Mașină universală de testare vs. mașină de testare compresie explicată

A Mașină universală de testare (UTM) efectuează teste de tensiune, compresie, îndoire, forfecare și decojire pe o singură platformă - a mașină de testare a compresiei efectuează numai încărcare compresivă. UTM este instrumentul mai capabil și mai scump: cadrul său cu două coloane sau patru coloane, actuatorul bidirecțional și sistemul de prindere interschimbabil îi permit să inverseze direcția forței și să se adapteze practic oricărei geometrii de testare. O mașină de testare a compresiei este construită special pentru sarcina de compresiune descendentă - nu are niciun mecanism de aplicare a forței de tracțiune, ceea ce o face mai ieftină, mai simplă de operat și mai potrivită pentru teste specifice compresiei de volum mare, cum ar fi testarea cuburilor de beton, testarea cărămizilor și compresia ambalajului. Dacă laboratorul dumneavoastră testează materiale în tensiune sau încovoiere pe lângă compresie, un UTM este alegerea corectă. Dacă munca dvs. este exclusiv compresivă - în special materialele structurale cu sarcini mari, cum ar fi betonul și zidăria - un tester de compresie dedicat oferă o valoare mai bună și adesea o capacitate de forță mai mare per dolar.

Diferențele de design de bază: pentru ce este construită fiecare mașină

Arhitectura universală a mașinii de testare

Un UTM este construit în jurul unui cadru structural - în mod obișnuit două sau patru coloane portante - care susține o traversă fixă în partea de sus și o traversă mobilă condusă de șuruburi de plumb, cilindri hidraulici sau un sistem cu curele și scripete. Dispozitivul de acționare este bidirecțional: poate deplasa traversa atât în ​​sus (tensionare), cât și în jos (compresie) cu o capacitate de forță egală. Celula de sarcină este montată în linie între actuator și mânere, măsurând forța în ambele direcții. Acest design simetric, bidirecțional este ceea ce face ca mașina să fie „universală”.

Spațiul de testare dintre capetele transversale este accesibil din ambele părți, permițând încărcarea axială a probelor lungi. Mânerele sau dispozitivele de fixare superioare și inferioare sunt interschimbabile - aceeași mașină poate ține un fir de 6 mm în mânerele de tracțiune, poate comprima un bloc de spumă între plăci plate sau poate îndoi o grindă peste dispozitive de îndoire în trei puncte, pur și simplu schimbând sculele. UTM-urile variază de la Unități de bancă de 100 N pentru ambalare și filme de până la 2.000 kN Mașini de pe podea pentru oțel de construcție și beton .

Arhitectura mașinii de testare a compresiei

O mașină de testare a compresiei (CTM) - numită și tester de compresie pentru beton sau presă cub - constă dintr-un cadru de bază rigid, o plată inferioară fixă și o plată superioară condusă în jos de un cric hidraulic sau de un actuator electromecanic. Direcția de încărcare este unidirecțională: platanul superior coboară și specimenul este zdrobit între cele două plăci. Nu există niciun mecanism care să inverseze actuatorul și să aplice o forță de tracțiune în sus.

CTM-urile sunt optimizate pentru testele de compresiune cu forță mare pe specimene rigide. Deoarece cadrul trebuie să reziste doar la forțele de reacție de compresiune (nu de tracțiune), acesta poate fi realizat cu o structură mai scurtă, mai compactă, care este în mod inerent mai rigidă - esențială pentru măsurarea precisă la testarea materialelor fragile care se fracturează exploziv. CTM-urile standard pentru testarea betonului variază de la 1.000 kN până la 3.000 kN , cu utilaje specializate ajungând 5.000 kN (500 de tone) pentru specimene de rocă și agregate mari. Aceste niveluri de forță sunt rareori disponibile în UTM-uri cu preț echivalent.

Tipuri de teste: ce poate și ce nu poate face fiecare mașină

Intervalul de forță și rigiditatea cadrului: unde mașinile diverg

Intervalul de forță este una dintre cele mai clare distincții dintre cele două tipuri de mașini în practică. UTM-urile care deservesc laboratoarele generale de testare a materialelor sunt specificate cel mai frecvent în 5 kN până la 600 kN gama. Un UTM de 600 kN capabil să testeze oțelul structural la tracțiune costă mult mai mult decât un tester de compresie de 3.000 kN care deservește un laborator de testare a betonului - deoarece cadrul bidirecțional al UTM, controlul servo de precizie și interfața cu extensometru adaugă costuri substanțiale de care un CTM hidraulic nu are nevoie.

Rigiditatea cadrului este un alt parametru critic. Atunci când un specimen fragil, cum ar fi un cub de beton, se fracturează exploziv, energia stocată într-un cadru conform (rigiditate scăzută) este eliberată brusc, continuând să zdrobească specimenul dincolo de punctul său natural de fractură și producând citiri de rezistență artificial scăzute. EN 12390-4 și ASTM C39 specifică cerințele minime de rigiditate a cadrului pentru încercarea de compresie a betonului — exprimată de obicei ca limită de deformare la sarcina maximă. CTM-urile dedicate sunt concepute special pentru a îndeplini aceste cerințe de rigiditate. Multe UTM-uri de uz general, în special modelele electromecanice cu șuruburi, au o rigiditate insuficientă a cadrului pentru testarea precisă a compresiei betonului la sarcini mari.

Sisteme de acționare: electromecanice vs. hidraulice

Atât UTM-urile, cât și mașinile de testare a compresiei sunt disponibile în variante electromecanice (EM) și hidraulice, dar configurațiile tipice diferă între cele două tipuri de instrumente.

UTM-uri electromecanice

Majoritatea UTM-urilor de laborator sub 600 kN sunt electromecanice: un servomotor electric antrenează șuruburi de plumb sau șuruburi cu bile pentru a deplasa crucea. Aceasta oferă control precis al deplasării traversei — precizie de poziție de ±0,1 mm sau mai bună — și viteză constantă a traversei de la 0,001 mm/min până la 1.000 mm/min pe toată gama de sarcină. Unitatea EM este mai curată (fără ulei hidraulic), mai silențioasă și necesită mai puțină întreținere de rutină decât sistemele hidraulice. Limitarea este forța maximă: UTM-urile cu șuruburi de peste 600 kN devin foarte mari, lente și costisitoare.

UTM-uri hidraulice și teste de compresie

Peste 600 kN, acționarea hidraulică domină atât UTM-urile, cât și CTM-urile. O pompă hidraulică presurizează uleiul pentru a deplasa un piston/berbec. Acest lucru produce forțe foarte mari într-un actuator compact - generator de un berbec hidraulic 2.000 kN se potrivesc într-un cilindru de aproximativ 250 mm în diametru . Sistemele hidraulice oferă un control excelent al forței pentru testele controlate de sarcină (standard în testarea betonului, unde este specificată rata de încărcare în kN/s, mai degrabă decât rata de deplasare). Dezavantajul este că controlul poziției este mai puțin precis decât cel electromecanic, uleiul necesită înlocuire periodică și gestionarea scurgerilor, iar pompa generează căldură și zgomot.

UTM-urile servohidraulice — utilizate în testele de oboseală și dinamice — combină capacitatea de forță hidraulică cu servocontrolul în buclă închisă atât pentru forță, cât și pentru deplasare. Acestea sunt instrumente specializate, cu costuri ridicate, care se găsesc de obicei în medii de cercetare și de testare aerospațială, mai degrabă decât în ​​laboratoarele de control al calității de rutină.

Sisteme de prindere și fixare: Versatilitate vs. Simplitate

Versatilitatea unui UTM vine în mare parte din ecosistemul său de fixare. Capetele încrucișate ale mașinii au puncte de atașare filetate sau tip șneală care acceptă mânere și dispozitive de fixare interschimbabile:

• Mânere de tracțiune cu acțiune în pană — fălci cu autostrângere care prind specimene plate sau rotunde; disponibil în falcă netedă (pentru materiale moi) sau falcă zimțată (pentru materiale dure); cel mai comun accesoriu UTM
• Platine de compresie — plăci plate din oțel călit pentru comprimarea blocurilor, cilindrilor și eșantioanelor; acestea transformă UTM-ul într-un tester de compresie pentru aplicații non-beton
• Dispozitive de îndoire în trei și patru puncte — suporturi pe bază de role și nasuri de încărcare pentru încercări la încovoiere; distanțele de deschidere sunt ajustabile pentru a se potrivi cu dimensiunile specimenului specificate în standardele de testare
• Peel fix fix — braț rotativ sau dispozitive de peel în T pentru testele de exfoliere a adezivului și a filmului la unghiuri definite (90°, 180°, T-peel)
• Extenzometre — dispozitive cu fixare sau fără contact care măsoară alungirea specimenului independent de deplasarea capului transversal, oferind măsurarea precisă a deformarii pentru modulul Young și determinarea limitei de curgere

O mașină de testare a compresiei, prin contrast, are de obicei o singură configurație de fixare: plăci superioare și inferioare. CTM-urile din beton conform EN 12390-4 specifică a placa superioară aşezată sferic că se autonivelează pentru a se adapta la non-paralelismul minor al specimenului - o caracteristică critică de precizie pentru testarea cuburilor de beton. Unele CTM-uri acceptă dispozitive opționale de testare a fasciculului, dar gama de dispozitive este o fracțiune din ceea ce acceptă un UTM.

Măsurare și control: celule de sarcină, extenzometre și software

Precizia și raza de acțiune a celulei de sarcină

UTM-urile folosesc de obicei celule de sarcină interschimbabile - un laborator poate avea o celulă de 1 kN pentru testarea filmului și adezivului și o celulă de 100 kN pentru testarea metalelor, fiecare cu propria sa calibrare. Precizia celulei de sarcină este critică: ASTM E4 și ISO 7500-1 specifică faptul că precizia forței mașinii de testare trebuie să fie în limita ±1% din forța indicată în intervalul de la 2% până la 100% din capacitatea celulei de sarcină. Cele mai multe celule de sarcină UTM moderne realizează ±0,5% sau mai bine precizie în intervalul lor nominal.

Mașini de testare la compresiune pentru beton folosesc celule de sarcină sau traductoare de presiune calibrate conform EN 12390-4, care necesită precizie în ±2% din forța aplicată în intervalul de la 20% la 100% din capacitatea maximă. Toleranța mai largă reflectă variabilitatea inerentă în geometria eșantionului de beton și pregătirea suprafeței, unde precizia de măsurare peste 2% nu este practic semnificativă.

Capacități software

Software-ul UTM este neapărat mai complex decât software-ul CTM, deoarece trebuie să se ocupe de mai multe tipuri de teste, calculul deformarii din datele extenzometrelor și derivarea proprietăților materialului (modulul Young, limita de curgere, rezistența la tracțiune finală, alungirea la rupere, tenacitatea la rupere). Platformele software UTM de vârf de la Instron (Bluehill), Zwick/Roell (testXpert) și MTS (TestSuite) oferă metode de testare programabile, calcul automat al proprietăților materialelor, raportare statistică pentru loturile de probe și integrare cu LIMS (sisteme de management al informațiilor de laborator).

Software-ul CTM pentru beton este mai simplu prin proiectare: operatorul introduce dimensiunile secțiunii transversale a specimenului, mașina aplică sarcina la rata specificată (de obicei 0,5 ± 0,25 MPa/s conform EN 12390-3 ), înregistrează forța de vârf la rupere și calculează rezistența la compresiune ca forță împărțită la aria secțiunii transversale. Rezultatul este un singur număr în MPa sau psi - fără analiză de tensiune-deformare, fără calcul al modulului.

Comparație cuprinzătoare alăturată

Aplicații din industrie: cine folosește ce mașină

Industrii care utilizează în principal UTM-uri

• Metale și producție — testarea la tracțiune a oțelului, aluminiului, cuprului și sudurilor conform ISO 6892 și ASTM E8 este cea mai comună aplicație UTM la nivel global; limita de curgere, rezistența la tracțiune și alungirea sunt parametrii de calitate obligatorii pentru materialele structurale
• Materiale plastice și polimeri — încercări de tracțiune, încovoiere și compresie pe piese turnate, filme și fibre conform ISO 527, ISO 178 și ASTM D638; industria farmaceutică folosește UTM-uri pentru duritatea tabletelor și rezistența etanșării capsulelor
• Textile și geotextile — rezistența la tracțiune și alungirea țesăturilor, firelor și căptușelilor geomembrane; rezistența la coajă și cusătură a textilelor lipite
• Aerospațial și auto — testarea componentelor structurale, la tracțiune și compresiune laminat compozit, testarea îmbinărilor adezive, extragerea elementelor de fixare; adesea necesită dispozitive specializate și camere de mediu (temperatura ridicată, criogenic)
• Ambalare — compresia cartonului și cartonului ondulat, întinderea și ruperea peliculei, rezistența la decojirea etanșării, strivirea sticlei; UTM-urile din laboratoarele de ambalare rulează adesea 50-100 de teste pe zi pe mai multe tipuri de teste

Industrii care utilizează în principal mașini de testare a compresiei

• Laboratoare de testare materiale de constructii — încercarea de comprimare a cuburilor și cilindrilor de beton este cel mai comun test de control al calității în industria construcțiilor; un laborator tipic de amplasament poate testa 50-200 de cuburi de beton pe zi , ceea ce face ca debitul și simplitatea CTM să fie critice
• Fabricarea cimentului — rezistența la compresiune a cuburilor de mortar de ciment conform EN 196-1 și ASTM C109 este parametrul principal de calitate pentru producția de ciment; CTM-urile dedicate de testare a mortarului rulează continuu în laboratoarele de calitate ale fabricilor de ciment
• Zidarie si ceramica — rezistența la compresiune a cărămizilor, blocurilor, plăcilor și ceramicii refractare conform EN 772-1, ASTM C67; aceste teste necesită capacitatea de forță mare și cadrele rigide ale CTM-urilor dedicate
• Mecanica rocilor și inginerie geotehnică — testarea rezistenței la compresiune uniaxială (UCS) a probelor de miez de rocă conform ISRM și ASTM D7012; specimenele de rocă la presiuni mari de limitare necesită CTM-uri cu forțe de până la 5.000 kN

Când un UTM poate înlocui un tester de compresie (și când nu poate)

Un UTM cu plăci de compresie poate efectua multe dintre aceleași teste ca un tester de compresie dedicat pentru metale, materiale plastice, spume și ambalaje. Întrebarea este dacă este potrivit pentru testarea betonului și a zidăriei, care este locul în care pivotează majoritatea deciziilor de cumpărare.

Un UTM este adecvat pentru testarea compresiei betonului numai dacă:

• Capacitatea sa de forță acoperă sarcina maximă așteptată - un cub de beton standard de 150 mm cu Rezistența de proiectare de 30 MPa necesită aproximativ 675 kN forță de vârf ; un cub de 200 mm necesită 1.200 kN; majoritatea UTM-urilor sub 1.000 kN sunt inadecvate pentru testarea de rutină a cuburilor de beton
• Rigiditatea cadrului său îndeplinește cerințele standardului aplicabil (EN 12390-4 sau ASTM C39); acest lucru trebuie verificat cu producătorul, nu presupus
• Platoul superior are un mecanism de așezare sferic conform cerințelor standard
• Autoritatea de calibrare acoperă modul de compresie în mod specific — un UTM calibrat conform ISO 7500-1 pentru încercarea de tracțiune nu este automat conform pentru încercarea de compresie a betonului conform EN 12390-4

Pentru aplicații de cercetare cu volum redus - testarea ocazională a probelor de beton într-un laborator universitar cu o varietate de alte nevoi de testare - un UTM de mare capacitate cu dispozitive de compresie adecvate este o alegere practică care evită achiziționarea a două mașini. Pentru un laborator comercial de testare a betonului care rulează zilnic volume mari, a CTM dedicat este mai rentabil, mai rapid de operat și calibrat pentru scop exact pentru acea lucrare.

Calibrare, standarde și cerințe de acreditare

Atât UTM-urile, cât și CTM-urile trebuie calibrate periodic de către un organism de calibrare acreditat pentru a verifica acuratețea forței. Standardele aplicabile diferă:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 — standardele internaționale și americane pentru calibrarea sistemului de măsurare a forței a mașinilor de testare; definește clase de precizie (Clasa 0,5 = ±0,5%, Clasa 1 = ±1%, Clasa 2 = ±2%); se aplică UTM-urilor și oricărui instrument de măsurare a forței
• EN 12390-4 — se adresează în mod specific mașinilor de testare a compresiei utilizate pentru beton; necesită verificarea planeității și durității plăcii, a funcției de așezare sferică și a preciziei ratei de aplicare a sarcinii, în plus față de precizia forței; laboratoarele care testează betonul conform EN 12390-3 trebuie să-și calibreze CTM-ul în mod specific la acest standard
• Frecvența de calibrare — laboratoarele acreditate ISO/IEC 17025 calibrează de obicei anual; mediile de testare cu utilizare mare sau cu consecințe mari (nucleare, aerospațiale) pot necesita calibrare semestrială; calibrarea trebuie întotdeauna să urmeze orice reparație semnificativă a mașinii, relocare sau eveniment suspectat de suprasarcină

Pentru acreditarea de laborator ISO/IEC 17025, domeniul de aplicare a acreditării specifică ce teste și intervale de forță sunt acoperite. Un laborator acreditat pentru testarea la tracțiune a metalelor cu un UTM nu este acreditat automat pentru testarea compresiei betonului cu aceeași mașină - metodele de testare, standardele și cerințele de calibrare sunt evaluate independent.

Ghid de decizie: ce mașină să cumpărați

Utilizați următoarele criterii pentru a determina ce instrument este potrivit pentru cerințele dvs. de testare:

1. Aveți nevoie de încercări de tracțiune? Dacă da - pentru metale, materiale plastice, textile, filme sau adezivi - un UTM este obligatoriu. Mașinile numai de compresie nu pot efectua încercări de tracțiune sub nicio configurație.
2. Lucrarea dvs. principală este beton, zidărie sau comprimare de rocă? Dacă da, iar forța dumneavoastră necesară depășește 600 kN, un CTM dedicat va oferi o capacitate de forță mai mare la un cost mai mic și este proiectat și calibrat special pentru aceste materiale.
3. Care este volumul tau de testare? Testarea betonului cu volum mare (50 de eșantioane pe zi) beneficiază de o funcționare mai simplă a unui CTM dedicat și de un timp de ciclu mai rapid. Cercetarea sau testarea de volum redus justifică costul unui UTM care poate servi mai multe tipuri de teste.
4. Care este bugetul tău? Pentru o capacitate de forță de compresiune echivalentă, un CTM costă de obicei 30-50% mai puțin decât un UTM. Dacă domeniul dvs. de testare este exclusiv compresiv, cheltuirea mai mult pentru capacitatea UTM care nu va fi utilizată niciodată nu este justificată.
5. Aveți nevoie de date de extenzometru sau de curbe de tensiune-deformare? Dacă este necesară caracterizarea proprietăților materialului (modul, limita de curgere, energia de rupere), este necesar un UTM cu extenzometru. CTM-urile produc doar forță de vârf și rezistență la compresiune - nu date continue de forță-deplasare sau tensiuni-deformare.
6. Se va schimba domeniul de aplicare a testului în timp? Dacă laboratorul dumneavoastră anticipează testarea de noi tipuri de materiale sau intrarea pe noi piețe, versatilitatea unui UTM oferă protecție investițiilor. O achiziție de CTM este un angajament față de testarea compresivă pentru durata de viață a acesteia.