Что такое испытание на сжатие и как работают машины?

Испытание на сжатие — это метод механических испытаний, при котором к материалу или компоненту применяется контролируемая сжимающая нагрузка для измерения его поведения при сжимающих силах, в частности, его прочность на сжатие, характеристики деформации и точка разрушения . А машина для испытания на сжатие (также называемый тестером сжатия или универсальной испытательной машиной в режиме сжатия) обеспечивает и измеряет эту нагрузку с точностью. Результат сообщает инженерам, является ли материал достаточно прочным, жестким или пластичным для предполагаемого применения.

Что на самом деле измеряет испытание на сжатие

Когда к образцу прикладывается сжимающая сила, материал реагирует измеримым образом. Испытание на сжатие одновременно фиксирует несколько ключевых механических свойств:

• Прочность на сжатие: Максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения, выражается в МПа или фунтах на квадратный дюйм. Например, бетон обычно имеет прочность на сжатие 20–40 МПа для стандартных конструкционных марок.
• Предел текучести при сжатии: Напряжение, при котором материал начинает постоянно деформироваться, еще не разрушаясь, критично для металлов и полимеров.
• Модуль Юнга (модуль упругости) при сжатии: Отношение напряжения к деформации в упругой области, указывающее на жесткость.
• Деформация и напряжение при разрушении: Насколько сильно образец сжимается перед разрушением, что указывает на хрупкость или пластичность.
• Раздавливающая нагрузка и поглощение энергии: Для упаковки и автомобильных компонентов: сколько силы и энергии поглощает конструкция перед разрушением.

Тест генерирует кривая растяжения-деформации — график, отображающий приложенное напряжение в зависимости от результирующей деформации — это основной результат, который инженеры используют для проверки конструкции и квалификации материалов.

Как работает машина для испытания на сжатие

Машина для испытания на сжатие прикладывает измеренную возрастающую силу к образцу, удерживаемому между двумя жесткими плитами. Принцип работы ядра прост: одна плита зафиксирована, другая движется к ней с контролируемой скоростью, сжимая образец между ними. Тензодатчики измеряют приложенную силу в реальном времени; датчики смещения или экстензометры измеряют изменение высоты образца.

Основные компоненты машины для испытания на сжатие

• Загрузка рамы: Основа конструкции — обычно стальная колонна или четырехстоечная рама — должна быть достаточно жесткой, чтобы поглощать силы реакции, не прогибаясь. Жесткость рамы напрямую влияет на точность результата.
• Привод (крестовина): Подвижный элемент, который применяет сжимающую силу. Он приводится в движение гидравлическим поршнем, электромеханическим шариковым винтом или серводвигателем, в зависимости от типа машины.
• Тензодатчик: Прецизионный датчик силы, измеряющий приложенную нагрузку. Типичная точность ±0,5% от указанной нагрузки согласно калибровке класса 1 по ISO 7500-1.
• Компрессионные плиты: Пластины из закаленной стали (обычно HRC 60), контактирующие с образцом. Самовыравнивающиеся сферические опорные плиты обеспечивают равномерное распределение нагрузки, даже если поверхности образца не идеально параллельны.
• Система измерения смещения: Датчики положения траверсы или прикрепляемые экстензометры отслеживают деформацию, чтобы Разрешение ±0,001 мм на прецизионных станках.
• Система управления и программное обеспечение: В современных машинах используется сервоуправление с замкнутым контуром для поддержания постоянной скорости траверсы (управление перемещением) или постоянной скорости нагрузки (управление нагрузкой). Программное обеспечение записывает данные и автоматически генерирует кривые растяжения-деформации.

Гидравлические и электромеханические тестеры на сжатие

Две доминирующие технологии приводов существенно различаются по возможностям и применению:

Стандартная процедура испытания на сжатие

Большинство испытаний на сжатие следуют стандартизированной последовательности независимо от материала или типа машины. Отклонение от процедуры, особенно при подготовке образцов, является основной причиной неточных результатов.

1. Подготовка образца: Обработайте образец до необходимой геометрии. Для металлов АСТМ Е9 определяет соотношение высоты к диаметру от 1:1 до 3:1 . Для бетонных кубов БС ЕН 12390-3 требует образцов размером 150×150×150 мм с плоской поверхностью, отшлифованной с точностью до 0,05 мм.
2. Размерное измерение: Измерьте площадь поперечного сечения, чтобы рассчитать напряжение (Сила ÷ Площадь). Ошибка в 1% при измерении диаметра приводит к ошибке в 2% в заявленной прочности на сжатие.
3. Настройка машины: Выберите соответствующий диапазон тензодатчика (для достижения наилучшей точности нагрузка разрушения образца должна находиться в пределах от 20% до 80% полной шкалы). Откалибруйте смещение при нулевой нагрузке.
4. Размещение образца: Отцентрируйте образец на нижней плите. Несоосность создает эксцентричную нагрузку, приводящую к искусственно заниженным результатам и асимметричным режимам отказа.
5. Смазка (если требуется): Некоторые стандарты требуют смазки на валах для уменьшения бокового сопротивления, вызванного трением, что может искусственно увеличить кажущуюся прочность на 10–20%.
6. Выполнение теста: Примените нагрузку с указанной скоростью. АСТМ С39 для бетона определяет 0,25 ± 0,05 МПа/с . Более высокие скорости нагружения обеспечивают более высокую кажущуюся прочность.
7. Сбор и анализ данных: Постоянно записывайте силу и перемещение. Программное обеспечение автоматически рассчитывает пиковое напряжение, предел текучести, модуль упругости и энергию до разрушения.

Ключевые отрасли и области применения испытаний на сжатие

Испытание на сжатие имеет основополагающее значение для широкого спектра секторов, каждый из которых имеет определенные стандарты и требования:

Строительство и гражданское строительство

Испытание бетона на сжатие является наиболее часто проводимым механическим испытанием в мире. Каждая заливка конструкционного бетона требует испытаний куба или цилиндра под ASTM C39 или BS EN 12390-3 перед нагрузкой убедиться, что заданная расчетная прочность (f'c) достигнута. Типичный проект высотного здания может сотни экземпляров на этаже . Механические испытания горных пород при проектировании туннелей и фундаментов также основаны на испытаниях на одноосное сжатие в соответствии со стандартами ISRM.

Металлы и сплавы

В то время как испытания на растяжение доминируют при квалификации металлов, испытания на сжатие необходимы для хрупких металлов (серый чугун, твердые сплавы), которые сильнее при сжатии, чем при растяжении, а также для характеристики процессов объемной формовки, таких как ковка и прокатка. Аэрокосмические алюминиевые сплавы подвергаются испытаниям на сжатие по ASTM E9 для проверки моделирования формования.

Полимеры, пены и резина

Пенополиуретаны, используемые в автомобильных сиденьях, упаковке и изоляции, проходят испытания по АСТМ Д1621 для измерения прочности на сжатие и 25% силы отклонения при сжатии (CLD). Резиновые смеси, используемые в виброизоляторах, проходят испытания на сжатие для проверки жесткости при эксплуатационных нагрузках. В этих испытаниях используются электромеханические машины на очень низких скоростях (1–10 мм/мин).

Фармацевтическая и пищевая промышленность

Тестирование твердости таблеток — форма испытания на сжатие — требуется для каждой фармацевтической партии, чтобы подтвердить, что таблетки выдержат упаковку и обращение, не раскрошатся, но при этом правильно растворятся в организме. Целевые значения твердости обычно находятся между 4 и 40 кП (килопонды) . При анализе текстуры пищевых продуктов используются миниатюрные датчики сжатия для измерения хруста, твердости и жевательности продуктов, от сыра до печенья.

Упаковка

Испытание коробки на сжатие (BCT) за АСТМ Д642 измеряет прочность коробок из гофрированного картона при штабелировании — максимальную нагрузку, которую может выдержать коробка, прежде чем она рухнет. От этого напрямую зависит, сколько коробок можно штабелировать на складе или в транспортном контейнере. Типичная розничная гофрокоробка должна выдерживать 300–1000 фунтов сжимающей силы.

Общие отраслевые стандарты испытаний на сжатие

Испытание на сжатие или испытание на растяжение: когда что использовать

Оба теста характеризуют механическое поведение, но они исследуют разные виды отказов. Правильный выбор имеет большое значение, поскольку некоторые материалы ведут себя по-разному при растяжении и сжатии:

• Бетон имеет предел прочности всего 10% от его прочности на сжатие — поэтому добавляется стальное армирование. Испытание на сжатие является основным методом определения характеристик.
• Чугун сжатие в 3–4 раза сильнее растяжения. Значения прочности на сжатие используются при расчете колонн и несущих поверхностей.
• Конструкционная сталь имеет почти одинаковый предел текучести при растяжении и сжатии, но испытание на растяжение является стандартным методом квалификации (ASTM A370).
• Пена характеризуется почти исключительно сжатием, поскольку его основная рабочая нагрузка — сжимание, а не растяжение.
• Композиты часто требуется и то, и другое — ламинаты из углеродного волокна могут обладать прочностью на сжатие. на 40–60 % ниже прочности на разрыв из-за микропучков волокон.

Выбор подходящей машины для испытания на сжатие

Выбор правильной машины зависит от пяти ключевых параметров. Неправильное указание любого из них — особенно грузоподъемности — приведет либо к неточным результатам, либо создаст угрозу безопасности.

Грузоподъемность

Выберите машину, у которой ожидаемая пиковая нагрузка находится между 20% и 80% полной мощности машины . Испытание образца с усилием 50 кН на прессе для бетона с усилием 2000 кН приводит к потере капитала и снижению разрешения. Испытание бетонного куба усилием 1500 кН на машине мощностью 500 кН может привести к катастрофическому отказу.

Размер и геометрия стола

Таблички должны быть больше поперечного сечения образца. Машины для испытания бетона обычно используют Минимум плит размером 200 × 200 мм. ; Для испытания пены можно использовать зонды размером 50×50 мм или круглые зонды. Одна плита должна иметь сферическое самовыравнивающееся седло, позволяющее компенсировать небольшую непараллельность поверхности.

Диапазон скоростей траверсы

Убедитесь, что диапазон скоростей машины соответствует требуемому стандарту испытаний. Для испытаний полимеров и пены могут потребоваться такие низкие скорости, как 1 мм/мин ; В испытаниях на ударное сжатие используются скорости выше 1000 мм/мин. Большинство стандартных электромеханических машин покрывают от 0,001 до 500 мм/мин .

Совместимость с экологической камерой

Если вам необходимо проводить испытания при повышенных температурах или температурах ниже температуры окружающей среды, убедитесь, что геометрия рамы машины позволяет использовать температурную камеру и что тензодатчик рассчитан на требуемый температурный диапазон.

Требования к калибровке и соответствию

Для применений, где качество критически важно (конструкционный бетон, аэрокосмическая промышленность, фармацевтика), машина должна быть откалибрована в соответствии с прослеживаемым национальным стандартом. ИСО 7500-1 класс 1 калибровка (точность ±1%) является минимальной для большинства структурных применений; Класс 0,5 (±0,5%) необходим для прецизионных исследований материалов. Обычно требуется калибровка ежегодно или каждые 500 часов работы , в зависимости от того, что наступит раньше.

Ключевые источники ошибок при испытаниях на сжатие

Понимание причин возникновения ошибок позволяет лабораториям систематически их контролировать. Наиболее частыми источниками ошибок являются:

• Непараллельные поверхности образца: Наклон на 1° создает концентрацию напряжений, которая может снизить измеренную прочность на 15–25% . Торцевая шлифовка с точностью до 0,05 мм необходима для металлов и бетона.
• Трение между образцом и плитами: Несмазанные стальные плиты на металлических образцах создают эффект «бочонка», который искусственно ограничивает боковое расширение, увеличивая кажущуюся прочность.
• Неправильная скорость загрузки: Более быстрая загрузка обеспечивает более высокую прочность. Скорость загрузки 10× указанная ставка может увеличить заявленную прочность бетона на сжатие на 5–10%.
• Датчик нагрузки вне калибровки: Дрейф смещения нуля или диапазона тензодатчика невидим без периодической калибровки. Ошибка диапазона в 2 % напрямую приводит к ошибке в 2 % в каждом сообщаемом значении.
• Эксцентриситет образца: Смещение образца даже на 5 мм от центра создает изгибающие моменты, которые маскируют истинное поведение при сжатии.