萬能試驗機的選擇方法

萬能試驗機的選擇方法

如今越來越多的塑料加工企業(yè)都在購買所謂的“萬能”試驗機，利用它來進行拉伸、彎曲、壓縮和剪切試驗，以對材料進行性能評價、應(yīng)用開發(fā)研究以及質(zhì)量控制。發(fā)達的電子學改進了這些設(shè)備的性能，使之更加易于操作，價格也越來越低。

萬能試驗機(UTM)通過不同速度級別的調(diào)節(jié)，對塑料材料樣條進行拉伸、彎曲、壓縮或牽引，這是塑料混配實驗室中最普通的設(shè)備。在混配料的制備過程中，利用UTM測試材料能夠判斷材料是否適用于某些特定的加工應(yīng)用或終端應(yīng)用。UTM還可以用于產(chǎn)品的質(zhì)量控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量各個批次之間的一致性。

如今UTM還越來越多的出現(xiàn)在塑料模塑和擠塑實驗室中。一方面是因為它們越來越多的參與到新產(chǎn)品和新工藝的開發(fā)過程。另外一方面是因為它們在原材料以及成品質(zhì)量控制上的精確性。在一些社會責任感很強的領(lǐng)域，如醫(yī)用器械或汽車行業(yè)，需要塑料加工設(shè)備對他們的產(chǎn)品進行試驗，也需要UTM的發(fā)揮更大的作用。同時，內(nèi)部試驗可以提高工藝控制的質(zhì)量，減少廢料率，從而也實現(xiàn)了真正的收益。

不同的試驗

UTM試驗機包括一個或多個垂直承載的立柱，立柱上安裝一個固定的水平基座，頂部還有一個可移動的水平十字頭（十字橫梁）。現(xiàn)在的UTM試驗機，立柱上通常還有滾珠絲杠用以固定可移動的十字頭。UTM的大小用框架的最大承載水平和測量載荷/拉力的測力計來共同表征。測力計附在依靠電動馬達或液壓裝置驅(qū)動的可移動的十字頭上。帶夾具的系列測力計測量力的大小，可以通過數(shù)字顯示器或PC機顯示結(jié)果。很多UTM具有可互換的測力計，因此可以與所測試的不同材料匹配。靜態(tài)試驗利用標準的電子萬能試驗機來進行，通常加載速度范圍為0.001~20 in./min(1in.=2.54cm)。動態(tài)試驗或循環(huán)試驗如裂紋增長和疲勞試驗通常利用液壓伺服系統(tǒng)UTM試驗機來進行，時間較長，載荷較低。

早期的UTM試驗機具有類似的電子元器件和記錄儀。現(xiàn)在已經(jīng)被數(shù)控設(shè)備和PC軟件代替。新的自動控制設(shè)備可以運行試驗，還能顯示數(shù)據(jù)，有時甚至是邊運行邊記錄。以前的記錄儀，包括PC軟件之前的數(shù)字顯示時代，用戶得到的測試信息都是載荷/變形曲線，Y軸表示應(yīng)力，X軸表示形變。這些曲線還需要對其進行計算和解釋。最新的系統(tǒng)仍然能提供這些曲線，但是同時還能對數(shù)據(jù)進行計算，如屈服強度、破壞強度和模量等數(shù)據(jù)。

目前，利用萬能試驗機所測試的最常見的項目是拉伸強度和拉伸模量、彎曲強度和模量。按照ASTM D 638和ISO 527進行拉伸試驗時，樣條的兩端都有夾具夾緊，一個夾具是靜止的，另一個固定在十字頭上，背離固定夾具移動，牽引樣條直至樣條出現(xiàn)斷裂，斷裂時十字頭會自動停止。彎曲試驗時(ASTM D790 、D6272以及ISO178)，樣條被放在試驗機固定機床的兩個支座上。這個試驗中，十字頭移動的方向與拉伸試驗中移動方向相反，向一個沒有支撐的中心推動而不是牽引樣條，直至樣條彎曲甚至斷裂。因為多數(shù)熱塑性塑料材料不會在這個試驗中斷裂，所以不可能計算斷裂彎曲強度。因而，標準的試驗方法要求計算應(yīng)變?yōu)?%時的彎曲應(yīng)力。

壓縮試驗一般很少應(yīng)用UTM試驗機，盡管這在ASTM D1621和 ISO 844標準中對剛性塑料泡沫而言是一項主要的試驗。UTM試驗機還能用于任何形狀的注塑產(chǎn)品如瓶子的壓碎試驗，在一定高度將樣品摔碎或使其變形所需的應(yīng)力值即壓縮強度值。

據(jù)UTM供應(yīng)商統(tǒng)計，對于塑料材料而言，剪切試驗更不多見。剪切強度值是將樣品放在沖床型的剪切裝置里測得的。沖擊速度為0.005in./min，直至樣品的可移動部分完全將固定部分露出來。剪切強度值為應(yīng)力/剪切面積的值。這在薄膜材料和片材產(chǎn)品中很重要，因為這種類型的破壞容易出現(xiàn)在這類產(chǎn)品中，但是這并不是其他擠出和注塑產(chǎn)品設(shè)計時考慮最多的因素。按照ASTM D732（沒有等同的 ISO 標準）標準進行試驗時，常用的試樣是塑料片材或0.005~0.500in.厚的注塑碟片。

電子機械式UTM試驗機

常用的電子UTM試驗機的容量為100～135000 lb。尺寸越大，成本越高。一般來說，立式設(shè)備的體積更小也更易于操作，并且還能借助于樣品自身的重力，使棘手的樣品如薄膜也能同較重的注塑部件一樣易于操控。單立柱UTM試驗機的力程較低，價格也較低，結(jié)構(gòu)容量一般為1000 lb。門式的UTM試驗機的結(jié)構(gòu)容量可達1000~135000 lb。測力計也以某一最大的適用于UTM試驗機結(jié)構(gòu)和樣品的力值為分類依據(jù)。例如，一個100 lb的測力計安裝在1000 lb的模框里，可以提供100 lb的試驗載荷。測力計的容量不應(yīng)超過樣品預(yù)測斷裂載荷太多，否則會影響試驗結(jié)果的精確性。

據(jù)Tinius Olsen公司的市場部人員透露，大多數(shù)塑料制品用戶適應(yīng)的規(guī)格為5000 lb的帶3個測力計的單立柱或門式的設(shè)備。Tinius Olsen公司最受歡迎的UTM試驗機是規(guī)格為2000 lb的試驗機。Instron公司的MacManuis說，非增強塑料的測試很少使用框架容量規(guī)格超過2000 lb的設(shè)備。填充和增強塑料所用設(shè)備的框架容量經(jīng)常是5000~7000 lb。但是對于由玻璃、炭黑或其他纖維的連續(xù)復合材料，框架容量可能需要60000 lb。如果所購買的設(shè)備容量超過了需要的容量，不僅投入成本增加，而且還需要付出更多的測試時間，因為設(shè)備越大運行速度也就越慢。例如，250 lb的設(shè)備運行速度通常是40in./min，而容量為5000 lb的框架運行速度為20in./min。

軟件的發(fā)展

軟件技術(shù)的發(fā)展，提高了UTM設(shè)備的測試速度并使設(shè)備的操作變得更加簡便。測試數(shù)據(jù)的讀取、試驗的整個過程、試樣斷裂前是否被拉伸變形、變形和外力是否成比例，這些答案能幫助材料工程師或者制品設(shè)計師評價不同材料的性能、測定安全裕度以及更好地模擬終端用戶的應(yīng)用。

新的軟件能自動操作試驗、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、記錄輸出、存儲數(shù)據(jù)并進行修補。用戶可以輸入一定的運行載荷速度，系統(tǒng)就會自動調(diào)整十字頭的運行。新的軟件還允許用戶通過位移傳感器獲得試驗過程中真實的應(yīng)變值，位移傳感器可以精確測量十字頭的位移情況。更換傳感器時，新軟件還可以使測力計自動識別并校準。

新的PC型UTM試驗機的軟件現(xiàn)在能執(zhí)行整個操作，因此成本也會因為取消了數(shù)字顯示器和一些電子元件而有所降低。去年，Tinius Olsen公司推出了PC機T-系列單立柱和門式的UTM試驗機，容量為22250 lb。據(jù)估計，T-系列試驗機包括PC和數(shù)據(jù)采集的測試導航軟件，比帶有數(shù)字控制面板的工作臺上置的S-系列價格要低10%。使用S-系列試驗機時，用戶需重新編程才能改變試驗程序。而PC驅(qū)動的T-系列試驗機，只需選擇程序選項就可以輕松完成這一過程。 

Testing Machines公司的新型LabMaster系列低載荷UTM試驗機(250 lb)

MTS System公司框架容量為2000~5000 lb的門式設(shè)備PC機Alliance RT 工作臺上置系列售價為25000~50000美元，包括機器、PC機、TestWorks 4軟件、一個測力計和一套夾具以及安裝和培訓的費用。RT系列的數(shù)字控制系統(tǒng)的載荷框架里有一個單環(huán)路卡，據(jù)說是用于提高可信度并降低下行時間。高級的六點導航系統(tǒng)據(jù)說可以為十字頭通過x、y和z軸定位提供卓越的指導，因此提高了測量的可靠性和精確性。

Testing Machine公司最近引入LabMaster單立柱UTM系統(tǒng)用于容量為250 lb的低應(yīng)力測試。這個R&D設(shè)備包括拉伸試驗機、測力計，將可連接網(wǎng)絡(luò)的PC窗口放在純平的觸摸屏上，減少了工作臺所需要的操作空間。改進版的LabMaster軟件，名為實驗方法軟件包，簡化了設(shè)置，自動設(shè)置試驗順序。另外，該設(shè)備最值得關(guān)注的特點是分辨率很高，可監(jiān)測載荷或樣品位置的細微變化。售價約為16000~16500美元。

Ametek公司的測試和校準設(shè)備部門已經(jīng)從英國Lloyd 設(shè)備分公司引進了兩種新型的單立柱UTM試驗機，十字橫梁運行速度比以前型號的試驗機測試范圍更寬，電子元件性能也有所改善，公司特有的PC窗口Nexygen材料分析和測試軟件運行速度更快。其中一款為LFPlus系列數(shù)字試驗機，低應(yīng)力設(shè)備的容量為250lb。速度范圍為0.002~50 in./min，電子元件性能有所改善，數(shù)據(jù)掃描速度提高了8倍。另一款是容量為1100 lb的LRXPlus系列，十字橫梁的運行速度為0.004 ~49in/min�？梢赃M行10個程序試驗設(shè)置，并可存儲600條試驗結(jié)果。

動態(tài)測試

與靜態(tài)測試所用的電子UTM試驗機不同，液壓伺服UTM試驗機可以進動態(tài)測試以及疲勞試驗。這樣必須反復施加應(yīng)力，進行加載-釋放的循環(huán)。例如，疲勞裂紋增長試驗，用戶期望了解待測材料經(jīng)過多少次循環(huán)會斷裂。

動態(tài)測試所需的應(yīng)力比電子萬能試驗機靜態(tài)試驗中所需的應(yīng)力要小。液壓伺服系統(tǒng)試驗機的框架容量從100 lb到數(shù)噸不等，價格通常為電子力學試驗機的2~3倍�；�本用于金屬材料的疲勞試驗，但是在汽車塑料、航天塑料、生物醫(yī)藥塑料以及電子元件用塑料等方面的應(yīng)用也越來越廣泛，因為這些領(lǐng)域里需要耐疲勞性好的結(jié)構(gòu)部件。 扭力計·探傷儀·金相顯微鏡·涂層檢測設(shè)備·超聲波測厚儀·粗糙度儀·振動測量儀·金屬探測儀·震動變送器·光澤度計·轉(zhuǎn)速表·硬度計·轉(zhuǎn)速變送器·拉壓力計·

過去的兩年中，MTS公司已經(jīng)開發(fā)了兩種PC驅(qū)動電動伺服的單立柱UTM試驗機，據(jù)說性能優(yōu)異，能對材料和小型配件進行低應(yīng)力的動態(tài)和靜態(tài)測試。盡管價格不菲，但是這些設(shè)備比以前任何一款試驗機都要適合于動態(tài)測試。電動伺服試驗機與液壓伺服試驗機相比，優(yōu)點在于避免了液壓油、泵和冷卻水的使用。市場上第一批電動伺服模型是低應(yīng)力的專用設(shè)備。一種是MTS Tytron 250 MicroForce，50 lb的臥式框架設(shè)備，已經(jīng)用于薄包裝膜的測試、生物醫(yī)藥管和縫合線的測試以及微電子元件的測試。另一種是MTS NanoBionix，主要用于生物醫(yī)藥材料研究和產(chǎn)品開發(fā)。最大載荷僅為51g，循環(huán)速度為每秒2500 次，適用于粘彈性材料的準靜態(tài)和動態(tài)性能測試以及很小的微電子元件的性能測試