Машины для испытаний на растяжение и сжатие: полное сравнение

Растяжимая и машины для испытания на сжатие оба измеряют реакцию материалов на приложенную силу, но они нагружают образцы в противоположных направлениях и служат принципиально разным инженерным целям. Если ваше приложение требует измерения сопротивления материала разрыву — предельной прочности на разрыв, удлинения, предела текучести — вам понадобится машина для испытания на растяжение. Если вам необходимо измерить сопротивление раздавливанию или сжатию — прочность на сжатие, деформацию под нагрузкой, модуль упругости при сжатии — вам понадобится машина для испытания на сжатие. Многие универсальные испытательные машины (UTM) могут выполнять и то, и другое, но специальные тестеры на сжатие остаются предпочтительным выбором для испытаний бетона, керамики и конструкционных материалов, подвергающихся высоким нагрузкам, где единственным вопросом являются характеристики сжатия. Эта статья дает вам строгую, параллельную разбивку, которая поможет вам сделать выбор.

Фундаментальный принцип: как каждая машина загружает образец

Основное механическое различие между двумя типами машин заключается в направлении и характере силы, приложенной к испытуемому образцу.

Машины для испытания на растяжение

Машина для испытания на растяжение захватывает оба конца стандартизированного образца (обычно в форме собачьей кости или гантели) и разрывает их с контролируемой скоростью. Траверса перемещается вверх (или наружу в горизонтальной конфигурации), в то время как нижняя рукоятка остается неподвижной или движется в противоположном направлении. По мере удлинения образца датчик нагрузки регистрирует силу, необходимую для поддержания каждого приращения растяжения до тех пор, пока образец не сломается. Ключевые зафиксированные измерения включают в себя:

• Предельная прочность на разрыв (UTS) – максимальное напряжение, которое материал выдерживает перед разрушением.
• Предел текучести – напряжение, при котором начинается необратимая пластическая деформация.
• Удлинение при разрыве - мера пластичности, выраженная в процентном увеличении расчетной длины.
• Модуль Юнга - отношение напряжения к деформации в упругой области, указывающее на жесткость материала.

Машины для испытания на сжатие

Машина для испытания на сжатие сводит две плиты вместе, сжимая образец между ними с контролируемой скоростью. Образец — бетонный куб, цилиндр, керамический диск, блок пенопласта и т.п. — помещается на нижнюю неподвижную плиту, а верхняя плита опускается под действием гидравлической или электромеханической силы. Ключевые измерения включают в себя:

• Прочность на сжатие – максимальное сжимающее напряжение при разрушении, выраженное в МПа или Н/мм².
• Модуль упругости при сжатии – характеристика жесткости хрупких и полухрупких материалов.
• Деформация при длительной нагрузке – для таких материалов, как пенопласт, резина и мягкие полимеры.
• Раздавливающая нагрузка – для упаковки, стержней конструкций и образцов гражданского строительства.

Архитектура машины и различия в конструкции

Противоположные направления сил приводят к значительным различиям в конструктивной конструкции каждого типа машины и в том, какие компоненты для нее требуются.

Конфигурация фрейма

В машинах для испытаний на растяжение обычно используется двух- или четырехколонная вертикальная рама, в которой траверса движется вверх, опираясь на фиксированные захваты. Рама должна выдерживать полную растягивающую нагрузку при изгибе, а также прямое растяжение, для чего требуется жесткая, хорошо закрепленная конструкция. Стандартные лабораторные тестеры на растяжение варьируются от Грузоподъемность от 1 кН до 600 кН , со специализированными машинами с усилием 2000 кН и более для испытаний канатов и конструкционной стали.

Машины для испытаний на сжатие, особенно те, которые используются для бетона и строительных материалов, часто представляют собой однокамерные низкопрофильные машины с жестким основанием и одной подвижной верхней плитой. Поскольку при сжатии рама подвергается чистому осевому сжатию, а не изгибу, конструкция может быть более компактной по сравнению с ее допустимой нагрузкой. Обычно доступны специальные тестеры бетона на сжатие емкостью от 1000 до 3000 кН (от 1 до 3 МН) , с тяжелыми машинами гражданского строительства, достигающими 10 000 кН.

Захваты против плит

Для машин растяжения требуются захваты, которые надежно удерживают оба конца образца, не соскальзывая и не вызывая концентрации напряжений на поверхностях захвата. Распространенные типы захватов включают клиновые захваты (самозатягивающиеся под нагрузкой), гидравлические захваты (для работы с большими усилиями и высокой пропускной способностью) и пневматические захваты (для хрупких или гибких образцов). Выбор хвата существенно влияет на достоверность результатов теста. неправильные захваты вызывают преждевременный выход из строя захвата, а не рабочей длины образца. , что делает тест недействительным.

В машинах для сжатия используются закаленные стальные плиты, обычно отшлифованные с точностью до 0,025 мм и закаленные до твердости 55 HRC или выше, чтобы противостоять вмятинам от заполнителя в бетонных или керамических образцах. Одна плита обычно устанавливается сферически — она самовыравнивается, чтобы компенсировать непараллельность граней образца до ±1–2 градуса — обеспечение равномерного распределения нагрузки и предотвращение эксцентрической нагрузки, которая привела бы к искусственному снижению измеренной прочности на сжатие.

Системы привода

В обоих типах машин используются электромеханические (винтовые) или гидравлические системы привода, но сфера применения различается:

• Электромеханические приводы обеспечивают превосходную точность контроля смещения (обычно ±0,1% от заданной скорости) и предпочтительны для испытаний на растяжение полимеров, композитов и текстиля, где контроль скорости деформации и точное измерение удлинения имеют решающее значение.
• Гидравлические приводы предпочтительны при испытаниях на сжатие с высокой нагрузкой, где требуются силы более 500 кН, обеспечивая компактную передачу мощности и плавное приложение нагрузки при очень высоких уровнях силы; специальные тестеры бетона на сжатие почти всегда являются гидравлическими с усилием выше 1000 кН.

Параллельное сравнение основных характеристик

Машины для испытания на сжатие: Applications and Industry Use Cases

Машины для испытаний на сжатие предназначены для более широкого круга категорий материалов, чем обычно предполагается. Хотя испытания бетона доминируют на рынке по объему, специальные тестеры на сжатие необходимы во многих отраслях:

Строительство и гражданское строительство

Испытание бетона на прочность на сжатие является наиболее распространенным применением машин для испытания на сжатие во всем мире. Стандартные образцы для испытаний кубики 150 мм (ЕН 12390-3) или Цилиндры 150×300 мм (АСТМ С39). Бетон нормальной прочности обычно достигает прочности на сжатие от 20 до 40 МПа; высокопрочный бетон может достигать 100 МПа и более. Испытательные машины для этого применения должны соответствовать стандарту EN 12390-4 (Европа) или ASTM C1231/C39 (Северная Америка), определяющему требования к плоскостности плиты, сферической посадке, скорости приложения нагрузки (обычно от 0,2 до 1,0 МПа/с ) и точность весоизмерительного датчика (Класс 1: ±1 % от указанной нагрузки).

Керамика и огнеупорные материалы

Усовершенствованная керамика, используемая в аэрокосмической промышленности, электронике и медицинских имплантатах, почти полностью характеризуется прочностью на сжатие и изгиб, поскольку керамические материалы хрупкие, а их прочность на растяжение обычно составляет всего лишь от 10 до 25% от их прочности на сжатие. . Для испытаний этих материалов требуются машины с очень жесткими рамами (высокая жесткость рамы сводит к минимуму запасенную упругую энергию, катастрофически высвобождаемую при разрушении), закаленными карбидными или керамическими плитами и защитными экранами для удержания фрагментов.

Упаковочная и пенопластовая промышленность

Гофрированный картон, пенополистирол, пенополиуретан и упаковка из формованной целлюлозы испытываются на сжатие для проверки защитных свойств. Здесь машины для испытания на сжатие работают в гораздо меньших диапазонах усилий — обычно от 1 до 50 кН - с точным контролем смещения и измерением нагрузки с высоким разрешением для захвата характерной кривой разрушения пеноматериалов, которая показывает начальную область упругости, плато постепенного разрушения ячеек и конечную зону уплотнения.

Геотехническая и горная механика

Образцы керна горных пород, полученные в горнодобывающей, туннельной и нефтедобывающей промышленности, проверяются на прочность при неограниченном сжатии (UCS) для классификации качества горной массы и разработки дизайна земляных работ. Для образцов горных пород обычно требуются машины, от 500 кН до 2000 кН диапазон, с жесткими рамами и высокой скоростью сбора данных для определения хрупкого поведения твердых пород после пика.

Когда универсальная испытательная машина заменяет и то, и другое

Универсальная испытательная машина (UTM) предназначена для проведения испытаний как на растяжение, так и на сжатие, а также, во все большей степени, на изгиб, сдвиг и отслаивание, путем изменения конфигурации приспособлений внутри одной рамы машины. Для лабораторий, которые тестируют широкий спектр материалов и нуждаются в обоих режимах тестирования, UTM часто оказывается более выгодным, чем покупка двух специализированных машин.

Однако UTM идут на значимые компромиссы в обоих направлениях:

• UTM редко доступны выше 600 кН в электромеханических конфигурациях — для испытаний бетона силой 3000 кН по-прежнему требуется специальный гидравлический прибор для испытания на сжатие.
• Выравнивание компрессионной плиты в UTM зависит от системы выравнивания крейцкопфа, которая рассчитана в первую очередь на соосность при растяжении; специальные компрессионные машины с независимо установленными сферическими седлами обеспечивают более надежную равномерность нагрузки
• Лаборатории контроля качества бетона с высокой производительностью, проверяющие сотни образцов в день, выигрывают от скорости и простоты специального прибора для испытания на сжатие по сравнению с универсальным UTM, который требует замены приспособлений между испытаниями.

Правило принятия решения простое: если более 80 % ваших тестов относятся к одному типу, инвестируйте в специальную машину; Если ваша рабочая нагрузка действительно смешанная, UTM является более экономичным и компактным решением.

Ключевые стандарты, регулирующие каждый тип машин

Соблюдение правильного стандарта тестирования не является обязательным — оно определяет, являются ли ваши результаты юридически обоснованными, межлабораторными сопоставимыми и пригодными для сертификации материалов. Наиболее важными стандартами для каждого типа машин являются:

Стандарты испытаний на растяжение

• ИСО 6892-1 – Металлические материалы: испытание на растяжение при комнатной температуре; основной международный стандарт для металлов
• АСТМ Е8/Е8М – Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение; широко используется в Северной Америке
• ИСО 527-1/2 – Пластмассы: определение свойств на растяжение; охватывает геометрию образца, скорость испытаний и требования к отчетности для полимерных материалов.
• ИСО 13934-1 – Текстиль: растяжимые свойства тканей; метод полосы
• АСТМ Д638 – Стандартный метод испытания свойств пластмасс на растяжение.

Стандарты испытаний на сжатие

• EN 12390-4 – Испытание затвердевшего бетона: прочность на сжатие; определяет требования к испытательной машине, включая плоскостность плиты (≤0,030 мм) и скорость приложения нагрузки.
• ASTM C39 – Стандартный метод испытаний на прочность на сжатие цилиндрических образцов бетона.
• ISO 4012 – Определение прочности на сжатие испытуемых образцов (бетон)
• АСТМ С109 – Прочность на сжатие гидравлических цементных растворов
• ИСО 844 – Жесткие ячеистые пластики: определение свойств при сжатии

Требования к точности и калибровке весоизмерительных датчиков

Оба типа машин зависят от точности их системы измерения нагрузки, но требования к точности различаются в зависимости от применения:

• Машины для испытаний на растяжение, используемые для сертификации материалов металлов и композитов, обычно требуют Весоизмерительные ячейки класса 0,5 (±0,5% от указанной нагрузки по ISO 7500-1), с калибровкой, соответствующей национальным стандартам, и ежегодной повторной проверкой.
• Машины для испытания на сжатие для контроля качества бетона, как правило, должны соответствовать Класс точности 1 (±1% от указанной нагрузки по EN 12390-4), с проверкой не реже одного раза в год или после любого капитального ремонта.
• Тензодатчики должны быть откалиброваны во всем рабочем диапазоне минимум с пятью приращениями; датчик нагрузки, рассчитанный на 3000 кН, не должен использоваться для испытаний образцов, выходящих из строя ниже 10% от полной шкалы (300 кН) без вторичного датчика нагрузки нижнего диапазона, поскольку точность значительно ухудшается в нижней части диапазона измерения.

Записи о калибровке должны сохраняться и прослеживаться. Для лабораторий, претендующих на аккредитацию по стандарту ISO/IEC 17025, цепочка калибровки от тензодатчика машины до национальных эталонов измерений должна быть непрерывной и документированной.

Выбор подходящей машины: система принятия решений

Прежде чем обращаться к поставщику, ответьте на следующие вопросы, чтобы определить свои требования:

1. Какие материалы будут тестироваться? Металлы, полимеры и текстиль почти всегда требуют прочности на растяжение. Бетон, камень, керамика и пенопласт требуют способности к сжатию. Оба? Рассмотрим UTM.
2. Какова необходимая мощность сил? Определите максимальную ожидаемую отказовую нагрузку с коэффициентом запаса прочности не менее 1,5×. Машина, постоянно работающая с мощностью выше 80 % от номинальной, быстрее выйдет из строя и будет подвергаться ускоренному механическому износу.
3. Какой класс точности требует ваш стандарт? Определите основной стандарт испытаний, прежде чем указывать точность весоизмерительного датчика — завышение требований приведет к ненужным затратам; недостаточное указание делает результаты теста недействительными.
4. Какая пропускная способность требуется? Лаборатория на строительной площадке, проверяющая 50 бетонных кубов в день, нуждается в специальном быстродействующем тестере на сжатие, а не в UTM исследовательского уровня с длительным временем замены приспособлений.
5. Какие условия окружающей среды применяются? Испытания при высоких температурах, испытания в погружении или испытания в климатических камерах требуют специальных конфигураций машины — проверьте совместимость перед покупкой.
6. Какие выходные данные и интеграция программного обеспечения необходимы? Современные машины подключаются через Ethernet или USB к системам LIMS, генерируют автоматические отчеты об испытаниях и экспортируют их в шаблоны отчетов ASTM/ISO. Подтвердите совместимость программного обеспечения с вашей инфраструктурой управления качеством.

Распространенные ошибки тестирования и как их избежать

Испытания на растяжение и сжатие подвержены систематическим ошибкам, которые приводят к неточным результатам, даже если сама машина идеально откалибрована. Наиболее серьезными ошибками в каждом типе испытаний являются:

Ошибки при испытаниях на растяжение

• Неисправность конца рукоятки : Перелом на губках захвата или внутри него указывает на чрезмерное давление зажима, перекос или неправильную геометрию образца. Результаты неудачного захвата должны быть отброшены и испытание повторено.
• Неправильная скорость траверсы : Тестирование со скоростью, выходящей за пределы разрешенного стандартом диапазона, искусственно повышает или понижает измеренную силу. В большинстве стандартов полимеров скорость указывается в мм/мин; Стандарты металлов указывают скорость деформации в с⁻¹.
• Время снятия экстензометра : Снятие экстензометра с зажимом слишком рано или слишком поздно приводит к ошибке в измерении удлинения. Для хрупких материалов экстензометры следует снимать перед разрушением, чтобы предотвратить повреждение.

Ошибки тестирования сжатия

• Непараллельные поверхности образца : Разница более 0,5 мм на грани бетонного куба толщиной 150 мм создает эксцентричную нагрузку, которая может снизить измеренную прочность на сжатие на от 10 до 20% . Для исправления непараллельных поверхностей необходимо использовать шпаклевочные составы или шлифовку.
• Загрязненные или изношенные валики : Мусор, попавший на поверхности плиты, создает концентрацию напряжений. Плиты следует очищать перед каждой серией испытаний и заменять, когда твердость поверхности падает ниже установленных пределов.
• Неправильная скорость загрузки : Слишком быстрое приложение нагрузки (более 1,0 МПа/с для стандартного бетона) искусственно увеличивает измеренную прочность из-за чувствительности к скорости деформации. Автоматизированные машины с замкнутым контуром управления скоростью нагрузки надежно устраняют этот источник ошибок.