دستگاه تست جهانی چیست؟ راهنمای کامل

ماشین تست جهانی (UTM) یک ابزار تست مکانیکی است که قادر به اعمال نیروهای کنترل شده کششی، فشاری، خمشی، برشی و خمشی به یک نمونه ماده به منظور اندازه‌گیری خواص مکانیکی آن است - معمولاً مقاومت کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول و مدول الاستیک. کلمه "یونیورسال" به توانایی آن در انجام چندین نوع آزمایش مکانیکی بر روی یک قاب با تغییر وسایل تست اشاره دارد، نه به ظرفیت نامحدود. ظرفیت های بار از زیر 1 کیلو نیوتن برای مواد ظریف مانند فیلم ها و الیاف به بیش از 2000 کیلونیوتن برای فولاد سازه ای و بتن اجزاء

تجهیزات تست کشش جهانی تقریباً در تمام بخش‌های تولیدی و تحقیقاتی - فلزات، پلیمرها، کامپوزیت‌ها، منسوجات، لاستیک، چسب‌ها، مواد ساختمانی، دستگاه‌های پزشکی و بسته‌بندی - هر جا که داده‌های کمی در مورد نحوه رفتار یک ماده تحت بار مکانیکی برای طراحی، کنترل کیفیت یا انطباق با مقررات مورد نیاز باشد، استفاده می‌شود.

چگونه یک دستگاه تست جهانی کار می کند

اصل عملکرد اساسی یک UTM ساده است: یک نمونه بین دو فیکسچر - یکی ثابت و دیگری متحرک - گرفته می شود و یک نیروی کنترل شده اعمال می شود در حالی که ماشین به طور همزمان نیروی اعمال شده و جابجایی یا تغییر شکل نمونه را اندازه می گیرد. رابطه بین این دو اندازه گیری یک منحنی تنش-کرنش ایجاد می کند که از آن تمام خواص مکانیکی کلیدی مشتق می شود.

قاب و سیستم درایو را بارگذاری کنید

قاب بار استحکام ساختاری را برای مقاومت در برابر نیروهای آزمایشی بدون انحراف فراهم می کند. یک قاب معمولی شامل دو یا چهار ستون عمودی، یک ضربدر ثابت در یک انتها و یک ضربدر متحرک است که توسط محرک آزمایشی هدایت می شود. سیستم درایو کراس هد را با سرعت کنترل شده به حرکت در می آورد یا نیرو را با نرخ کنترل شده اعمال می کند. دو فناوری درایو غالب است:

• الکترومکانیکی (پیچ‌گردان) - یک سروو موتور یک پیچ توپ یا پیچ سرب را برای حرکت دادن سر متقاطع حرکت می دهد. کنترل سرعت بسیار دقیق، عملکرد بی صدا، کارآمد انرژی؛ مناسب برای اکثر تست های کششی، فشاری و خمشی از 0.1 نیوتن تا 600 کیلونیوتن
• سرو هیدرولیک - فشار هیدرولیک پیستون و میله متصل به کراس هد را حرکت می دهد. قادر به نیروهای بسیار زیاد ( 200 کیلو نیوتن تا 5000 کیلو نیوتن و بیشتر تست دینامیکی با سرعت بالا و دوچرخه سواری خستگی؛ نیاز به تعمیر و نگهداری نیروگاه هیدرولیک دارد و نسبت به سیستم های الکترومکانیکی نویز و گرمای بیشتری تولید می کند

اندازه گیری نیرو: لودسل

نیرو توسط یک لودسل اندازه گیری می شود - یک مبدل دقیق که نیروی مکانیکی را با استفاده از کرنش سنج های متصل به یک عنصر فلزی به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. لودسل در قطار بار بین کراس هد و دسته بالایی نصب شده است. لودسل های مدرن به دقت ± 0.5٪ از بار نشان داده شده است یا بهتر است در محدوده 1٪ تا 100٪ از مقیاس کامل، مطابق با الزامات ISO 7500-1 کلاس 0.5 یا ASTM E4.

اکثر UTM ها با لودسل های قابل تعویض عرضه می شوند که محدوده های نیرو متفاوتی را پوشش می دهند - برای مثال، یک قاب 50 کیلونیوتن ممکن است با یک لودسل 50 کیلونیوتن برای آزمایش ساختاری یا یک لودسل 500 نیوتن برای تست لایه نازک استفاده شود که دامنه مفید دستگاه را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

اندازه گیری جابجایی و کرنش

جابجایی سر متقاطع توسط رمزگذار داخلی دستگاه اندازه‌گیری می‌شود، اما این شامل انطباق قاب و لغزش گرفتن است - منابع خطا برای اندازه‌گیری دقیق کرنش. برای داده های دقیق کرنش مواد، یک کشش سنج اختصاصی مستقیماً به طول گیج نمونه متصل می شود. انواع عبارتند از:

• تماس با اکستنسومترها - دستگاه های لبه چاقوی گیره دار با فشار سنج یا LVDT؛ دقیق به ± 0.5 میکرومتر جابجایی ; باید قبل از شکستن نمونه برداشته شود تا از آسیب جلوگیری شود
• کشش سنج های ویدئویی - سیستم های نوری غیر تماسی که نقاط علامت گذاری شده روی سطح نمونه را ردیابی می کنند. مناسب برای نمونه ها و مواد شکننده یا با کشیدگی زیاد که در آن تماس باعث اختلال در اندازه گیری می شود. وضوح معمولا 0.001-0.01 میلی متر
• همبستگی تصویر دیجیتال (DIC) - اندازه گیری کرنش کامل میدان پیشرفته در کل سطح نمونه. به جای یک مقدار متوسط ​​کرنش، نقشه های توزیع کرنش را ارائه می دهد. در تحقیقات و تجزیه و تحلیل شکست پیشرفته استفاده می شود

تست کشش: چه چیزی را اندازه گیری می کند و چرا اهمیت دارد

تست کشش رایج ترین آزمایشی است که بر روی یک دستگاه تست جهانی انجام می شود و پایه و اساس اکثر مشخصات مواد در سراسر جهان است. یک نمونه استاندارد شده از استخوان سگ یا مستطیل شکل با سرعت ضربدری کنترل‌شده در کشش کشیده می‌شود تا زمانی که شکسته شود، منحنی نیرو-جابجایی تولید می‌کند که با استفاده از سطح مقطع و طول گیج نمونه به منحنی تنش-کرنش تبدیل می‌شود.

خواص کلیدی زیر از یک آزمایش کششی منفرد به دست می‌آید:

به عنوان مثال عملی: فولاد سازه درجه S355 دارای حداقل UTS مشخص شده است 470-630 مگاپاسکال ، قدرت تسلیم حداقل 355 مگاپاسکال و حداقل ازدیاد طول 22% . قبل از اینکه فولاد برای استفاده در سازه مورد تایید قرار گیرد، یک ماشین تست جهانی این مقادیر را در برابر مشخصات مواد تایید می کند.

سایر آزمایشات انجام شده بر روی دستگاه تست جهانی

همان قاب باری که برای آزمایش کشش استفاده می‌شود، می‌تواند طیف وسیعی از آزمایش‌های مکانیکی دیگر را با تغییر اتصالات و پیکربندی آزمایش انجام دهد. این تطبیق پذیری همان چیزی است که تعیین "جهانی" را توجیه می کند و باعث می شود یک UTM واحد بتواند نیازهای آزمایشی متعدد را در یک آزمایشگاه برآورده کند.

تست فشرده سازی

متقاطع به سمت پایین حرکت می کند و یک نمونه را بین دو صفحه فشرده می کند. برای اندازه گیری مقاومت فشاری بتن (معمولاً 20-100 مگاپاسکال برای گریدهای ساختاری)، سرامیک، بسته بندی فوم، واشر لاستیکی و استخوان. آزمایش تراکم مکعب و سیلندر بتن یکی از پرحجم ترین کاربردهای UTM در صنعت ساخت و ساز است.

تست خم سه نقطه و چهار نقطه (خمشی).

یک نمونه تیر در دو نقطه پشتیبانی می شود و در یک (سه نقطه) یا دو نقطه (چهار نقطه) بین تکیه گاه ها بارگذاری می شود. استحکام خمشی و مدول خمشی را اندازه گیری می کند - به ویژه برای مواد شکننده مانند سرامیک ها، کامپوزیت ها و پلاستیک ها که در آن شکست های کششی آزمایش کشش مستقیم را دشوار می کند، مهم است. استانداردها شامل ISO 178 و ASTM D790 برای پلاستیک و ISO 6872 برای سرامیک های دندانی است.

تست چسبندگی لایه برداری و برشی

اتصالات چسب، لمینت ها، نوارها و پوشش ها با لایه برداری در زوایای مشخص (90 درجه، 180 درجه، لایه برداری T) یا برش در صفحه پیوند آزمایش می شوند. نتایج بر حسب عرض N/mm برای آزمایش های لایه برداری یا MPa برای آزمایش های برش لبه بیان می شود. برای بسته بندی، چسباندن چسب خودرو، و صلاحیت چسب تجهیزات پزشکی بسیار مهم است.

تست مقاومت به پارگی

فیلم‌ها، منسوجات و ورق‌های لاستیکی نازک از نظر مقاومت در برابر انتشار پارگی با استفاده از تنظیمات تست پارگی شلوار، زبان یا زاویه بر اساس ISO 34 یا ASTM D1004 آزمایش می‌شوند. اوج نیرو و میانگین نیروی پارگی گزارش شده است.

بار اثبات و تست مؤلفه

قطعات تکمیل شده - بست ها، فنرها، زنجیرها، طناب ها، تسمه های ایمنی، ایمپلنت های پزشکی - با اعمال یک بار ثابت مشخص و تأیید عدم تغییر شکل دائمی، یا با آزمایش تا تخریب برای تأیید حداقل بار شکست آزمایش می شوند. الف UTM 500 کیلونیوتن معمولاً برای اثبات تست تجهیزات بالابر و زنجیر طبق EN 818 و استانداردهای مشابه استفاده می شود.

پیکربندی دستگاه تست جهانی و انواع قاب

UTM ها در چندین پیکربندی فیزیکی تولید می شوند که هر کدام برای محدوده های بارگذاری مختلف، محدودیت های فضا و انواع آزمایش مناسب هستند:

مشخصات فنی کلیدی هنگام انتخاب تجهیزات تست کشش جهانی

انتخاب UTM مناسب برای محیط آزمایشگاه یا تولید نیازمند ارزیابی مشخصات فراتر از ظرفیت بار اصلی است. پارامترهای زیر مستقیماً بر دقت اندازه گیری، تطبیق پذیری تست و کاربرد طولانی مدت تأثیر می گذارد:

ظرفیت بار و قدرت تفکیک پذیری

ظرفیت بار نامی ماشین باید به راحتی از حداکثر نیروی مورد انتظار در آزمایش فراتر رود - معمولاً یک قاب را انتخاب کنید 60-80 درصد استفاده به جای 100٪، برای اطمینان از دقت در بارهای کمتر و جلوگیری از حوادث اضافه بار. قدرت تفکیک نیرو (کوچکترین افزایش نیروی قابل اندازه گیری) به همان اندازه اهمیت دارد: یک قاب 100 کیلونیوتن ممکن است تنها 10-1 نیوتن تفکیک پذیری داشته باشد که برای آزمایش لایه های نازکی که در 5-50 نیوتن شکسته می شوند کافی نیست. در چنین مواردی، یک لودسل با ظرفیت کمتر (مثلاً 500 نیوتن) وضوح لازم را برای یک قاب بزرگتر فراهم می کند.

محدوده سرعت کراس هد

استانداردهای آزمایش سرعت های متقاطع را برای مواد مختلف مشخص می کند و آزمایش ها - ISO 6892-1 برای فلزات نرخ کرنش را مشخص می کند. 0.00025-0.0025 s-1 در ناحیه الاستیک، در حالی که ISO 527 برای پلاستیک از سرعت های متقاطع استفاده می کند 1-500 میلی متر در دقیقه . محدوده سرعت ماشین باید تمام استانداردهای قابل اجرا را پوشش دهد. اکثر UTM های الکترومکانیکی سرعت هایی را ارائه می دهند 0.001 میلی متر در دقیقه تا 1000 میلی متر در دقیقه ، که اکثر الزامات آزمون شبه استاتیک را پوشش می دهد.

فضای تست (نور روز)

فاصله عمودی بین دستگیره ها در حداکثر فاصله، حداکثر طول نمونه را که دستگاه می تواند در خود جای دهد، تعیین می کند. برای آزمایش کشش با یک کشش سنج، حداقل 400-600 میلی متر نور روز معمولاً برای نمونه های فلزی استاندارد بر اساس ISO 6892 مورد نیاز است. نمونه های طولانی تر (طناب، کابل، میلگرد) به ماشین های افقی یا قاب های عمودی با 1500-3000 میلی متر نور روز .

کلاس دقت و کالیبراسیون

دقت UTM بر اساس ISO 7500-1 (فلزات) یا ASTM E4 (ایالات متحده آمریکا) طبقه بندی می شود. کلاس 0.5 نشان می دهد که دستگاه نیرو را به داخل اندازه گیری می کند ± 0.5٪ از مقدار نشان داده شده است از 1% تا 100% ظرفیت لودسل. کلاس 1 (1±%) برای اکثر کاربردهای کنترل کیفیت صنعتی کافی است. کالیبراسیون سالانه توسط یک آزمایشگاه معتبر برای حفظ دقت قابل ردیابی برای آزمایش مطابق با استانداردهای بین المللی مورد نیاز است.

نرم افزار کنترل و جمع آوری داده ها

UTM های مدرن از طریق نرم افزار مبتنی بر رایانه شخصی کار می کنند که حرکت ضربدری را کنترل می کند، داده های نیرو و جابجایی را با نرخ نمونه برداری معمولاً از 10 هرتز تا 2500 هرتز ، خواص مواد را به طور خودکار محاسبه می کند و گزارش های آزمایشی را تولید می کند. الزامات کلیدی نرم افزار عبارتند از:

• روش های آزمایش از پیش برنامه ریزی شده برای استانداردهای رایج (ISO، ASTM، EN، DIN، GB)
• محاسبه خودکار تمام خواص مواد مورد نیاز از منحنی داده های خام
• تجزیه و تحلیل آماری چند نمونه (میانگین، انحراف معیار، حداقل/حداکثر)
• صادرات به فرمت های استاندارد (CSV، Excel، PDF) و ادغام با سیستم های LIMS
• انطباق 21 CFR قسمت 11 برای آزمایشگاه های داروسازی و تجهیزات پزشکی که به سوابق الکترونیکی و مسیرهای حسابرسی نیاز دارند

دستگیره ها و وسایل: رابط بین ماشین و نمونه

سیستم دستگیره مسلما حیاتی ترین عامل در به دست آوردن نتایج آزمایش کشش معتبر است. گرفتن نامناسب باعث لغزش نمونه (قدرت گزارش نشده) یا شکست زودرس در رابط گرفتن (بی اعتبار کردن داده های شکستگی) می شود. یک UTM فقط به اندازه اتصال آن برای نمونه خاص در حال آزمایش خوب است.

انواع دستگیره های رایج

• دستگیره های گوه ای (خود سفت شونده) - رایج ترین دستگیره برای نمونه های فلزی، پلاستیکی و کامپوزیت تخت و گرد. نیروی چنگ با افزایش بار کششی افزایش می یابد. مناسب برای بارهای از 1 کیلو نیوتن تا 600 کیلو نیوتن ; در نسخه های پنوماتیک، هیدرولیک و سفت کننده دستی موجود است
• دستگیره های پنوماتیکی - فشار هوا فک ها را با نیروی گیره کنترل شده و ثابت می بندد. برای مواد نرم (لاستیک، فوم، منسوجات) که در آن سفت کردن دستی باعث آسیب می شود، ترجیح داده می شود. دقیق و قابل تکرار بین نمونه ها
• دستگیره های سنجاق و کلویس - برای آزمایش نمونه های دارای سوراخ (مفاصل پیچ و مهره، پیوندهای زنجیره ای، میله های رزوه دار، تارهای مهار ایمنی)؛ بار به جای اصطکاک سطحی از طریق پین اعمال می شود
• دستگیره های کاپستان (بولارد). - برای سیم‌ها، نخ‌ها و الیافی که در اثر بستن آسیب می‌بینند. نمونه به دور یک درام پیچیده می شود و از اصطکاک برای ایجاد نیروی چنگ زدن به تدریج استفاده می شود
• صفحات فشرده سازی - صفحات فولادی مسطح سخت شده برای تست فشرده سازی مکعب ها، سیلندرها و دیسک ها؛ باید به صورت کروی بنشیند تا غیرموازی بودن نمونه جزئی را در خود جای دهد

استانداردهای کلیدی بین المللی برای تست کشش جهانی

آزمایش مواد باید از استانداردهای منتشر شده پیروی کند که هندسه نمونه، سرعت آزمایش، شرایط محیطی و روش‌های محاسبه را تعریف می‌کنند. استفاده از استاندارد صحیح برای مواد و کاربرد الزامی است تا نتایج معنی دار، قابل مقایسه و مطابق با مشخصات مواد یا الزامات قانونی باشد.

UTM در مقابل دستگاه تست کشش اختصاصی: چه زمانی باید هر کدام را انتخاب کرد

اختصاص داده شده دستگاه تست کشش برای یک نوع آزمایش منفرد - معمولاً فقط کشش - با طراحی ساده‌تر، هزینه کمتر و گاهی اوقات توان عملیاتی بالاتر برای محیط‌های تست تک ماده با حجم بالا بهینه شده است. یک دستگاه تست جهانی هزینه بیشتری دارد، اما انعطاف پذیری را برای انجام انواع آزمایش با توجه به نیازهای آزمایشگاهی ارائه می دهد.

• یک تستر کششی اختصاصی انتخاب کنید زمانی که: آزمایشگاه یک نوع ماده واحد را در حجم بالا آزمایش می کند (به عنوان مثال، بازرسی سیم ورودی در کارخانه سیم کشی)، بودجه محدود است، و هیچ نوع آزمایش دیگری پیش بینی نمی شود.
• یک دستگاه تست جهانی را انتخاب کنید هنگامی که: آزمایشگاه چندین نوع مواد را آزمایش می کند یا چندین نوع آزمایش را انجام می دهد (کششی، فشرده سازی، خمشی، لایه برداری). ترکیب مواد ممکن است در طول زمان تغییر کند. یا آزمایش تحقیق و توسعه نیاز به انعطاف پذیری در پیکربندی تست دارد

برای اکثر آزمایشگاه های کنترل کیفیت صنعتی و تحقیق و توسعه، UTM انتخاب صحیحی است. هزینه اضافی بیش از یک تستر کششی اختصاصی معمولاً طی چند ماه از طریق اجتناب از نیاز به خرید تجهیزات جداگانه برای تست فشرده سازی، خمش یا چسبندگی بازیابی می شود.

لوازم جانبی تست محیط و دما

بسیاری از مواد در دماهای غیر از محیط رفتار بسیار متفاوتی دارند - پلیمرها در دماهای پایین شکننده می شوند، فلزات در دماهای بالا خزش می کنند و چسب ها ممکن است در گرما نرم شوند. دستگاه‌های تست جهانی را می‌توان به محفظه‌های محیطی مجهز کرد تا قابلیت آزمایش را تا شرایط دما و رطوبت کنترل‌شده گسترش دهد.

• اتاقک های محیطی (دما) - در اطراف منطقه آزمایش UTM سوار شوید. محدوده معمولی 70- تا 350 درجه سانتی گراد ; امکان تست کشش، تراکم و خمش در دماهای غیر محیطی طبق استانداردهایی مانند ISO 6892-2 (تست کششی فلز با دمای بالا)
• اتاقک های رطوبت - کنترل رطوبت نسبی از 10٪ تا 98٪ RH همزمان با دما؛ برای آزمایش مواد رطوبت سنجی (نایلون، کاغذ، چوب) و محصولات واجد شرایط برای محیط های گرمسیری یا یخچال استفاده می شود.
• وسایل حمام مایع - در طول آزمایش، نمونه را در مایع (آب، روغن، محلول های شیمیایی) غوطه ور کنید. برای صلاحیت مهر و موم، حلقه های O و مواد در خدمات شیمیایی استفاده می شود
• دستگیره های برودتی - امکان آزمایش در نیتروژن مایع ( -196 درجه سانتی گراد ) برای مواد هوافضا، سیم های ابررسانا و کاربردهای ساختاری در دمای پایین