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試驗(yàn)機(jī)(UTM)通過(guò)不同速度級(jí)別的調(diào)節(jié),對(duì)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(yàn)室中zui普通的設(shè)備。在混配料的制備過(guò)程中,利用UTM測(cè)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(gè)批次之間的一致性。
如今UTM還越來(lái)越多的出現(xiàn)在塑料模塑和擠塑實(shí)驗(yàn)室中。一方面是因?yàn)樗鼈冊(cè)絹?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?yàn)樗鼈冊(cè)谠牧弦约俺善焚|(zhì)量控制上的性。在一些社會(huì)責(zé)任感很強(qiáng)的領(lǐng)域,如科研用器械或汽車(chē)行業(yè),需要塑料加工設(shè)備對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn),也需要UTM的發(fā)揮更大的作用。同時(shí),內(nèi)部試驗(yàn)可以提高工藝控制的質(zhì)量,減少?gòu)U料率,從而也實(shí)現(xiàn)了真正的收益。
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zui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)的電子試驗(yàn)機(jī)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(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?,F(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。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,利用試驗(yàn)機(jī)所測(cè)試的zui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A STM D 638和ISO 527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)(ASTM D790 、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ASTM D1621和 ISO 844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*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zui多的因素。按照ASTM D732(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100~135000 lb。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1000 lb。門(mén)式的UTM試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)容量可達(dá)1000~135000 lb。測(cè)力計(jì)也以某一zui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)100 lb的測(cè)力計(jì)安裝在1000 lb的??蚶?,可以提供100 lb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)果的性。
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。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100 lb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。