Ce este o mașină universală de testare? Ghid complet

O mașină de testare universală (UTM) este un instrument de testare mecanică capabil să aplice forțe controlate de tracțiune, compresiune, încovoiere, forfecare și îndoire unui eșantion de material pentru a măsura proprietățile sale mecanice - cel mai frecvent rezistența la tracțiune, limita de curgere, alungirea și modulul de elasticitate. Cuvântul „universal” se referă la capacitatea sa de a efectua mai multe tipuri de teste mecanice pe un singur cadru prin schimbarea dispozitivelor de testare, nu la capacitate nelimitată. Capacitățile de încărcare variază de la sub 1 kN pentru materiale delicate precum pelicule și fibre pentru peste 2.000 kN pentru oțel de structură și beton componente.

Echipament universal de încercare la tracțiune este utilizat în aproape fiecare sector de producție și cercetare - metale, polimeri, compozite, textile, cauciuc, adezivi, materiale de construcție, dispozitive medicale și ambalaje - oriunde sunt necesare date cantitative despre modul în care un material se comportă sub sarcină mecanică pentru proiectare, controlul calității sau conformitatea cu reglementările.

Cum funcționează o mașină universală de testare

Principiul fundamental de funcționare al unui UTM este simplu: un eșantion este prins între două dispozitive de fixare - unul fix și unul în mișcare - și se aplică o forță controlată în timp ce mașina măsoară simultan forța aplicată și deplasarea sau deformarea specimenului. Relația dintre aceste două măsurători produce o curbă tensiune-deformare din care sunt derivate toate proprietățile mecanice cheie.

Cadrul de încărcare și sistemul de antrenare

Cadrul de sarcină asigură rigiditatea structurală pentru a rezista forțelor de încercare fără deformare. Un cadru tipic constă din două sau patru coloane verticale, o traversă fixă ​​la un capăt și o traversă mobilă condusă de dispozitivul de acţionare de testare. Sistemul de antrenare deplasează crucea cu o viteză controlată sau aplică forță la o rată controlată. Două tehnologii de acționare domină:

• Electromecanic (acționat cu șuruburi) — un servomotor antrenează un șurub cu bile sau un șurub pentru a deplasa crucea; control foarte precis al vitezei, funcționare silențioasă, eficientă energetic; potrivit pentru majoritatea încercărilor de tracțiune, compresie și încovoiere de la 0,1 N până la 600 kN
• Servo-hidraulic — presiunea hidraulică deplasează un piston și o tijă atașate la traversă; capabil de forțe foarte mari ( 200 kN până la 5.000 kN și mai mult ), testarea dinamică de mare viteză și ciclul de oboseală; necesită întreținere a unității hidraulice și generează mai mult zgomot și căldură decât sistemele electromecanice

Măsurarea forței: Celulă de sarcină

Forța este măsurată de o celulă de sarcină - un traductor de precizie care transformă forța mecanică într-un semnal electric folosind jauze de deformare legate de un element metalic. Celula de sarcină este montată în trenul de sarcină între capul transversal și mânerul superior. Celulele de sarcină moderne ating precizie de ±0,5% din sarcina indicată sau mai bine într-un interval de la 1% la 100% din scara completă, îndeplinind cerințele ISO 7500-1 Clasa 0.5 sau ASTM E4.

Majoritatea UTM-urilor sunt furnizate cu celule de sarcină interschimbabile care acoperă diferite intervale de forță - de exemplu, un cadru de 50 kN poate fi utilizat cu o celulă de sarcină de 50 kN pentru testarea structurală sau o celulă de sarcină de 500 N pentru testarea filmului subțire, extinzând în mod semnificativ domeniul util al mașinii.

Măsurarea deplasării și a deformarii

Deplasarea capului transversal este măsurată de codificatorul încorporat al mașinii, dar aceasta include conformitatea cadrului și alunecarea prindere - surse de eroare pentru măsurarea precisă a deformarii. Pentru date precise de deformare a materialului, un extenzometru dedicat este atașat direct la lungimea ecartamentului probei. Tipurile includ:

• Extenzometre de contact — dispozitive de fixare cu tăișuri de cuțit cu un extensometru sau LVDT; exacte la deplasare de ±0,5 µm ; trebuie îndepărtat înainte de fractura specimenului pentru a preveni deteriorarea
• Extenzometre video — sisteme optice fără contact care urmăresc punctele marcate de pe suprafața specimenului; potrivit pentru specimene fragile sau cu alungire mare și materiale în care contactul ar perturba măsurătorile; rezoluție de obicei 0,001–0,01 mm
• Corelația imaginilor digitale (DIC) — măsurare avansată a deformarii în câmp complet pe întreaga suprafață a probei; furnizează hărți de distribuție a deformațiilor mai degrabă decât o singură valoare medie a deformarii; utilizate în cercetare și analiza avansată a defecțiunilor

Testul de tracțiune: ce măsoară și de ce contează

Testul de tracțiune este cel mai comun test efectuat pe o mașină de testare universală și baza majorității specificațiilor materialelor din întreaga lume. Un os de câine standardizat sau un eșantion dreptunghiular este tras în tensiune la o viteză controlată a traversei până când se fracturează, producând o curbă forță-deplasare care este convertită într-o curbă efort-deformație utilizând aria secțiunii transversale a specimenului și lungimea ecartamentului.

Următoarele proprietăți cheie sunt derivate dintr-un singur test de tracțiune:

Ca exemplu practic: oțel structural de calitate S355 are un UTS minim specificat de 470–630 MPa , o putere de curgere de 355 MPa minim , și o alungire minimă de 22% . O mașină de testare universală verifică aceste valori în raport cu specificațiile materialului înainte ca oțelul să fie aprobat pentru utilizare într-o structură.

Alte teste efectuate pe o mașină universală de testare

Același cadru de sarcină utilizat pentru încercările de tracțiune poate efectua o gamă largă de alte teste mecanice prin schimbarea dispozitivelor de fixare și a configurației de testare. Această versatilitate este ceea ce justifică denumirea „universală” și face ca un singur UTM să poată satisface nevoi multiple de testare într-un laborator.

Testarea compresiei

Crucea se deplasează în jos, comprimând un specimen între două plăci. Folosit pentru a măsura rezistența la compresiune a betonului (de obicei 20–100 MPa pentru clase structurale), ceramică, ambalaje din spumă, garnituri de cauciuc și os. Testarea compresiei cuburilor și cilindrilor de beton este una dintre aplicațiile cu cel mai mare volum ale UTM-urilor în industria construcțiilor.

Testare îndoire în trei și patru puncte (flexiune).

O eșantion de grindă este susținută în două puncte și încărcată în unul (în trei puncte) sau în două puncte (în patru puncte) între suporturi. Măsoară rezistența la încovoiere și modulul de încovoiere - deosebit de important pentru materialele fragile, cum ar fi ceramica, compozitele și materialele plastice, unde defecțiunile prin tracțiune fac dificilă testarea directă la tracțiune. Standardele includ ISO 178 și ASTM D790 pentru materiale plastice și ISO 6872 pentru ceramica dentară.

Testare de aderență la decojire și forfecare

Îmbinările adezive, laminatele, benzile și acoperirile sunt testate prin decojire la unghiuri definite (90°, 180°, T-peel) sau prin forfecare în planul lipirii. Rezultatele sunt exprimate în N/mm lățime pentru testele de exfoliere sau MPa pentru testele de forfecare prin suprapunere. Esențial pentru ambalare, lipirea adezivilor auto și calificarea adezivilor pentru dispozitive medicale.

Testarea rezistenței la rupere

Filmele, textilele și foile subțiri de cauciuc sunt testate pentru rezistența la propagarea ruperii utilizând configurații de testare a pantalonilor, limbii sau ruperii în unghi conform ISO 34 sau ASTM D1004. Sunt raportate forța de vârf și forța medie de rupere.

Încărcare de probă și testare a componentelor

Componentele finite — elemente de fixare, arcuri, lanțuri, frânghii, hamuri de siguranță, implanturi medicale — sunt testate prin aplicarea unei sarcini de rezistență specificate și verificând că nu există deformații permanente sau prin testare până la distrugere pentru a verifica sarcina minimă de rupere. A 500 kN UTM este folosit în mod obișnuit pentru a testa echipamentele de ridicare și lanțurile conform EN 818 și standarde similare.

Configurații universale de mașini de testare și tipuri de cadre

UTM-urile sunt fabricate în mai multe configurații fizice, fiecare potrivită pentru diferite domenii de încărcare, constrângeri de spațiu și tipuri de testare:

Specificații tehnice cheie la selectarea echipamentului universal de încercare la tracțiune

Selectarea UTM corectă pentru un mediu de laborator sau de producție necesită evaluarea specificațiilor dincolo de capacitatea de încărcare generală. Următorii parametri afectează direct precizia măsurării, versatilitatea testului și utilitatea pe termen lung:

Capacitatea de încărcare și rezoluția forței

Capacitatea de încărcare nominală a mașinii trebuie să depășească confortabil forța maximă așteptată la testare - de obicei, selectați un cadru la 60-80% utilizare mai degrabă decât 100%, pentru a asigura precizia la sarcini mai mici și pentru a evita evenimentele de suprasarcină. Rezoluția forței (cel mai mic increment de forță măsurabil) contează în egală măsură: un cadru de 100 kN poate avea o rezoluție de numai 1–10 N, ceea ce este inadecvat pentru testarea filmelor subțiri care se sparg la 5–50 N. În astfel de cazuri, o celulă de sarcină de capacitate mai mică (de exemplu, 500 N) montată pe un cadru mai mare oferă rezoluția necesară.

Interval de viteză a traversei

Standardele de testare specifică vitezele traversei pentru diferite materiale și teste — ISO 6892-1 pentru metale specifică ratele de deformare ale 0,00025–0,0025 s⁻¹ în regiunea elastică, în timp ce ISO 527 pentru materiale plastice utilizează viteze de cruce de 1–500 mm/min . Gama de viteză a mașinii trebuie să acopere toate standardele aplicabile. Majoritatea UTM-urilor electromecanice oferă viteze de la 0,001 mm/min până la 1.000 mm/min , care acoperă majoritatea cerințelor de testare cvasistatică.

Spațiu de testare (lumina zilei)

Distanța verticală dintre mânere la separare maximă determină lungimea maximă a probei pe care o poate găzdui mașina. Pentru încercarea de tracțiune cu un extenzometru, minim 400–600 mm lumina zilei este de obicei necesar pentru specimenele metalice standard conform ISO 6892. Epruvetele mai lungi (frânghie, cabluri, bare de armare) necesită mașini orizontale sau cadre verticale cu 1.500–3.000 mm lumina zilei .

Clasa de precizie și calibrare

Precizia UTM este clasificată conform ISO 7500-1 (metale) sau ASTM E4 (SUA). Clasa 0.5 indică că mașina măsoară forța în interior ±0,5% din valoarea indicată de la 1% la 100% din capacitatea celulei de sarcină. Clasa 1 (±1%) este adecvată pentru majoritatea aplicațiilor industriale de control al calității. Calibrarea anuală de către un laborator acreditat este necesară pentru a menține acuratețea trasabilă pentru testare la standardele internaționale.

Software de control și achiziție de date

UTM-urile moderne sunt operate prin software bazat pe PC care controlează mișcarea traversei, dobândește date de forță și deplasare la rate de eșantionare de obicei de la 10 Hz până la 2.500 Hz , calculează automat proprietățile materialului și generează rapoarte de testare. Cerințele cheie ale software-ului includ:

• Metode de testare preprogramate pentru standarde comune (ISO, ASTM, EN, DIN, GB)
• Calcul automat al tuturor proprietăților materialelor necesare din curba datelor brute
• Analiza statistică a mai multor specimene (medie, abatere standard, min/max)
• Export în formate standard (CSV, Excel, PDF) și integrare cu sisteme LIMS
• Conformitatea 21 CFR Partea 11 pentru laboratoarele farmaceutice și de dispozitive medicale care necesită înregistrări electronice și piste de audit

Mânere și dispozitive de fixare: interfața dintre mașină și specimen

Sistemul de prindere este, fără îndoială, cel mai critic factor în obținerea rezultatelor valide ale testelor de tracțiune. Prinderea necorespunzătoare cauzează alunecarea specimenului (subraportarea rezistenței) sau defectarea prematură la interfața de prindere (invalidarea datelor de fractură). Un UTM este la fel de bun ca dispozitivul său de fixare pentru specimenul specific testat.

Tipuri comune de prindere

• Mânere cu pană (cu autostrângere) — cea mai obișnuită prindere pentru eșantioane plate și rotunde din metal, plastic și compozite; forța de prindere crește pe măsură ce sarcina de tracțiune crește; potrivit pentru încărcături de la 1 kN până la 600 kN ; disponibil în versiuni pneumatice, hidraulice și cu strângere manuală
• Mânere pneumatice — presiunea aerului închide fălcile la o forță de strângere controlată și consistentă; preferat pentru materiale moi (cauciuc, spumă, textile) unde strângerea manuală ar provoca daune; precise şi repetabile între specimene
• Mânere cu știfturi și șuruburi — pentru testarea eșantioanelor cu orificii (articulații cu șuruburi, zale, tije filetate, curele de siguranță); sarcina este aplicată printr-un știft mai degrabă decât prin frecarea suprafeței
• Mânere de caban (bolard). — pentru fire, fire și fibre care ar fi deteriorate prin prindere; specimenul este înfășurat în jurul unui tambur, folosind frecare pentru a dezvolta treptat forța de prindere
• Platine de compresie — plăci plate din oțel călit pentru testarea compresiunii cuburilor, cilindrilor și discurilor; trebuie să fie așezat sferic pentru a se potrivi neparalelismului minor al specimenului

Standarde internaționale cheie pentru încercarea universală de tracțiune

Testarea materialelor trebuie să respecte standardele publicate care definesc geometria probei, viteza de testare, condițiile de mediu și metodele de calcul. Utilizarea standardului corect pentru material și aplicație este obligatorie pentru ca rezultatele să fie semnificative, comparabile și conforme cu specificațiile materialelor sau cu cerințele de reglementare.

UTM vs mașină de testare la tracțiune dedicată: când să le alegeți pe fiecare

Un dedicat mașină de încercare la tracțiune este optimizat pentru un singur tip de testare - de obicei numai la tensiune - cu un design mai simplu, costuri mai mici și, uneori, un randament mai mare pentru medii de testare cu un singur material de volum mare. O mașină de testare universală costă mai mult, dar oferă flexibilitatea de a efectua mai multe tipuri de teste pe măsură ce nevoile laboratorului evoluează.

• Alegeți un tester de tracțiune dedicat când: laboratorul testează un singur tip de material la volum mare (de exemplu, inspecția firului de intrare la o fabrică de trefilare), bugetul este constrâns și nu sunt anticipate alte tipuri de testare
• Alegeți o mașină de testare universală când: laboratorul testează mai multe tipuri de materiale sau efectuează mai multe tipuri de încercări (întindere, compresie, încovoiere, peel); amestecul de materiale se poate modifica în timp; sau testarea de cercetare și dezvoltare necesită flexibilitate în configurarea testului

Pentru majoritatea laboratoarelor industriale de control al calității și cercetare și dezvoltare, UTM este alegerea corectă. Costul suplimentar față de un tester de tracțiune dedicat este de obicei recuperat în câteva luni, prin evitarea necesității de a achiziționa echipamente separate pentru testarea compresiei, îndoirii sau aderenței.

Accesorii pentru testarea mediului și a temperaturii

Multe materiale se comportă foarte diferit la alte temperaturi decât cele ambiante - polimerii devin fragili la temperaturi scăzute, metalele se strecoară la temperaturi ridicate, iar adezivii se pot înmuia la căldură. Mașinile universale de testare pot fi echipate cu camere de mediu pentru a extinde capacitatea de testare la condiții de temperatură și umiditate controlate.

• Camere de mediu (temperatura) — se montează în jurul zonei de testare a UTM; interval tipic -70°C până la 350°C ; permite testarea la tracțiune, compresie și încovoiere la temperaturi non-ambientale conform standardelor, cum ar fi ISO 6892-2 (testare la tracțiune a metalelor la temperatură ridicată)
• Camere de umiditate — controlați umiditatea relativă de la 10% până la 98% RH simultan cu temperatura; utilizat pentru testarea materialelor higroscopice (nailon, hârtie, lemn) și a produselor de calificare pentru medii tropicale sau refrigerate
• Corpuri de baie cu lichid — scufundați proba în lichid (apă, ulei, soluții chimice) în timpul testării; utilizate pentru calificarea etanșărilor, inelelor O și materialelor în serviciul chimic
• Mânere criogenice — permite testarea în azot lichid ( -196°C ) pentru materiale aerospațiale, fire supraconductoare și aplicații structurale la temperatură joasă