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試驗機(UTM)通過(guò)不同速度級別的調節,對塑料材料樣條進(jìn)行拉伸、彎曲、壓縮或牽引,這是塑料混配實(shí)驗室中zui普通的設備。在混配料的制備過(guò)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用或終端應用。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(gè)批次之間的一致性。
如今UTM還越來(lái)越多的出現在塑料模塑和擠塑實(shí)驗室中。一方面是因為它們越來(lái)越多的參與到新產(chǎn)品和新工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程。另外一方面是因為它們在原材料以及成品質(zhì)量控制上的性。在一些社會(huì )責任感很強的領(lǐng)域,如科研用器械或汽車(chē)行業(yè),需要塑料加工設備對他們的產(chǎn)品進(jìn)行試驗,也需要UTM的發(fā)揮更大的作用。同時(shí),內部試驗可以提高工藝控制的質(zhì)量,減少廢料率,從而也實(shí)現了真正的收益。
不同的試驗
UTM試驗機包括一個(gè)或多個(gè)垂直承載的立柱,立柱上安裝一個(gè)固定的水平基座,頂部還有一個(gè)可移動(dòng)的水平十字頭(十字橫梁)?,F在的UTM試驗機,立柱上通常還有滾珠絲杠用以固定可移動(dòng)的十字頭。UTM的大小用框架的zui大承載水平和測量載荷/拉力的測力計來(lái)共同表征。測力計附在依靠電動(dòng)馬達或液壓裝置驅動(dòng)的可移動(dòng)的十字頭上。帶夾具的系列測力計測量力的大小,可以通過(guò)數字顯示器或PC機顯示結果。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試驗機來(lái)進(jìn)行,通常加載速度范圍為0.001~20 in./min(1in.=2.54cm)。動(dòng)態(tài)試驗或循環(huán)試驗如裂紋增長(cháng)和疲勞試驗通常利用液壓伺服系統UTM試驗機來(lái)進(jìn)行,時(shí)間較長(cháng),載荷較低。
早期的UTM試驗機具有類(lèi)似的電子元器件和記錄儀?,F在已經(jīng)被數控設備和PC軟件代替。新的自動(dòng)控制設備可以運行試驗,還能顯示數據,有時(shí)甚至是邊運行邊記錄。以前的記錄儀,包括PC軟件之前的數字顯示時(shí)代,用戶(hù)得到的測試信息都是載荷/變形曲線(xiàn),Y軸表示應力,X軸表示形變。這些曲線(xiàn)還需要對其進(jìn)行計算和解釋。的系統仍然能提供這些曲線(xiàn),但是同時(shí)還能對數據進(jìn)行計算,如屈服強度、破壞強度和模量等數據。
目前,利用試驗機所測試的zui常見(jiàn)的項目是拉伸強度和拉伸模量、彎曲強度和模量。按照A STM D 638和ISO 527進(jìn)行拉伸試驗時(shí),樣條的兩端都有夾具夾緊,一個(gè)夾具是靜止的,另一個(gè)固定在十字頭上,背離固定夾具移動(dòng),牽引樣條直至樣條出現斷裂,斷裂時(shí)十字頭會(huì )自動(dòng)停止。彎曲試驗時(shí)(ASTM D790 、D6272以及ISO178),樣條被放在試驗機固定機床的兩個(gè)支座上。這個(gè)試驗中,十字頭移動(dòng)的方向與拉伸試驗中移動(dòng)方向相反,向一個(gè)沒(méi)有支撐的中心推動(dòng)而不是牽引樣條,直至樣條彎曲甚至斷裂。因為多數熱塑性塑料材料不會(huì )在這個(gè)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變?yōu)?%時(shí)的彎曲應力。
壓縮試驗一般很少應用UTM試驗機,盡管這在A(yíng)STM 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力值即壓縮強度值。
據UTM供應商統計,對于塑料材料而言,剪切試驗更不多見(jiàn)。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(dòng)部分*將固定部分露出來(lái)。剪切強度值為應力/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(lèi)型的破壞容易出現在這類(lèi)產(chǎn)品中,但是這并不是其他擠出和注塑產(chǎn)品設計時(shí)考慮zui多的因素。按照ASTM D732(沒(méi)有等同的 ISO 標準)標準進(jìn)行試驗時(shí),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(lái)說(shuō),立式設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(jià)格也較低,結構容量一般為1000 lb。門(mén)式的UTM試驗機的結構容量可達1000~135000 lb。測力計也以某一zui大的適用于UTM試驗機結構和樣品的力值為分類(lèi)依據。例如,一個(gè)100 lb的測力計安裝在1000 lb的??蚶?,可以提供100 lb的試驗載荷。測力計的容量不應超過(guò)樣品預測斷裂載荷太多,否則會(huì )影響試驗結果的性。
軟件的發(fā)展
軟件技術(shù)的發(fā)展,提高了UTM設備的測試速度并使設備的操作變得更加簡(jiǎn)便。測試數據的讀取、試驗的整個(gè)過(guò)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計師評價(jià)不同材料的性能、測定安全裕度以及更好地模擬終端用戶(hù)的應用。
新的軟件能自動(dòng)操作試驗、采集數據、分析數據、記錄輸出、存儲數據并進(jìn)行修補。用戶(hù)可以輸入一定的運行載荷速度,系統就會(huì )自動(dòng)調整十字頭的運行。新的軟件還允許用戶(hù)通過(guò)位移傳感器獲得試驗過(guò)程中真實(shí)的應變值,位移傳感器可以測量十字頭的位移情況。更換傳感器時(shí),新軟件還可以使測力計自動(dòng)識別并校準。
新的PC型UTM試驗機的軟件現在能執行整個(gè)操作,因此成本也會(huì )因為取消了數字顯示器和一些電子元件而有所降低。動(dòng)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(jìn)動(dòng)態(tài)測試以及疲勞試驗。這樣必須反復施加應力,進(jìn)行加載-釋放的循環(huán)。例如,疲勞裂紋增長(cháng)試驗,用戶(hù)期望了解待測材料經(jīng)過(guò)多少次循環(huán)會(huì )斷裂。
動(dòng)態(tài)測試所需的應力比電子試驗機靜態(tài)試驗中所需的應力要小。液壓伺服系統試驗機的框架容量從100 lb到數噸不等,價(jià)格通常為電子力學(xué)試驗機的2~3倍?;居糜诮饘俨牧系钠谠囼?,但是在汽車(chē)塑料、航天塑料、生物醫藥塑料以及電子元件用塑料等方面的應用也越來(lái)越廣泛,因為這些領(lǐng)域里需要耐疲勞性好的結構部件。
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