การศึกษาความสัมพันธ์ของสมบัติเทอร์โมอิเล็กตริก (สัมประสิทธ์ซีเบค) กับความเค้นตกค้างและโครงสร้างของโลหะในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (ระยะที่ 1-2)
A Study of Relationships between Thermoelectric Properties (Seebeck Coefficient) Relative to Residual Stress and Phase of Low Carbon Steel (Phase 1-2)


ดร.ปรีชา เติมสุขสวัสดิ์
Preecha Termsuksawad. (Lecturer)
สายวิชาเทคโนโลยีวัสดุ คณะพลังงานและวัสดุ

ทุนวิจัยพระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศึกษา 2546 รอบที่ 1 งบประมาณ 75,000 บาท
ทุนวิจัยพระจอมเกล้าธนบุรี ปีการศึกษา 2547 รอบที่ 1 งบประมาณ 75,000 บาท

ความสำคัญและที่มาของการวิจัย

ความเค้นตกค้าง
ความเค้นตกค้างเป็นความเค้นที่คงเหลือในชิ้นงานแม้ในยามที่ชิ้นงานนั้นไม่ถูกแรงภายนอกมากระทำ ความเค้นตกค้างเกิดจากความไม่สม่ำเสมอในการเปลี่ยนโปแบบพลาสติก (plastic defomation) ความเค้นตกค้างในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ชิ้นงานเกิดการแตกหักภายในซึ่งไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วยการมอง ความเค้นตกค้างเกิดได้จากหลายสาเหตุ ตัวอย่างเช่น การชุบแข็ง (quenching) และ การขื้นรูปโลหะ (metalworking) ความเค้นตกค้างเนื่องจากการชุบแข็งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรจากการขยายตัวเนื่องจากการเปลี่ยนเฟส (phase transformation) ตัวอย่างเช่นการชุบแข็งเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างของเหล้าจากออสเทนไนต์ (austentite) เป็นมาร์เทนไซต์ (martensite) ในการชุบแข็งนี้พึ้นผิวของโลหะจะมีการเย็นตัวได้เร็วกว่าในเนื้อชิ้นงาน บริเวณพื้นผิวจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ก่อนซึ่งจะทำให้บริเวณผิวโลหะมีความแเข็ง (hardness) มากกว่าในเนื้อชิ้นงาน บริเวณผิวชิ้นงานจะมีแรงดึง (tension) เกิดขึ้นเมื่อเทียบกับภายในชิ้นงาน ถ้าปริมาณการขยายตัวจากการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ผิวมีมากกว่าปริมาณการหดตัวเนื่องจากความร้อน (themal contraction) ของชิ้นงานภายใน จะทำให้เกิดความเค้นตกค้างภายในบริเวณผิวชิ้นงานได้ ในทางกลับกันบริเวณแกนภายในชิ้นงานเกิดแรงอัด (compression) เทียบกับพื้นผิว และเป็นต้นเหตุให้เกิดความเค้นตกค้างได้เช่นกัน การเกิดความเค้นตกค้างจากการชุบแข็งนั้นขึ้นกับอัตราการเย็นตัว (cooling rate) อัตราการเย็นตัวของชิ้นงานมีความสัมพันธ์กับขนาดของชิ้นงานและความเร็วในการชุบแข็ง (speed of quenching) ชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่และมีการเย็นตัวเร็วจะทำให้ผิวของชิ้นงานเปลี่ยนโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ในขณะที่อุณหภูมิภายในชิ้นงานยังสูงอยู่ ในกรณีนี้ปริมาณการหดตัวเนื่องจากความร้อนภายในชิ้นงานจะมีค่าสูงเทีบบกับการขยายตัวของผิวชิ้นจานเนื่องจากการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ในกรณีที่ความแตกต่างของอัตราการเห็นตัวของผิวชิ้นงานและภายในชิ้นงานมีค่าปานกลาง ความเเตกต่างของการหดต่อเนื่องจากความร้อนภายในชิ้นงานกับการขายตัวของผิวชิ้นงานก็จะมีค่าน้อยลง
ความเค้นตกค้างที่เกิดจากการขึ้นรูป (metal working) เกิดจากการเปลี่ยนรูปของชิ้นงานเมื่อถูกแรงภายนอกมากระทำแล้วเกิดความเค้นภายใน เช่น การรีดเหล็ก ในขบวนการรีดเหล็กเเผ่นจะเกิดการไหลของโลหะแบบพลาสติก (plastic flow) ที่บริเวณใกล้ผิวชิ้นงาน ผลึกที่ผิวชิ้นงานจะถูกยืดเป็นทางยาว (elongate) ในขณะที่ผลึกภายในชิ้นงานไม่ถูกเปลี่ยนรูป และเนื่องจากชิ้นงานมีความพยายามที่จะรักษาความต่อเนื่อง (continuous) จึงทำให้เกิดความเครียด (strain) ที่บริเวณรอยต่อระหว่างผิวและบริเวณภายในชิ้นงาน บริเวณผิวจะพยายามยืดผลึกภายในชิ้นงานในขณะที่เกรนในชิ้นงานพยายามยึดไม่ให้ผลึกที่ผิวชิ้นงานยืดตัวออกไป ผลที่ได้คือเกิคควาบเค้นบีบอัดที่ผิวชิ้นงานและความเค้นทางดึงที่ภายในชิ้นงาน
การลคค่าความเค้นตกค้างสามารถทำได้โดยการอบอ่อน (annealing) ณ. อุณหภูมิที่ความแข็งแรง yield strength เท่ากับหรือน้อยกว่าปริมาณความเค้นตกค้างในเนื้อโลหะ เราเรียกกระบวนการนี้ว่าการคลายความเค้น (stress relieved)
การทดสอบหาค่าปริมาณความเค้นตกค้างโดยปกติจะเป็นการทดสอบแบบทำลาย การทดสอบแบบไม่ทำลายในการหาค่าความเค้นตกค้างนั้นสามารถหาได้จากเทคนิคการกระจายของรังสีเอ็กซ์ (x-ray diffration technique) ซึ่งจะยุ่งยากในการทดสอบและใช้เวลานาน ดังนั้นการหาวิธีการใหม่ซึ่งใช้เวลาและความยุ่งยากน้อยกว่าจึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจ ในโครงการวิจัยนี้การวัดค่าสัมประสิทธิ์ซีเบคเป็นตัวเลือกทางหนึ่งที่อาจจะนำมาใช้แทนเทคนิคเดิมได้
ในงานวิจัยนี้การวัดค่าสัมประสิทธิ์ซีเบคจะรักษาความสัมพันธ์ทั้งที่เกี่ยวข้องกับปริมาณส่วนผสมโครงสร้าง (phase composition) และค่าความเค้นตกค้าง (residual stress) ของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ

วัตถุประสงค์ของโครงการ

เพื่อสร้างเครืองมือวัดสัมประสิทธ์ซีเบคออย่างง่ายและเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ของสมบัติเทอร์โมอิเลคทริค (Themoelectric properties) และความเค้นตกค้าง ในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ นอกจากนี้ยังเป็นการพัฒนาไปสู่การประดิษฐ์อุปกรณ์ทดสอบความเค้นตกค้างในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำในอนาคต

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับจากการวิจัย

  1. เพื่อเป็นจุดเริ่มของแนวทางใหม่ในการตรวจวัดปริมาณความเค้นตกค้างในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำแบบไม่ทำลาย
  2. เป็นการนำความรู้ทางฟิสิกส์มาผสมผสานกับทางโลหะซึ่งจะเป็นจุดเริ่มแนวทางใหม่ในการรักษาสมบัติของวัสดุ
  3. สามารถประยุกต์ไปประดิษฐ์เครื่องมือต้นทุนต่ำในการตรวจสอบความเค้นตกค้างอย่างง่ายในโรงงาน

return topic

Revised: 29 December 2004/13:43:10
© 2004 by Research and Intellectual Property Promotion Center.