ค่าความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young) รายการ|การอธิบายอย่างละเอียดของค่าโลหะ เรซิน เซรามิก

ที่นี่การวิเคราะห์ความแข็งแรง　เมื่อดำเนินการจำเป็นต้องมี"ค่าความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (โมดูลัสของยัง)"กำลังจดบันทึกเกี่ยวกับเรื่องนี้

ในการคำนวณอัตราการเติบโตของเยาวชน คุณเคยประสบปัญหาในการเลือกตัวเลขที่ถูกต้องหรือไม่? เนื่องจากข้อมูลจากเอกสารหรือเว็บไซต์ต่างๆ อาจมีความแตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้คุณลังเลว่าควรเชื่อถือตัวเลขใดดี

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในสถานที่ออกแบบปัจจุบันที่มีการใช้วัสดุหลากหลาย ตั้งแต่โลหะไปจนถึงเรซินและเซรามิกส์ การมีรายการค่า Young's modulus ที่เชื่อถือได้เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง หากใช้ค่าที่ไม่ถูกต้อง ผลการวิเคราะห์อาจไม่เชื่อถือได้และอาจนำไปสู่ปัญหาการออกแบบที่ไม่คาดคิดได้

บทความนี้จัดทำขึ้นสำหรับผู้ออกแบบที่ต้องการหา "รายการ Young's Modulus" โดยรวบรวมค่าตัวเลขที่เฉพาะเจาะจงของวัสดุต่างๆ อย่างครอบคลุม นอกจากนี้ยังไม่ได้เป็นเพียงการเรียงลำดับตัวเลขเท่านั้น แต่ยังรวมถึงข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับเหตุผลที่ค่าเหล่านั้นเกิดขึ้น และข้อควรระวังในการออกแบบอีกด้วย

ค่าความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (โมดูลัสของยัง) ความหมายทางฟิสิกส์และหลักการพื้นฐาน

ค่าความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young) คืออะไร? ค่าทางกายภาพที่แสดงถึงความแข็ง

ค่าความแข็งยืดหยุ่นในแนวตั้ง (ค่า Young) คือค่าคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานที่สุดอย่างหนึ่งที่แสดงถึง "ความแข็งแรง" ของวัสดุ หรือความยากในการเกิดการเปลี่ยนรูป　ค่านี้เป็นตัวชี้วัดที่แสดงถึงความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปเมื่อวัสดุถูกแรงดึงหรือแรงอัดกระทำ ค่าความยืดหยุ่นยิ่งมาก วัสดุจะยิ่งแข็งและเปลี่ยนรูปได้ยาก ในทางกลับกัน วัสดุที่มีค่าความยืดหยุ่นต่ำจะมีความยืดหยุ่นและเปลี่ยนรูปได้ง่าย

คุณสมบัตินี้มีที่มาจากความแข็งแรงของการยึดเกาะระหว่างอะตอมที่ประกอบเป็นวัสดุ ดังนั้นค่า Young's modulus จึงเป็นค่าเฉพาะของวัสดุนั้นๆ ที่ไม่ขึ้นอยู่กับรูปร่าง

ในการออกแบบเครื่องจักร วัสดุที่ใช้เป็นมาตรฐานคือค่า Young's Modulus ของเหล็ก ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 205GPa โดยใช้ค่านี้เป็นเกณฑ์ในการประเมินว่าวัสดุอื่น ๆ จะมีความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปมากน้อยเพียงใดในเชิงเปรียบเทียบ ซึ่งขั้นตอนนี้ถือเป็นก้าวแรกในการคัดเลือกวัสดุสำหรับการออกแบบเบื้องต้น

ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น ความเครียด และกฎของฮุก

ในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (Young's Modulus) จำเป็นต้องมีความเข้าใจในสองแนวคิดคือ "ความเค้น" และ "การยืดตัว"　เมื่อมีแรงภายนอกกระทำต่อวัสดุ จะเกิดแรงต้านภายในเพื่อต่อต้านแรงนั้น แรงต้านต่อหน่วยพื้นที่นี้เรียกว่า "ความเค้น (σ)" และอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของวัสดุเมื่อมีแรงกระทำ ซึ่งแสดงถึงการยืดหรือหดตัวเมื่อเทียบกับความยาวเดิม เรียกว่า "การเปลี่ยนรูป (ε)"

ในขอบเขตที่เรียกว่า "ช่วงยืดหยุ่น" ซึ่งวัสดุจะกลับคืนสู่สภาพเดิมเมื่อได้รับแรงกระทำ ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดจะเป็นไปตามสัดส่วนที่สัมพันธ์กัน เราเรียกสิ่งนี้ว่า "กฎของฮุก" ความแข็งของยัง (E) เป็นค่าคงที่ในความสัมพันธ์เชิงสัดส่วนนี้ และแสดงด้วยสมการง่ายๆ ดังนี้

σ = E × ε

นี่เป็นกฎที่แสดงถึงการยืดของสปริง (F = kx) ซึ่งมีความเหมือนกันในเชิงแนวคิด เมื่อเราพิจารณาว่าความเค้น σ เป็นแรง F ความยืด ε เป็นการยืด x และค่าคงที่ของสปริง k เป็นค่าคงที่ของสปริง E เราจะสามารถเข้าใจได้อย่างชัดเจนว่าค่าคงที่ของสปริง E เป็นตัวชี้วัดที่แสดงถึง "ความแข็ง" หรือ "ความแข็งแรงของสปริง" ของวัสดุนั้นๆ

หน่วยและสูตรการแปลง (GPa และ N/mm²)

ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young) หน่วยจะแสดงเป็นพาสคาล (Pa) ซึ่งเป็นหน่วยของความดันเช่นเดียวกับหน่วยของความเค้น　　อย่างไรก็ตาม เนื่องจากค่าความยืดหยุ่นของวัสดุอุตสาหกรรมจริงมีค่าสูงมาก จึงมักใช้หน่วยกิกะปาสคาล (GPa) หรือเมกะปาสคาล (MPa) แทน

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานออกแบบเครื่องจักรและการวิเคราะห์ CAE มักจะใช้หน่วยแรงเป็นนิวตัน (N) และหน่วยความยาวเป็นมิลลิเมตร (mm) ในกรณีนี้ หน่วยของความเค้นและความแข็งของยังก์จะเป็น N/mm² ซึ่ง N/mm² นี้มีค่าเท่ากับ MPa อย่างสมบูรณ์ เพื่อไม่ให้เกิดข้อผิดพลาดในการแปลงหน่วย ควรจำสูตรความสัมพันธ์ต่อไปนี้ให้แม่นยำ

• 1 GPa = 1,000 MPa
• 1 MPa = 1 นิวตัน/ตารางมิลลิเมตร

ดังนั้น จากสองสมการนี้ ความสัมพันธ์ระหว่าง GPa และ N/mm² จะเป็นดังนี้

• 1 GPa = 1,000 N/mm²

ตัวอย่างเช่น ค่า Young's modulus ของเหล็กกล้าที่ 205 GPa เทียบเท่ากับ 205,000 N/mm² แม้ว่าข้อมูลในแผ่นข้อมูลวัสดุจะระบุเป็น GPa แต่หากซอฟต์แวร์วิเคราะห์ต้องการข้อมูลในรูปแบบ N/mm² การแปลงค่านี้จึงเป็นสิ่งจำเป็น

ความแตกต่างของสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นด้านข้าง

ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่าความยืดหยุ่นของยัง)เนื่องจากเป็นการแสดงความยากลำบากในการเปลี่ยนรูปเมื่อมีแรงในทิศทาง "แนวตั้ง" ซึ่งเป็นการดึงหรือบีบอัดวัสดุ

ในทางกลับกัน ค่าที่แสดงถึงความยืดหยุ่นของวัสดุก็มีสิ่งที่เรียกว่า "ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นด้านข้าง (G)" อยู่ด้วย　　นี่คือค่าที่เรียกว่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นเฉือนหรืออัตราความแข็งเฉือน ซึ่งแสดงถึงความยากในการเปลี่ยนรูปเมื่อมี "แรงเฉือน" เช่น การบิดหรือการเลื่อนวัสดุ

ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young) มีบทบาทสำคัญในการคำนวณ "การดัด" และ "การยืดหด" ของชิ้นส่วน ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวนอนจะถูกใช้ในการคำนวณ "การบิด" เช่นนี้สองค่านี้แสดงค่าคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งแสดงถึงความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปสองประเภทที่แตกต่างกันครับ/ค่ะ

อย่างไรก็ตาม ในวัสดุที่มีสมบัติเป็นเนื้อเดียวกัน เช่น เหล็กกล้าหรืออลูมิเนียม (วัสดุที่มีสมบัติเหมือนกันในทุกทิศทาง) ค่า Young's modulus (E), ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นด้านข้าง (G) และค่าที่แสดงถึงการหดตัวในทิศทางข้างเมื่อดึงวัสดุ "อัตราส่วนของพัวซอง (ν)ระหว่างนั้น จะมีความสัมพันธ์ตามสมการด้านล่างนี้

G = E / 2(1 + ν)

จากสมการนี้สามารถเห็นได้ว่า หากทราบค่าสองในสามค่าแล้ว สามารถคำนวณหาค่าที่เหลือได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน จึงต้องระมัดระวังไม่ให้ป้อนค่าผิดในการวิเคราะห์ CAE

ความแตกต่างที่สำคัญกับกำลังและความแข็ง

ในสถานที่ออกแบบ คำว่า "ความแข็ง" "ความแข็งแรง" "ความแข็ง" ถูกใช้บ่อยครั้งการสับสนความหมายเหล่านี้อาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการออกแบบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแยกแยะอย่างเคร่งครัด

• ความแข็ง (Stiffness): เป็นตัวชี้วัดว่า "สามารถต้านทานการเปลี่ยนรูปได้มากเพียงใดเมื่อมีแรงกด" ซึ่งกำหนดโดยค่า Young's modulus หากเป้าหมายการออกแบบคือการ "ลดการโค้งงอ" ความแข็งจะมีความสำคัญ
• ความแข็งแรง (Strength): เป็นตัวชี้วัดว่า "สามารถทนทานต่อแรงได้มากเพียงใดโดยไม่แตกหัก" โดยประเมินจากจุดยอมแพ้และความแข็งแรงในการดึง หากเป้าหมายในการออกแบบคือ "ไม่แตกหัก" ความแข็งแรงจะมีความสำคัญ
• ความแข็ง (Hardness): เป็นตัวชี้วัดที่แสดงถึง "ความทนทานต่อการขีดข่วนของพื้นผิว" ของวัสดุ มีความสำคัญในชิ้นส่วนที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอจากการเสียดสี เช่น ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ บางวัสดุการชุบแข็ง　สามารถเพิ่มความแข็งได้

จุดที่สำคัญที่สุดคือ คุณสมบัติเหล่านี้ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงกัน ตัวอย่างเช่น กระจกมีความแข็งแรงสูงมาก แต่เปราะและทนต่อแรงกระแทกได้ไม่ดี ในทางกลับกัน เหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูงจะมีค่าความแข็งแรงสูงกว่าเหล็กทั่วไป แต่เนื่องจากมีค่า Young's modulus ที่ใกล้เคียงกัน ความยืดหยุ่นจึงไม่แตกต่างกัน การพิจารณาอย่างถูกต้องว่าปัญหาการออกแบบเกิดจากการขาดความแข็งแรงหรือความแข็งแรงไม่เพียงพอ เป็นกุญแจสำคัญในการเลือกวัสดุที่เหมาะสม

ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติของค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่าความยืดหยุ่นของยัง) ของวัสดุโลหะ

ค่าคงที่ของความยืดหยุ่นในแนวตั้งของเหล็ก (โมดูลัสของยัง)

ในการออกแบบเครื่องจักร ค่าความยืดหยุ่นของเหล็ก (เหล็กกล้า) เป็นค่ามาตรฐานสำหรับวัสดุทั้งหมด　　ค่าความยืดหยุ่นของวัสดุเหล็กกล้าส่วนใหญ่ รวมถึงเหล็กกล้าโครงสร้างทั่วไป (SS400) และเหล็กกล้าคาร์บอนสำหรับโครงสร้างเครื่องจักร (เช่น S45C) จะแสดงค่าประมาณ 205GPa (กิกะปาสคาล) ค่านี้เป็นค่าพื้นฐานทางคุณสมบัติทางกายภาพที่ผู้ออกแบบต้องจดจำไว้เสมอ

ลักษณะสำคัญของวัสดุเหล็กและเหล็กกล้าคือ แม้ความแข็งแรงและความแข็งจะเปลี่ยนแปลงอย่างมากจากการอบชุบและการอบคืนตัว แต่ค่า Young's modulus แทบจะไม่เปลี่ยนแปลงเลย นี่เป็นเพราะค่า Young's modulus ถูกควบคุมโดยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ซึ่งเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุ และไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างโลหะ เนื่องจากความเสถียรนี้ ค่า Young's modulus ของเหล็กกล้าจึงสามารถนำมาใช้เป็นตัวเลขคงที่ที่มีความน่าเชื่อถือสูงในการวิเคราะห์ CAE หลายๆ แบบ

อย่างไรก็ตาม ข้อควรระวังคือ ในกรณีของเหล็กหล่อ เนื่องจากมีโครงสร้างที่แตกต่าง ค่า Young's modulus จะอยู่ที่ 100-180 GPa ซึ่งต่ำกว่าเหล็กกล้าและมีความแปรปรวนสูงกว่ามาก หากวัตถุที่ออกแบบเป็นเหล็กหล่อ ควรระวังไม่ให้ป้อนค่าตัวเลขเหมือนกับเหล็กกล้า

ค่าความแข็งยืดหยุ่นตามยาวของสแตนเลสที่ใช้บ่อย (ค่า Young)

สแตนเลส (SUS) เป็นวัสดุที่ใช้ในผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภทเนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง แต่มีค่า Young's modulus ที่ใกล้เคียงกับเหล็ก　　ในกรณีของ SUS304 ซึ่งเป็นออสเทนไนต์ชนิดที่พบมากที่สุด ค่าความยืดหยุ่นจะอยู่ในช่วงประมาณ 193-200 GPa นอกจากนี้ SUS316L ที่เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนโดยการเติมโมลิบดีนัมก็มีค่าประมาณ 193 GPa และ SUS430 ซึ่งเป็นเฟอไรต์ชนิดที่ราคาถูกกว่ามีค่าประมาณ 200 GPa แม้ว่าจะแตกต่างกันในประเภทของวัสดุ แต่ความแตกต่างไม่มากนัก

ดังนั้นเมื่อเปลี่ยนวัสดุของชิ้นส่วนโครงสร้างจากเหล็กกล้าคาร์บอนเป็นสแตนเลส ความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งแรงจะเพิ่มขึ้น แต่สามารถพิจารณาได้ว่าความแข็งแกร่งซึ่งเป็นดัชนีของ "ความยากในการบิด" แทบจะไม่เปลี่ยนแปลงหากการลดการบิดงอเป็นปัญหาในการออกแบบ การเปลี่ยนวัสดุเป็นสแตนเลสเพียงอย่างเดียวอาจไม่สามารถแก้ไขได้

ดังนั้น การเข้าใจว่าค่า Young's Modulus เป็นค่าทางกายภาพที่ไม่ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงหรือความต้านทานการกัดกร่อน เป็นกุญแจสำคัญในการเลือกวัสดุที่เหมาะสม

ค่าความแข็งยืดหยุ่นตามแนวตั้งของอลูมิเนียมที่มีน้ำหนักเบา (โมดูลัสยืดหยุ่น)

ค่าความยืดหยุ่นของโลหะผสมอะลูมิเนียมอยู่ที่ประมาณ 70GPa ซึ่งประมาณหนึ่งในสามของวัสดุเหล็กและเหล็กกล้า　　ค่าตัวเลขที่ต่ำนี้ เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ทำให้รู้สึกว่าอลูมิเนียม "นิ่ม" เมื่อเปลี่ยนชิ้นส่วนที่มีรูปร่างเดียวกันจากเหล็กเป็นอลูมิเนียม ปริมาณการยืดตัวจะเพิ่มขึ้นประมาณ 3 เท่าจากการคำนวณอย่างง่าย

ในทางกลับกัน ข้อดีที่สำคัญของอลูมิเนียมคือมีน้ำหนักเบา เนื่องจากมีความหนาแน่นประมาณหนึ่งในสามของเหล็ก (ประมาณ 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร) เมื่อเปรียบเทียบด้วยตัวชี้วัดที่เรียกว่า "ความแข็งแรงสัมพัทธ์" ซึ่งได้จากการหารค่าความยืดหยุ่นด้วยค่าความหนาแน่น จะพบว่าอลูมิเนียมมีระดับใกล้เคียงกับเหล็กเมื่อออกแบบชิ้นส่วนด้วยวัสดุที่มีมวลเท่ากัน การปรับรูปทรง เช่น การเพิ่มพื้นที่หน้าตัด จะช่วยให้สามารถบรรลุความแข็งแกร่งที่เทียบเท่าหรือมากกว่าเหล็กได้คุณสมบัตินี้เองที่เป็นเหตุผลให้อลูมิเนียมถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในภาคส่วนที่ต้องการการลดน้ำหนัก เช่น อากาศยานและชิ้นส่วนยานยนต์

นอกจากนี้ แม้แต่ในกรณีของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีความแข็งแรงสูง (A2017, A2024) หรืออัลลอยด์อะลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงพิเศษ (A7075) ค่า Young's Modulus ก็ยังคงอยู่ที่ประมาณ 72GPa ซึ่งไม่แตกต่างจากอะลูมิเนียมอัลลอยด์ทั่วไป (A5052, A6061 เป็นต้น) มากนักตัวอย่างที่ชัดเจนของกรณีที่ความแข็งแรงสูงไม่ได้หมายความว่าความแข็งจะสูงตามไปด้วย

ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้งของไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงสูง (ค่า Young)

ไทเทเนียมอัลลอยมีค่า Young's modulus อยู่ที่ประมาณ 110GPa ซึ่งอยู่ระหว่างเหล็กและอะลูมิเนียม　มีความหนาแน่นประมาณ 60% ของเหล็กและมีน้ำหนักเบา แต่เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง จึงมีทั้งความแข็งแรงต่อหน่วยน้ำหนักและความแข็งแรงต่อหน่วยความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม จึงถูกนำไปใช้ในสาขาการบินและอวกาศและอุปกรณ์กีฬาประสิทธิภาพสูง

ในการจัดการกับไทเทเนียมอัลลอยด์ สิ่งที่นักออกแบบควรระวังคือ ค่าความยืดหยุ่น (Young's modulus) อาจเปลี่ยนแปลงอย่างมากในช่วง 80-120 GPa ขึ้นอยู่กับชนิดของอัลลอยด์และเงื่อนไขการอบชุบ เนื่องจากไทเทเนียมมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกตามอุณหภูมิ และสามารถควบคุมสัดส่วนของเฟสได้โดยการอบชุบ ทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกายภาพได้ตามต้องการ

ดังนั้น ในการวิเคราะห์ CAE โดยใช้ไทเทเนียมอัลลอยประสิทธิภาพสูง ไม่เพียงแต่ต้องใช้ค่าตัวแทนจากแคตตาล็อกที่ผู้ผลิตวัสดุให้มาเท่านั้น แต่ยังต้องเข้าใจเงื่อนไขการอบชุบของวัสดุที่ใช้อย่างแม่นยำ และป้อนค่าความยืดหยุ่นที่สอดคล้องกับเงื่อนไขนั้นด้วย มิฉะนั้น ความน่าเชื่อถือของผลการวิเคราะห์อาจลดลงได้

ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นในแนวตั้งของทองแดง ทองเหลือง และแมกนีเซียม (ค่า Young)

ที่นี่จะแนะนำค่า Young's Modulus ของวัสดุโลหะหลักอื่นๆ

ทองแดงและโลหะผสมทองแดง

ค่าความยืดหยุ่นของทองแดงบริสุทธิ์ (C1020, C1100) ซึ่งมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความร้อนที่ยอดเยี่ยม อยู่ที่ประมาณ 110~130GPa　ทองเหลือง (เช่น C3604) ซึ่งเป็นโลหะผสมระหว่างทองแดงและสังกะสี มีค่าความต้านทานแรงอัดอยู่ในช่วงประมาณ 97 ถึง 115 กิกะปาสคาล (GPa) ซึ่งใกล้เคียงกับค่าของทองแดงและไทเทเนียม

แมกนีเซียมอัลลอย

ในบรรดาโลหะที่ใช้ประโยชน์ได้ อัลลอยแมกนีเซียม (เช่น AZ31B) มีค่า Young's modulus ประมาณ 45GPa ซึ่งต่ำกว่าอลูมิเนียมอีก　　อย่างไรก็ตาม เนื่องจากน้ำหนักเบา ความแข็งแรงต่อน้ำหนักจึงสูงมาก จึงถูกนำมาใช้ในกรณีที่ต้องการลดน้ำหนักอย่างมาก เช่น ตัวเครื่องคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กและชิ้นส่วนรถยนต์ แต่เนื่องจากมีความแข็งแรงต่ำ จึงจำเป็นต้องมีการออกแบบรูปร่าง เช่น การเพิ่มลิบ

ตารางแสดงค่าความแข็งยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young's Modulus) ของเรซิน (พลาสติก)

ค่าความยืดหยุ่นตามแนวตั้งของ POM และไนลอน (โมดูลัสยืดหยุ่น)

พลาสติกวิศวกรรม (เอ็นพลัส) เป็นวัสดุที่ใช้แทนโลหะอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนเครื่องจักร ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ POM (โพลิอะซีทัล) และไนลอน (โพลิอะมิโด) เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเด่นในด้านความลื่นตัวเองและความทนทานต่อการสึกหรอ

ค่า Young's modulus ของเอ็นพียเหล่านี้อยู่ในช่วงประมาณ 2.7 ถึง 3.2 GPa สำหรับ POM และประมาณ 2.5 ถึง 3.5 GPa สำหรับไนลอน　　ค่าตัวเลขนี้เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเหล็กกล้าที่มีค่าประมาณ 205GPa จะต่ำกว่าเกือบสองเท่า และเมื่อเปรียบเทียบกับอลูมิเนียมที่มีค่าประมาณ 70GPa ก็ยังต่ำกว่ามาก ความยืดหยุ่นของวัสดุนี้ต่ำเป็นสาเหตุโดยตรงที่ทำให้ชิ้นส่วนพลาสติก "ยืดหยุ่นได้ง่าย" เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนโลหะ

ข้อควรระวังในการออกแบบค่าความยืดหยุ่นของวัสดุเรซินมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิอย่างมากค่าที่ระบุในตารางสมบัติทางกายภาพเป็นค่าที่วัดที่อุณหภูมิห้อง (23℃)ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง โมดูลัสยืดหยุ่นจะลดลงอย่างมาก　ดังนั้น ในการวิเคราะห์ความแข็งแรงของชิ้นส่วนพลาสติกที่ใช้ในอุณหภูมิสูง จำเป็นต้องใช้ข้อมูลค่าความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิการใช้งานเสมอ

ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (โมดูลัสยืดหยุ่น) ของ ABS และโพลีคาร์บอเนต

เรซิน ABS และโพลีคาร์บอเนต (PC) ก็เป็นวัสดุเรซินที่ใช้บ่อยในชิ้นส่วนเครื่องจักรและตัวเครื่องเช่นกัน

ABS เรซินมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างพลาสติกทั่วไปและพลาสติกวิศวกรรม มีความสมดุลระหว่างความสามารถในการแปรรูปและความแข็งแรง ค่าความยืดหยุ่นของมันอยู่ที่ประมาณ 2.1~2.3GPa ในทางกลับกัน โพลีคาร์บอเนตเป็นพลาสติกวิศวกรรมที่มีลักษณะเด่นคือความโปร่งใสและความทนทานต่อแรงกระแทกสูงมาก ค่าความยืดหยุ่นของมันอยู่ที่ประมาณ 2.0~2.4GPa ซึ่งใกล้เคียงกับ ABS เรซิน

เรซินเหล่านี้มีความแข็งแรงต่ำกว่าโลหะอย่างมากเมื่อเปรียบเทียบกับ POM และไนลอน ดังนั้นเมื่อออกแบบตัวเครื่องหรือชิ้นส่วนจากเรซิน จำเป็นต้องมีการจัดวางลิ้นอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดการบิดงอ หรือเลือกใช้วัสดุเกรดเสริมแรงที่มีเส้นใยแก้วเติมเพื่อเพิ่มค่า Young's Modulus โดยตรง

ตารางแสดงค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้งของเซรามิกและแก้ว (โมดูลัสของยัง)

ค่าความแข็งยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (โมดูลัสยืดหยุ่น) ของอะลูมินาที่มีความแข็งแรงสูง

ไฟน์เซรามิกส์เป็นกลุ่มวัสดุที่มีความแข็งแกร่งสูงมากซึ่งเหนือกว่าโลหะอย่างมาก　　ตัวแทนที่เป็นตัวอย่างของอะลูมินา (Al₂O₃) คือ อะลูมินา ซึ่งสมบัติทางกายภาพจะเปลี่ยนแปลงตามความบริสุทธิ์ แต่ค่าความยืดหยุ่นจะอยู่ที่ประมาณ 360-390 GPa ซึ่งค่านี้สูงกว่าเหล็กเกือบสองเท่า แสดงให้เห็นว่าเป็นวัสดุที่มีความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปสูงมาก

ความแข็งแกร่งที่สูงมากนี้เกิดจากเซรามิกส์ที่ประกอบด้วยพันธะไอออนิกหรือพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรง เนื่องจากอะตอมถูกผูกมัดอย่างแน่นหนา จึงต้องใช้แรงมากในการทำให้เปลี่ยนรูป

ด้วยคุณสมบัตินี้ อะลูมินาจึงกลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในงานที่ต้องการความเสถียรของขนาดในระดับไมโครเมตรอย่างเคร่งครัด เช่น ชั้นวางและแขนของเครื่องจักรผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และชิ้นส่วนของเครื่องจักรกลที่มีความแม่นยำสูง

ค่าความแข็งยืดหยุ่นตามแนวตั้งของเซอร์โคเนียที่มีความยืดหยุ่นสูง (ค่า Young)

เซอร์โคเนีย (ZrO₂) เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษในบรรดาเซรามิกส์　　ค่า Young's modulus อยู่ที่ประมาณ 200 GPa ซึ่งใกล้เคียงกับเหล็กมาก แม้ว่าจะมีความแข็งน้อยกว่าเมื่อเทียบกับอะลูมินาหรือซิลิคอนคาร์ไบด์ แต่มีคุณสมบัติเด่นคือมีความเหนียวต่อการแตกหัก (ความเหนียว) สูงมากเมื่อเทียบกับเซรามิกส์ชนิดอื่น

เนื่องจากคุณสมบัติ "แตกยาก" นี้ ทำให้เซอร์โคเนียถูกนำไปใช้ในใบมีดกรรไกรหรือใบมีดคัตเตอร์ รวมถึงชิ้นส่วนโครงสร้างที่ต้องการความแข็งแรงสูง เมื่อใช้เซอร์โคเนียในการวิเคราะห์ CAE เนื่องจากมีค่า Young's modulus ใกล้เคียงกับเหล็ก จึงคาดการณ์ว่าปริมาณการโค้งงอจะใกล้เคียงกันภายใต้แรงกดเดียวกัน แต่เนื่องจากความเค้นที่ยอมรับได้และกลไกการแตกหักนั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง จึงต้องระมัดระวังในการเลือกแบบจำลองวัสดุ

ค่าความแข็งยืดหยุ่นตามแนวตั้งของซิลิคอนคาร์ไบด์แข็ง (โมดูลัสของยัง)

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุเซรามิกที่มีคุณสมบัติความแข็งแรงและความแข็งสูงที่สุดในบรรดาเซรามิกที่ใช้ในอุตสาหกรรม　อัตราส่วนยังนั้นสูงถึงประมาณ 430-440GPa ซึ่งสูงกว่าอะลูมินาอีกด้วย

นอกจากความแข็งแกร่งที่สูงมากแล้ว ยังมีน้ำหนักเบา (มีความหนาแน่นน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของเหล็ก) และทนความร้อนได้ดีเยี่ยม จึงถูกนำมาใช้ในชิ้นส่วนของอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และชิ้นส่วนที่หมุนด้วยความเร็วสูงในเครื่องจักรที่ต้องการความเสถียรของขนาดสูงในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีความแข็งมากแต่เปราะบาง จึงจำเป็นต้องพิจารณาการออกแบบเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดแรงกดดันที่จุดเดียวในกระบวนการออกแบบ

ค่าความแข็งยืดหยุ่นในแนวตั้งของกระจกใส (โมดูลัสของยัง)

โดยทั่วไปแล้ว ค่า Young's modulus ของกระจกโซดาไลม์ที่ใช้กันทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 72GPa ซึ่งค่านี้ใกล้เคียงกับค่าของโลหะผสมอลูมิเนียม กล่าวคือ หากเป็นแผ่นที่มีรูปทรงเดียวกัน กระจกและอลูมิเนียมจะโค้งงอด้วยแรงที่เท่ากันในระดับเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทั้งสองคือพฤติกรรมการนำไปสู่การทำลายล้าง อะลูมิเนียมจะเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างมากก่อนที่จะทำลายล้าง ในขณะที่แก้วจะเกิดการแตกหักแบบ "เปราะ" โดยแทบไม่มีการเปลี่ยนรูปเลย

ในการวิเคราะห์ความแข็งแรงเมื่อต้องใช้แก้ว ไม่ควรพิจารณาเพียงแค่ค่าของโมดูลัสยืดหยุ่นแล้วคิดเหมือนกับอลูมิเนียม ต้องประเมินค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของความเค้นตามกลศาสตร์ความเสียหาย และออกแบบโดยคำนึงถึงความเสี่ยงที่รอยขีดข่วนเล็กๆ จะพัฒนาเป็นรอยแตก

ใช้ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young) ในการวิเคราะห์อย่างถูกต้อง

บทความนี้ได้อธิบายเกี่ยวกับค่า Young's Modulus ของวัสดุอุตสาหกรรมหลัก ๆ เพื่อเพิ่มความแม่นยำในการวิเคราะห์ความแข็งแรงและเพื่อให้การออกแบบผลิตภัณฑ์มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น การใช้ความรู้ที่ได้รับในที่นี้อย่างถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญมาก สุดท้ายนี้ เราจะสรุปจุดสำคัญในการจัดการกับรายการค่า Young's Modulus และเว็บไซต์ที่เป็นประโยชน์ในการหาข้อมูลเกี่ยวกับค่า Young's Modulus

• ค่าความยืดหยุ่นตามแนวตั้ง (ค่า Young) เป็นค่าคุณสมบัติทางกายภาพที่แสดงถึง "ความแข็ง (ความยากในการเปลี่ยนรูป)" ของวัสดุ
• ความแข็งแรง (ความยากในการทำลาย) และความแข็ง (ความยากในการเกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิว) เป็นตัวชี้วัดที่แตกต่าง
• ในการออกแบบเครื่องจักร วัสดุเหล็กกล้าที่มีค่าประมาณ 205GPa จะเป็นมาตรฐานสำหรับทุกการอ้างอิง
• เหล็กกล้าแม้ความแข็งแรงจะเปลี่ยนแปลงจากการอบชุบด้วยความร้อน แต่ค่าความยืดหยุ่นยังคงเกือบคงที่
• ค่าความยืดหยุ่นของสแตนเลสเท่ากับเหล็กเกือบเท่ากัน
• ค่าความยืดหยุ่นของโลหะผสมอะลูมิเนียมต่ำประมาณหนึ่งในสามของเหล็ก
• เนื่องจากอลูมิเนียมมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงต่อหน่วยน้ำหนัก (E/ρ) จึงอยู่ในระดับเดียวกับเหล็ก
• ไทเทเนียมอัลลอยมีค่าความยืดหยุ่นอยู่ระหว่างเหล็กและอะลูมิเนียม
• ไทเทเนียมมีความยืดหยุ่นที่เปลี่ยนแปลงอย่างมากเมื่อผ่านการอบด้วยความร้อน จึงต้องใช้ความระมัดระวัง
• ค่าความยืดหยุ่นของเรซิน (พลาสติก) ต่ำกว่าโลหะเกือบสองเท่า
• เนื่องจากค่าความยืดหยุ่นของเรซินมีความไวต่ออุณหภูมิสูงมาก จึงต้องตรวจสอบค่าที่อุณหภูมิการใช้งาน
• เซรามิกมีค่า Young's modulus สูงกว่าโลหะอย่างมาก
• อะลูมินาและซิลิคอนคาร์ไบด์แสดงถึงความแข็งแกร่งสูงมาก
• เซอร์โคเนียมีค่าความยืดหยุ่นเทียบเท่ากับเหล็กและมีความเหนียวสูง
• ค่า Young's Modulus ของแก้วเท่ากับอลูมิเนียม แต่ควรระวังการแตกหักเปราะ

• JIS Z 2280 (มาตรฐานอุตสาหกรรมญี่ปุ่น)
  • URL: https://webdesk.jsa.or.jp/books/W11M0090/index/?bunsyo_id=JIS+Z+2280%3A1993
  • คำอธิบาย: เอกสารทางการเกี่ยวกับวิธีการทดสอบค่า Young's modulus ของวัสดุโลหะที่กำหนดโดยมาตรฐานอุตสาหกรรมญี่ปุ่น (JIS) เป็นเอกสารทางการที่ระบุวิธีการวัดค่า Young's modulus ทั้งแบบสถิตและแบบไดนามิก รวมถึงข้อกำหนดของชิ้นทดสอบอย่างละเอียด เพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีความน่าเชื่อถือสูง เป็นหนึ่งในแหล่งข้อมูลที่มีอำนาจสูงสุด  
• บริษัท ไซเบนเน็ต ซิสเต็มส์ จำกัด (ห้องเรียน ANSYS)
  • URL: https://www.cybernet.co.jp/ansys/learning/glossary/youngritsu/
  • คำอธิบาย: นี่คือหน้าเว็บไซต์อธิบายทางเทคนิคที่ดำเนินการโดยบริษัทไซบะเน็ต ซึ่งเป็นผู้จำหน่ายซอฟต์แวร์ CAE (วิศวกรรมคอมพิวเตอร์) รายใหญ่ จากมุมมองที่เชื่อมโยงโดยตรงกับการวิเคราะห์ความแข็งแรงในทางปฏิบัติ มีการอธิบายอย่างชัดเจนและถูกต้องเกี่ยวกับนิยามของค่า Young's Modulus และความหมายในเส้นโค้งความเค้น-ความเครียด รวมถึงความสัมพันธ์กับค่าคุณสมบัติทางกายภาพที่เกี่ยวข้อง (เช่น ค่า Poisson's ratio, ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นเฉือน เป็นต้น)  
• บริษัท เคียวเซร่า จำกัด (เว็บไซต์เซรามิกส์ชนิดพิเศษ)
  • URL: https://www.kyocera.co.jp/prdct/fc/material-property/property/stiffness/index.html
  • คำอธิบาย: หน้านี้เป็นหน้าของ Kyocera ซึ่งเป็นผู้ผลิตเซรามิกส์รายใหญ่ที่อธิบายคุณสมบัติของความแข็ง (ค่า Young's Modulus) ของผลิตภัณฑ์ของบริษัท โดยสามารถตรวจสอบค่าตัวเลขของ Young's Modulus ของวัสดุที่มีความแข็งสูงกว่าโลหะอย่างมาก เช่น อะลูมินาและซิลิคอนคาร์ไบด์ จากมุมมองของผู้ผลิต    
• สมาคมเครื่องกลแห่งประเทศญี่ปุ่น (JSME)
  • URL: https://www.jsme.or.jp/
  • คำอธิบาย: สมาคมวิชาการที่มีอำนาจสูงสุดในสาขาวิศวกรรมเครื่องกลของญี่ปุ่น วารสารและคู่มือที่สมาคมนี้จัดพิมพ์เป็นมาตรฐานสำหรับการนิยามและการวิจัยในสาขาพลศาสตร์ของวัสดุ รวมถึงค่า Young's modulus เว็บไซต์นี้เป็นจุดเริ่มต้นในการรับทราบแนวโน้มการวิจัยล่าสุดและความรู้เชิงลึกเฉพาะทาง  
• บริษัท ยูโป คอร์ปอเรชั่น จำกัด (คอลัมน์เทคนิค)
  • URL: https://service.yupo.com/release/column/young-modulus/
  • คำอธิบาย: หน้านี้อธิบายเกี่ยวกับค่า Young's Modulus ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุโดยบริษัท Yupo Corporation ผู้ผลิตกระดาษสังเคราะห์อย่างละเอียดและเข้าใจง่าย ความสัมพันธ์ระหว่างแรงเค้นและอัตราส่วนการยืด การอธิบายกฎของ Hooke และความแตกต่างจากค่า Poisson's ratio เป็นแนวคิดพื้นฐานที่เหมาะสมสำหรับการเรียนรู้ นอกจากนี้ยังมีการเปรียบเทียบค่าตัวเลขของวัสดุต่างๆ

ทั้งหมดนี้ครับ/ค่ะ