การทดสอบความอ่อนล้า (Fatigue Tests)

การกำหนดความต้านทานการสั่นสะเทือนของวัสดุและชิ้นส่วนโดยใช้เทคโนโลยีการวัด 3D แบบออปติคอล

การทดสอบความอ่อนล้าถูกแบ่งออกเป็นหมวดหมู่ต่าง ๆ ดังนี้:

การทดสอบความอ่อนล้ารอบต่ำ (Low Cycle Fatigue Tests) ตามมาตรฐาน ISO 12106 และ ASTM E606
การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (High Cycle Fatigue Tests) ตามมาตรฐาน DIN 50100, ASTM E466-15 หรือ ISO 1099

การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (HCF) ซึ่งเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า การทดสอบ S-N, การทดสอบความอ่อนล้าแบบ Woehler หรือการทดสอบการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง เป็นการทดสอบโหลดแบบเป็นวัฏจักรที่ใช้เพื่อหาพฤติกรรมความอ่อนล้าของวัสดุและชิ้นส่วน พฤติกรรมความอ่อนล้าหรือความต้านทานการสั่นสะเทือนให้ข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนรูปและพฤติกรรมการแตกหักของวัสดุหรือชิ้นส่วนภายใต้ภาระที่เปลี่ยนแปลงแบบพลศาสตร์หรือการสั่นสะเทือน ผลลัพธ์การทดสอบมีบทบาทสำคัญสำหรับการใช้งานวัสดุและชิ้นส่วนในทางปฏิบัติ เนื่องจากภาระการโหลดเชิงกลแบบหมุนเวียนมักเป็นสาเหตุของการล้มเหลวของชิ้นส่วน การทราบพฤติกรรมความอ่อนล้าช่วยให้สามารถสรุปผลได้อย่างแม่นยำเกี่ยวกับความต้านทานความอ่อนล้าในช่วงชีวิตจำกัดได้และขีดจำกัดความอ่อนล้าของวัสดุหรือชิ้นส่วน ความรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมความอ่อนล้าของวัสดุและชิ้นส่วนช่วยให้มั่นใจว่าไม่มีความเสียหายของวัสดุที่เป็นอันตรายหรือการล้มเหลวจากความอ่อนล้าอย่างฉับพลันเกิดขึ้นในระหว่างวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์สุดท้าย

การกระจุกตัวของความเครียดและผลกระทบจากรอยแยก

การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (HCF) สามารถใช้ในการวิจัยพื้นฐาน เช่น ในการศึกษาคอมโพสิตเสริมไฟเบอร์ใหม่ ๆ ในสาขาต่าง ๆ เช่น วิศวกรรมยานยนต์ อากาศ หรือชีวกลศาสตร์ นอกจากนี้ การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (หรือที่เรียกว่าการทดสอบความอ่อนล้าแบบ Woehler) เป็นส่วนสำคัญของการทดสอบต้นแบบ ซึ่งสามารถใช้เพื่อประเมินการออกแบบส่วนประกอบหรือคำนวณอายุการใช้งานได้เป็นต้น นักออกแบบไม่สามารถพึ่งพาลักษณะของวัสดุทั่วไปในการพัฒนาผลิตภัณฑ์โดยไม่ทำการทดสอบ เนื่องจากลักษณะเหล่านี้ไม่สามารถถ่ายโอนแบบ 1:1 ไปยังส่วนประกอบใด ๆ ได้ สาเหตุคือ รูเจาะ ขนาดและรูปทรงของส่วนประกอบ รวมถึงลักษณะการออกแบบอื่น ๆ ทำให้เกิดการกระจายความเครียดที่แตกต่างออกไปบนส่วนประกอบเมื่อเทียบกับการกระจายความเครียดที่เกิดขึ้นบนรูปทรงตัวอย่างมาตรฐานในการทดสอบวัสดุ ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นคือ ลักษณะการออกแบบแต่ละอย่างมีผลกระทบต่อพฤติกรรมความอ่อนล้าของส่วนประกอบอย่างมาก และอาจเร่งให้เกิดความล้มเหลวได้เร็วขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าผลกระทบจากรอยแยก (หรือผลกระทบจากการรวมตัวของความเครียด) ในเอกสารทางเทคนิค

การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (HCF) ทำงานอย่างไร?

ชิ้นงานทดสอบจะถูกวางในแท่นทดสอบและได้รับการโหลดแบบวนรอบ (แรงดึง การบีบอัด การงอ การบิด หรือการเฉือน) โดยทั่วไปจะใช้ฟังก์ชันการโหลดในรูปแบบไซน์ตามเวลา ในระหว่างการทดสอบความอ่อนล้าแบบ Wöhler ความเครียดเฉลี่ยจะคงที่ ตัวอย่างของชุดทดสอบจะถูกโหลดสลับกันโดยการเบี่ยงเบนความเครียด (แอมพลิจูด) ทั้งสองข้างของระดับความเครียดเฉลี่ยจนกว่าจะเกิดเกณฑ์การล้มเหลวที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เช่น:

การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (HCF) ดำเนินไปจนกว่าตัวอย่างจะล้มเหลว (หรือเกิดเกณฑ์การล้มเหลวที่กำหนดไว้ชัดเจน เช่น การแตกหักหรือการเกิดรอยร้าว)
ค่าขีดจำกัดในจำนวนรอบการทดสอบจะถูกกำหนดไว้ล่วงหน้า การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (การทดสอบ S-N) จะสิ้นสุดเมื่อชิ้นงานหรือส่วนประกอบถึงจำนวนรอบการทดสอบที่กำหนดโดยไม่แสดงเกณฑ์การล้มเหลวที่มองเห็นได้ ในกรณีนี้ ชิ้นงานหรือส่วนประกอบที่ทดสอบจะถือว่าเป็นวัสดุที่ทนทานต่อความอ่อนล้า
นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทดสอบมักจะทำการทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (การทดสอบ S-N) หลายครั้งบนชิ้นงานตัวอย่างที่เหมือนกันทีละตัว การแอมพลิจูดของความเครียดจากตัวอย่างหนึ่งไปยังอีกตัวอย่างหนึ่งจะถูกลดลงทีละน้อย (วิธีขั้นบันได) จนกระทั่งเหตุการณ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (เช่น การแตกของตัวอย่างทดสอบ) ไม่เกิดขึ้นอีก หรือจนกระทั่งถึงจำนวนรอบโหลดที่กำหนดไว้ โดยทั่วไปแล้ว จะมีการทดสอบอย่างน้อยสามครั้งต่อแอมพลิจูดของการโหลดแต่ละตัวเพื่อยืนยันค่าอย่างมีสถิติ

ผลลัพธ์ของการทดสอบทั้งหมดในชุดการทดสอบความอ่อนล้าแบบ Wöhler จะถูกรวมเข้าในแผนภาพ: แผนภาพ Wöhler แผนภาพนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแอมพลิจูดของความเครียด (แกน Y) และจำนวนรอบโหลดที่เป็นเกณฑ์ (แกน X) ของพวกมัน ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นเส้นโค้ง Wöhler (หรือที่เรียกอีกอย่างว่า: เส้น Woehler)

สามารถวัดการเสียรูปในการทดสอบความอ่อนล้ารอบสูงได้อย่างไร?

อุปกรณ์การวัดแบบคลาสสิกสำหรับการทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง คือ Strain gauge ซึ่งค่าความต้านทานของมันจะเปลี่ยนไปเมื่อพื้นผิวของวัตถุเกิดความเค้นหรือบีบอัด Strain gauge มีจำหน่ายในตลาดในหลากหลายวัสดุและรูปทรง ซึ่งทำให้สามารถเลือกใช้ Strain gauge ที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบมาตรฐานต่าง ๆ ได้ เพื่อบันทึกการเปลี่ยนแปลงของวัสดุหรือส่วนประกอบที่กำลังทดสอบ จะต้องติดตั้ง Strain gauge หนึ่งตัวหรือมากกว่าบนตัวอย่าง และเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ขยายสัญญาณหรือระบบการเก็บข้อมูล (DAQ) ผ่านสายเคเบิล

สิ่งที่ดูเหมือนง่ายกลับกลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อนมากขึ้นในทางปฏิบัติ: การใช้งาน Strain gauge/เครื่องวัดในพื้นที่เฉพาะเจาะจงถือเป็นการแทรกแซงทางกายภาพในโครงสร้างของพื้นผิวตัวอย่าง ถึงแม้ว่าชั้นกาวของ Strain gauge/เครื่องวัดจะบางมาก แต่ยังคงสามารถสังเกตเห็นผลกระทบจากรอยแยกในพื้นที่เฉพาะเจาะจงได้ ข้อบกพร่องเล็ก ๆ ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวอาจนำไปสู่การแตกหักที่ไม่พึงประสงค์ในบริเวณที่ติดตั้ง Strain gauge/เครื่องวัดซึ่งทำให้ผลการทดสอบผิดพลาด นอกจากนี้ การใช้ Strain gauge/เครื่องวัดก่อให้เกิดปัญหาที่สอง: ไม่เพียงแค่วัสดุที่ทดสอบจะเกิดอ่อนล้าเท่านั้น แต่วัสดุของ Strain gauge/เครื่องวัดก็อาจประสบกับความอ่อนล้าเช่นกัน โดยเฉพาะในคอมโพสิตเทคโนโลยีสูง วัสดุของ Strain gauge/เครื่องวัดอาจเกิดความอ่อนล้าก่อนวัสดุที่ทดสอบเอง ดังนั้น การทดสอบความอ่อนล้ารอบสูงอาจต้องถูกยกเลิกก่อนเวลาที่ตั้งใจไว้จริง ๆ คืออาจจะถูกยกเลิกเมื่อ Strain gauge/เครื่องวัดประสบความล้มเหลวแล้ว

ทางเลือกหรือเสริมที่มีประโยชน์แทนหรือเสริมการใช้ Strain gauge/เครื่องวัดคือการใช้เทคโนโลยีการวัด 3D แบบออปติคอล: ระบบการวัดแบบใช้กล้องติดตามกระบวนการทดสอบในเวลาเรียลไทม์ (ในรูปแบบของระบบเซนเซอร์หลายตัวจากมุมมองที่แตกต่างกันพร้อมกัน) และสามารถเก็บข้อมูลการวัดได้โดยไม่ต้องสัมผัส ค่าการวัดที่บันทึกได้ของความเค้นและการเคลื่อนที่แบบ 3D ให้ข้อมูลที่ชัดเจนเกี่ยวกับการเปลี่ยนรูปของตัวอย่างทดสอบ ข้อมูลที่วัดได้จะถูกถ่ายโอนไปยังซอฟต์แวร์การวัดโดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยให้สามารถทำการประเมินผลต่าง ๆ (เช่น การเปรียบเทียบข้อมูลการวัดกับข้อมูลการจำลอง) ได้

ระบบการวัดใดที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบความอ่อนล้ารอบสูง (HCF)?

ระบบการวัดแบบออปติคัล 3D ของ ARAMIS บันทึกพิกัดแบบ 3D การเคลื่อนที่แบบ 3D และการยืดตัวของพื้นผิวแบบ 2D ด้วยความแม่นยำสูง ทั้งบนพื้นผิวทั้งหมดและที่จุดที่สนใจเฉพาะ พื้นที่การวัดของระบบ ARAMIS สามารถปรับให้เหมาะสมกับตัวอย่างทดสอบได้อย่างยืดหยุ่น ไม่ว่าจะเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กหรือโครงสร้างพิเศษที่ยาวหลายเมตร เซนเซอร์ ARAMIS ก็สามารถครอบคลุมการตั้งค่าทดสอบทั้งหมดได้เสมอ แตกต่างจากการใช้ Strain gauge/เครื่องวัดแบบดั้งเดิม ระบบจะบันทึกข้อมูลการวัดทั้งหมดโดยไม่สัมผัสกับตัวอย่างวัตถุเลย หากต้องการ ผู้ใช้ยังสามารถติดตั้ง Strain gauge/เครื่องวัดแบบเสมือนจริงบนชิ้นส่วนผ่าน ZEISS INSPECT software ที่ได้รับการเชื่อมต่อโดยไม่ต้องกังวลล่วงหน้าว่าการยืดตัวสูงสุดจะเกิดขึ้นที่ไหน ซอฟต์แวร์จะช่วยแนะนำผู้ใช้ตลอดกระบวนการวัดทั้งหมด: โดยเริ่มตั้งแต่การเก็บข้อมูลการวัดผ่านการวิเคราะห์การเปลี่ยนรูปของพื้นผิวหรือการเคลื่อนที่ 3D แบบจุด ไปจนถึงการสร้างรายงานการวัดที่มีความหมาย ซึ่งเข้าใจและตีความได้ง่าย แม้แต่สำหรับผู้ใช้ที่ไม่มีประสบการณ์ในเทคโนโลยีการวัด (เช่น คู่ค้าหรือลูกค้า) ยกตัวอย่างเช่น การขยายของการเปลี่ยนรูปของตัวอย่างทดสอบสามารถแสดงผลในรูปแบบการเบี่ยงเบนของสีได้

แชร์หน้านี้