Как использовать универсальную испытательную машину: полное руководство

А универсальная испытательная машина (UTM) измеряет механические свойства материалов, включая прочность на растяжение, прочность на сжатие, прочность на изгиб и удлинение, путем приложения контролируемых сил и записи реакции материала. Чтобы правильно использовать один из них, вы должны выбрать правильный тип машины (электронный или гидравлический), установить соответствующие захваты или приспособления, установить параметры теста в программном обеспечении, обнулить нагрузку и выдвижение, а затем запустить тест, отслеживая кривую смещения нагрузки в реальном времени. В этом руководстве описываются все этапы работы как с электронными, так и с гидравлическими UTM, а также приводятся практические данные и сравнения, которые помогут вам получить точные и воспроизводимые результаты.

Электронные и гидравлические универсальные испытательные машины: какие вам нужны?

Выбор правильного типа машины является первым и наиболее важным решением. Использование неправильной платформы может привести к получению неточных данных или даже к повреждению образцов и оборудования.

Аs a practical rule: Если ваш образец требует силы более 600 кН, выберите гидравлический UTM. Для точных работ с низким усилием, таких как тестирование полимерной пленки толщиной 0,2 мм или биомедицинского шовного материала, электронный UTM с тензодатчиком 10 Н даст гораздо более значимые данные.

Основные компоненты, которые необходимо понять перед началом работы

Независимо от типа машины, каждый UTM имеет одни и те же основные компоненты. Неправильная идентификация или неправильное использование любого из них является основной причиной неверных результатов тестов.

Загрузочная рама

Основа конструкции, которая выдерживает все нагрузки во время испытания. Рамы оцениваются по максимальной несущей способности. Никогда не превышайте 80% номинальной мощности корпуса при регулярных испытаниях, чтобы избежать усталостного повреждения рамы с течением времени.

Тензодатчик

Датчик силы, преобразующий механическую силу в электрический сигнал. Тензодатчики имеют свои собственные номинальные нагрузки — например, датчик нагрузки 1 кН, установленный на раме 100 кН, означает, что машина фактически ограничена силой 1 кН для этой конфигурации. Аlways match the load cell to within 20–100% of the expected peak force of your specimen. Использование датчика нагрузки 100 кН для испытания образца, который разрушается под нагрузкой 50 Н, даст ненадежные показания.

Крестовина и привод

В электронных UTM траверса приводится в движение прецизионным шариковым или ходовым винтом, приводимым в движение серводвигателем. В гидравлических UTM привод (гидравлический цилиндр) прилагает усилие через жидкость под давлением. Траверса движется с запрограммированной скоростью (обычно выражаемой в мм/мин), которая контролирует скорость деформации образца.

Захваты и приспособления

Захваты — это интерфейс между машиной и образцом. Общие типы включают:

• Клиновидные захваты — самозатягивающиеся под нагрузкой, идеальны для плоских или круглых металлических образцов.
• Пневматические захваты — постоянная сила зажима, подходит для тонких пленок и резины.
• Сжимающие плиты — плоские плиты для испытаний на сжатие пенопластов, бетонных цилиндров или таблеток.
• Приспособления для трехточечного и четырехточечного изгиба — для испытаний на изгиб балок и стержней.

Экстензометр

А clip-on or non-contact (video or laser) device that measures actual specimen strain independently of crosshead displacement. Для точного расчета модуля Юнга необходим экстензометр. — смещение крейцкопфа включает в себя податливость машины и проскальзывание захвата, что вносит погрешности 10–30 % в измерения жесткости.

Шаг за шагом: как использовать электронную универсальную испытательную машину

Электронные UTM являются наиболее широко используемой платформой в сфере контроля качества и исследовательских лабораториях. Следующая процедура охватывает стандартное испытание на растяжение, наиболее распространенный тип испытания, в соответствии с такими стандартами, как АСТМ Е8, ИСО 6892-1 или ASTM D638.

1. Включите машину и запустите управляющее программное обеспечение. Аllow a minimum 15-minute warm-up period so the servo drive and load cell electronics reach thermal equilibrium, reducing drift.
2. Выберите и установите правильный тензодатчик. Проверьте номинальную мощность на этикетке весоизмерительного датчика. Затяните крепежные детали в соответствии со спецификацией производителя — недостаточная затяжка приводит к появлению помех в сигнале; чрезмерное затягивание может привести к повреждению преобразователя.
3. Установите соответствующие ручки. Для образца, растягиваемого в виде собачьей кости согласно ASTM D638, установите плоские захваты клинового действия. Убедитесь, что поверхности захватов чистые и на них нет мусора, который может привести к неравномерному зажиму.
4. Введите размеры образца в программное обеспечение. Измерьте измерительную длину, ширину и толщину с помощью калиброванного штангенциркуля. Для круглых образцов измерьте диаметр в трех точках и используйте среднее значение. Программное обеспечение использует эти значения для расчета инженерного напряжения (сила ÷ исходная площадь поперечного сечения).
5. Выберите или создайте метод тестирования. Определите: тип испытания (растяжение, сжатие, изгиб), скорость траверсы (например, 5 мм/мин для металлов по ISO 6892-1, метод A или 50 мм/мин для пластмасс по ASTM D638), пределы нагрузки и растяжения, а также скорость сбора данных (обычно 10–100 Гц).
6. Обнулите нагрузку и растяжение. Установив захваты, но не нагруженный образец, обнулите каналы силы и смещения. Это исключает вес рукояток из показаний силы.
7. Загрузите образец. Сначала вставьте образец в нижний захват, затем в верхний захват. Применяйте зажимное усилие, достаточное для удержания образца — чрезмерное предварительное напряжение повлияет на измерение предела текучести.
8. Аttach the extensometer (при измерении модуля упругости или деформации текучести). Расположите лезвия ножа точно на отмеченной длине. Для экстензометра с рабочей длиной 50 мм убедитесь, что отметки датчика на образце находятся на расстоянии точно 50 мм друг от друга.
9. Запустите тест. Следите за кривой смещения нагрузки в реальном времени. Для большинства испытаний на растяжение кривая должна показывать линейную упругую область, предел текучести (или предел пропорциональности), пластическую деформацию и разрушение.
10. Удаление образца после перелома и сохраните отчет об испытаниях. Программное обеспечение автоматически рассчитает UTS, предел текучести, удлинение при разрыве и модуль Юнга на основе записанных данных.

А typical electronic UTM tensile test on a steel coupon at 5 mm/min takes approximately 3–8 minutes from specimen loading to fracture, depending on ductility.

Шаг за шагом: как использовать универсальную гидравлическую испытательную машину

Гидравлические UTM — стандартная платформа для тяжелых структурных испытаний. Приведенная ниже процедура охватывает испытания стальных или бетонных образцов на растяжение или сжатие высокой силой.

1. Проверьте уровень и состояние гидравлической жидкости. Недостаток жидкости приводит к падению давления в середине испытания; загрязненная жидкость ухудшает работу сервоклапана. Используйте только жидкость той марки, которая указана в руководстве (обычно гидравлическое масло ISO VG 46).
2. Запустите гидросиловую установку (ГСУ). Аllow the pump to run for 5–10 minutes to circulate fluid and reach operating temperature (typically 40–50°C). Most machines display fluid temperature on the control panel.
3. Выберите тестовую конфигурацию. Для испытания на сжатие бетонного цилиндра диаметром 150 мм согласно ASTM C39 установите сжимающие плиты. Для испытания арматурного стержня на растяжение в соответствии с ASTM A615 установите гидравлические клиновые захваты, рассчитанные на диаметр стержня.
4. Настройте сервоконтроллер. Установите режим контроля нагрузки или контроля смещения. Для квазистатических испытаний материалов стандартным является контроль смещения с определенной скоростью (например, скорость напряжения 0,25 МПа/с для сжатия бетона согласно ASTM C39). Для испытаний компонентов конструкции обычно используется контроль нагрузки.
5. Обнулите тензодатчик и датчик положения (LVDT). Когда образец не находится под нагрузкой, установите оба канала на ноль с помощью управляющего программного обеспечения или передней панели.
6. Расположите и закрепите образец. При испытаниях на сжатие центрируйте образец под верхней плитой с точностью ±1 мм, чтобы избежать эксцентричной нагрузки, которая искусственно снижает измеренную прочность до 15%.
7. Аpply a small pre-load (contact load). Гидравлические машины выигрывают от небольшой предварительной нагрузки (обычно 1–5% от ожидаемого максимума) для посадки образца и устранения провисания приспособлений перед запуском контролируемого наклона.
8. Запустите тест. Сервоклапан модулирует гидравлический поток для поддержания запрограммированной нагрузки или скорости смещения. Контролируйте давление в системе — если давление приближается к настройке предохранительного клапана, немедленно прекратите испытание.
9. Аfter specimen failure, reduce pressure slowly перед открытием захватов или снятием валиков. Внезапный сброс давления может привести к выталкиванию приспособления в установках, требующих больших усилий.
10. Выключите HPU после завершения всех тестов. Оставление насоса включенным без необходимости приводит к ухудшению качества жидкости и уплотнений.

Правильная установка параметров теста: детали, определяющие качество данных

Неправильные параметры тестирования являются причиной значительной части невоспроизводимых результатов UTM. Обратите особое внимание на следующие настройки:

Скорость траверсы и скорость деформации

Многие пользователи вводят скорость траверсы в мм/мин, не задумываясь о том, как она влияет на скорость деформации. Скорость деформации (с⁻¹) = скорость траверсы ÷ расчетная длина. Для образца с рабочей длиной 50 мм, испытанного при скорости 5 мм/мин, скорость деформации равна 0,1 мин⁻¹ (0,00167 с⁻¹) . Превышение стандартной скорости деформации в 10 раз может увеличить измеренный предел текучести мягкой стали на 5–15%, что приведет к получению несравнимых данных.

Условия тестовой остановки

Аlways define at least two stop conditions in the software:

• Падение нагрузки (% от пиковой нагрузки) — обычно устанавливается на 20–40 % падения нагрузки от пикового значения для автоматического обнаружения разрушения.
• Максимальный предел расширения — предотвращает выход траверсы за пределы диапазона разъединения захвата, что может привести к повреждению машины

Скорость сбора данных

Для медленных квазистатических испытаний (пластмассы, композиты при скорости 50 мм/мин) достаточно 10 Гц. Для испытаний на быстрое разрушение или испытаний на ударную нагрузку увеличьте частоту до 100–1000 Гц. Слишком низкая скорость приведет к пропущению точного предела текучести или максимальной нагрузки, что приведет к занижению значений UTS.

Предварительная загрузка

А small preload (0.5–2% of expected failure load) removes initial slack and confirms the specimen is properly seated. However, не обнуляйте экстензометр после приложения предварительной нагрузки если этого явно не требует стандарт испытаний, поскольку это искусственно компенсирует базовый уровень деформации.

Распространенные типы испытаний и их стандартные процедуры

Универсальные испытательные машины не ограничиваются испытаниями на растяжение. В следующей таблице приведены наиболее распространенные типы испытаний, соответствующие стандарты и основные примечания по настройке.

Правила техники безопасности, которые нельзя игнорировать

Универсальные испытательные машины создают огромные силы в компактном пространстве. При разрушении образца при растяжении 100 кН выделяется энергия, эквивалентная значительному механическому удару. Строгие протоколы безопасности защищают операторов и оборудование.

• Аlways wear safety glasses and, for high-force hydraulic tests, a face shield. Фрагменты образцов и компоненты захвата стали причиной серьезных травм во время высокоэнергетических переломов.
• Установите защитные экраны или ограждения вокруг зоны испытаний, особенно для хрупких материалов (керамики, стекла, чугуна), которые разрушаются без предупреждения.
• Никогда не стойте на одной линии с осью нагрузки во время испытания. Расположитесь сбоку от машины.
• Установите аппаратные концевые выключатели на обоих концах хода траверсы. Они обеспечивают физическую остановку, независимую от программного обеспечения, предотвращая чрезмерный ход траверсы и повреждение тензодатчика или рамы.
• Для гидравлических UTM, никогда не превышайте номинальное рабочее давление системы (обычно 210–280 бар). Избыточное давление может привести к разрыву гидравлических линий или уплотнений.
• Перед каждой тренировкой проверяйте рукоятки и крепления на наличие трещин или износа. Выход из строя захвата под нагрузкой — один из самых опасных видов отказов в лаборатории UTM.

Калибровка и проверка: отслеживание результатов

Некалиброванные UTM предоставляют данные, которые нельзя использовать при принятии инженерных решений или сообщить клиентам. Большинство систем качества требуют как минимум ежегодной калибровки.

Принудительная калибровка

Выполняется с использованием сертифицированной грузопоршневой машины или эталонного тензодатчика (класс 0,5 по ISO 7500-1). UTM должен читаться внутри ±1% от приложенной эталонной силы в каждой точке калибровки во всем диапазоне тензодатчика. Калибровка должна охватывать как минимум 5 точек от 20% до 100% мощности весоизмерительного датчика.

Проверка смещения траверсы

Используйте калиброванный LVDT или индикатор часового типа, чтобы убедиться, что траверса проходит заданное расстояние. Для электронных UTM точность обычно находится в пределах ±0,5% от показания; гидравлические UTM обычно находятся в пределах ± 1%.

Экстензометр Calibration

Экстензометрs must be calibrated to ISO 9513 Class 1 or ASTM E83 Class B1 for modulus measurements. This involves displacing the extensometer a known amount using a micrometer stage and comparing the output. Recalibrate after any drop or physical impact.

Храните все сертификаты калибровки, соответствующие национальным стандартам (NIST, NPL, PTB и т. д.), и будьте доступны во время проверок. В регулируемых отраслях, таких как аэрокосмическая (AS9100) или автомобильная (IATF 16949), использование UTM вне калибровки делает недействительными все данные испытаний, созданные с момента последней действительной калибровки.

Устранение наиболее частых проблем

Даже опытные операторы сталкиваются с повторяющимися проблемами. Вот наиболее распространенные проблемы и их основные причины:

Образец скользит в захватах

Заметно как внезапное падение нагрузки без разрушения образца или пилообразная кривая нагрузки. Причины: износ поверхностей захвата, неправильный тип захвата для геометрии образца, загрязнение поверхности образца (масла, влага) или недостаточное давление зажима. Решение: замените вставки захвата, очистите концы образцов или перейдите на зубчатые поверхности для получения гладких образцов.

Нелинейный начальный отклик (область пальцев ног)

А curved initial portion of the stress-strain curve before the linear elastic region indicates specimen misalignment, slack in the load train, or specimen end tabs not parallel. Per ASTM E111, the toe region must be corrected by offsetting the strain axis to the intersection of the linear elastic slope and the strain axis. This is done in post-processing in the software.

Неустойчивые показания нагрузки (электронный UTM)

Обычно возникает из-за повреждения кабелей тензодатчиков, плохого электрического заземления, вибрации от близлежащего оборудования или электромагнитных помех. Сначала проверьте разъемы кабеля — это решает более 60 % проблем, связанных с шумом сигнала. Убедитесь, что рама правильно заземлена на землю здания.

Управление нестабильной нагрузкой (гидравлический UTM)

Колеблющаяся нагрузка в режиме управления нагрузкой указывает на загрязнение сервоклапана, наличие воздуха в гидравлических линиях или неправильную настройку ПИД-регулятора для жесткости образца. Прокачайте гидравлический контур, чтобы удалить воздух. Если колебания сохраняются, возможно, сервоклапану потребуется очистка или замена — задача обслуживания, выполняемая квалифицированными техническими специалистами.

График планового технического обслуживания для долгосрочной надежности

Профилактическое обслуживание напрямую определяет срок службы UTM — исправные машины исправно работают в течение 20 лет. Следуйте графику ниже:

Для гидравлических UTM, Чистота жидкости является единственным наиболее важным фактором технического обслуживания . Загрязненная жидкость является причиной более 70% отказов сервоклапанов, которые являются одними из самых дорогих ремонтов гидравлических UTM, часто стоимость замены клапана составляет 3000–15 000 долларов США.