การทดสอบแรงกระแทก
การทดสอบแรงกระแทก (Impact testing) เป็นการวัดความสามารถของวัสดุในการทนต่อแรงกระทำที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันด้วยความเร็วสูง ซึ่งช่วยให้เห็นภาพที่ชัดเจนว่าวัสดุนั้นดูดซับพลังงานและเกิดการเสียหายอย่างไร การบันทึกพฤติกรรมภายใต้ภาระที่รวดเร็วนี้ช่วยให้วิศวกรได้รับข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับความเหนียว ความทนทาน และประสิทธิภาพในการใช้งานจริง การทดสอบเหล่านี้ช่วยคาดการณ์ว่าผลิตภัณฑ์จะตอบสนองต่อการกระแทกอย่างไรในระหว่างการใช้งาน ไม่ว่าจะเป็นส่วนประกอบทางโครงสร้าง ผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค หรือชิ้นส่วนที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย ทำให้การทดสอบแรงกระแทกเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบวัสดุที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ยิ่งขึ้น
ทำไมการทดสอบแรงกระแทกจึงมีความสำคัญ?
ความต้านทานแรงกระแทกเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดที่ผู้ออกแบบชิ้นส่วนต้องพิจารณา และเป็นคุณสมบัติที่วัดปริมาณได้ยากที่สุดอย่างไม่ต้องสงสัย ความต้านทานแรงกระแทกของชิ้นส่วนถือเป็นการวัดอายุการใช้งานที่สำคัญในการใช้งานหลายประเภท และที่สำคัญยิ่งกว่านั้นในปัจจุบัน คือเรื่องของปัญหาที่ซับซ้อนเกี่ยวกับความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์และความรับผิดชอบต่อความเสียหาย
สิ่งที่ต้องพิจารณากำหนด ได้แก่:
- พลังงานกระแทกที่คาดว่าชิ้นส่วนจะได้รับในช่วงอายุการใช้งาน
- ประเภทของการกระแทกที่จะส่งผ่านพลังงานนั้น และจากนั้น
- เลือกวัสดุที่จะต้านทานการกระแทกดังกล่าวได้ตลอดอายุการใช้งานที่คาดการณ์ไว้
ความเค้นที่ค้างอยู่ในชิ้นงานจากการฉีดขึ้นรูป การจัดเรียงตัวของพอลิเมอร์ จุดอ่อน (เช่น รอยประสานหรือบริเวณทางเข้าฉีด) และรูปทรงของชิ้นส่วน จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการรับแรงกระแทก คุณสมบัติการรับแรงกระแทกยังเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีการเติมสารเติมแต่ง เช่น สารให้สี ลงในพลาสติก
ความเค้นที่ค้างอยู่ในชิ้นงานจากการฉีดขึ้นรูป การจัดเรียงตัวของพอลิเมอร์ จุดอ่อน (เช่น รอยประสานหรือบริเวณทางเข้าฉีด) และรูปทรงของชิ้นส่วน จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการรับแรงกระแทก คุณสมบัติการรับแรงกระแทกยังเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีการเติมสารเติมแต่ง เช่น สารให้สี ลงในพลาสติก
ความเหนียวเทียบกับความเปราะ
การกระแทกส่วนใหญ่ในโลกแห่งความเป็นจริงจะเป็นแบบสองแกน (Biaxial) มากกว่าแบบแกนเดียว (Unidirectional)
ความซับซ้อนเพิ่มเติมอยู่ที่การเลือกรูปแบบการเสียหาย: แบบเหนียวหรือแบบเปราะ วัสดุที่เปราะจะใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยในการเริ่มเกิดรอยร้าว และใช้พลังงานเพิ่มอีกเพียงเล็กน้อยในการขยายรอยร้าวไปจนถึงจุดแตกกระจาย วัสดุอื่นๆ มีความเหนียวในระดับที่แตกต่างกัน วัสดุที่มีความเหนียวสูงจะเสียหายโดยการถูกเจาะทะลุในการทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตก และต้องใช้ภาระพลังงานสูงในการเริ่มและขยายรอยร้าว
วัสดุหลายชนิดสามารถเกิดการเสียหายได้ทั้งแบบเหนียวหรือแบบเปราะ ขึ้นอยู่กับประเภทของการทดสอบ รวมถึงสภาวะของอัตราความเร็วและอุณหภูมิ วัสดุเหล่านี้มีจุดเปลี่ยนผ่านระหว่างความเหนียวและความเปราะ (Ductile/Brittle Transition) ซึ่งจะเปลี่ยนไปตามตัวแปรเหล่านี้
อุปกรณ์ทดสอบใดที่สำคัญต่อผลการทดสอบแรงกระแทก
เครื่องทดสอบแรงกระแทกแบบลูกตุ้ม และ เครื่องทดสอบแรงกระแทกแบบปล่อยน้ำหนักตก ต่างมีความสำคัญต่อการตรวจสอบประสิทธิภาพของวัสดุ อย่างไรก็ตาม เครื่องมือทั้งสองชนิดมีความแตกต่างกันซึ่งจะเป็นตัวกำหนดว่าการใช้งานแบบใดเหมาะสมกับเครื่องมือแต่ละประเภทมากที่สุด
ความแตกต่างระหว่างเครื่องทดสอบแรงกระแทกแบบลูกตุ้มและเครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตก
การทดสอบแต่ละแบบใช้วิธีการที่แตกต่างกัน
ตามชื่อเรียก เครื่องทดสอบแบบ ลูกตุ้ม จะใช้ค้อน (มวล) ที่หมุนรอบแกนเพื่อกระแทกชิ้นงาน จุดที่เกิดการกระแทกจะอยู่ที่จุดต่ำสุดของส่วนโค้งของลูกตุ้ม ซึ่งเป็นจุดที่แรงถูกส่งออกไปในแนวราบเท่านั้น
ใน เครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตก มวลจะถูกปล่อยลงบนชิ้นงาน และวัดแรงกระแทกโดยใช้โหลดเซลล์ แรงกระแทกจะถูกส่งในแนวตั้งเท่านั้น เครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตกยังสามารถวัดการเสียรูปได้ด้วย ซึ่งแตกต่างจากแบบลูกตุ้ม จึงให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุได้มากกว่า
ขั้นตอนแรกในการตัดสินใจว่าจะใช้เครื่องทดสอบแบบลูกตุ้มหรือแบบปล่อยน้ำหนักตก คือการทราบมาตรฐานที่การทดสอบนั้นจำเป็นต้องปฏิบัติตาม
มีมาตรฐานดั้งเดิมสองมาตรฐานสำหรับการวัดความต้านทานแรงกระแทก ได้แก่ การทดสอบแรงกระแทกแบบลูกตุ้มแบบ Charpy (ISO 179/ASTM D6110) และการทดสอบแบบ Izod (ISO 180/ASTM D256) วิธีการทดสอบทั้งสองนี้ใช้เพื่อรับรองความต้านทานแรงกระแทกของวัสดุที่หลากหลาย รวมถึงโลหะ พลาสติก เรซิน และวัสดุคอมโพสิต มาตรฐานเหล่านี้มักปรากฏในเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์เพื่อแสดงว่าวัสดุนั้นเป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะ
มาตรฐานการทดสอบทั้ง Charpy และ Izod ไม่อนุญาตให้ใช้เครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตก ยกเว้นมาตรฐาน ISO 179-2 ข้อจำกัดนี้หมายความว่าสามารถใช้ได้เฉพาะเครื่องทดสอบแรงกระแทกแบบลูกตุ้มเท่านั้นในการรับรองผลิตภัณฑ์ตามมาตรฐาน ISO 179-1/ASTM D6110 และ/หรือ ISO 180/ASTM D256
เครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตกยังคงสามารถใช้เพื่อทำการทดสอบ Charpy และ Izod สำหรับวัตถุประสงค์ภายใน (เช่น เพื่อเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์หรือตรวจสอบคุณสมบัติของวัสดุ) ไม่เพียงเท่านั้น เครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตกยังมีความยืดหยุ่นมากกว่าแบบลูกตุ้มในเรื่องของการกำหนดค่าการทดสอบ และสามารถทดสอบตามมาตรฐานต่างๆ ได้มากมาย รวมถึง:
- ISO11343 – กาว – วิธีการทดสอบแรงกระแทกแบบลอกออก
- ISO 8256 – การหาค่า การทดสอบแรงกระแทกแบบดึง
- ISO 6603-2 และ ASTM D3763 - ความต้านทานการเจาะทะลุของพลาสติก
- ASTM D7136 - ความต้านทานแรงกดหลังการกระแทก
เครื่องทดสอบแบบปล่อยน้ำหนักตกยังสามารถใช้เพื่อทำการ ทดสอบส่วนประกอบ ที่นอกเหนือไปจากข้อกำหนดของมาตรฐานสากลได้อีกด้วย
ประเมินประสิทธิภาพของวัสดุภายใต้ภาระที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันด้วยระบบทดสอบแรงกระแทกขั้นสูงที่ออกแบบมาเพื่อความแม่นยำและความสามารถในการทดสอบซ้ำ