Ch 2 Slides th.ppteng.sut.ac.th/me/2014/document/MachineDesign1/document/Ch_2_S… · Slope of linear section is Young’s Modulus, or modulus of elasticity, E Hooke’s law E is

© 2015 by McGraw-Hill Education. This is proprietary material solely for authorized instructor use. Not authorized for sale or distribution in any manner. This document may not be copied, scanned, duplicated, forwarded, distributed, or posted on a website, in whole or part.

Chapter 2

Materials

Lecture Slides

Topics

Shigley’s Mechanical Engineering Design

Material Strength and Stiffness

Strength and Cold work

Hardness

Impact Properties

Temperature effects

Hot-Working and Cold-Working Processes

The Heat treatment of Steels

Alloy Steel, Casting Material

Plastics and Composite material


บทนํา

การเลือกใช้วัสดุสําหรับการผลิตชิ้นส่วนทางกลเป็นขบวนการหนึ่งในการ

ออกแบบทางกล

ค่าความเค้น การยืดตัว(การเสียรูป) และความต้านแรง มีความสําคัญในการ

ออกแบบชิ้นส่วนทางกล ซึ่งจะเป็นสิ่งที่กําหนดในการเลือกวัสดุ

ความเหมาะสม (ความสวยงาม), การต้านทานการกัดกร่อน และ/หรือ

ผลกระทบจากอุณหภูมิ เป็นอีกหนึ่งปัจจัยในการออกแบบ

วิศวกรผู้ออกแบบจึงควรมีความรู้พื้นฐานทางด้านวัสดุศาสตร์อย่างครอบคลุม


ความต้านแรง (Strength) และความแข็งตึง (Stiffness)

การทดสอบวัสดุด้วยเครื่องดึงทดสอบมาตรฐาน (Standard Tensile Test)

ความเค้นทางวิศวกรรม

ความเครียดทางวิศวกรรม


Ductile material Brittle material

ความต้านแรง (Strength) และความแข็งแกร่ง (Stiffness)

Plot stress vs. normal strain Typically linear relation until the proportional limit, pl

No permanent deformation until the elastic limit, el

Yield strength, Sy defined at point where significant plastic deformation begins, or

where permanent set reaches a fixed amount, usually 0.2% of the original gauge length

Ultimate strength, Su defined as the maximum stress on the diagram

Slope of linear section is Young’s Modulus, or modulus of elasticity, E

Hooke’s law

E is relatively constant for a given type of material (e.g. steel, copper, aluminum)

See Table A-5 for typical values

Usually independent of heat treatment, carbon content, or alloying


ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียด

Engineering stress-strain diagrams (commonly

used) are based on original area.

Area typically reduces under load, particularly

during “necking” after point u.

True stress is based on actual area

corresponding to current P.

True strain is the sum of the incremental

elongations divided by the current gauge

length at load P.

Note that true stress continually increases all

the way to fracture.


True Stress-strain

Engineering stress-strain

ความเค้นจริง และความเครียดจริง


ความเค้นจริง และความเครียดจริง

ln ln(1 )o

L

oLo

dL LL L

ความเครียดจริง

ความเค้นจริง

oo o o

P P L LA A L L

o oA L ALเนื่องจากปริมาตรคงที่

/ 1o oL L (1 )o o

ความเค้นและความเครียดจริงสามารถพิจารณาได้จากความเค้นและความเครียดในทางวิศวกรรม

ความต้านทานการกด (Compression Strength)

Compression tests are used to obtain compressive strengths.

Buckling and bulging can be problematic.

For ductile materials, compressive strengths are usually about

the same as tensile strengths. (Suc = Sut)

For brittle materials, compressive strengths, Suc , are often

greater than tensile strengths, Sut . (Suc > Sut)


Torsional strengths are found by twisting solid circular bars.

Results are plotted as a torque-twist diagram.

Shear stresses in the specimen are linear with respect to the radial

location – zero at the center and maximum at the outer radius.

Maximum shear stress is related to the angle of twist by

◦ is the angle of twist (in radians)

◦ r is the radius of the bar

◦ l0 is the gauge length

◦ G is the material stiffness property called the shear modulus or

modulus of rigidity.Shigley’s Mechanical Engineering Design

ความต้านทานการบิด (Torsional Strength)

Maximum shear stress is related to the applied torque by

◦ J is the polar second moment of area of the cross section

◦ For round cross section,

Torsional yield strength, Ssy corresponds to the maximum shear stress at

the point where the torque-twist diagram becomes significantly non-linear

Modulus of rupture, Ssu corresponds to the torque Tu at the maximum

point on the torque-twist diagram


ความต้านทานการบิด (Torsional Strength)

ความยืดหยุ่น (Resilience)

Resilience – Capacity of a material to

absorb energy within its elastic range

Modulus of resilience, uR

◦ Energy absorbed per unit volume

without permanent deformation

◦ Equals the area under the stress-

strain curve up to the elastic limit

◦ Elastic limit often approximated by

yield point


Area under curve to yield point gives approximation

If elastic region is linear,

For two materials with the same yield strength, the less stiff material

(lower E) has greater resilience.


ความยืดหยุ่น (Resilience)

ความเหนียว (Toughness)

Toughness – capacity of a material to

absorb energy without fracture

Modulus of toughness, uT

◦ Energy absorbed per unit volume

without fracture

◦ Equals area under the stress-strain

curve up to the fracture point


Area under curve up to fracture point

Often estimated graphically from stress-strain data

Approximated by using the average of yield and ultimate strengths and

the strain at fracture


ความเหนียว (Toughness)

Resilience and Toughness

Measures of energy absorbing characteristics of a material

Units are energy per unit volume

◦ lbf·in/in3 or J/m3

Assumes low strain rates

For higher strain rates, use impact methods (See Sec. 2-5)


การขึ้นรูปเย็น (Cold Work)

Cold work – เป็นกระบวนการทางความ

ร้อนที่ทําให้โลหะเกิดความเครียดอย่างถาวร

ภ า ย ใ ต้ อุ ณ ห ภู มิ ต่ํ า ก ว่ า อุ ณ ห ภู มิ ก า ร

เปลี่ยนแปลงโครงสร้าง

เมื่อชิ้นทดสอบถูกดึงเกินจุด y ไปถึงจุด i,

และเมื่อนําแรงออกจะมีค่าความเครยีดภายใน

เท่ากับ ϵp

เมื่อใสแ่รงขนาดเท่ากับที่จุด i, วสัดจุะเริ่มยดื

ตัวออกด้วยความเครียด ϵe

ดังนั้นความเครียดที่จดุ i, จะประกอบไปด้วย


เมื่อกระทําโดยการนําแรงออกและใส่แรงเข้าไป

ใหม่ที่จุด i, ซ้ําไปซ้ํามา จะพบว่าการกระทําจะ

เกิดขึ้นในแนวเส้นตรง (แทบจะขนานกับเส้น

oy) ดังนั้น

การลดลงของความสามารถในการรับความเค้น

จะทําให้ความเหนียวของวัสดุลดลง และเรียก

การทําในลักษณะนี้ว่า “Strain-hardened”


Fig. 2–6 (a)

การขึ้นรูปเย็น (Cold Work)

เป็นการทําให้พฤติกรรมย่านพลาสติกระหว่างจุดครากและจุดความต้านแรงสูงสดุลดลง

การลดลงของพื้นที่ (Reduction in Area)

Plot load (P) vs. Area Reduction (A)

Reduction in area corresponding to

load Pf at fracture is

R is a measure of ductility

Ductility (ความเหนียว) represents the

ability of a material to absorb

overloads and to be cold-worked


(2–12)

แฟกเตอร์ของการขึ้นรูปเย็น (Cold-work Factor)

Cold-work factor (W) – A measure of the quantity of cold work


แต่เนื่องจากเป็นการยากที่จะวัด

ขนาดการเปลี่ยนแปลงเส้นผ่าน

ศูนย์กลางของชิ้นทดสอบในย่าน

ของการยืดหยุ่น จึงใช้เป็นการ

ประมาณ i iA A

Equations for Cold-worked Strengths


ค่าความเครียดที่ทําให้วัสดุแข็งขึ้น

ความสัมพันธ์ความเค้น-ความเครียดจริง

ค่าความเครียดจริง

จุดครากใหม่

ค่าความต้านทาน

ค่าความเค้นครากจะเข้าใกลค้า่ความต้านทานแรงสงูสุด

Solution

Example 2–2


15% cold working factor

Example 2–2 (Continued)

Answer

Answer


ความแข็ง (Hardness)

Hardness – ความสามารถในการต้านทานการเจาะเข้าไปโดยเครื่องมือ

ปลายแหลม

โดยทั่วไปจะมีค่าความแข็งที่พิจารณา 2 ระบบ ได้แก่

◦ Rockwell

ค่าความแข็งพิจารณาเป็นระดับ A, B, and C scales

เป็นการบ่งบอกความแข็งเป็นแบบสเกลเดียวกัน

◦ Brinell

จะใช้ตัวชี้วัดเป็นวัสดุทรงกลมที่มีค่าความแข็ง HB เป็นตัวเปรียบเทียบ

โดยที่ HB จะมีหน่วยเดียวกับความเค้น และคํานวณค่าจากตารางการ

ทดสอบ


Strength and Hardness

For many materials, relationship between ultimate strength and

Brinell hardness number is roughly linear

For steels

For cast iron


ความต้านแรง (Strength) และความแข็ง (Hardness)

Solution

Example 2–3

Answer


สมบัติการกระแทก (Impact Properties)

แรงกระแทก (Impact load) จะพิจารณาจากแรงดังกลา่วต้องกระทําน้อยกว่า 1 ใน

3 ของวงรอบการสั่นตามธรรมชาติของโครงสร้างหรือชิ้นงาน

การทดสอบ Charpy notched-bar เป็นการใช้แทง่โลหะที่มีรอยบากรับแรงกระแทก

เพื่อพิจารณาค่าความเปราะและความต้านทานแรงกระแทก

การดูดซับพลังงาน (หรือเรียกว่าค่าการกระแทก) จะพิจารณาจากค่าความสูงของมวล

ที่ชนกระแทกหลังจากชิ้นทดสอบเกดิการเสยีหาย


ผลของอุณหภูมิต่อการกระแทก

ผลของอุณหภูมิต่อการกระแทก ทําให้วัสดุบางประเภทมีการเปลี่ยนแปลง

พฤติกรรมความยืดหยุ่นจากวัสดุเหนียวเป็นวัสดุเปราะ


ผลของอัตราความเครียดต่อความต้านทานแรง

อัตราความเครียดเฉลีย่ในการหา

ความสัมพันธ์ความเค้น-ความเครียด

จะมีค่าประมาณ 0.001 in/(in·s)

เมื่ออัตราความเครียดเพิ่มขึ้น ความ

ต้านแรงก็จะมีค่าเพิม่ขึ้น

ในสภาวะอัตราความเครียดสงูๆ ค่า

ความต้านทานแรงครากจะมีค่า

ใกล้เคยีงกับความต้านแรงสงูสุด


พิจารณากราฟความสัมพันธ์ระหว่าง

ผลของอุณหภูมิต่อสมบัติทางกล

ในกรณีที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น

◦ Sut จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยและจะ

ลดลงอย่างรวดเร็วอย่างเห็นได้ชัด

◦ Sy จะลดลงอย่างมีนัยสําคัญ

◦ จะส่งผลทําให้ความเหนียวของ

วัสดุเพิ่มขึ้นด้วย


ผลของอุณหภูมิที่มีต่อวัสดุ

Creep – เป็นการเสียรูปภายใต้ภาระทีก่ระทํา

เป็นเวลานานและมีการเพิ่มของอุณหภูมิร่วม

ด้วย

พบว่าชิ้นทดสอบมีการเปลี่ยนแปลงหรือเสียรูป

อย่างถาวร ถึงแม้ว่าความเค้นขณะนั้นจะต่ํา

กว่าความเค้นครากของวัสดุ

โดยปกติจะออกเป็น 3 ช่วง


ผลของอุณหภูมิที่มีต่อวัสดุ (การคืบ-Creep)

ช่วงที่ 1 เป็นการเปลีย่นแปลงรูปร่างแบบยืดหยุ่นและแบบถาวร เนื่องจากความแข็ง

ของวัสดุเพิ่มขึ้นจากความเครียด

ช่วงที่ 2 จะมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเลก็น้อยอย่างคงที่ ซึ่งเกิดจากการอ่อนตัวของวัสดุ

ช่วงที่ 3 ชิ้นทดสอบมีพื้นที่หน้าตัดลดลง ความเค้นมีค่าเพิม่ขึ้น ทําให้อัตราการคืบสูง

ระบบหมายเลขวัสดุ Material Numbering Systems

Common numbering systems

◦ สมาคมวิศวกรรมยานยนต์-Society of Automotive Engineers (SAE)

◦ American Iron and Steel Institute (AISI)

◦ Unified Numbering System (UNS)

◦ American Society for Testing and Materials (ASTM) for cast

irons


UNS Numbering System

UNS system established by SAE in 1975 Letter prefix followed by 5 digit number Letter prefix designates material class◦ G – carbon and alloy steel◦ A – Aluminum alloy◦ C – Copper-based alloy◦ S – Stainless or corrosion-resistant steel


UNS for Steels For steel, letter prefix is G First two numbers indicate composition, excluding carbon content

Second pair of numbers indicates carbon content in hundredths of a percent by weight

Fifth number is used for special situations Example: G52986 is chromium alloy with 0.98% carbon


Some Casting Processes

งานหล่อแบบทราย-Sand Casting

งานหล่อแบบทรายที่เติมเรซิน-Shell Molding

งานหล่อโดยแบบหล่อขี้ผึ้ง-Investment Casting

เทคนิคการขึ้นรูปโลหะผง-Powder-Metallurgy Process


องค์ประกอบของแบบหล่อทราย การขึ้นรูปโลหะผง

กรรมวิธีการผลิตขณะร้อน (Hot-working Processes)

เป็นกระบวนการทีใ่ช้ความร้อนเข้ามาเกี่ยวข้องในการขึ้นรูป ซึ่งจะกระทําที่อุณหภูมิที่

สูงกว่าอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง และทาํให้เกิดการเรียงตัวของเกรน

โครงสร้างใหม่

การรีดร้อน, การตีขึ้นรูป, การยืด, การปั้มขึ้นรูป

ตัวอย่างชิ้นงานที่มีหน้าตัดต่างๆ


เป็นกระบวนการขึ้นรูปภายใต้ภาวะ

อุณหภูมิต่ําหรือที่อุณหภูมิห้อง โดยจะส่งผล

ทําให้เกรดในเนื้อโลหะไม่เปลี่ยนแปลง

ส่งผลทําให้ความเค้นครากและความเค้น

สูงสุดมีค่าเพิ่มขึ้น

ค่าความแข็งจะเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียวของ

โลหะจะลดลง

กระบวนการมีลักษณะ รีด, ดึง, กลึง, ฝน

และขัด โดยที่นิยมใช้ผลิตแผ่นชิ้นงานก่อน

การนําไปขึ้นรูปต่อไป


กรรมวิธีการผลิตขณะเย็น (Cold-working Processes)

กรรมวิธีการให้ความร้อนแก่เหล็กกล้า (Heat Treatment of Steel)

เป็นการควบคุมความร้อนและเวลา เพื่อปลดปล่อยความเค้นตกค้างใน

ชิ้นงานและปรับปรุงสมบัติทางกลต่างๆ เช่น ความแข็ง (ความต้านแรง),

ความเหนียว เป็นต้น

◦ การอบอ่อน (Annealing)

◦ การชุบแข็ง (Quenching)

◦ การอบคืนตัว (Tempering)

◦ การชุบผิวแข็ง (Case Hardening)


ผลของอุณหภูมิการอบต่อสมบัติทางกล (Effects of Heat Treating)


หมายถึงเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีส่วนผสมของเหล็กกับคาร์บอน และเจือด้วย

ธาตุผสมอื่นๆ เช่น แมงกานีส ซิลิกอน และฟอสฟอรัส ผสมอยู่ในประมาณ

ที่มากเพียงพอที่จะทําให้สมบัติของเหล็กกล้าเปลี่ยนไป ยกตัวอย่างเช่น

Chromium

Nickel

Manganese

Silicon

Molybdenum

Vanadium

Tungsten


โลหะอัลลัอยด์ (Alloy Steel)

เหล็กกล้าทนการกัดกร่อน (Corrosion-Resistant Steels)

เหล็กกล้าไร้สนิม-Stainless steels

◦ เหล็กกล้าที่มีปริมาณโครเมียมอย่างน้อย 12%

◦ มีสมบัติพิเศษในการต้านทานการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดี

เหล็กกล้าไร้สนิมมีอยู่ 4 ชนิด ได้แก่

◦ Ferritic chromium

◦ Austenitic chromium-nickel

◦ Martensitic

◦ Precipitation-hardenable


◦ Gray Cast Iron

◦ Ductile and Nodular Cast Iron

◦ White Cast Iron

◦ Malleable Cast Iron

◦ Alloy Cast Iron

◦ Cast Steel


การหล่อวัสดุ(Casting Materials)

อะลูมินัม-Aluminum

แมกนีเซียม-Magnesium

ไททาเนียม-Titanium

ทองแดง-Copper-based alloys

◦ Brass with 5 to 15 percent zinc



ทองสัมฤทธิ์-Bronze

Silcon bronze, phosphor bronze, aluminum bronze,

beryllium bronze


โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (Nonferrous Metals)

Thermoplastic (พลาสติกอ่อน) – จะใช้เรียกพลาสติกที่ถูกนํามาทําเป็น

รูปร่างด้วยกระบวนการทางความร้อน หรือภายใต้กําลังดัน พลาสติกเหล่านี้

สามารถขึ้นรูปใหม่ได้ด้วยกระบวนการทางความร้อน

Thermoset (พลาสติกแข็ง) – พลาสติกที่อยู่ในสภาวะอิ่มตัว ที่เกิดจาก

กระบวนการโพลีเมอไรเซชั่น พลาสติกเหล่านี้จะไม่อ่อนตัว จึงไม่สามารถขึ้น

รูปใหม่ได้ด้วยกระบวนการทางความร้อน


พลาสติก (Plastic)

Thermoplastic Properties (Table 2-2)


Thermoset Properties (Table 2-3)


เกิดจากการรวมตัวกันของวัสดุที่แตกต่างกันตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป โดยวัสดุแต่

ละชนิดจะแสดงสมบัติของตัวเอง ซึ่งแตกต่างจากโลหะอัลลอยด์ที่จะทําให้

วัสดุมีสมบัติแตกต่างไปจากเดิม

วัสดุผสมที่ใช้งานในทางวิศวกรรมมักจะมีโครงสร้างระดับที่สามารถมองเห็น

ได้ด้วยตา 2 ลักษณะ คือ โครงสร้างอัดแน่นเสริมแรง เรียกว่า filler มีความ

ต้านทานแรงสูง หรือสานกันอยู่เป็นโครงข่าย เรียกว่า Matrix

Common filler types:


วัสดุผสม (Composite Materials)


วัสดุผสม (Composite Materials)

Material Families and Classes (Table 2-4)








Young’s Modulus for Various Materials

Fig. 2–15Shigley’s Mechanical Engineering Design

Young’s Modulus vs. Density

Fig. 2–16 Shigley’s Mechanical Engineering Design

Specific Modulus

Specific Modulus – ratio of Young’s modulus to density, E /

Also called specific stiffness Useful to minimize weight with

primary design limitation of deflection, stiffness, or natural frequency

Parallel lines representing different values of E / allow comparison of specific modulus between materials Fig. 2–16


Minimum Mass Guidelines for Young’s Modulus-Density Plot

Guidelines plot constant values of E/

depends on type of loading

= 1 for axial = 1/2 for bending

Example, for axial loading,k = AE/l A = kl/E

m = Al = (kl/E) l= kl2 ( /E)

Thus, to minimize mass, maximize E/ ( = 1)

Fig. 2–16


The Performance Metric

The performance metric depends on:(1) the functional requirements, (2) the geometry, (3) the material properties

The function is often separable,

f3 (M) is called the material efficiency coefficient.

Maximizing or minimizing f3 (M) allows the material choice to be used to optimize P.


Example: Performance Metric

Requirements: light, stiff, end-loaded cantilever beam with circular cross section

Mass (m) of the beam is chosen as the performance metric to minimize

Stiffness is functional requirement Stiffness is related to material and geometry


F


From beam deflection table, 3

3FlEI

Sub Eq. (2-26) into Eq. (2-25) and solve for A

The performance metric is

Sub Eq. (2–27) into Eq. (2–28),



Separating into the form of Eq. (2–24),

To minimize m, need to minimize f3 (M), or maximize



M is called material index For this example, b = ½ Use guidelines parallel to

Increasing M, move up and to the left

Good candidates for this example are certain woods, composites, and ceramics

Fig. 2–17


1/2 /E


Additional constraints can be added as needed

For example, if it is desired that E > 50 GPa, add horizontal line to limit the solution space

Wood is eliminated as a viable option

Fig. 2–18


Strength vs. Density

Fig. 2–19 Shigley’s Mechanical Engineering Design

Specific Modulus

Specific Strength – ratio of strength to density, S /

Useful to minimize weight with primary design limitation of strength

Parallel lines representing different values of S / allow comparison of specific strength between materials

Fig. 2–19


Minimum Mass Guidelines for Strength-Density Plot

Guidelines plot constant values of S/

depends on type of loading

= 1 for axial = 2/3 for bending

Example, for axial loading, = F/A = S A = F/Sm = Al = (F/S) lThus, to minimize m, maximize S/ ( = 1) Fig. 2–19


Documents

Ch 2 Slides th.ppteng.sut.ac.th/me/2014/document/MachineDesign1/document/Ch_2_S… · Slope of linear section is Young’s Modulus, or modulus of elasticity, E Hooke’s law E is