Glossary Category: M

โมดูลัสความยืดหยุ่นคืออะไร

โมดูลัสความยืดหยุ่น หรือที่เรียกว่าโมดูลัสยืดหยุ่นหรือเรียกง่ายๆ ว่าโมดูลัส คือการวัดความยืดหยุ่นของวัสดุ โมดูลัสยืดหยุ่นเป็นการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปที่ไม่ถาวรหรือการเสียรูปแบบยืดหยุ่น เมื่อได้รับความเค้น วัสดุจะแสดงคุณสมบัติยืดหยุ่นก่อน ความเค้นทำให้วัสดุเสียรูป แต่วัสดุจะกลับสู่สภาพเดิมหลังจากความเค้นถูกขจัดออกไป หลังจากผ่านบริเวณยืดหยุ่นและผ่านจุดครากของวัสดุแล้ว วัสดุจะเข้าสู่บริเวณพลาสติก ซึ่งวัสดุจะแสดงการเสียรูปถาวรแม้หลังจากความเค้นแรงดึงถูกขจัดออกไปแล้ว

โมดูลัสถูกกำหนดให้เป็นความชันของส่วนเส้นตรงของเส้นโค้งความเค้น (σ) ความเครียด (ε) โดยเน้นที่บริเวณยืดหยุ่น หากความชันถูกคำนวณระหว่างจุดความเค้น-ความเครียดสองจุด โมดูลัสคือการเปลี่ยนแปลงของความเค้นหารด้วยการเปลี่ยนแปลงของความเครียด โมดูลัส = (σ2 - σ1) / (ε2 - ε1) โดยที่ความเค้น (σ) คือแรงหารด้วยพื้นที่หน้าตัดของชิ้นทดสอบ และความเครียด (ε) คือการเปลี่ยนแปลงความยาวของวัสดุหารด้วยความยาวมาตรฐานเดิมของวัสดุ เนื่องจากทั้งความเค้นและความเครียดเป็นการวัดที่ปรับมาตรฐานแล้ว โมดูลัสจึงเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่สม่ำเสมอซึ่งสามารถเปรียบเทียบระหว่างชิ้นทดสอบที่มีขนาดต่างกันได้ ชิ้นทดสอบเหล็กขนาดใหญ่จะมีโมดูลัสเท่ากับชิ้นทดสอบเหล็กขนาดเล็ก แม้ว่าชิ้นทดสอบขนาดใหญ่จะต้องใช้แรงสูงสุดที่มากกว่าในการทำให้วัสดุเสียรูป วัสดุเปราะเช่นโลหะ พลาสติก และวัสดุผสมจะแสดงความชันที่สูงกว่าและค่าโมดูลัสที่สูงกว่าวัสดุเหนียวเช่นยาง

โมดูลัสของอีลาสโตเมอร์

แตกต่างจากวัสดุเปราะเช่นพลาสติกและโลหะ วัสดุอีลาสโตเมอริกไม่แสดงจุดครากและยังคงเสียรูปแบบยืดหยุ่นจนกระทั่งแตกหัก ในกรณีนี้ โมดูลัสจะถูกรายงานเป็นการวัดแรงที่การยืดตัวที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ในกราฟด้านล่าง โมดูลัสถูกรายงานเป็นความเค้นที่ความเครียด 100, 200 และ 300%

แม้ว่าโมดูลัสจะถูกรายงานโดยทั่วไปในระหว่างการทดสอบแรงดึง โมดูลัสความยืดหยุ่นยังสามารถรายงานเป็นโมดูลัสความยืดหยุ่นแบบอัดสำหรับการทดสอบการอัด โมดูลัสความยืดหยุ่นแบบดัดสำหรับการทดสอบการดัด โมดูลัสความยืดหยุ่นแบบเฉือนสำหรับการทดสอบการเฉือน หรือโมดูลัสความยืดหยุ่นแบบบิดสำหรับการทดสอบการบิด โมดูลัสความยืดหยุ่นอาจถูกกำหนดโดยการทดสอบแบบไดนามิกด้วย ซึ่งสามารถได้มาจากโมดูลัสเชิงซ้อน

การคำนวณโมดูลัสประเภทต่างๆ

ผู้ใช้ที่บันทึกโมดูลัสควรทราบว่ามีวิธีการต่างๆ มากมายในการคำนวณความชันของส่วนเชิงเส้นเริ่มต้นของเส้นโค้งความเค้น/ความเครียด ตัวอย่างเช่น ซอฟต์แวร์ Bluehill® Universal ของ Instron มีวิธีการคำนวณโมดูลัสความยืดหยุ่นมากกว่าแปดวิธี เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์โมดูลัสสำหรับวัสดุที่กำหนดระหว่างห้องปฏิบัติการต่างๆ การทราบว่าเลือกใช้การคำนวณโมดูลัสประเภทใดจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

โมดูลัสของยัง

ความชันถูกคำนวณบนส่วนเชิงเส้นเริ่มต้นของเส้นโค้งโดยใช้การปรับเส้นโค้งแบบกำลังสองน้อยที่สุดกับข้อมูลการทดสอบ ความชันที่สูงที่สุดจะถูกรายงานเป็นโมดูลัส

โมดูลัสคอร์ด

ผู้ใช้เลือกจุดความเครียดเริ่มต้นและจุดความเครียดสิ้นสุด เส้นตรงถูกลากระหว่างสองจุดและความชันของเส้นนั้นถูกบันทึกเป็นโมดูลัส

โมดูลัสซีแคนต์

ใช้จุดความเค้น/ความเครียดศูนย์เป็นค่าเริ่มต้นและจุดความเครียดที่ผู้ใช้เลือกเป็นค่าสิ้นสุด เส้นตรงถูกลากระหว่างสองจุด และความชันของเส้นนั้นถูกบันทึกเป็นโมดูลัส

โมดูลัสเซกเมนต์

ผู้ใช้เลือกจุดความเครียดเริ่มต้นและจุดความเครียดสิ้นสุด โดยใช้การปรับเส้นโค้งแบบกำลังสองน้อยที่สุดกับจุดทั้งหมดระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด เส้นตรงถูกสร้างขึ้น ความชันของเส้นที่เหมาะสมที่สุดถูกรายงานเป็นโมดูลัส

โมดูลัสแทนเจนต์

ผู้ใช้เลือกจุดแทนเจนต์บนเส้นโค้งความเค้น/ความเครียด ความชันของเส้นแทนเจนต์ถูกรายงานเป็นโมดูลัส

อี-โมดูลัส

โมดูลัสยืดหยุ่นถูกกำหนดโดยใช้เทคนิคการถดถอยเชิงเส้นมาตรฐาน ส่วนของเส้นโค้งที่จะใช้สำหรับการคำนวณถูกเลือกโดยอัตโนมัติและไม่รวมส่วนเริ่มต้นและส่วนสุดท้ายของการเสียรูปแบบยืดหยุ่นที่เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดไม่เป็นเชิงเส้น

โมดูลัสฮิสเทอรีซิส

โมดูลัสถูกกำหนดโดยลูปฮิสเทอรีซิสที่เกิดจากส่วนการโหลดและการโหลดซ้ำ

 

อัตราการไหลของพลาสติกหลอมเหลวเป็นการวัดความง่ายในการไหลของพลาสติกที่หลอมเหลวและเป็นดัชนีทั่วไปสำหรับการควบคุมคุณภาพของเทอร์โมพลาสติก เดิมเรียกว่าดัชนีการไหลของพลาสติกหลอมเหลวหรือดัชนีการหลอมเหลว (โดยทั่วไปสำหรับพอลิเอทิลีน แต่ใช้กับวัสดุหลากหลายชนิด) มาตรฐานในปัจจุบันคืออัตราการไหลของมวลหลอมเหลวหรือ MFR ซึ่งเป็นการไหลของมวลที่แสดง (หน่วย SI) ในหน่วย g/10min ปริมาณทางเลือกคือการไหลของปริมาตรที่แสดง (หน่วย SI) ในหน่วย cm3/10min เรียกว่าอัตราการไหลของปริมาตรหลอมเหลวหรือ MVR เมื่อคูณ MVR ด้วยความหนาแน่นของพลาสติกหลอมเหลว (คือความหนาแน่นของวัสดุในสถานะหลอมเหลว) จะได้ค่า MFR

เครื่องมือวัดการไหลของพลาสติกหลอมเหลวทั่วไปมีขนาดกะทัดรัดและใช้งานง่าย หลักการพื้นฐานคือตัวอย่างเทอร์โมพลาสติก (เดิมอยู่ในรูปแบบของเม็ด ผง หรือเกล็ด) ถูกทำให้เป็นของเหลวด้วยความร้อนและถูกบังคับให้ไหลออกจากกระบอกสูบผ่านรูดาย ลูกสูบที่ดันออกถูกกดด้วยน้ำหนักตายตัว โดยปกติสูงถึง 21.6 กิโลกรัม MFR (และ MVR) ได้มาภายใต้สภาวะมาตรฐานของอุณหภูมิและน้ำหนักที่ใช้ ซึ่งกำหนดไว้สำหรับวัสดุแต่ละประเภท และโดยปกติใช้รูดายแบบคงที่ (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 2.095 มม. ความยาว 8 มม.) ผลลัพธ์ต้องระบุสภาวะการทดสอบเสมอเนื่องจากขึ้นอยู่กับสภาวะเหล่านั้นอย่างมาก

MFR และ MVR มักใช้ในห้องปฏิบัติการควบคุมคุณภาพและห้องปฏิบัติการควบคุมการผลิต ขั้นตอนพื้นฐานคาดการณ์การจับเวลาด้วยมือ การตัด และการชั่งน้ำหนักของวัสดุที่ถูกอัดออกมา ซึ่งให้ค่า MFR โดยตรง กระบวนการกึ่งอัตโนมัติที่เครื่องมือสมัยใหม่อนุญาตให้ใช้ขึ้นอยู่กับการวัดการเคลื่อนที่ของลูกสูบโดยตรง ดังนั้นจึงให้ค่า MVR โดยตรง สามารถป้อนหรือวัดความหนาแน่นของพลาสติกหลอมเหลวได้ และดังนั้นจึงได้ผล MFR ด้วย กระบวนการกึ่งอัตโนมัติสามารถให้ความแม่นยำที่สูงกว่ามากและรับประกันช่วงอัตราการไหลที่วัดได้กว้างกว่า วิธีที่ก้าวหน้ากว่าคาดการณ์การใช้น้ำหนักหลายระดับในการทดสอบครั้งเดียวกัน แต่ละระดับให้ผล MFR (MVR) นี่เรียกว่าการทดสอบหลายน้ำหนักและให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวอย่าง พร้อมข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการขึ้นกับแรงเฉือนของความหนืด การทดสอบ MFR น้ำหนักเดียวสามารถสัมพันธ์กับมวลโมเลกุลเฉลี่ย ในขณะที่การขึ้นกับแรงเฉือนขึ้นอยู่กับการกระจายมวลโมเลกุล

อัตราการไหลของพลาสติกหลอมเหลวเป็นเครื่องมือที่รวดเร็วในการเปรียบเทียบชุดของวัสดุชนิดเดียวกันหรือประมาณคุณสมบัติการไหลของวัสดุต่างชนิด (โดยทั่วไปสำหรับกระบวนการอัดรีด) เมื่อไม่จำเป็นต้องเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุอย่างลึกซึ้ง การหาลักษณะทางวิทยากระแสที่แท้จริงสามารถทำได้โดยใช้เครื่องวัดวิทยากระแส อัตราการไหลของพลาสติกหลอมเหลวแปรผกผันกับความหนืด (เฉือน) แต่ไม่ได้ใช้เพื่อหาค่าความหนืด (สามารถให้เพียงการประมาณคร่าวๆ)

เอกสารอ้างอิง:

• ISO 1133:2005 "พลาสติก - การกำหนดอัตราการไหลของมวลหลอมเหลว (MFR) และอัตราการไหลของปริมาตรหลอมเหลว (MVR) ของเทอร์โมพลาสติก"
• ASTM D1238-10 "วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับอัตราการไหลของเทอร์โมพลาสติกโดยใช้เครื่องวัดการไหลแบบอัดรีด"

อุปกรณ์ทดสอบ

การทดสอบการไหลของพลาสติกหลอมเหลวทำบนเครื่องทดสอบการไหลของพลาสติกหลอมเหลวแบบตั้งโต๊ะ เช่น MF20 และ MF30 ของ Instron เครื่องเหล่านี้มีให้เลือกหลายขนาด ขึ้นอยู่กับจำนวนมวลที่ต้องการสำหรับวัสดุของคุณ เครื่องสามารถติดตั้งระบบยกน้ำหนักอัตโนมัติได้

มอดูลัสความเหนียวคือความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานในการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก มันถูกกำหนดเป็นปริมาณของความหนาแน่นพลังงานความเครียด (ความเครียดต่อหน่วยปริมาตรของวัสดุ) ที่วัสดุหนึ่งๆ สามารถดูดซับได้ก่อนที่จะแตกหัก มอดูลัสความเหนียววัดในหน่วยของ PSI หรือปาสคาล สามารถกำหนดได้ในการทดสอบโดยการคำนวณพื้นที่ทั้งหมดใต้เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดจนถึงจุดแตกหักของชิ้นทดสอบ มอดูลัสความเหนียวของวัสดุจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความเหนียวของวัสดุ วัสดุสองชนิดที่มีความแข็งแรง ณ จุดคราก เท่ากันอาจมีมอดูลัสความเหนียวที่แตกต่างกันมากหากวัสดุหนึ่งมีความเหนียวมากกว่าอีกชนิดหนึ่ง วัสดุที่เหนียวกว่าจะยืดได้ไกลกว่าและมีพื้นที่ใต้เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดมากกว่า

เมื่อวิศวกรโยธากำลังออกแบบโครงสร้างใหม่ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่พวกเขาต้องเข้าถึงข้อมูลมอดูลัสความเหนียวเมื่อเลือกวัสดุ เมื่อออกแบบโครงสร้างที่อาจเสี่ยงต่อการรับน้ำหนักเกินโดยไม่ตั้งใจ จะปลอดภัยกว่าที่จะเลือกวัสดุที่มีความเหนียวมากกว่าและมีมอดูลัสความเหนียวสูงกว่า แม้ว่าวัสดุอื่นๆ ที่ถูกกว่าจะมีความแข็งแรง ณ จุดคราก เท่ากันก็ตาม

จุดสูงสุดบนเส้นโค้งโหลด-เวลาก่อนการวิบัติ มักเป็นจุดที่โหลดสูงสุดสอดคล้องกับการเริ่มต้นของความเสียหายของวัสดุหรือการวิบัติโดยสมบูรณ์ ในบางกรณีที่วัสดุพลาสติกถูกเสริมแรงด้วยวัสดุเติมเต็ม เช่น เส้นใยคาร์บอน โหลดสูงสุดอาจสูงกว่าโหลดสูงสุดได้