ความสามารถของวัสดุที่จะดูดซึมพลังงานไว้ได้โดยไม่เกิดการแตกหัก เรียกว่า ความแกร่ง (Toughness) ซึ่งมีความสัมพันธ์กับคุณสมบัติด้านความแข็งแรงและความเหนียวของมัน โดยกำหนดว่า Modulus of Toughness เท่ากับพื้นที่ภายใต้เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดที่ได้จากการทดสอบแรงดึงดังรูปที่ 2.9 ค่า Modulus of Toughness นี้ จะแสดงถึงงานต่อหน่วยปริมาตรของวัสดุที่ต้องใช้จนทำให้เกิดการแตกหักด้วย ข้อกำหนดนี้จะแสดงให้เห็นถึงข้อแตกต่างระหว่างวัสดุเหนียวที่มีความแกร่งสูงและวัสดุเปราะที่มีความแกร่งต่ำด้วย ดังรูปที่ 1 a และ b
(a)
(b)
รูป 1 Modulus of Toughness ของวัสดุเหนียวและวัสดุเปราะ
รูปที่ 2 การทดสอบแรงกระแทกแบบ Charpy และ Izod
การวัดค่าความแกร่งที่แน่นอนเป็นเรื่องค่อนข้างยาก จึงได้มีผู้กำหนดวิธีการทดสอบที่เรียกว่าการทดสอบแรงกระแทก (Impact Test) วัดค่า Impact Energy หรือ Impact Toughness ซึ่งเป็นการวัดปริมาณของพลังงานที่วัสดุจะดูดซึมไว้ได้เมื่อได้รับแรงจากการกระแทกจนหัก (Dynamic Impact Force) วิธีการทดสอบมีอยู่ 2 ชนิดคือ Charpy Impact Test และ Izod Impact Test เครื่องมือทดสอบทั้ง 2 ชนิดนี้แสดงไว้ในรูป 2
วิธีการทดสอบของทั้ง 2 ชนิดนี้คล้ายกัน คือจะวางชิ้นงานทดสอบไว้รับแรงกระแทกจากการเหวี่ยงของลูกตุ้มที่น้ำหนักค่าหนึ่ง พลังงานนี้ขึ้นอยู่กับมวลของลูกตุ้ม และความเร็วของมันขณะกระแทก จุดกระแทกจะเป็นจุดต่ำสุดของการเหวี่ยง ซึ่งลูกตุ้มมีความเร็วมากที่สุด เมื่อลูกตุ้มกระทบชิ้นทดสอบ ลูกตุ้มจะเสียพลังงานไปจำนวนหนึ่งในการจะทำให้ชิ้นทดสอบหัก พลังงานที่เสียไปนี้ก็คือ ค่า Impact Energy นั่นเอง มีหน่วยเป็น ft-lbf หรือ Joule
ชิ้นทดสอบจะเป็นแท่งยาว มีพื้นที่ภาคตัดขวางเป็นสี่เหลี่ยมจตุรัส และมีรอยบากอยู่ตรงกลาง รอยบากนี้จะทำเป็นรูปตัว V, U หรือรูปรูกุญแจ ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุ ซึ่งมีมาตรฐานกำหนดไว้
ข้อแตกต่างระหว่าง Charpy และ Izod ก็คือ การวางชิ้นทดสอบ Charpy test จะวางชิ้นทดสอบไว้ในแนวระดับ ให้ลูกตุ้มตกกระแทกที่ด้านตรงข้ามกับรอยบาก ส่วน Izod จะวางชิ้นทดสอบไว้ในแนวตั้งและให้ลูกตุ้มกระแทกกับด้านที่มีรอยบาก
อุณหภูมิมีผลต่อความแกร่งอย่างมาก วัสดุเหนียวอาจจะเปลี่ยนเป็นวัสดุเปราะได้เมื่ออุณหภูมิต่ำลง ถ้าเรานำค่า Impact Energy มาพลอตกับอุณหภูมิ เราจะพบว่ามีอุณหภูมิอยู่ช่วงหนึ่งซึ่งมีค่าของ Impact Energy เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วดังรูปที่ 3 ค่าอุณหภูมิในช่วงนี้เรียกว่า Impact Transition Temperature (ITT) Impact Transition Temp. นี้เป็นอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงจากวัสดุเหนียวมาเป็นวัสดุเปราะ คือช่วงที่มีค่าพลังงานสูงจะเป็นวัสดุเหนียวและช่วงที่มีพลังงานต่ำจะเป็นวัสดุเปราะ
ค่า Impact energy จะไม่นำมาใช้โดยตรงในการออกแบบ แต่มันมีประโยชน์ที่จะใช้เป็นแนวทางในการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ ๆ โดยเฉพาะพวกเหล็กที่มีค่า ITT อยู่ใกล้กับอุณหภูมิห้อง เราจะต้องระมัดระวัง ไม่ใช้งานวัสดุที่อุณหภูมิต่ำกว่า ITT ของมัน
วิธีกำหนดค่า ITT เป็นค่าเดียว (ไม่ใช่ช่วงอุณหภูมิดังที่แสดงในรูป 3 มีอยู่หลายวิธี เช่น ตรวจสอบผิวรอยแตกของชิ้นงานทดสอบแรงกระแทกแล้ว ใช้อุณหภูมิที่ผิวรอยแตกมีสัดส่วนของการแตกแบบเปราะ (Brittle Fracture) กับการแตกแบบเหนียว (Ductile Fracture) เป็น 50:50 พอดี เป็นค่า ITT (ซึ่งมีชื่อเรียกเฉพาะว่า Fracture Appearance Transition Temperature - FATT) แต่วิธีที่นิยมใช้กันมากที่สุด คือ กำหนดค่า Impact Energy ที่ต่ำค่าหนึ่งขึ้นมาเป็นเกณฑ์ ซึ่งถ้าวัสดุใดทดสอบแล้วมีค่า Impact Energy ต่ำกว่านี้ก็ถือว่าเป็นวัสดุเปราะอย่างแน่นอน แล้วกำหนดให้อุณหภูมิที่ทดสอบได้ค่า Impact Energy เท่ากับเกณฑ์นี้พอดีเป็น ITT (ITT ที่กำหนดโดยวิธีนี้เรียกว่า Ductility Transition Temperature) ค่าพลังงานแรงกระแทกที่ใช้เป็นเกณฑ์ คือ 20 J สำหรับการทดสอบ Charpy V-Notch (ชิ้นงานมีรอยบากรูปตัว V)
รูปที่ 3 แสดงแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับ Impact Transition Temperature
และอิทธิพลของอุณหภูมิต่อความแกร่ง (ความเป็นวัสดุเหนียว-เปราะ) ของวัสดุ
