Cum să utilizați o mașină de testare universală: Ghid complet

A aparat universal de testare (UTM) măsoară proprietățile mecanice ale materialelor - inclusiv rezistența la tracțiune, rezistența la compresiune, rezistența la încovoiere și alungirea - prin aplicarea forțelor controlate și înregistrarea răspunsului materialului. Pentru a o utiliza corect, trebuie să selectați tipul potrivit de mașină (electronic sau hidraulic), să instalați mânerele sau dispozitivele de fixare adecvate, să setați parametrii de testare în software, să puneți la zero sarcina și extensia, apoi să rulați testul în timp ce monitorizați curba sarcină-deplasare în timp real. Acest ghid acoperă fiecare pas atât pentru UTM-urile electronice, cât și pentru cele hidraulice, cu date practice și comparații pentru a vă ajuta să obțineți rezultate precise și repetabile.

Mașini de testare universale electronice vs. hidraulice: de care aveți nevoie?

Alegerea tipului corect de mașină este prima și cea mai importantă decizie. Folosirea unei platforme greșite poate produce date inexacte sau chiar poate deteriora specimenele și echipamentele.

Ca regulă practică: dacă specimenul dumneavoastră necesită o forță mai mare de 600 kN, alegeți un UTM hidraulic. Pentru lucrări de precizie cu forță redusă - cum ar fi testarea unui film de polimer de 0,2 mm sau a unei suturi biomedicale - un UTM electronic cu o celulă de sarcină de 10 N va produce date mult mai semnificative.

Componente esențiale pe care trebuie să le înțelegeți înainte de a utiliza

Indiferent de tipul de mașină, fiecare UTM are aceleași componente de bază. Identificarea greșită sau utilizarea greșită a oricăruia dintre ele este o cauză principală a rezultatelor testelor nevalide.

Încărcare cadrul

Coloana vertebrală structurală care reține toate forțele în timpul testului. Cadrele sunt evaluate în funcție de capacitatea lor maximă de încărcare. Nu depășiți niciodată 80% din capacitatea nominală a cadrului în testele de rutină pentru a evita deteriorarea cadrului prin oboseală în timp.

Celulă de sarcină

Traductorul de forță care transformă forța mecanică într-un semnal electric. Celulele de sarcină au propriile capacități nominale - de exemplu, o celulă de sarcină de 1 kN instalată pe un cadru de 100 kN înseamnă că mașina este efectiv limitată la 1 kN pentru acea configurație. Potriviți întotdeauna celula de sarcină cu 20–100% din forța maximă așteptată a specimenului dumneavoastră. Utilizarea unei celule de sarcină de 100 kN pentru a testa o probă care se rupe la 50 N va da citiri nesigure.

Crosshead și actuator

În UTM-urile electronice, crucea este condusă de un șurub cu bile de precizie sau un șurub de plumb alimentat de un servomotor. În UTM-urile hidraulice, actuatorul (berbecul hidraulic) aplică forță prin fluidul sub presiune. Capul transversal se mișcă la o viteză programată - de obicei exprimată în mm/min - care controlează rata de deformare a probei.

Prinderi și dispozitive de fixare

Mânerele sunt interfața dintre mașină și specimen. Tipurile comune includ:

• Mânere cu acțiune în pană — cu autostrângere sub sarcină, ideale pentru specimene de metal plate sau rotunde
• Mânere pneumatice — forță de strângere constantă, potrivite pentru pelicule subțiri și cauciuc
• Platine de compresie — plăci plate pentru testele de compresiune pe spume, cilindri de beton sau tablete
• Dispozitive de îndoire în trei și patru puncte — pentru testarea la încovoiere a grinzilor și barelor

Extenzometru

Un dispozitiv cu clips sau fără contact (video sau laser) care măsoară tensiunea reală a specimenului independent de deplasarea capului transversal. Pentru un calcul precis al modulului lui Young, este obligatoriu un extenzometru — deplasarea capului transversal include conformitatea mașinii și alunecarea prindere, introducând erori de 10–30% în măsurătorile de rigiditate.

Pas cu pas: Cum să utilizați o mașină electronică universală de testare

UTM-urile electronice sunt cea mai utilizată platformă în laboratoarele de control al calității și de cercetare. Următoarea procedură acoperă un test de tracțiune standard, cel mai comun tip de testare, în conformitate cu standarde precum ASTM E8, ISO 6892-1 sau ASTM D638.

1. Porniți mașina și lansați software-ul de control. Permiteți o perioadă de încălzire de minim 15 minute, astfel încât servomotor și electronica celulei de sarcină să atingă echilibrul termic, reducând deviația.
2. Selectați și instalați celula de sarcină corectă. Confirmați capacitatea nominală de pe eticheta celulei de sarcină. Strângeți elementele de fixare de fixare conform specificațiilor producătorului - cuplu insuficientă cauzează zgomot de semnal; suprastrângerea poate deteriora traductorul.
3. Instalați mânerele adecvate. Pentru un eșantion de tracțiune cu os de câine conform ASTM D638, instalați mânere plate cu acțiune de pană. Confirmați că fețele de prindere sunt curate și lipsite de reziduuri care ar putea cauza prindere neuniformă.
4. Introduceți dimensiunile specimenului în software. Măsurați lungimea, lățimea și grosimea manometrului folosind șublere calibrate. Pentru specimenele rotunde, măsurați diametrul în trei puncte și utilizați media. Software-ul folosește aceste valori pentru a calcula solicitarea inginerească (Forță ÷ Aria secțiunii transversale originale).
5. Selectați sau creați o metodă de testare. Definiți: tipul de încercare (tensiune, compresie, încovoiere), viteza traversei (de exemplu, 5 mm/min pentru metale conform ISO 6892-1 Metoda A sau 50 mm/min pentru materiale plastice conform ASTM D638), limitele de sarcină și extensie și rata de achiziție a datelor (de obicei 10–100 Hz).
6. Reduceți sarcina și extensia la zero. Cu mânerele instalate, dar fără specimenul încărcat, reduceți atât canalele de forță, cât și de deplasare. Acest lucru elimină greutatea mânerelor din citirea forței.
7. Încărcați specimenul. Introduceți mai întâi specimenul în mânerul inferior, apoi mânerul superior. Aplicați doar suficientă forță de strângere pentru a ține eșantionul - pretensionarea excesivă va afecta măsurarea limitei de curgere.
8. Atașați extensometrul (dacă se măsoară modulul sau deformarea de randament). Poziționați muchiile cuțitului exact la lungimea marcată. Pentru un extenzometru cu lungimea de 50 mm, verificați ca marcajele de pe eșantion să fie la exact 50 mm.
9. Începeți testul. Monitorizați curba sarcină-deplasare sub tensiune. Pentru majoritatea încercărilor de tracțiune, curba ar trebui să arate o regiune elastică liniară, un punct de curgere (sau limită proporțională), deformare plastică și fractură.
10. Scoateți specimenul după fractură și salvați raportul de testare. Software-ul va calcula automat UTS, limita de curgere, alungirea la rupere și modulul Young din datele înregistrate.

Un test electronic tipic de tracțiune UTM pe un cupon de oțel la 5 mm/min durează aproximativ 3-8 minute de la încărcarea probei până la rupere, în funcție de ductilitate.

Pas cu pas: Cum să utilizați o mașină de testare universală hidraulică

UTM-urile hidraulice sunt platforma standard pentru teste structurale grele. Procedura de mai jos acoperă încercările de tracțiune sau compresiune la forță mare a eșantioanelor de oțel sau beton.

1. Verificați nivelul și starea lichidului hidraulic. Lichidul scăzut provoacă scăderi de presiune la mijlocul testului; fluidul contaminat degradează performanța servovalvei. Utilizați numai calitatea de fluid specificată în manual (de obicei ulei hidraulic ISO VG 46).
2. Porniți unitatea de putere hidraulică (HPU). Lăsați pompa să funcționeze timp de 5-10 minute pentru a circula fluidul și a atinge temperatura de funcționare (de obicei 40-50°C). Majoritatea mașinilor afișează temperatura fluidului pe panoul de control.
3. Selectați configurația de testare. Pentru un test de compresiune pe un cilindru de beton de 150 mm conform ASTM C39, instalați plăci de compresie. Pentru un test de întindere a barei de armare conform ASTM A615, instalați mânere hidraulice pentru pană nominale pentru diametrul barei.
4. Configurați servocontrolerul. Setați controlul sarcinii sau modul de control al deplasării. Pentru testele cu materiale cvasi-statice, controlul deplasării la o rată definită (de exemplu, rata de tensiuni de 0,25 MPa/s pentru compresia betonului conform ASTM C39) este standard. Pentru testele componentelor structurale, controlul sarcinii este obișnuit.
5. Puneți la zero celula de sarcină și traductorul de poziție (LVDT). Fără nici un specimen sub sarcină, setați ambele canale la zero prin software-ul de control sau panoul frontal.
6. Poziționați și fixați specimenul. Pentru testele de compresiune, centrați eșantionul sub placa superioară cu ±1 mm pentru a evita încărcarea excentrică, care reduce artificial rezistența măsurată cu până la 15%.
7. Aplicați o mică preîncărcare (sarcină de contact). Mașinile hidraulice beneficiază de o preîncărcare mică (de obicei 1–5% din maximul așteptat) pentru a așeza specimenul și pentru a elimina slăbirea elementelor de fixare înainte de a porni rampa controlată.
8. Rulați testul. Supapa servo modulează debitul hidraulic pentru a menține sarcina sau rata de deplasare programată. Monitorizați presiunea sistemului — dacă presiunea se apropie de setarea supapei de siguranță, opriți imediat testul.
9. După cedarea eșantionului, reduceți încet presiunea înainte de a deschide mânerele sau de a scoate plăcile. Eliberarea bruscă a presiunii poate provoca ejectarea dispozitivului în configurațiile cu forță mare.
10. Opriți HPU după finalizarea tuturor testelor. Lăsând pompa în funcțiune, fluidul și etanșările sunt degradate în mod inutil.

Setarea corectă a parametrilor de testare: detaliile care determină calitatea datelor

Parametrii de testare incorecți sunt responsabili pentru o parte semnificativă a rezultatelor UTM nereproductibile. Acordați o atenție deosebită următoarelor setări:

Viteza traversei și rata de deformare

Mulți utilizatori introduc o viteză a traversei în mm/min fără a lua în considerare modul în care aceasta se traduce în rata de deformare. Viteza de deformare (s⁻¹) = viteza traversei ÷ lungimea ecartamentului. Pentru o probă de 50 mm lungime testată la 5 mm/min, rata de deformare este 0,1 min⁻¹ (0,00167 s⁻¹) . Depășirea ratei de deformare standard cu 10x poate crește limita de curgere măsurată a oțelului moale cu 5-15%, producând date necomparabile.

Condiții de oprire a testului

Definiți întotdeauna cel puțin două condiții de oprire în software:

• Scădere de sarcină (% din sarcina maximă) — setat de obicei la 20–40% cădere de sarcină de la vârf pentru a detecta automat fractura
• Limită maximă de extensie — împiedică trecerea traversei dincolo de intervalul de separare a mânerului, ceea ce ar deteriora mașina

Rata de achizitie a datelor

Pentru teste cvasistatice lente (plastice, compozite la 50 mm/min), 10 Hz este suficient. Pentru teste rapide de rupere sau teste adiacente la impact, creșteți la 100–1.000 Hz. O rată prea scăzută va rata pragul de curgere exact sau sarcina maximă, ceea ce duce la valori UTS subraportate.

Preîncărcare

O preîncărcare mică (0,5–2% din sarcina de defecțiune estimată) îndepărtează slăbiciunea inițială și confirmă că specimenul este așezat corespunzător. Cu toate acestea, nu puneți la zero extensometrul după aplicarea preîncărcării cu excepția cazului în care standardul de testare o cere în mod explicit, deoarece acest lucru compensează artificial linia de bază a tulpinii.

Tipuri comune de teste și proceduri standard ale acestora

Mașini universale de testare nu se limitează la încercări de tracțiune. Următorul tabel rezumă cele mai comune tipuri de teste, standardele relevante și notele cheie de configurare.

Practici de siguranță care nu pot fi ignorate

Mașinile universale de testare generează forțe enorme într-un spațiu compact. O fractură de eșantion de tracțiune de 100 kN eliberează energie echivalentă cu un impact mecanic semnificativ. Protocoalele stricte de siguranță protejează operatorii și echipamentele.

• Purtați întotdeauna ochelari de protecție și, pentru teste hidraulice de mare forță, o protecție facială. Fragmentele de specimen și componentele de prindere au cauzat răni grave în timpul fracturilor de mare energie.
• Instalați scuturi de siguranță sau apărătoare în jurul zonei de testare, în special pentru materialele fragile (ceramică, sticlă, fontă) care se sparg fără avertisment.
• Nu stați niciodată în linie cu axa de încărcare în timpul unui test. Poziționați-vă pe partea laterală a mașinii.
• Setați întrerupătoarele de limită hardware la ambele capete ale cursei traversei. Acestea asigură o oprire fizică independentă de software, prevenind deplasarea excesivă a traversei și deteriorarea celulei de sarcină sau cadrului.
• Pentru UTM-uri hidraulice, nu depășiți niciodată presiunea nominală de lucru a sistemului (de obicei 210–280 bar). Suprapresiunea poate rupe conductele hidraulice sau etanșările.
• Inspectați mânerele și dispozitivele de fixare pentru fisuri sau uzură înainte de fiecare sesiune. O eroare de prindere sub sarcină este unul dintre cele mai periculoase moduri de eroare dintr-un laborator UTM.

Calibrare și verificare: urmărirea rezultatelor

UTM-urile necalibrate produc date care nu pot fi utilizate în decizii de inginerie sau raportate clienților. Majoritatea sistemelor de calitate necesită calibrare anuală la minimum.

Calibrarea forței

Efectuat folosind o mașină cu greutate redusă certificată sau o celulă de sarcină de referință (clasa 0,5 conform ISO 7500-1). UTM-ul trebuie să citească în interior ±1% din forța de referință aplicată la fiecare punct de calibrare pe întreaga gamă a celulei de sarcină. Calibrarea trebuie să acopere cel puțin 5 puncte de la 20% la 100% din capacitatea celulei de sarcină.

Verificarea deplasării capului transversal

Utilizați un LVDT calibrat sau un comparator pentru a verifica dacă traversa parcurge distanța comandată. Pentru UTM-urile electronice, precizia este de obicei în ±0,5% din citire; UTM-urile hidraulice sunt de obicei în ±1%.

Extenzometru Calibration

Extenzometrus 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.

Păstrați toate certificatele de calibrare cu trasabilitate la standardele naționale (NIST, NPL, PTB etc.) în dosar și accesibile în timpul auditurilor. În industriile reglementate, cum ar fi aerospațial (AS9100) sau auto (IATF 16949), utilizarea unui UTM necalibrat invalidează toate datele de testare generate de la ultima calibrare validă.

Depanarea celor mai frecvente probleme

Chiar și operatorii cu experiență întâmpină probleme recurente. Iată cele mai frecvente probleme și cauzele lor fundamentale:

Specimen alunecat în mânere

Vizibil ca o scădere bruscă a sarcinii fără fractură a specimenului sau o curbă de sarcină în formă de dinte de ferăstrău. Cauze: fețe de prindere uzate, tip de prindere incorect pentru geometria probei, contaminarea suprafeței specimenului (uleiuri, umiditate) sau presiune de strângere insuficientă. Soluție: înlocuiți inserțiile de prindere, curățați capetele probei sau treceți la fețele zimțate pentru specimene netede.

Răspuns inițial neliniar (regiunea vârfului de la picioare)

O porțiune inițială curbată a curbei efort-deformare înainte de regiunea elastică liniară indică dezalinierea probei, slăbirea în trenul de sarcină sau urechile de capăt ale specimenului neparalele. Conform ASTM E111, regiunea degetului trebuie corectată prin decalarea axei deformarii la intersecția pantei elastice liniare și a axei deformarii. Acest lucru se face în post-procesare în software.

Citiri de încărcare neregulată (UTM electronic)

Cauzat de obicei de cablurile celulelor de sarcină deteriorate, împământare electrică slabă, vibrații de la echipamentele din apropiere sau interferențe electromagnetice. Verificați mai întâi conectorii cablurilor - acest lucru rezolvă peste 60% dintre problemele legate de zgomotul semnalului. Asigurați-vă că cadrul este împământat corespunzător la pământul clădirii.

Control instabil al sarcinii (UTM hidraulic)

Sarcina oscilantă în modul de control al sarcinii indică contaminarea valvei servo, aer în conductele hidraulice sau reglarea PID incorectă pentru rigiditatea probei. Aerisiți circuitul hidraulic pentru a elimina aerul. Dacă oscilația persistă, valva servo poate necesita curățare sau înlocuire - o sarcină de service pentru tehnicienii calificați.

Program de întreținere de rutină pentru fiabilitate pe termen lung

Întreținerea preventivă determină în mod direct durata de viață utilizabilă a unui UTM - mașinile bine întreținute funcționează în mod regulat timp de 20 de ani. Urmați programul de mai jos:

Pentru UTM-uri hidraulice, curățenia fluidelor este cel mai important factor de întreținere . Fluidul contaminat este responsabil pentru peste 70% din defecțiunile supapelor servo, care sunt printre cele mai scumpe reparații UTM hidraulice, costând adesea 3.000 USD–15.000 USD per înlocuire a supapei.