Руководство по универсальной испытательной машине: испытания на растяжение для резиновых, пластиковых и текстильных лабораторий

Универсальная испытательная машина — это прибор, к которому в первую очередь обращаются в большинстве материальных лабораторий, поскольку одна рама позволяет измерять поведение образца при растяжении, сжатии, изгибе, срезе, отслаивании или разрыве после установки соответствующих захватов. Для покупателей, сравнивающих модели, практические вопросы редко касаются только самой рамы. Они связаны с грузоподъемностью, выбором захватов, скоростью испытаний и тем, может ли машина воспроизвести стандарт, на который фактически ссылается заказчик, спецификация продукта или регулятор.

В этом руководстве объясняется, как работает машина для испытаний на растяжение, как грузоподъемность и приспособления влияют на значение результата, какие стандарты применяются к образцам из пластика, резины и текстиля, и как читать данные, полученные в ходе испытания.

Что измеряет универсальная испытательная машина

Универсальная испытательная машина прилагает контролируемую силу или смещение к зажатому образцу и записывает зависимость нагрузки от деформации в течение всего испытания. Слово «универсальная» относится к диапазону режимов испытаний, доступных на одной раме, а не к утверждению, что любой материал можно обрабатывать одинаковым образом.

Механические испытания такого типа охватывают поведение при растяжении, сжатии, изгибе, срезе, отслаивании и разрыве. Универсальная испытательная машина серии AT442, например, предназначена для пластиков, резины, текстильных материалов, геосинтетики, неметаллических и композиционных материалов, и заявлена как соответствующая стандартам испытаний GB, ISO, ASTM, JIS и DIN.

Сырой результат — это кривая «сила-смещение»; программное обеспечение преобразует ее в инженерные значения, такие как прочность на растяжение, удлинение при разрыве и, при использовании экстензометра, модуль и поведение при текучести. Именно эти значения фактически сравниваются в спецификациях, документах входного контроля или при аудитах заказчиков, поэтому настройка испытания имеет не меньшее значение, чем сама рама.

Настройка машины для испытаний на растяжение: рама, датчик нагрузки и привод

Каждая машина для испытаний на растяжение состоит из трех подсистем, и каждая из них может незаметно изменить показатель, который вы сообщаете.

• Рама нагрузки и направление подвижной траверсы. Жесткая рама с направляемым перемещением траверсы обеспечивает осевую нагрузку и предотвращает боковое нагружение образца, которое в противном случае вызывает изгибные напряжения и преждевременное разрушение.
• Датчик нагрузки. Сила измеряется преобразователем, точность которого обычно указывается в процентах от показания, а не от полной грузоподъемности. На AT442 взаимозаменяемые датчики нагрузки имеют погрешность 0,5% от показания, с автоматическим распознаванием диапазона измерений.
• Привод и управление. Серво привод в сочетании с замкнутой системой управления напряжением, деформацией и смещением поддерживает заданную скорость на протяжении упругой области и зоны текучести, где материал размягчается и требуемая сила снижается.

Затем программное обеспечение регистрирует кривую, применяет метод расчета согласно выбранному стандарту и сохраняет результаты для сравнения. Машина, которая формально соответствует стандарту, но не способна поддерживать скорость траверсы под нагрузкой, все равно будет выдавать разбросанные данные.

Грузоподъемность: как выбрать между 10 кН и 100 кН для ваших образцов

Грузоподъемность выбирается, исходя из наибольшей силы, которую ожидает увидеть лаборатория, с запасом выше этого значения. Общее правило планирования — выбирать грузоподъемность в 2–3 раза больше ожидаемой пиковой разрушающей силы, чтобы стандартные испытания находились в середине диапазона измерений, а не на его пределе, и чтобы случайный более прочный образец не перегрузил датчик.

На практике четыре номинала, предлагаемые в этом классе приборов, соответствуют узнаваемым рабочим нагрузкам:

• 10 кН подходит для пленок, тонких текстильных полос, небольших резиновых образцов в виде восьмерки и испытаний на отслаивание ламинатов и клеев.
• 20 кН охватывает большинство пластиковых и резиновых образцов в виде восьмерки, включая армированные марки.
• 50 кН подходит для широких полос геосинтетики, толстых композиционных ламинатов и тяжелых технических тканей.
• 100 кН предназначен для высокопрочных композитов, толстых сечений и компонентов, испытываемых в сборе.

Слишком низкая грузоподъемность вынуждает каждое испытание проводить на верхней границе диапазона; слишком высокая — смещает испытания с низкой силой в область, где страдают разрешающая способность и повторяемость. Перечисление стандартов и материалов, с которыми вам необходимо работать, — более быстрый путь к правильному номиналу, чем выбор наибольшего доступного числа.

Захваты и приспособления определяют, является ли испытание на растяжение достоверным

Выбор захватов — наиболее недооцениваемое решение в испытаниях на растяжение, и именно он часто становится причиной результатов, которые невозможно воспроизвести.

• Клиновые захваты удерживают жесткие пластики и композиты. Зубчатые поверхности на мягком материале могут вызвать разрушение у края губок.
• Пневматические захваты прилагают равномерное давление к резине и эластомерам, уменьшая проскальзывание и смятие; AT442 поставляется с захватами, выбранными в соответствии с материалом заказчика и испытанием.
• Роликовые или барабанные захваты оборачивают нити, шнуры и пряди так, чтобы образец разрушался в измерительной базе, а не в месте зажима.
• Полосные и захватные приспособления с прокладочными поверхностями используются для тканых и трикотажных полотен, где острые губки перерезают нити, которые должны удерживаться.

Разрушение по линии захвата обычно регистрируется как недействительное и повторяется на новом образце. Запись места разрушения рядом со значением — самый дешевый метод контроля качества, который может применить лаборатория по испытаниям на растяжение.

Стандарты испытаний на растяжение для образцов из резины, пластика и текстиля

Стандарт определяет геометрию образца, измерительную базу и скорость испытания, и две лаборатории, испытывающие один и тот же материал по разным стандартам, не получат сопоставимых значений. В таблице ниже представлены методы, наиболее часто запрашиваемые для неметаллических материалов.

Всегда подтверждайте редакцию и код испытания, указанные в производственной спецификации. ASTM D638 и ISO 527-2 отвечают на один и тот же вопрос при разных геометриях образца, поэтому их значения прочности не взаимозаменяемы.

Чтение кривой «напряжение-деформация»

Сырые данные о силе и удлинении становятся полезными после их нормализации. Напряжение — это приложенная сила, деленная на исходную площадь поперечного сечения; деформация — это удлинение, деленное на измерительную базу. Построение зависимости одной величины от другой исключает размер образца из сравнения и обнаруживает форму реакции материала.

Прочность на растяжение и текучесть

Пик кривой — это максимальное напряжение, которое материал выдерживает перед разрушением. При наличии четкой точки текучести она отмечает начало остаточной деформации; для полимеров без ярко выраженной текучести используется метод смещения 0,2% для ее определения.

Удлинение при разрыве

Удлинение при разрыве выражает пластичность в процентах от исходной измерительной базы. Это значение наиболее чувствительно к проскальзыванию захватов и плохо размеченной измерительной базе, поэтому проскальзывание проявляется как аномально низкое удлинение, а не как очевидно неправильная прочность.

Модуль

Наклон начальной линейной области дает модуль упругости. Перемещение траверсы включает податливость системы и осадку губок, поэтому модуль, рассчитанный только по ходу траверсы, является приближенным; экстензометр, установленный на образце, — надежный способ измерения. На AT442 экстензометр и система измерения внутреннего диаметра доступны в качестве опций.

Шесть источников ошибок при испытании на прочность при растяжении

1. Неправильное выравнивание. Образец, расположенный не по оси нагрузки, изгибается раньше, чем растягивается.
2. Неправильные губки захватов. Проскальзывание, смятие или разрушение у края губок изменяют зарегистрированный пик.
3. Измерение поперечного сечения. Ширина и толщина напрямую входят в расчет напряжения, поэтому небольшая ошибка в толщине превращается в большую ошибку в прочности.
4. Неправильная скорость. Полимеры, чувствительные к скорости, показывают более высокую прочность при более высокой скорости траверсы.
5. Отсутствие кондиционирования. Образцы, испытанные сразу из влажного помещения, не являются теми образцами, которые описаны в стандарте.
6. Недействительные разрушения. Результаты образцов, разрушившихся в захвате, следует отбросить и повторить испытание, а не усреднять их.

Выбор универсальной испытательной машины: краткий контрольный список

• Подтвердите ожидаемую максимальную силу, затем добавьте запас в 2–3 раза.
• Перечислите режимы испытаний, которые вам необходимо проводить, а не только растяжение: плиты для сжатия, приспособления для изгиба и установки для отслаивания требуют монтажного пространства.
• Подберите захваты для каждого класса материалов в области применения, включая нити и ткани, если испытываются текстильные материалы.
• Решите, требуются ли для данных о модуле и текучести экстензометр.
• Проверьте, что библиотека программного обеспечения включает стандарты, на которые ссылаются ваши заказчики, и что хранение результатов соответствует вашим правилам прослеживаемости. Программное обеспечение AT442 имеет встроенную библиотеку методов, охватывающую стандарты ASTM, ISO, DIN и EN, и хранит до 600 результатов испытаний.
• Узнайте, как локально проводится калибровка и обслуживание, поскольку некалиброванный датчик делает недействительной каждую запись, которую он выдает.

Программы испытаний резины и пластика обычно сочетают раму для испытаний на растяжение с оборудованием для подготовки образцов, таким как вальцы, прессы и вырубные ножи для образцов в виде восьмерки; более широкий обзор этого диапазона доступен в разделе оборудование для испытаний резины и пластика. Текстильные лаборатории обычно добавляют полосные и захватные приспособления, приборы для испытаний на раздир и толщиномеры, сгруппированные в разделе оборудование для испытаний тканей.

Где данные испытаний на растяжение вписываются в контроль качества

Результат испытания на растяжение — это всего лишь число, пока оно не привязано к стандарту, методу подготовки образца и месту разрушения. Лаборатории, которые записывают эти три элемента рядом со значением, могут защитить поступающую партию, сравнить поставщиков и проследить разрушение в эксплуатации до изменения материала. Машина предоставляет силу и кривую; дисциплина вокруг нее предоставляет доказательства.