Как использовать машину для испытания на сжатие: полное руководство

Чтобы использовать машина для испытания на сжатие правильно, поместите правильно подготовленный образец по центру между плитами, установите соответствующую норму нагрузки для вашего стандарта материала, плавно применяйте нагрузку до разрушения или достижения целевой силы, затем запишите пиковую нагрузку и рассчитайте прочность на сжатие . Если все сделано правильно, процесс прост, но ошибки в подготовке проб, скорости загрузки или выравнивании плит являются причиной большинства неточных результатов испытаний. В этом руководстве подробно описан каждый этап, включая бетон, пенопласт, металл и другие распространенные материалы испытаний.

Что на самом деле делает машина для испытания на сжатие

Машина для испытания на сжатие применяет к образцу контролируемую, измеримую сжимающую силу и записывает реакцию материала — обычно измеряя пиковую нагрузку, деформацию и точку разрушения. Машина состоит из жесткой рамы, двух противоположных плит (одной неподвижной, другой подвижной), гидравлической или электромеханической системы приложения нагрузки и датчика силы, который измеряет силу с высокой точностью.

Современные машины для испытаний на сжатие отображают результаты в цифровом виде и могут автоматически выводить кривые растяжения-деформации, значения пиковой нагрузки и расчеты прочности на сжатие. Возможности варьируются в широком диапазоне — от настольные агрегаты 1 кН для мягких материалов, таких как пенопласт и резина, до Напольные машины 5000 кН (5 МН) используется при испытаниях бетона и конструкционной стали. Выбор подходящей мощности машины для вашего образца является первым важным решением.

Типы машин для испытаний на сжатие и их применение

Понимание того, с каким типом машины для испытаний на сжатие вы работаете, влияет на то, как вы ею управляете и интерпретируете результаты.

Основные предварительные проверки перед эксплуатацией машины

Пропуск предварительных проверок — самый быстрый путь к неверным результатам или повреждению оборудования. Перед каждым сеансом тестирования выполните следующие действия:

• Убедитесь, что калибровка машины актуальна. Большинство стандартов (ASTM, EN, ISO) требуют, чтобы машины для испытаний на сжатие калибровались не реже одного раза в год или после любого серьезного обслуживания. Проверьте дату сертификата калибровки и убедитесь, что для машины действует действительный период калибровки.
• Осмотрите плиты. Ищите повреждения поверхности, царапины или мусор. Даже небольшие частицы между плитой и образцом вызывают концентрации напряжений, которые искажают результаты. Перед каждым испытанием очищайте планшеты сухой тканью.
• Проверьте плоскостность и параллельность плиты. Пластины должны находиться внутри Допуск плоскостности 0,05 мм для большинства стандартов испытаний бетона и конструкций. Изношенная или деформированная плита создает эксцентричную нагрузку.
• Обнулите тензодатчик. Если образец не установлен и нагрузка не приложена, убедитесь, что на дисплее отображается ноль. Ненулевое показание базовой линии указывает на ошибку тарирования, которая компенсирует все результаты.
• Убедитесь, что мощность машины соответствует требованиям. Ожидаемая разрушающая нагрузка вашего образца должна находиться между 20% и 80% номинальной мощности машины для лучшей точности. Испытание образца с усилием 10 кН на машине с усилием 5000 кН дает ненадежные показания в нижнем диапазоне.
• Проверьте уровень гидравлической жидкости (на гидравлических машинах) и проверьте наличие утечек вокруг соединений шлангов и уплотнений цилиндров.

Подготовка проб: шаг, определяющий качество результата

Плохая подготовка проб является причиной большего количества неудачных испытаний на сжатие и аномальных результатов, чем любая неисправность машины. К каждому типу материала предъявляются особые требования к подготовке, определенные его руководящим стандартом испытаний.

Бетонные кубы и цилиндры

Бетонные образцы должны иметь опорные поверхности, которые плоский с точностью до 0,05 мм и перпендикулярно продольной оси в пределах 0,5°. Неплоские опорные поверхности являются наиболее распространенной причиной преждевременного или асимметричного разрушения бетона при испытаниях на сжатие. Варианты достижения плоских граней включают в себя:

• Покрытие сернистым соединением — традиционный метод, эффективный для бетонов стандартной прочности примерно до 80 МПа.
• Шлифование концов — required for high-strength concrete above 80 MPa and for cylinders where capping compounds may be too weak.
• Системы неопреновых подушек — принятая альтернатива согласно ASTM C1231, позволяющая использовать цилиндры без колпачков, если твердость и толщина колодок находятся в установленных пределах.

Металлические образцы

Металлические образцы на сжатие (обычно короткие цилиндры с соотношением высоты к диаметру от 1,5:1 до 3:1 согласно АСТМ Е9) должны быть обработаны с соблюдением жестких допусков на размеры. Чистота поверхности на поверхностях подшипников должна быть Ra ≤ 1,6 мкм, чтобы предотвратить эффекты трения, которые приводят к ошибочному завышению измеренной прочности на сжатие.

Пена, резина и мягкие материалы

Образцы мягкого материала следует разрезать до одинаковой толщины с параллельными гранями — обычно с помощью острого высекального резака или ленточной пилы. Образцы должны быть кондиционированы при 23°C ± 2°C и относительная влажность 50% ± 5% в течение не менее 40 часов. перед испытанием в соответствии с ISO 1798 и аналогичными стандартами, поскольку температура и влажность существенно влияют на жесткость пены и эластомера.

Пошаговая процедура работы машины для испытания на сжатие

Следуйте этой процедуре для стандартного теста на сжатие. Действия могут незначительно отличаться в зависимости от типа машины и применяемого стандарта испытаний — всегда делайте перекрестную ссылку на соответствующий стандарт (например, ЭН 12390-3 для бетона, ASTM E9 для металлов, ИСО 844 для жесткого пенопласта).

1. Включите машину и дайте ей время прогреться. Гидравлическим машинам обычно требуется 5–10 минут работы на холостом ходу для стабилизации температуры масла. Электромеханические машины, как правило, готовы сразу же, но для них требуется краткий прогрев электроники в соответствии с рекомендациями производителя.
2. Введите параметры испытаний в управляющее программное обеспечение. Введите размеры образца (площадь поперечного сечения используется для расчета прочности на сжатие на основе необработанных данных о нагрузке), стандарт испытания, скорость нагрузки и любые условия остановки (например, остановка при падении нагрузки на 40 % после пика).
3. Расположите образец по центру нижней плиты. Используйте выгравированные центральные метки на поверхности валика в качестве направляющих для выравнивания. Несоосность более 1% диаметра образца может снизить кажущуюся прочность на сжатие на 5–15% за счет эксцентричной нагрузки.
4. Опустите верхнюю плиту, чтобы обеспечить легкий контакт с образцом. На гидравлических машинах используйте функцию быстрого подвода, чтобы приблизить плиту, а затем переключитесь на точный контроль на последних нескольких миллиметрах. Приложите посадочную нагрузку примерно 1–2% от ожидаемой пиковой нагрузки чтобы обеспечить полный и равномерный контакт перед началом фазы загрузки по времени.
5. Запустите тест с указанной скоростью загрузки. Для бетона согласно EN 12390-3 стандартная норма нагрузки составляет 0,6 ± 0,2 МПа/с . Для металлов согласно ASTM E9 скорость деформации 0,005 мм/мм в минуту типично в эластичном диапазоне. Неправильные нормы загрузки являются частым источником несоответствующих протоколов испытаний.
6. Не прерывайте загрузку после начала теста. Приостановка или корректировка частоты в середине теста приводит к недействительности результатов для большинства стандартов. Держитесь подальше от образца — хрупкие материалы, такие как бетон и керамика, при разрушении могут выбросить фрагменты.
7. Разрешите машине автоматически записывать пиковую нагрузку. Современные машины для испытаний на сжатие выдерживают максимальную нагрузку даже после разрушения образца. Машина остановится автоматически, если было запрограммировано условие остановки при падении груза.
8. Отведите верхнюю плиту и извлеките образец. Проверьте и опишите вид разрушения. Для бетона EN 12390-3 определяет шесть стандартных моделей разрушения (типы от A до F), которые указывают, является ли результат действительным или на него влияют дефекты образца.
9. Запишите и подсчитайте результаты. Прочность на сжатие (fc) = пиковая нагрузка (F) ÷ площадь поперечного сечения (A). Most software calculates this automatically; убедитесь, что введенная площадь верна, прежде чем принимать результат.
10. Очистите валики и перезагрузите машину. Немедленно удаляйте весь мусор — мелкие частицы бетона или керамики, оставшиеся на плитах, повредят отделку поверхности и повлияют на последующие испытания.

Скорость загрузки в зависимости от материала и стандарта

Применение правильной скорости нагрузки является одним из наиболее важных и наиболее часто нарушаемых требований при тестировании на сжатие. Скорость влияет на измеряемую силу: слишком быстрая загрузка искусственно завышает результаты; слишком медленная загрузка может привести к релаксации напряжений в некоторых материалах. В таблице ниже приведены стандартные нормы загрузки для распространенных материалов:

Чтение и интерпретация результатов испытаний на сжатие

Основным результатом теста сжатия является прочность на сжатие , рассчитывается как пиковая нагрузка, деленная на первоначальную площадь поперечного сечения образца. Однако кривая полного смещения нагрузки или напряжения-деформации дает гораздо более полную информацию о поведении материала.

Ключевые значения, которые следует извлечь из кривой тестирования

• Пиковая (предельная) прочность на сжатие: максимальное напряжение, которое образец выдержал перед разрушением. Это основное зарегистрированное значение в большинстве испытаний конструкционных материалов.
• Модуль сжатия (модуль Юнга при сжатии): наклон линейно-упругого участка кривой растяжения. Актуально для металлов, жестких пластиков и композитов.
• Предел текучести при сжатии: напряжение, при котором начинается постоянная пластическая деформация, определяемое методом смещения 0,2% для металлов или по четкой точке текучести на кривой.
• Поглощение энергии (площадь под кривой): важно для упаковочных пенопластов и материалов для защиты от ударов, где способность поглощать энергию имеет большее значение, чем просто пиковая прочность.

Распознавание недействительных результатов теста

Не все результаты испытаний действительны для отчетности. Выбросьте и повторите анализ, если:

• Кривая смещения нагрузки показывает раннюю нелинейную область перед ожидаемым диапазоном упругости, что указывает на проблемы с посадкой или неровности поверхности образца.
• Вид разрушения бетонного образца соответствует Тип E или F согласно EN 12390-3 - эти столбчатые узоры или узоры с изломами углов указывают на разрушение покрытия или плохую геометрию образца, а не на настоящий дефект материала.
• Результат более чем на 15% ниже среднего Сопутствующих образцов, испытанных из одной и той же партии, — сильный индикатор отдельного дефектного образца, а не результат действительно низкой прочности.

Распространенные ошибки при использовании машин для испытаний на сжатие

Даже опытные операторы допускают повторяющиеся ошибки, которые ставят под угрозу достоверность испытаний. Ниже приведены наиболее частые ошибки, возникающие в условиях лабораторных и полевых испытаний:

• Неправильное центрирование образца: даже смещение в 5 мм на бетонном кубе диаметром 150 мм приводит к измеримому эксцентриситету. Всегда используйте метки центра стола и линейку или шаблон для позиционирования.
• Использование неправильного диапазона нагрузки: испытания при нагрузке менее 20% мощности машины ухудшают точность весоизмерительных датчиков. Всегда сопоставляйте ожидаемую нагрузку образца с диапазоном машины.
• Не удалось обнулить перед тестированием: датчик нагрузки, оставленный под весом тяжелой верхней плиты, покажет ложную предварительную нагрузку — все последующие результаты будут компенсированы на эту величину.
• Слишком быстрое применение нагрузки вручную: на старых гидравлических машинах с ручным управлением клапанами операторы часто превышают указанную норму нагрузки на начальном этапе, ошибочно завышая показания пиковой нагрузки на 5–10% .
• Тестирование образцов за пределами указанного периода возраста или кондиционирования: образцы бетона, испытанные за пределами 28-дневного ± 3-часового интервала согласно EN 12390-3, или образцы пенопласта, не выдержанные в течение требуемых 40 часов, дают несравнимые результаты.
• Не осматривая сферическое посадочное устройство: верхняя плита большинства машин для испытаний на сжатие установлена на сферическом седле, обеспечивающем самовыравнивание. Если это гнездо заклинило или загрязнилось, оно не сможет компенсировать непараллельные поверхности образца, что приведет к эксцентричной нагрузке.

Меры безопасности при эксплуатации машин для испытаний на сжатие

Испытание на сжатие высвобождает большое количество накопленной упругой энергии при разрушении, особенно в хрупких материалах, таких как бетон, керамика и камень. Безопасность не подлежит обсуждению.

• Всегда используйте устройства защиты от осколков или защитные экраны. при испытании хрупких материалов. Бетонный куб диаметром 150 мм, разрушающийся под силой 1000 кН, может выбросить осколки с высокой скоростью.
• носить защитные очки и обувь со стальным носком как минимум во время всех испытаний на сжатие твердых материалов.
• Никогда не прикасайтесь к машине, пока валы находятся в движении или находятся под нагрузкой. Используйте аварийную остановку, если машина ведет себя неожиданно.
• На гидравлических машинах никогда не превышайте номинальное давление в системе . Избыточное давление может привести к выходу из строя шланга и выбросу гидравлической жидкости, что может привести к серьезным ожогам и пожару.
• Убедитесь, что все посторонние находятся на безопасном расстоянии — минимум 1,5 метра от машины во время фазы активной нагрузки является разумной рекомендацией для машин с усилием выше 200 кН.

Регулярное техническое обслуживание для поддержания точности машин для испытаний на сжатие

При хорошем обслуживании машина для испытания на сжатие сохраняет точность измерений и механическую надежность на протяжении десятилетий. Пренебрежение ускоряет износ валиков, приводит к отклонению калибровки и риску выхода из строя гидравлической системы.