgy (3rd ed.). John Wiley & Sons.
5. Lippold, J. C., & Kotecki, D. J. (2005). Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels. John Wiley & Sons.
6. Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2020). Materials Science and Engineering: An Introduction (10th ed.). Wiley.
7. Bhadeshia, H. K. D. H. (2001). Steels: Microstructure and Properties (3rd ed.). Butterworth-Heinemann.
8. Viswanathan, R. (1995). Damage Mechanisms and Life Assessment of High-Temperature Components. ASM International.
9. Eberhart, M. (2020). Why Things Break: Understanding High-Temperature Material Failures. Princeton University Press.
10. Hancock, P. (2013). Materials for High-Temperature Power Generation and Process Plant Applications. CRC Press.
11. Bailey, N. (1993). Weldability of Ferritic Steels. Woodhead Publishing.
12. Gaskell, D. R. (2017). Introduction to the Thermodynamics of Materials (6th ed.). CRC Press.
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น