การทดสอบแรงกดคืออะไร?
บทนำ
การทดสอบแรงกด (Compression testing) เป็นหนึ่งในประเภทการทดสอบทางกลขั้นพื้นฐานที่สุด ควบคู่ไปกับการทดสอบ แรงดึง และการทดสอบ การดัดโค้ง การทดสอบแรงกดใช้เพื่อพิจารณาพฤติกรรมของวัสดุภายใต้ภาระการบดอัดที่กระทำ และโดยทั่วไปจะดำเนินการโดยการใช้แรงกดอัดลงบนชิ้นงานทดสอบ (ซึ่งมักจะมีรูปทรงเรขาคณิตแบบลูกบาศก์หรือทรงกระบอก) โดยใช้แผ่นกด (platens) หรืออุปกรณ์จับยึดเฉพาะทางบนเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ ในระหว่างการทดสอบ คุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุจะถูกคำนวณและพล็อตเป็น กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด (stress-strain diagram) ซึ่งใช้ในการกำหนดคุณลักษณะต่างๆ เช่น ขีดจำกัดความยืดหยุ่น (elastic limit), ขีดจำกัดการแปรผันตรง (proportional limit), จุดคราก (yield point), ความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (yield strength) และสำหรับวัสดุบางประเภท จะรวมถึงความต้านทานแรงกด (compressive strength) ด้วย
ทำไมต้องทำการทดสอบแรงกด?
การทดสอบแรงกดช่วยให้ผู้ผลิตสามารถประเมินความสมบูรณ์และความปลอดภัยของวัสดุ ส่วนประกอบ และผลิตภัณฑ์ในระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการผลิต เพื่อให้วัสดุได้รับการคัดเลือกสำหรับการประยุกต์ใช้งานหรือผลิตภัณฑ์ใหม่ วัสดุนั้นจำเป็นต้องแสดงความสามารถในการทนต่อแรงทางกลใดๆ ที่จะพบในการใช้งานจริง การประยุกต์ใช้งานที่เป็นไปได้มีตั้งแต่การทดสอบความแข็งแรงของกระจกหน้ารถยนต์ไปจนถึงการทดสอบความทนทานของคานคอนกรีตที่ใช้ในการก่อสร้าง โฟม ที่ใช้ในที่นั่งต้องให้ความสบายแก่ผู้บริโภค ในขณะที่ อุปกรณ์นำส่งยา ต้องง่ายต่อการใช้งานสำหรับบุคลากรทางการแพทย์ นอกจากนี้ วัสดุและผลิตภัณฑ์อาจต้องเผชิญกับแรงทางกลในช่วงเวลาสั้นๆ หรือยาวนาน ผ่านการใช้งานแบบเป็นรอบหรือซ้ำๆ และในสภาวะอุณหภูมิและสิ่งแวดล้อมที่หลากหลาย เบาะนั่งคาดว่าจะใช้งานได้นานในระยะเวลาหนึ่ง ในขณะที่ ยางรถยนต์ ต้องรักษาความยืดหยุ่นไว้ได้ในทุกสภาพอากาศ วัสดุที่แสดงค่าสูงในด้าน ความแข็งแรงดึง มักจะ (แต่ไม่เสมอไป!) แสดงความต้านทานแรงกดต่ำ ในทำนองเดียวกัน วัสดุที่มีความต้านทานแรงกดสูงมักจะแสดงความต้านทานแรงดึงต่ำ ดังนั้น การทดสอบแรงกดจึงมักใช้กับวัสดุที่มีความเปราะ (brittle) เช่น คอนกรีต โลหะ พลาสติก เซรามิก คอมโพสิต และวัสดุลูกฟูกอย่างกระดาษแข็ง วัสดุเหล่านี้มักถูกใช้ในลักษณะที่ต้องรับน้ำหนัก ซึ่งความสมบูรณ์ภายใต้แรงกดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง
ต่างจากการทดสอบแรงดึงซึ่งมักทำเพื่อกำหนดคุณสมบัติแรงดึงของวัสดุเฉพาะอย่าง การทดสอบแรงกดมักทำกับผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป รายการทั่วไป เช่น ลูกเทนนิส ลูกกอล์ฟ ขวดน้ำ เคสป้องกัน ท่อพลาสติก และเฟอร์นิเจอร์ ล้วนเป็นตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ที่ต้องได้รับการประเมินความต้านทานแรงกด ตัวอย่างเช่น วิศวกรอาจต้องการประหยัดพลาสติกโดยการสร้างขวดน้ำที่มีผนังบางลง แต่ขวดต้องยังคงแข็งแรงพอที่จะบรรจุในพาเลทและวางซ้อนกันเพื่อการขนส่ง การทดสอบแรงกดสามารถช่วยวิศวกรปรับสมดุลระหว่างความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์และการประหยัดวัสดุได้
นอกเหนือจากความสำคัญต่อกระบวนการวิจัยและพัฒนา (R&D) แล้ว การทดสอบแรงกดยังถูกใช้โดยแผนกประกันคุณภาพเพื่อให้แน่ใจว่าชุดผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปเป็นไปตามข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับคุณสมบัติแรงกด สิ่งนี้สำคัญทั้งในมุมมองด้านความปลอดภัยและด้านธุรกิจ เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่องอาจเป็นอันตรายต่อผู้ใช้ปลายทาง และยังสามารถก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมากต่อผู้ผลิตในรูปแบบของความล่าช้าของผลิตภัณฑ์ การสูญเสียรายได้ และความเสื่อมเสียชื่อเสียง
วิธีการทำการทดสอบแรงกด
หลักการพื้นฐานของการทดสอบแรงกด
การทดสอบแรงกดดำเนินการบนเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ หรือที่เรียกว่าเครื่องทดสอบแรงกด เครื่องจักรเหล่านี้ประกอบด้วยโครงเสาเดี่ยวหรือเสาคู่ที่ติดตั้ง โหลดเซลล์, ซอฟต์แวร์ ทดสอบ และ แผ่นกด รวมถึงอุปกรณ์เสริมเฉพาะสำหรับการประยุกต์ใช้งาน เครื่องทดสอบอเนกประสงค์มีพิกัดกำลังของแรงที่หลากหลายตั้งแต่ 0.02 N ถึง 2,000 kN การทดสอบแรงต่ำส่วนใหญ่จะดำเนินการบนเครื่องแบบตั้งโต๊ะ เช่น ซีรีส์ 6800 ของ INSTRON® ในขณะที่การประยุกต์ใช้งานที่ใช้แรงสูงกว่านั้นจำเป็นต้องใช้โครงเครื่องแบบตั้งพื้น เช่น ที่พบใน Industrial Series ของ INSTRON® ระบบเหล่านี้สามารถกำหนดค่าด้วยอุปกรณ์จับยึดที่แตกต่างกันเพื่อทดสอบผลิตภัณฑ์ ส่วนประกอบ หรือวัสดุใดๆ ก็ได้
| เครื่องทดสอบแรงกด | |
|---|---|
| โครงรับภาระ (Load Frame)
เครื่องทดสอบแรงกดสามารถมาในรูปแบบเสาเดี่ยวหรือเสาคู่ ขึ้นอยู่กับพิกัดกำลังของแรง |
|
| ซอฟต์แวร์
ซอฟต์แวร์ทดสอบคือส่วนที่ผู้ปฏิบัติงานใช้กำหนดค่าวิธีการทดสอบและแสดงผลลัพธ์ |
|
| โหลดเซลล์ (Load Cell)
โหลดเซลล์คือทรานสดิวเซอร์ที่วัดแรงที่กระทำต่อชิ้นงานทดสอบ โหลดเซลล์ของ INSTRON® มีความแม่นยำสูงถึง 1/1000 ของพิกัดโหลดเซลล์ |
|
| แผ่นกดสำหรับการทดสอบแรงกด มีแผ่นกดสำหรับการทดสอบแรงกดและอุปกรณ์จับยึดแรงกดอื่นๆ ให้เลือกมากมายเพื่อรองรับชิ้นงานทดสอบที่มีวัสดุ รูปร่าง และขนาดที่แตกต่างกัน |
|
อุปกรณ์ทดสอบแรงกดของ INSTRON®
ระบบ ส่วนประกอบ และชิ้นส่วน
เครื่องทดสอบแรงกดมีให้เลือกหลายขนาดและพิกัดกำลังของแรง ตั้งแต่ 0.02 N ถึง 2,000 kN การทดสอบแรงต่ำส่วนใหญ่จะดำเนินการบนเครื่องแบบตั้งโต๊ะเสาเดี่ยวหรือเสาคู่ระบบเครื่องกลไฟฟ้า ในขณะที่การประยุกต์ใช้งานที่ใช้แรงสูงกว่านั้นจำเป็นต้องใช้โครงเครื่องแบบตั้งพื้น ระบบ ซีรีส์ 6800 ของ INSTRON® มีจำหน่ายในพิกัดความจุสูงสุด 300 kN และสามารถทำการทดสอบได้หลากหลายประเภท รวมถึงแรงดึง แรงกด การดัดโค้ง การลอก การฉีกขาด แรงเฉือน แรงเสียดทาน แรงบิด การเจาะทะลุ และอื่นๆ ระบบเซอร์โวไฮดรอลิก Industrial Series ของ INSTRON® ได้รับการออกแบบมาสำหรับการทดสอบที่มีพิกัดความจุสูงยิ่งขึ้นสำหรับโลหะที่มีความแข็งแรงสูง โลหะผสม และคอมโพสิตขั้นสูง
ระบบทดสอบอเนกประสงค์สูงสุด 300 kN
ระบบทดสอบแบบตั้งโต๊ะและแบบตั้งพื้น ทั้งแบบเสาเดี่ยวและเสาคู่ โดยมีพิกัดกำลังของแรงตั้งแต่ 0.02 N (2 gf) ถึง 300 kN
ระบบทดสอบอเนกประสงค์ระดับอุตสาหกรรมสูงสุด 2000 kN
Industrial Series ของ INSTRON® ประกอบด้วยโครงเครื่องที่มีพื้นที่ทดสอบแบบเดี่ยวหรือคู่ และมีพิกัดกำลังของแรงตั้งแต่ 300 kN ถึง 2000 kN
แบบปรับแนวได้เอง | แรงสูง | รองรับการทดสอบความล้า
แผ่นกดสำหรับการทดสอบแรงกดใช้เพื่อทำการทดสอบแรงกดกับวัสดุและส่วนประกอบที่หลากหลาย เมื่อติดตั้งในเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ จะช่วยให้สามารถทำการทดสอบได้หลากหลายเพื่อกำหนดคุณสมบัติ เช่น มอดุลัสของแรงกด (compression modulus) ความต้านทานแรงกด และความต้านทานแรงกดที่จุดคราก
พิกัดน้ำหนัก 50 N - 600 kN
สำหรับการประยุกต์ใช้งานทดสอบทั้งแบบสถิตและไดนามิก
พิกัดน้ำหนัก 600 kN - 5000 kN
รหัสสินค้า 2810-130
พิกัดน้ำหนักสถิต 200 kN - 2000 kN | พิกัดน้ำหนักไดนามิก 100 kN - 1000 kN
พิกัดแรงดัน 690 MPa (100,000 psi)
มาตรฐานการทดสอบแรงกด
มาตรฐานสำหรับการทดสอบพลาสติก อีลาสโตเมอร์ และโลหะ
การทดสอบแรงกดส่วนใหญ่ดำเนินการตามมาตรฐานที่กำหนดซึ่งเผยแพร่โดยองค์กรกำหนดมาตรฐาน เช่น ASTM และ ISO มาตรฐานการทดสอบจะกำหนดพารามิเตอร์การทดสอบและผลลัพธ์ที่ยอมรับได้สำหรับวัตถุดิบประเภทต่างๆ เช่น โลหะและคอนกรีตที่ใช้สำหรับโครงการ โครงสร้างพื้นฐาน ตลอดจนผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์ และ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค มาตรฐานเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าวัสดุและผลิตภัณฑ์ที่เข้าสู่ห่วงโซ่อุปทานจะแสดงคุณสมบัติทางกลที่คาดการณ์ได้ และไม่น่าจะเกิดความล้มเหลวในการใช้งานจริงตามที่คาดไว้ ตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมเฟอร์นิเจอร์ ยานยนต์ และที่นอน ปฏิบัติตามมาตรฐาน ASTM D3574 ซึ่งวัดค่าแรงต้านการกดบุ๋ม (indentation force deflection) ของโฟมโพลียูรีเทน การทดสอบนี้วัดความนุ่มเริ่มต้นของโฟมโดยการวัดแรงเมื่อโฟมถูกกดลงเหลือ 25% ของความหนาเดิม จากนั้นการทดสอบจะวัดความสามารถในการรองรับโดยการวัดแรงเมื่อถูกกดลงเหลือ 65% ของความหนาเดิม วิศวกรเบาะนั่งรถยนต์จะระบุค่าแรงต้านการกดบุ๋มของโฟมที่ต้องการในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย และสถานที่ผลิตจะทำการทดสอบหลายครั้งต่อกะเพื่อให้แน่ใจว่าเบาะนั่งทุกตัวที่ผลิตออกมามีความรู้สึกเดียวกันในด้านความนุ่มและความสามารถในการรองรับ เนื่องจากผลกระทบด้านต้นทุนและความปลอดภัยจากความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์นั้นไม่สามารถประเมินค่าได้ บริษัทต่างๆ จึงได้รับการส่งเสริมให้ลงทุนในอุปกรณ์ทดสอบที่มีคุณภาพสูงและแม่นยำ ซึ่งออกแบบมาเพื่อช่วยให้พวกเขาสามารถพิจารณาได้อย่างง่ายดายว่าผลิตภัณฑ์ของตนเป็นไปตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้องหรือไม่
ต่อไปนี้คือรายการมาตรฐานการทดสอบแรงดึงสากลที่พบบ่อยที่สุดบางส่วน
- ASTM C109 | การทดสอบแรงกดก้อนคอนกรีตรูปลูกบาศก์ขนาด 2 นิ้ว
- ASTM C170 | ความต้านทานแรงกดของหินมิติ (Dimension Stone)
- ASTM C365 การทดสอบแรงกดของวัสดุแกนแซนด์วิช (Sandwich Core Materials)
- ASTM C39 | การทดสอบแรงกดคอนกรีตรูปทรงกระบอก
- ASTM D1621 | คุณสมบัติแรงกดของพลาสติกเซลลูลาร์แบบแข็ง
- ASTM D2844 | การทดสอบการคายความชื้นของดินบดอัด
- ASTM D3410 | ความต้านทานแรงกดของพอลิเมอร์เมทริกซ์คอมโพสิต
- ASTM D575-91 | วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติของยางในด้านแรงกด
- ASTM D6484 | ความต้านทานแรงกดแบบมีรูเปิด (Open Hole) ของพอลิเมอร์เมทริกซ์คอมโพสิตลามิเนต
- ASTM D6641 | คุณสมบัติแรงกดของวัสดุพอลิเมอร์เมทริกซ์คอมโพสิตโดยใช้อุปกรณ์จับยึดทดสอบแรงกดแบบผสมภาระ (CLC)
- ASTM D695 | การทดสอบแรงกดพลาสติกแข็ง
- ASTM D7137 | คุณสมบัติความต้านทานแรงกดคงค้างของแผ่นพอลิเมอร์เมทริกซ์คอมโพสิตที่ได้รับความเสียหาย
- ASTM F1306 | ความต้านทานการเจาะทะลุในอัตราต่ำของฟิล์มและลามิเนตที่มีความยืดหยุ่น
- ASTM D3574 | วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับวัสดุเซลลูลาร์ที่มีความยืดหยุ่น