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万能试验机的选择方法
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如今越来越多的塑料加工企业都在购买所谓的“万能”试验机,利用它来进行拉伸、弯曲、压缩和剪切试验,以对材料进行性能评价、应用开发研究以及质量控制。发达的电子学改进了这些设备的性能,使之更加易于操作,价格也越来越低。

     万能材料试验机(UTM)通过不同速度级别的调节,对塑料材料样条进行拉伸、弯曲、压缩或牵引,这是塑料混配实验室中最普通的设备。在混配料的制备过程中,利用UTM测试材料能够判断材料是否适用于某些特定的加工应用或终端应用。UTM还可以用于产品的质量控制,以确保产品质量各个批次之间的一致性。
     如今UTM还越来越多的出现在塑料模塑和挤塑实验室中。一方面是因为它们越来越多的参与到新产品和新工艺的开发过程。另外一方面是因为它们在原材料以及成品质量控制上的精确性。在一些社会责任感很强的领域,如医用器械或汽车行业,需要塑料加工设备对他们的产品进行试验,也需要UTM的发挥更大的作用。同时,内部试验可以提高工艺控制的质量,减少废料率,从而也实现了真正的收益。 

    UTM试验机包括一个或多个垂直承载的立柱,立柱上安装一个固定的水平基座,顶部还有一个可移动的水平十字头(十字横梁)。现在的UTM试验机,立柱上通常还有滚珠丝杠用以固定可移动的十字头。UTM的大小用框架的最大承载水平和测量载荷/拉力的测力计来共同表征。测力计附在依靠电动马达或液压装置驱动的可移动的十字头上。带夹具的系列测力计测量力的大小,可以通过数字显示器或PC机显示结果。很多UTM具有可互换的测力计,因此可以与所测试的不同材料匹配。静态试验利用标准的电子万能试验机来进行,通常加载速度范围为0.001~20 in./min(1in.=2.54cm)。动态试验或循环试验如裂纹增长和疲劳试验通常利用液压伺服系统UTM试验机来进行,时间较长,载荷较低。  

      早期的UTM试验机具有类似的电子元器件和记录仪。现在已经被数控设备和PC软件代替。新的自动控制设备可以运行试验,还能显示数据,有时甚至是边运行边记录。以前的记录仪,包括PC软件之前的数字显示时代,用户得到的测试信息都是载荷/变形曲线,Y轴表示应力,X轴表示形变。这些曲线还需要对其进行计算和解释。最新的系统仍然能提供这些曲线,但是同时还能对数据进行计算,如屈服强度、破坏强度和模量等数据。 

     目前,利用万能试验机所测试的最常见的项目是拉伸强度和拉伸模量、弯曲强度和模量。按照ASTM D 638和ISO 527进行拉伸试验时,样条的两端都有夹具夹紧,一个夹具是静止的,另一个固定在十字头上,背离固定夹具移动,牵引样条直至样条出现断裂,断裂时十字头会自动停止。弯曲试验时(ASTM D790 、D6272以及ISO178),样条被放在试验机固定机床的两个支座上。这个试验中,十字头移动的方向与拉伸试验中移动方向相反,向一个没有支撑的中心推动而不是牵引样条,直至样条弯曲甚至断裂。因为多数热塑性塑料材料不会在这个试验中断裂,所以不可能计算断裂弯曲强度。因而,标准的试验方法要求计算应变为5%时的弯曲应力。  

      压缩试验一般很少应用UTM试验机,尽管这在ASTM D1621和 ISO 844标准中对刚性塑料泡沫而言是一项主要的试验。UTM试验机还能用于任何形状的注塑产品如瓶子的压碎试验,在一定高度将样品摔碎或使其变形所需的应力值即压缩强度值。

      据UTM供应商统计,对于塑料材料而言,剪切试验更不多见。剪切强度值是将样品放在冲床型的剪切装置里测得的。冲击速度为0.005in./min,直至样品的可移动部分完全将固定部分露出来。剪切强度值为应力/剪切面积的值。这在薄膜材料和片材产品中很重要,因为这种类型的破坏容易出现在这类产品中,但是这并不是其他挤出和注塑产品设计时考虑最多的因素。按照ASTM D732(没有等同的 ISO 标准)标准进行试验时,常用的试样是塑料片材或0.005~0.500in.厚的注塑碟片。

     常用的电子UTM试验机的容量为100~135000 lb。尺寸越大,成本越高。一般来说,立式设备的体积更小也更易于操作,并且还能借助于样品自身的重力,使棘手的样品如薄膜也能同较重的注塑部件一样易于操控。单立柱UTM试验机的力程较低,价格也较低,结构容量一般为1000 lb。门式的UTM试验机的结构容量可达1000~135000 lb。测力计也以某一最大的适用于UTM试验机结构和样品的力值为分类依据。例如,一个100 lb的测力计安装在1000 lb的模框里,可以提供100 lb的试验载荷。测力计的容量不应超过样品预测断裂载荷太多,否则会影响试验结果的精确性。

     

      软件技术的发展,提高了UTM设备的测试速度并使设备的操作变得更加简便。测试数据的读取、试验的整个过程、试样断裂前是否被拉伸变形、变形和外力是否成比例,这些答案能帮助材料工程师或者制品设计师评价不同材料的性能、测定安全裕度以及更好地模拟终端用户的应用。

      新的软件能自动操作试验、采集数据、分析数据、记录输出、存储数据并进行修补。用户可以输入一定的运行载荷速度,系统就会自动调整十字头的运行。新的软件还允许用户通过位移传感器获得试验过程中真实的应变值,位移传感器可以精确测量十字头的位移情况。更换传感器时,新软件还可以使测力计自动识别并校准。

     与静态测试所用的电子UTM试验机不同,液压伺服UTM试验机可以进动态测试以及疲劳试验。这样必须反复施加应力,进行加载-释放的循环。例如,疲劳裂纹增长试验,用户期望了解待测材料经过多少次循环会断裂。

动态测试所需的应力比电子万能试验机静态试验中所需的应力要小。液压伺服系统试验机的框架容量从100 lb到数吨不等,价格通常为电子力学试验机的2~3倍。基本用于金属材料的疲劳试验,但是在汽车塑料、航天塑料、生物医药塑料以及电子元件用塑料等方面的应用也越来越广泛,因为这些领域里需要耐疲劳性好的结构部件。

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