不同的試驗(yàn)
UTM試驗(yàn)機(jī)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）。現(xiàn)在的UTM試驗(yàn)機(jī)，立柱上通常還有滾珠絲杠用以固定可移動(dòng)的十字頭。UTM的大小用框架的最大承載水平和測(cè)量載荷/拉力的測(cè)力計(jì)來(lái)共同表征。測(cè)力計(jì)附在依靠電動(dòng)馬達(dá)或液壓裝置驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)的十字頭上。帶夾具的系列測(cè)力計(jì)測(cè)量力的大小，可以通過(guò)數(shù)字顯示器或PC機(jī)顯示結(jié)果。很多UTM具有可互換的測(cè)力計(jì)，因此可以與所測(cè)試的不同材料匹配。靜態(tài)試驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行，通常加載速度范圍為0.001~20in./min1in.=2.54cm。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)或循環(huán)試驗(yàn)如裂紋增長(zhǎng)和疲勞試驗(yàn)通常利用液壓伺服系統(tǒng)UTM試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行，時(shí)間較長(zhǎng)，載荷較低。
早期的UTM試驗(yàn)機(jī)具有類(lèi)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(dòng)控制設(shè)備可以運(yùn)行試驗(yàn)，還能顯示數(shù)據(jù)，有時(shí)甚至是邊運(yùn)行邊記錄。以前的記錄儀，包括PC軟件之前的數(shù)字顯示時(shí)代，用戶得到的測(cè)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(duì)其進(jìn)行計(jì)算和解釋。最新的系統(tǒng)仍然能提供這些曲線，但是同時(shí)還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如屈服強(qiáng)度、破壞強(qiáng)度和模量等數(shù)據(jù)。
目前，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所測(cè)試的最常見(jiàn)的項(xiàng)目是拉伸強(qiáng)度和拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和模量。按照ASTMD638和ISO527進(jìn)行拉伸試驗(yàn)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(xiàn)斷裂，斷裂時(shí)十字頭會(huì)自動(dòng)停止。彎曲試驗(yàn)時(shí)ASTMD790、D6272以及ISO178，樣條被放在試驗(yàn)機(jī)固定機(jī)床的兩個(gè)支座上。這個(gè)試驗(yàn)中，十字頭移動(dòng)的方向與拉伸試驗(yàn)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?yàn)槎鄶?shù)熱塑性塑料材料不會(huì)在這個(gè)試驗(yàn)中斷裂，所以不可能計(jì)算斷裂彎曲強(qiáng)度。因而，標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法要求計(jì)算應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的彎曲應(yīng)力。
壓縮試驗(yàn)一般很少應(yīng)用UTM試驗(yàn)機(jī)，盡管這在ASTMD1621和ISO844標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)剛性塑料泡沫而言是一項(xiàng)主要的試驗(yàn)。UTM試驗(yàn)機(jī)還能用于任何形狀的注塑產(chǎn)品如瓶子的壓碎試驗(yàn)，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(qiáng)度值。
據(jù)UTM供應(yīng)商統(tǒng)計(jì)，對(duì)于塑料材料而言，剪切試驗(yàn)更不多見(jiàn)。剪切強(qiáng)度值是將樣品放在沖床型的剪切裝置里測(cè)得的。沖擊速度為0.005in./min，直至樣品的可移動(dòng)部分完全將固定部分露出來(lái)。剪切強(qiáng)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?yàn)檫@種類(lèi)型的破壞容易出現(xiàn)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(shè)計(jì)時(shí)考慮最多的因素。按照ASTMD732（沒(méi)有等同的ISO標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)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(jī)械式UTM試驗(yàn)機(jī)
常用的電子UTM試驗(yàn)機(jī)的容量為100～135000lb。尺寸越大，成本越高。一般來(lái)說(shuō)，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(yàn)機(jī)的力程較低，價(jià)格也較低，結(jié)構(gòu)容量一般為1000lb。門(mén)式的UTM試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)容量可達(dá)1000~135000lb。測(cè)力計(jì)也以某一最大的適用于UTM試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)和樣品的力值為分類(lèi)依據(jù)。例如，一個(gè)100lb的測(cè)力計(jì)安裝在1000lb的?？蚶?，可以提供100lb的試驗(yàn)載荷。測(cè)力計(jì)的容量不應(yīng)超過(guò)樣品預(yù)測(cè)斷裂載荷太多，否則會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的精確性。
據(jù)TiniusOlsen公司的市場(chǎng)部人員透露，大多數(shù)塑料制品用戶適應(yīng)的規(guī)格為5000lb的帶3個(gè)測(cè)力計(jì)的單立柱或門(mén)式的設(shè)備。TiniusOlsen公司最受歡迎的UTM試驗(yàn)機(jī)是規(guī)格為2000lb的試驗(yàn)機(jī)。Instron公司的MacManuis說(shuō)，非增強(qiáng)塑料的測(cè)試很少使用框架容量規(guī)格超過(guò)2000lb的設(shè)備。填充和增強(qiáng)塑料所用設(shè)備的框架容量經(jīng)常是5000~7000lb。但是對(duì)于由玻璃、炭黑或其他纖維的連續(xù)復(fù)合材料，框架容量可能需要60000lb。如果所購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備容量超過(guò)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(cè)試時(shí)間，因?yàn)樵O(shè)備越大運(yùn)行速度也就越慢。例如，250lb的設(shè)備運(yùn)行速度通常是40in./min，而容量為5000lb的框架運(yùn)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(cè)試速度并使設(shè)備的操作變得更加簡(jiǎn)便。測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取、試驗(yàn)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(shè)計(jì)師評(píng)價(jià)不同材料的性能、測(cè)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(dòng)操作試驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、記錄輸出、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行修補(bǔ)。用戶可以輸入一定的運(yùn)行載荷速度，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)整十字頭的運(yùn)行。新的軟件還允許用戶通過(guò)位移傳感器獲得試驗(yàn)過(guò)程中真實(shí)的應(yīng)變值，位移傳感器可以精確測(cè)量十字頭的位移情況。更換傳感器時(shí)，新軟件還可以使測(cè)力計(jì)自動(dòng)識(shí)別并校準(zhǔn)。
新的PC型UTM試驗(yàn)機(jī)的軟件現(xiàn)在能執(zhí)行整個(gè)操作，因此成本也會(huì)因?yàn)槿∠藬?shù)字顯示器和一些電子元件而有所降低。去年，TiniusOlsen公司推出了PC機(jī)T-系列單立柱和門(mén)式的UTM試驗(yàn)機(jī)，容量為22250lb。據(jù)估計(jì)，T-系列試驗(yàn)機(jī)包括PC和數(shù)據(jù)采集的測(cè)試導(dǎo)航軟件，比帶有數(shù)字控制面板的工作臺(tái)上置的S-系列價(jià)格要低10%。使用S-系列試驗(yàn)機(jī)時(shí)，用戶需重新編程才能改變?cè)囼?yàn)程序。而PC驅(qū)動(dòng)的T-系列試驗(yàn)機(jī)，只需選擇程序選項(xiàng)就可以輕松完成這一過(guò)程。MTSSystem公司框架容量為2000~5000lb的門(mén)式設(shè)備PC機(jī)AllianceRT工作臺(tái)上置系列售價(jià)為25000~50000美元，包括機(jī)器、PC機(jī)、TestWorks4軟件、一個(gè)測(cè)力計(jì)和一套夾具以及安裝和培訓(xùn)的費(fèi)用。RT系列的數(shù)字控制系統(tǒng)的載荷框架里有一個(gè)單環(huán)路卡，據(jù)說(shuō)是用于提高可信度并降低下行時(shí)間。高級(jí)的六點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)據(jù)說(shuō)可以為十字頭通過(guò)x、y和z軸定位提供卓越的指導(dǎo)，因此提高了測(cè)量的可靠性和精確性。
TestingMachine公司最近引入LabMaster單立柱UTM系統(tǒng)用于容量為250lb的低應(yīng)力測(cè)試。這個(gè)R&D設(shè)備包括拉伸試驗(yàn)機(jī)、測(cè)力計(jì)，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(tái)所需要的操作空間。改進(jìn)版的LabMaster軟件，名為實(shí)驗(yàn)方法軟件包，簡(jiǎn)化了設(shè)置，自動(dòng)設(shè)置試驗(yàn)順序。另外，該設(shè)備最值得關(guān)注的特點(diǎn)是分辨率很高，可監(jiān)測(cè)載荷或樣品位置的細(xì)微變化。售價(jià)約為16000~16500美元。
Ametek公司的測(cè)試和校準(zhǔn)設(shè)備部門(mén)已經(jīng)從英國(guó)Lloyd設(shè)備分公司引進(jìn)了兩種新型的單立柱UTM試驗(yàn)機(jī)，十字橫梁運(yùn)行速度比以前型號(hào)的試驗(yàn)機(jī)測(cè)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(cè)試軟件運(yùn)行速度更快。其中一款為L(zhǎng)FPlus系列數(shù)字試驗(yàn)機(jī)，低應(yīng)力設(shè)備的容量為250lb。速度范圍為0.002~50in./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1100lb的LRXPlus系列，十字橫梁的運(yùn)行速度為0.004~49in/min。可以進(jìn)行10個(gè)程序試驗(yàn)設(shè)置，并可存儲(chǔ)600條試驗(yàn)結(jié)果。
動(dòng)態(tài)測(cè)試
與靜態(tài)測(cè)試所用的電子UTM試驗(yàn)機(jī)不同，液壓伺服UTM試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)動(dòng)態(tài)測(cè)試以及疲勞試驗(yàn)。這樣必須反復(fù)施加應(yīng)力，進(jìn)行加載-釋放的循環(huán)。例如，疲勞裂紋增長(zhǎng)試驗(yàn)，用戶期望了解待測(cè)材料經(jīng)過(guò)多少次循環(huán)會(huì)斷裂。
動(dòng)態(tài)測(cè)試所需的應(yīng)力比電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)試驗(yàn)中所需的應(yīng)力要小。液壓伺服系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的框架容量從100lb到數(shù)噸不等，價(jià)格通常為電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的2~3倍?；居糜诮饘俨牧系钠谠囼?yàn)，但是在汽車(chē)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(lái)越廣泛，因?yàn)檫@些領(lǐng)域里需要耐疲勞性好的結(jié)構(gòu)部件。
過(guò)去的兩年中，MTS公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種PC驅(qū)動(dòng)電動(dòng)伺服的單立柱UTM試驗(yàn)機(jī)，據(jù)說(shuō)性能優(yōu)異，能對(duì)材料和小型配件進(jìn)行低應(yīng)力的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)試。盡管價(jià)格不菲，但是這些設(shè)備比以前任何一款試驗(yàn)機(jī)都要適合于動(dòng)態(tài)測(cè)試。電動(dòng)伺服試驗(yàn)機(jī)與液壓伺服試驗(yàn)機(jī)相比，優(yōu)點(diǎn)在于避免了液壓油、泵和冷卻水的使用。市場(chǎng)上第一批電動(dòng)伺服模型是低應(yīng)力的專用設(shè)備。一種是MTSTytron250MicroForce，50lb的臥式框架設(shè)備，已經(jīng)用于薄包裝膜的測(cè)試、生物醫(yī)藥管和縫合線的測(cè)試以及微電子元件的測(cè)試。另一種是MTSNanoBionix，主要用于生物醫(yī)藥材料研究和產(chǎn)品開(kāi)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(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試以及很小的微電子元件的性能測(cè)試
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