การทดสอบแรงดัดงอ (Bending test)

การทดสอบแรงดัดงอคืออะไร
การทดสอบแรงดัดงอเป็นอีกวิธีหนึ่งสำหรับการทดสอบแบบอัตราเร็วคงที่ ซึ่งนิยมใช้ในการทดสอบพลาสติก และมักใช้เป็นวิธีประมาณค่าความต้านทานแรง
ดึงของวัสดุ เนื่องจากวิธีนี้จะไม่ค่อยมีปัญหาซึ่งเกิดจากการเยื่องศูนย์ระหว่างชิ้นงานและเครื่องทดสอบเหมือนการทดสอบแรงดึง นอกจากนี้การกระจายตัวของแนวแรงยังถูกจำกัดอยู่แต่ในบริเวณที่จะเสียหายอีกด้วย อย่างไรก็ตาม สภาพของแรงที่เกิดขึ้นทั้งสองประเภทนี้แตกต่างกัน
ในการทดสอบแรงดึงนั้น ชิ้นทดสอบจะได้รับแรงที่เท่ากันตลอดพื้นที่หน้าตัด (unifrom tension) แต่ในการทดสอบแรงดัดงอ ชิ้นทดสอบจะได้รับแรงที่ไม่สม่ำเสมอตลอดพื้นที่หน้าตัด เนื่องจากในสภาวะที่ชิ้นงานถูกดัดงอนั้น ชิ้นงานทดสอบจะได้รับแรงสูงสุดบนผิว ผิวหนึ่งและได้รับแรงอัดบนผิวตรงกันข้าม

โดยทั่วไปแล้วการทดสอบนี้เหมาะสำหรับการทดสอบพลาสติกที่มีลักษณะแข็งเปราะ แต่ไม่เหมาะสำหรับพลาสติกอ่อนที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างภายใต
้แรงดัดได้มาก เนื่องจากสมการที่ใช้ในการคำนวณของสภาพการดัดงอนี้จะถูกต้องในกรณีที่การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวัสดุในระดับต่ำ วัสดุแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดแบบเชิงเส้น และอยู่ภายใต้แรงดัดงอล้วนๆเท่านั้น ดังนั้นโดยทั่วไปมักจะไม่ใช้ทดสอบที่
ระดับความเครียดเกิน 5%

ภาพที่ 1 : หลักการทดสอบแรงดัดงอ

โดยทั่วไป การทดสอบการดัดงอแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่การดัดงอแบบ 3 จุด (three-pointed bending)และการทดสอบแบบ 4 จุด (four-pointed bending)

การทดสอบการดัดงอแบบ 3 จุด
การทดสอบแบบนี้เป็นการให้แรงกระทำที่จุดกึ่งกลางของชิ้นงานทดสอบและจุดรับรองในทิศทางตรงกันข้ามบริเวณปลายทั้งสองด้านที่มีระยะห่างจากจุด
กึ่งกลางเท่ากัน เหมาะสำหรับการทดสอบพลาสติกที่เปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ต่ำ หัวกดที่ใช้ให้แรงกระทำและชุดรองรับมีลักษณะเป็นใบมีดมน (round knike edges) หรือเพลาโลหะแข็งก็ได้ รัศมีของหัวกด และชุดให้แรงกระทำต้องมีรัศมีอย่างต่ำ 3.2 มิลลิเมตร และ มีรัศมีสูงสุดไม่เกิน 4 เท่าของความหนาชิ้นงานทดสอบสำหรับ
หัวกด และ 1.5 เท่าของความหนาชิ้นทดสอบสำหรับชุดรองรับ การที่ชุดกดและชุดรองรับต้องมีลักษณะเป็นผิวโค้งที่จุดสัมผัสดังกล่าวเพื่อเป็นการลดความเข้ม
ของความเค้น (stress concentration) ที่อาจเกิดขึ้นบริเวณจุดสัมผัสดังกล่าว และอาจทำให้ชิ้นงานเกิดการแตกหักบริเวณจุดสัมผัสนั้น นอกจากนี้ระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสองสามารถกำหนดได้จากอัตราส่วนของระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสองกับความหนาของชิ้นทดสอบโดยมีค่า
ได้ระหว่าง 16:1 ถึง 60:1

ภาพที่ 2 : การทดสอบการดัดงอแบบ 3 จุด

ตารางที่ 1 สูตรการคำนวณในการทดสอบแรงดัดงอแบบ 3 จุด

โดยที่

F คือ แรงกระทำ
L คือ ระยะห่างระหว่างจุดรองรับที่ปลายทั้งสองด้าน (span length)
h คือ ความหนา
B คือ ความกว้าง
Y คือ ระยะการดัดงอของชิ้นงาน
D คือ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกระบอกต้น

ดังนั้น อัตราส่วนระหว่าง FและY ในวงเล็บจะเท่ากับความชันในช่วงแรกของกราฟ ที่ความสัมพันธ์ระหว่างแรงและระยะการดัดงอของชิ้นงานในช่วงแรกที่
กราฟยังเป็นเส้นตรง

การดัดงอแบบ 4 จุด
การทดสอบแบบนี้เป็นการให้แรงกระทำที่2จุดในบริเวณกึ่งกลางของชิ้นทดสอบและจุดรองรับในทิศทางตรงกันข้ามบริเวณปลายทั้งสองด้านที่มี
ระยะห่างจากจุดกึ่งกลางเท่ากัน เหมาะสำหรับการทดสอบวัสดุที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างสูงกว่าในกรณีของการทดสอบการดัดงอแบบ 3 จุด หัวกดที่ให้ภาระและชุดรองรับมีลักษณะเป็นใบมีดมนหรือเพลาโลหะแข็งเช่นเดียวกับการทดสอบแบบ 3 จุด แต่รัศมีของหัวกดและชุดให้ภาระจะมีค่าเท่ากันโดยจะต้องมีรัศมีอย่างต่ำ 3.2 มิลลิเมตร และมีรัศมีสูงสุดไม่เกิน 1.5 เท่าของความหนาของชิ้นงานทดสอบ ระยะห่างระหว่างชุดกดและชุดรองรับในการทดสอบสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทคือ แบบ 1/3 และแบบ 1/4 การจัดระยะ 1/3 หมายถึง ระยะห่างระหว่างจุดรองรับ-จุดกดและระหว่างจุดกดทั้งสองมีค่าเท่ากันคือ 1/3 ของระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสอง ในขณะที่การจัดระยะแบบ 1/4 หมายถึงระยะห่างระหว่างจุดรองรับและ
จุดกดมีค่าเท่ากับ 1/4 ของระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสอง ในขณะที่ระยะห่างระหว่างจุดกดทั้งสองเท่ากับ 2/4 เท่าของระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสอง ทั้งนี้ระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสองหรือระยะสแปนสามารถกำหนดได้โดยจากอัตราส่วนของระยะห่างระหว่างจุดรองรับทั้งสองกับความหนาของชิ้น
งานทดสอบโดยมีค่าได้ระหว่าง 16 : 1 ถึง 60 : 1

ภาพที่3 : การทดสอบการดัดงอแบบ 4 จุด

ตารางที่ 2 สูตรการคำนวณในการทดสอบแรงดัดงอแบบ 4 จุด

โดยที่

F คือ แรงกระทำ
L คือ ระยะห่างระหว่างจุดรองรับที่ปลายทั้งสองด้าน (span length)
h คือ ความหนา
B คือ ความกว้าง
Y คือ ระยะการดัดงอของชิ้นงาน
D คือ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกระบอกต้น

ลักษณะชิ้นงานสำหรับการทดสอบการดัดงอทั้งแบบ 3 จุดและ 4 จุดนั้นจะอยู่ในลักษณะของคาน โดยอาจจะมีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปวงกลมหรือสี่เหลี่ยมก็ได้ แต่ส่วนใหญ่แล้วจะมีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยม ในการเตรียมชิ้นงานนั้น ชิ้นงานที่ได้จะต้องมีขนาดตรงตามที่กำหนดไว้ พื้นผิวจะต้องมีความขนานและไม่มีจุดบกพร่องที่เกิดขึ้นจากกระบวนการเตรียมชิ้นงานทดสอบ นอกจากนี้สำหรับวัสดุบางประเภท เช่นเซรามิก บริเวณขอบของชิ้นงานอาจจะมีการทำให้มนโค้งหรือปาดทำมุม (chamfer) เพื่อลดความเข้มของความเค้นในบริเวณดังกล่าว

ชิ้นงานในการทดสอบแรงดัดงอจะไม่ถูกจับยึดแต่อย่างใด แต่จะถูกวางอยู่ตรงกลางบนแท่นรองรับระหว่างจะรับแรงสองจุด จากนั้นชิ้นงานจะถูกกดด้วยแท่นกดจากด้านบนซึ่งจะมีจำนวนจุดรองรับแรงกดขึ้นอยู่กับลักษณะของการทดสอบ โดยจุดรองรับในการส่งผ่านแรงกดชิ้นงานทุกจุดจะต้องมีความโค้งมนเพื่อลดความเข้มความเค้นในบริเวณนั้น ซึ่งอาจจะส่งผลให้ชิ้นงานทดสอบเกิดการแตกหักในบริเวณจุดกดนั้นได้ นอกจากนี้จุดรับแรงกดทั้งหมดสามารถที่จะเป็นแบบยึดติดโดยไม่สามารถหมุนได้ หรืออาจจะมีลักษณะที่หมุนตัวได้บ้างเพื่อที่จะลดแรงเสียดทานระหว่างชิ้นงานทดสอบและจุดรองรับ ซึ่งจะมีผลต่อผลการทดสอบได้

ภาพที่ 4 : ลักษณะรูปร่างของชิ้นทดสอบแรงดัดงอ

ภาพที่ 5 : ลักษณะของอุปกรณ์จับยึดสำหรับการดัดงอแบบ 4 จุด

ที่มา : การทดสอบสมบัติทางกลของพลาสติก โดย ดร.จินตมัย สุวรรณประทีป จัดพิมพ์โดย สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ส.ส.ท.) 2547