KIc Fracture Toughness Testing to ASTM E399 — Methods, Specimens and Result
เขียนโดย Dr. Peter Bailey
โลหะที่มีความแข็งแรงสูงมักจะเกิดความเสียหายในลักษณะที่เปราะบางอย่างน่าประหลาดใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากส่วนประกอบได้รับภาระเกินในจุดที่มีรอยแตกขนาดเล็กอยู่แล้ว ความต้านทานต่อความเสียหายเฉพาะจุด (ซึ่งตรงข้ามกับความแข็งแรงดึงโดยรวม) มักเรียกโดยรวมว่าความเหนียวต่อการแตกหัก (fracture toughness) โดยที่ KIc เป็นพารามิเตอร์สำหรับความเข้มข้นของความเค้นวิกฤต ซึ่งหากเกินค่านี้ไปอาจคาดการณ์ได้ว่าจะเกิดความเสียหายอย่างรุนแรงและฉับพลัน
การใช้งานที่แพร่หลายที่สุดอยู่ในอุตสาหกรรมอากาศยาน ซึ่งจำเป็นต้องมีการทดสอบตามมาตรฐานที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด โดยนิยมใช้มาตรฐาน ASTM E399 แต่ก็มีวิธีการที่เทียบเท่ากันในมาตรฐาน ISO และมาตรฐานอังกฤษ (British Standards) การทดสอบความเหนียวต่อการแตกหัก KIc ช่วยให้ผู้ใช้งานปลายทาง รวมถึงผู้พัฒนาและผู้ผลิตโลหะผสม มีเกณฑ์วัดประสิทธิภาพของวัสดุและการควบคุมคุณภาพในการใช้งานที่สำคัญ
Testing
ชิ้นงานทดสอบจะถูกขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรให้มีลักษณะเป็นบล็อกวัสดุที่มีความแข็งเกร็งและมีรอยบากที่แหลมคมบนด้านหนึ่ง มีการใช้รูปทรงมาตรฐานที่แตกต่างกันตามความสะดวกในการติดตั้งการทดสอบ หรือเพื่อให้เหมาะสมกับความหนาของวัสดุที่มีอยู่เมื่อนำมาจากสายการผลิต สิ่งสำคัญคือต้องทดสอบความเหนียวของโลหะในทิศทางต่างๆ ที่สัมพันธ์กับกระบวนการแปรรูป (เช่น การรีด) ที่ใช้ในการผลิต เนื่องจากประสิทธิภาพจะแตกต่างกันไปตามโครงสร้างจุลภาค
ชิ้นงานทดสอบแต่ละชิ้นจะต้องเริ่มจากการสร้างรอยแตกจริงจากรอยบาก โดยใช้ภาระความล้า (แบบรอบ) เพื่อให้ได้แนวที่ “แหลมคม” อย่างแท้จริงซึ่งจะเป็นจุดเริ่มต้นของความเสียหาย โดยปกติแล้ว กระบวนการสร้างรอยแตกเริ่มแรกนี้จะใช้เวลาอย่างน้อย 30 นาที แต่อาจนานกว่านั้นมาก ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของวัสดุและอุปกรณ์ การทดสอบหลักจะเป็นการเพิ่มภาระอย่างช้าๆ จนกระทั่งรอยแตกขยายตัวอย่างฉับพลันหรือรวดเร็วผ่านความกว้างส่วนที่เหลือส่วนใหญ่หรือทั้งหมดของชิ้นงาน จากนั้นจึงแยกชิ้นงานออกจากกันและวัดความยาวรวมถึงรูปร่างที่แน่นอนของรอยแตกเริ่มแรก เพื่อให้สามารถคำวณความเข้มข้นของความเค้นวิกฤตได้อย่างแม่นยำจากแรงที่บันทึกไว้ ณ จุดที่เกิดความเสียหาย
Results
หากมีอุปกรณ์การทดสอบและการผลิตชิ้นงานที่ดี การทดสอบนี้ก็ไม่ยากที่จะดำเนินการ อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์อาจคลาดเคลื่อนได้ง่ายจากปัจจัยหลายประการ ดังนั้นมาตรฐานการทดสอบระดับสากลจึงมีการกำหนดเกณฑ์ต่างๆ ไว้อย่างเคร่งครัด เพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ระหว่างชิ้นงาน ชุดการผลิต หรือห้องปฏิบัติการสามารถเปรียบเทียบกันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ASTM E399 มีการตรวจสอบความถูกต้องอย่างน้อย 13 รายการที่ต้องผ่านเกณฑ์เพื่อประกาศค่า KIc ที่เปรียบเทียบได้ และได้เปลี่ยนมาแนะนำให้ใช้อัลกอริทึมอัตโนมัติเฉพาะสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูล (ดู ASTM E3076)
Bluehill Fracture ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้มีขั้นตอนการทำงานที่ชัดเจนเพื่อรองรับสิ่งนี้ พร้อมตัวเลือกในการสร้างกิจวัตรการทดสอบที่คล่องตัวและเป็นอัตโนมัติสำหรับสภาพแวดล้อมการควบคุมคุณภาพ นอกจากนี้ยังให้ความยืดหยุ่นสูงสำหรับผู้ใช้งานด้านการวิจัย ตลอดจนการแจกแจงรายละเอียดของการตรวจสอบความถูกต้องและผลลัพธ์ระหว่างทางในกรณีที่ผลลัพธ์ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐาน ในกรณีที่นักวิจัยหรือหน่วยงานรับจ้างทดสอบจำเป็นต้องส่งผลลัพธ์ในหลายรูปแบบ ชุดข้อมูลที่มีอยู่สามารถเปิดขึ้นมาใหม่และวิเคราะห์ซ้ำได้ทันทีตามมาตรฐานสากลอื่นๆ แสดงผลในหน่วยต่างๆ (เช่น เปลี่ยนจากหน่วยเมตริกเป็นหน่วยวัดของสหรัฐฯ) หรือส่งออกไปยังเทมเพลตรายงานอื่นๆ ซอฟต์แวร์นี้ใช้เทคนิคที่แนะนำทั้งหมดและได้รับการอัปเดตเป็นประจำเพื่อให้สอดคล้องกับการแก้ไขล่าสุดของมาตรฐานที่รองรับ ได้แก่ ASTM E399, ASTM B647, ISO 12135, BS 7448-1
หมายเหตุ: มาตรฐาน BS7448-1:1991 ที่ใช้มาอย่างยาวนานถูกยกเลิกอย่างเป็นทางการโดยสถาบันมาตรฐานอังกฤษ (British Standards Institute) ในเดือนสิงหาคม 2021 โดยมี BS EN ISO 12135:2021 มาแทนที่ Bluehill Fracture ยังคงรองรับการวิเคราะห์ตามมาตรฐาน BS7448-1 สำหรับลูกค้าที่ต้องการความสามารถในการเปรียบเทียบการทดสอบใหม่กับข้อมูลเดิม