การทดสอบแรงดึงหรือที่เรียกว่าการทดสอบแรงดึง^{[ 1 ]}เป็นการทดสอบพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม วัสดุ โดยที่ตัวอย่างจะถูกดึงด้วยแรงดึง ที่ควบคุมได้ จนกระทั่งแตกหัก คุณสมบัติที่วัดได้โดยตรงจากการทดสอบแรงดึง ได้แก่ ความแข็งแรง แรงดึงสูงสุดความแข็งแรงแตกหักการยืดตัวสูงสุดและการลดลงของพื้นที่^{[ 2 ]}จากการวัดเหล่านี้ คุณสมบัติต่อไปนี้ก็สามารถกำหนดได้เช่นกัน ได้แก่ โมดูลั ส ของ ยังอัตราส่วนปัวซองความแข็งแรงค ราก และลักษณะการแข็งตัวของความเครียด^{[ 3 ]}การทดสอบแรงดึงแบบแกนเดียวเป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในการหาคุณสมบัติทางกลของ วัสดุ ไอโซโทรปิกวัสดุบางชนิดใช้การทดสอบแรงดึงแบบสองแกนความแตกต่างหลักระหว่างเครื่องทดสอบเหล่านี้คือวิธีการใช้แรงกับวัสดุ

การทดสอบแรงดึงอาจมีวัตถุประสงค์หลากหลาย เช่น:

• เลือกวัสดุหรือสิ่งของสำหรับงานประยุกต์ใช้
• เพื่อทำความเข้าใจสถานะการเสื่อมโทรมของมรดกทางวัฒนธรรม ( วิทยาศาสตร์มรดก ) และเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการบำบัดรักษา^{[ 4 ]}
• คาดการณ์ประสิทธิภาพของวัสดุในการใช้งาน: แรงปกติและแรงสุดขีด
• ตรวจสอบว่าข้อกำหนดในข้อกำหนดเฉพาะข้อบังคับหรือสัญญาได้รับการปฏิบัติตาม หรือไม่
• พิจารณาว่า โครงการ พัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่เป็นไปตามแผนหรือไม่
• สาธิตการพิสูจน์แนวคิด
• แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ใช้สอยของสิทธิบัตร ที่เสนอ
• จัดเตรียมข้อมูลมาตรฐาน สำหรับ งานด้านวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และการประกันคุณภาพ อื่นๆ
• จัดเตรียมพื้นฐานสำหรับการสื่อสารทางเทคนิค
• จัดหาเครื่องมือทางเทคนิคสำหรับการเปรียบเทียบตัวเลือกต่างๆ
• นำเสนอหลักฐานในกระบวนการทางกฎหมาย

การเตรียมชิ้นงานทดสอบขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการทดสอบและวิธีการทดสอบหรือข้อกำหนด ที่ใช้บังคับ ชิ้นงานทดสอบแรงดึงมักจะมีหน้าตัดตัวอย่างมาตรฐาน โดยมีส่วนไหล่สองข้างและส่วนวัด (ส่วน) อยู่ตรงกลาง ส่วนไหล่และส่วนยึดโดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่กว่าส่วนวัด 33% ^{[ 5 ]}เพื่อให้สามารถยึดจับได้ง่าย เส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าของส่วนวัดยังช่วยให้การเสียรูปและการแตกหักเกิดขึ้นในบริเวณนี้ได้^{[ 2 ] [ 6 ]}

ไหล่ของชิ้นงานทดสอบสามารถผลิตได้หลายวิธีเพื่อให้เข้ากับตัวจับยึดแบบต่างๆ ในเครื่องทดสอบ (ดูภาพด้านล่าง) แต่ละระบบมีข้อดีและข้อเสีย ตัวอย่างเช่น ไหล่ที่ออกแบบมาสำหรับตัวจับยึดแบบฟันเลื่อยนั้นผลิตได้ง่ายและราคาถูก แต่การจัดตำแหน่งของชิ้นงานขึ้นอยู่กับทักษะของช่างเทคนิค ในทางกลับกัน ตัวจับยึดแบบหมุดช่วยให้การจัดตำแหน่งดีขึ้น ไหล่และตัวจับยึดแบบเกลียวก็ช่วยให้การจัดตำแหน่งดีขึ้นเช่นกัน แต่ช่างเทคนิคต้องรู้วิธีขันเกลียวไหล่แต่ละอันเข้าไปในตัวจับยึดอย่างน้อยหนึ่งเส้นผ่านศูนย์กลาง มิฉะนั้นเกลียวอาจหลุดก่อนที่ชิ้นงานจะแตกหัก^{[ 7 ]}

ในการหล่อและการตีขึ้นรูป ขนาดใหญ่ เป็นเรื่องปกติที่จะเพิ่มวัสดุส่วนเกิน ซึ่งออกแบบมาเพื่อนำออกจากการหล่อเพื่อให้สามารถทำชิ้นงานทดสอบได้ ชิ้นงานทดสอบเหล่านี้อาจไม่ใช่ตัวแทนที่แน่นอนของชิ้นงานทั้งหมด เนื่องจากโครงสร้างของเกรนอาจแตกต่างกันไปตลอดทั้งชิ้นงาน ในชิ้นงานขนาดเล็กหรือเมื่อต้องทดสอบชิ้นส่วนที่สำคัญของการหล่อ อาจต้องเสียสละชิ้นงานเพื่อทำชิ้นงานทดสอบ^{[ 8 ]}สำหรับชิ้นงานที่กลึงจากแท่งโลหะชิ้นงานทดสอบสามารถทำจากชิ้นเดียวกันกับแท่งโลหะได้

สำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่มและมีรูพรุน เช่น ผ้าไม่ทอแบบอิเล็กโทรสปันที่ทำจากนาโนไฟเบอร์ ตัวอย่างมักจะเป็นแถบตัวอย่างที่รองรับด้วยกรอบกระดาษเพื่อความสะดวกในการติดตั้งบนเครื่องและเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของเมมเบรน^{[ 9 ] [ 10 ]}

รูปแบบหัวจับชิ้นงานทดสอบแรงดึงแบบต่างๆ สัญลักษณ์ A ถึง C ใช้สำหรับชิ้นงานทรงกลม ส่วนสัญลักษณ์ D และ E ใช้สำหรับชิ้นงานทรงแบน สัญลักษณ์:

A. บ่าแบบมีเกลียว สำหรับใช้กับเกลียว B. บ่าแบบกลม สำหรับใช้กับด้ามจับแบบมีร่อง C. บ่าแบบปลายด้าม สำหรับใช้กับปลอกแยก D. บ่าแบบแบน สำหรับใช้กับด้ามจับแบบมีร่อง

E. ไหล่แบนที่มีรูทะลุสำหรับยึดด้วยหมุด

การตั้งชื่อตัวอย่างทดสอบ

ความสามารถในการทำซ้ำของเครื่องทดสอบสามารถพบได้โดยใช้ตัวอย่างทดสอบพิเศษที่ทำขึ้นอย่างพิถีพิถันเพื่อให้มีความคล้ายคลึงกันมากที่สุด^{[ 8 ]}

ชิ้นงานทดสอบมาตรฐานจะถูกเตรียมในรูปทรงกลมหรือสี่เหลี่ยมตามความยาวเกจ ขึ้นอยู่กับมาตรฐานที่ใช้ ปลายทั้งสองข้างของชิ้นงานควรมีความยาวเพียงพอและมีสภาพพื้นผิวที่เหมาะสมเพื่อให้สามารถยึดได้อย่างแน่นหนาในระหว่างการทดสอบ ความยาวเกจเริ่มต้น Lo เป็นมาตรฐาน (ในหลายประเทศ) และจะแตกต่างกันไปตามเส้นผ่านศูนย์กลาง (Do) หรือพื้นที่หน้าตัด (Ao) ของชิ้นงานตามที่ระบุไว้

ตารางต่อไปนี้แสดงตัวอย่างขนาดและค่าความคลาดเคลื่อนของชิ้นงานทดสอบตามมาตรฐานASTM E8

เครื่องทดสอบที่ใช้กันทั่วไปในการทดสอบแรงดึงคือเครื่องทดสอบอเนกประสงค์^{[ 12 ]}เครื่องประเภทนี้มีหัวจับสองหัว หัวหนึ่งปรับตามความยาวของชิ้นงานทดสอบ และอีกหัวหนึ่งขับเคลื่อนเพื่อใช้แรงดึงกับชิ้นงานทดสอบ เครื่องทดสอบ^{[ 13 ]}มีทั้งแบบไฟฟ้าเชิงกลและแบบไฮดรอลิก [ ^{6 ] ดู}บทความอ้างอิงสำหรับตัวอย่างการทดสอบแรงดึงเชิงกลสำหรับวัสดุในอุตสาหกรรมการแพทย์เพื่อการรักษาบาดแผล^{[ 14 ]}

เครื่องจักรไฟฟ้าเชิงกลใช้มอเตอร์ไฟฟ้า ระบบลดเกียร์ และสกรูหนึ่ง สอง หรือสี่ตัวเพื่อเคลื่อนหัวจับขึ้นหรือลง สามารถปรับความเร็วของหัวจับได้หลายระดับโดยการเปลี่ยนความเร็วของมอเตอร์ ความเร็วของหัวจับ และอัตราการรับน้ำหนัก สามารถควบคุมได้ด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ในตัวควบคุมเซอร์โวแบบวงปิด เครื่องทดสอบไฮดรอลิกใช้ลูกสูบแบบทำงานด้านเดียวหรือสองด้านเพื่อเคลื่อนหัวจับขึ้นหรือลง นอกจากนี้ยังมีระบบทดสอบที่ควบคุมด้วยมือ การกำหนดค่าแบบแมนนวลต้องให้ผู้ปฏิบัติงานปรับวาล์วเข็มเพื่อควบคุมอัตราการรับน้ำหนัก การเปรียบเทียบโดยทั่วไปแสดงให้เห็นว่าเครื่องจักรไฟฟ้าเชิงกลสามารถรองรับความเร็วในการทดสอบที่หลากหลายและระยะการเคลื่อนที่ของหัวจับที่ยาว ในขณะที่เครื่องจักรไฮดรอลิกเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าสำหรับการสร้างแรงสูง^{[ 15 ]}

เครื่องจักรต้องมีคุณสมบัติที่เหมาะสมสำหรับชิ้นงานทดสอบที่กำลังทดสอบ มีพารามิเตอร์หลักสี่ประการ ได้แก่ กำลังรับแรง ความเร็วความแม่นยำ และความถูกต้องกำลังรับแรงหมายถึงความจริงที่ว่าเครื่องจักรต้องสามารถสร้างแรงได้มากพอที่จะทำให้ชิ้นงานแตกหัก เครื่องจักรต้องสามารถใช้แรงได้อย่างรวดเร็วหรือช้าพอที่จะจำลองการใช้งานจริงได้อย่างเหมาะสม สุดท้าย เครื่องจักรต้องสามารถวัดความยาวและแรงที่ใช้ได้อย่างแม่นยำและเที่ยงตรง ตัวอย่างเช่น เครื่องจักรขนาดใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อวัดการยืดตัวยาวๆ อาจใช้ไม่ได้กับวัสดุที่เปราะซึ่งมีการยืดตัวสั้นๆ ก่อนที่จะแตกหัก^{[ 7 ]}

การจัดตำแหน่งชิ้นงานทดสอบในเครื่องทดสอบมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะหากชิ้นงานไม่ตรงแนว ไม่ว่าจะเอียงหรือเยื้องไปด้านใดด้านหนึ่ง เครื่องจะออกแรงดัดงอชิ้นงาน ซึ่งเป็นอันตรายอย่างยิ่งสำหรับ วัสดุ ที่เปราะเพราะจะทำให้ผลลัพธ์ผิดเพี้ยนไปอย่างมาก สถานการณ์นี้สามารถลดลงได้โดยการใช้เบาะรองทรงกลมหรือข้อต่อรูปตัวยูระหว่างตัวจับยึดกับเครื่องทดสอบ^{[ 7 ]}หากส่วนเริ่มต้นของเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดเป็นเส้นโค้งและไม่เป็นเส้นตรง แสดงว่าชิ้นงานไม่ตรงแนวในเครื่องทดสอบ^{[ 16 ]}

โดยทั่วไปการวัดความเครียดจะใช้เครื่องวัดความยืด (extensometer) เป็นหลัก แต่เกจวัดความเครียดก็มักใช้กับชิ้นงานทดสอบขนาดเล็กหรือเมื่อต้องการวัดอัตราส่วนปัวซอง (Poisson's ratio ) ^{[ 7 ]}เครื่องทดสอบรุ่นใหม่มีระบบวัดเวลา แรง และการยืดแบบดิจิทัล ซึ่งประกอบด้วยเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์เก็บข้อมูล (มักเป็นคอมพิวเตอร์) และซอฟต์แวร์เพื่อจัดการและแสดงผลข้อมูล อย่างไรก็ตาม เครื่องทดสอบแบบอนาล็อกยังคงตรงตามและเกินข้อกำหนดด้านความแม่นยำของการทดสอบแรงดึงโลหะของ ASTM, NIST และ ASM และยังคงใช้งานอยู่ในปัจจุบัน

ตัวอย่างทดสอบแรงดึงของอะลูมิเนียมหลังการแตกหัก

ลักษณะความเสียหายแบบ "ถ้วย-กรวย" คือด้าน "ถ้วย"

บางส่วนมีรูปทรงคล้าย "ถ้วย" และบางส่วนมีรูปทรงคล้าย "กรวย"

กระบวนการทดสอบเกี่ยวข้องกับการวางชิ้นงานทดสอบในเครื่องทดสอบและค่อยๆ ยืดออกจนกระทั่งแตกหัก ในระหว่างกระบวนการนี้ จะมีการบันทึก การยืดตัวของส่วนวัดเทียบกับแรงที่ใช้ ข้อมูลจะถูกประมวลผลเพื่อให้ไม่เฉพาะเจาะจงกับรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงานทดสอบ การวัดการยืดตัวจะถูกนำมาใช้ในการคำนวณความเครียดทางวิศวกรรมεโดยใช้สมการต่อไปนี้: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {\Delta L}{L_{0}}}={\frac {L-L_{0}}{L_{0}}}}$

โดยที่ Δ Lคือการเปลี่ยนแปลงความยาวเกจL ₀คือความยาวเกจเริ่มต้น และLคือความยาวสุดท้าย การวัดแรงจะใช้ในการคำนวิดความเค้นทางวิศวกรรม σ โดยใช้สมการต่อไปนี้: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \sigma ={\frac {F_{n}}{A}}}$

โดยที่ F คือแรงดึง และ A คือหน้าตัดที่กำหนดของชิ้นงาน เครื่องจักรจะทำการคำนวณเหล่านี้เมื่อแรงเพิ่มขึ้น เพื่อให้สามารถนำจุดข้อมูลมาสร้างเป็นกราฟเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดได้^{[ 6 ]}

เมื่อต้องจัดการกับวัสดุที่มีรูพรุนและอ่อนนุ่ม เช่น เยื่อนาโนไฟเบอร์ที่ผลิตด้วยวิธีการปั่นด้วยไฟฟ้า การใช้สูตรความเค้นข้างต้นจึงมีปัญหา ความหนาของเยื่อขึ้นอยู่กับแรงดันที่ใช้ระหว่างการวัด ทำให้ค่าความหนาแปรผันได้ ส่งผลให้เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดที่ได้มีความแปรผันสูง ในกรณีนี้ แนะนำให้ปรับค่าภาระให้เป็นมาตรฐานโดยเทียบกับมวลของชิ้นงานแทนที่จะเป็นพื้นที่หน้าตัด (A) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การดึงที่เชื่อถือได้^{[ 17 ]}

การทดสอบแรงดึงสามารถใช้ทดสอบการคืบในวัสดุ ซึ่งเป็นการเสียรูปพลาสติกอย่างช้าๆ ของวัสดุจากแรงเค้นคงที่ที่ใช้เป็นเวลานาน การคืบโดยทั่วไปได้รับความช่วยเหลือจากการแพร่กระจายและการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน แม้ว่าจะมีหลายวิธีในการทดสอบการคืบ แต่การทดสอบแรงดึงมีประโยชน์สำหรับวัสดุเช่นคอนกรีตและเซรามิกส์ที่มีพฤติกรรมแตกต่างกันในแรงดึงและแรงอัด ดังนั้นจึงมีอัตราการคืบแรงดึงและแรงอัดที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ การทำความเข้าใจการคืบแรงดึงจึงมีความสำคัญในการออกแบบคอนกรีตสำหรับโครงสร้างที่ประสบกับแรงดึง เช่น ภาชนะบรรจุน้ำ หรือเพื่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างโดยทั่วไป^{[ 18 ]}

การทดสอบแรงดึงของการคืบโดยทั่วไปจะใช้กระบวนการทดสอบเดียวกันกับการทดสอบมาตรฐาน แม้ว่าโดยทั่วไปจะใช้แรงดึงที่ต่ำกว่าเพื่อให้ยังคงอยู่ในขอบเขตของการคืบแทนที่จะเป็นการเสียรูปพลาสติก นอกจากนี้ อุปกรณ์ทดสอบแรงดึงคืบแบบพิเศษอาจมีส่วนประกอบของเตาเผาอุณหภูมิสูงเพื่อช่วยในการแพร่กระจาย^{[ 19 ]}ตัวอย่างจะถูกรักษาไว้ที่อุณหภูมิและแรงดึงคงที่ และความเครียดบนวัสดุจะถูกวัดโดยใช้เกจวัดความเครียดหรือเกจเลเซอร์ ความเครียดที่วัดได้สามารถนำไปใช้กับสมการที่ควบคุมกลไกการคืบที่แตกต่างกัน เช่น การคืบแบบกฎกำลังหรือการคืบแบบแพร่กระจาย (ดู ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ การคืบ ) การวิเคราะห์เพิ่มเติมสามารถทำได้จากการตรวจสอบตัวอย่างหลังการแตกหัก การทำความเข้าใจกลไกและอัตราการคืบจะช่วยในการเลือกและการออกแบบวัสดุได้

การจัดเรียงตัวอย่างมีความสำคัญต่อการทดสอบแรงดึงแบบคืบ การโหลดที่ไม่ตรงศูนย์กลางจะส่งผลให้เกิดความเค้นดัดงอต่อตัวอย่าง การดัดงอสามารถวัดได้โดยการติดตามความเครียดในทุกด้านของตัวอย่าง จากนั้นเปอร์เซ็นต์การดัดงอสามารถกำหนดได้เป็นความแตกต่างระหว่างความเครียดบนหน้าหนึ่ง ( ) และความเครียดเฉลี่ย ( ): ^{[ 20 ]}${\displaystyle \varepsilon _{1}}$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$

${\displaystyle {\text{เปอร์เซ็นต์การโค้งงอ}}={\frac {\varepsilon _{1}-\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{0}}}\times 100}$

เปอร์เซ็นต์การโค้งงอควรต่ำกว่า 1% บนด้านที่กว้างกว่าของชิ้นงานที่รับน้ำหนัก และต่ำกว่า 2% บนด้านที่บางกว่า การโค้งงออาจเกิดจากการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องของแคลมป์รับน้ำหนักและการกลึงชิ้นงานที่ไม่สมมาตร^{[ 20 ]}

• ASTM E8/E8M-24: วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับการทดสอบแรงดึงของวัสดุโลหะ
• ISO 6892-1: วัสดุโลหะ − การทดสอบแรงดึง − ส่วนที่ 1: วิธีการทดสอบที่อุณหภูมิห้อง
• ISO 6892-2: วัสดุโลหะ − การทดสอบแรงดึง − ส่วนที่ 2: วิธีการทดสอบที่อุณหภูมิสูง
• มาตรฐาน JIS Z 2241: วัสดุโลหะ − การทดสอบแรงดึง − วิธีการทดสอบที่อุณหภูมิห้อง
• มาตรฐานการทดสอบMPIF ข้อที่ 10: วิธีการหาค่าคุณสมบัติแรงดึงของวัสดุโลหะผง (PM)

• ASTM D3039/D3039M: วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติแรงดึงของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์พอลิเมอร์

• ASTM D638: วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติแรงดึงของพลาสติก
• ASTM D828: วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติแรงดึงของกระดาษและกระดาษแข็งโดยใช้เครื่องมือยืดตัวคงที่
• ASTM D882: วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติแรงดึงของแผ่นพลาสติกบาง
• ISO 37: ยางวัลคาไนซ์หรือเทอร์โมพลาสติก − การหาคุณสมบัติความเค้น-ความเครียดแรงดึง

• วิดีโอเกี่ยวกับการทดสอบแรงดึง
• เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดสอบแรงดึง ASTM D638
• admet.com: พื้นฐานการทดสอบแรงดึง นิตยสารคุณภาพ