Stress Concentration ความเค้นกระจุกตัว คืออะไร?

Stress Concentration ความเค้นกระจุกตัว คืออะไร?

ความเค้นกระจุกตัว ปรากฏการณ์ที่ ความเค้น Stress เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว บริเวณที่มี การเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างฉับพลัน ของชิ้นงาน เช่น รอยหยัก, รู, หรือมุมคม ทำให้วัสดุเสี่ยงต่อการเสียหายแม้รับแรงเฉลี่ยไม่สูง


สาเหตุของ Stress Concentration

การเปลี่ยนแปลงรูปร่างกะทันหัน
รอยคอด Notches
รูเจาะ Holes
มุมคม Sharp Corners
ตัวอย่างในสปริง: รัศมีโค้งของขดลวดชั้นในที่เล็กเกินไป
ข้อบกพร่องของวัสดุ
รอยขีดข่วน Scratches
รอยเชื่อม Welding Defects
สิ่งเจือปน Inclusions
การกระจายแรงไม่สม่ำเสมอ
แรงกระทำแบบจุด Point Load
การเสียดสี Friction

ผลกระทบต่อสปริง

จุดเริ่มต้นของรอยร้าว Crack Initiation
อายุการใช้งานสั้นลง จาก Fatigue Failure
การแตกหักแม้รับแรงไม่เกิน Spec

การคำนวณ Stress Concentration Factor Kt

Kt=σmaxσnominalKt​=σnominal​σmax​​

KtKt​ = ค่าปัจจัยความเค้นกระจุกตัว ยิ่งสูง ยิ่งอันตราย
Σmaxσmax​ = ความเค้นสูงสุดที่จุดเสี่ยง
σnominalσnominal​ = ความเค้นเฉลี่ยในชิ้นงาน
ตัวอย่างในสปริง:

หากสปริงมี Kt=2.5Kt​=2.5 แปลว่า ความเค้นที่จุดนั้นสูงกว่าค่าเฉลี่ย 2.5 เท่า


วิธีลด Stress Concentration ในสปริง

เพิ่มรัศมีการโค้ง
เปลี่ยนจาก มุมคม เป็น เส้นโค้ง เช่น เพิ่มรัศมีขดลวดชั้นใน
ปรับปรุงผิวชิ้นงาน
การขัดผิว Polishing
Shot Peening เพื่อสร้างความเค้นอัดผิว
ออกแบบให้แรงกระจายสม่ำเสมอ
หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงหน้าตัดกะทันหัน
ใช้ Fillet Radius ในจุดเชื่อม
เลือกวัสดุทน Fatigue
วัสดุที่มีความเหนียวสูง เช่น SUS631 แทน SUS304

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้

ปัญหาการออกแบบ
วิธีแก้ไขเพื่อลด Kt
ขดลวดชั้นในรัศมีแคบ
เพิ่มรัศมีโค้ง ≥ 2×เส้นผ่านศูนย์กลางลวด
รอยขีดข่วนจากเครื่องมือ
ขัดผิวหรือใช้ Shot Peening
มุมคมที่ปลายสปริง
เจียรนัยให้โค้งมน

สรุป

Stress Concentration คือ ศัตรูตัวร้ายของสปริง ที่ทำให้เกิดความเสียหายก่อนวัยอันควร การออกแบบที่ดีต้อง หลีกเลี่ยงจุดเสี่ยงและกระจายแรงให้สม่ำเสมอ โดยเฉพาะในสปริงที่รับแรงซ้ำๆ Fatigue Loading