Máy kiểm tra đa năng là gì? Hướng dẫn đầy đủ

Máy kiểm tra vạn năng (bạnTM) là một công cụ kiểm tra cơ học có khả năng áp dụng các lực kéo, nén, uốn, cắt và uốn có kiểm soát cho mẫu vật liệu để đo các đặc tính cơ học của nó - phổ biến nhất là độ bền kéo, cường độ năng suất, độ giãn dài và mô đun đàn hồi. Từ "phổ quát" dùng để chỉ khả năng thực hiện nhiều loại thử nghiệm cơ học trên một khung duy nhất bằng cách thay đổi các thiết bị thử nghiệm, không phải với công suất không giới hạn. Khả năng tải dao động từ dưới 1 kN đối với vật liệu mỏng manh chẳng hạn như màng và sợi để trên 2.000 kN đối với kết cấu thép và bê tông thành phần.

Thiết bị kiểm tra độ bền kéo đa năng được sử dụng trên hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất và nghiên cứu — kim loại, polyme, vật liệu tổng hợp, dệt may, cao su, chất kết dính, vật liệu xây dựng, thiết bị y tế và bao bì — bất cứ nơi nào cần có dữ liệu định lượng về cách vật liệu hoạt động dưới tải trọng cơ học để thiết kế, kiểm soát chất lượng hoặc tuân thủ quy định.

Máy kiểm tra đa năng hoạt động như thế nào

Nguyên lý hoạt động cơ bản của UTM rất đơn giản: mẫu được kẹp giữa hai thiết bị cố định - một cố định và một chuyển động - và một lực được điều khiển được tác dụng trong khi máy đo đồng thời lực tác dụng và độ dịch chuyển hoặc biến dạng của mẫu. Mối quan hệ giữa hai phép đo này tạo ra một đường cong ứng suất-biến dạng từ đó suy ra tất cả các tính chất cơ học quan trọng.

Hệ thống khung và truyền động tải

Khung tải cung cấp độ cứng kết cấu để chống lại lực thử mà không bị lệch. Một khung điển hình bao gồm hai hoặc bốn cột thẳng đứng, một đầu chữ thập cố định ở một đầu và một đầu chữ thập di động được điều khiển bởi bộ truyền động thử nghiệm. Hệ thống truyền động di chuyển đầu trượt ở tốc độ được kiểm soát hoặc tác dụng lực ở tốc độ được kiểm soát. Hai công nghệ truyền động chiếm ưu thế:

• Cơ điện (trục vít) - một động cơ servo dẫn động vít bi hoặc vít me để di chuyển đầu chữ thập; kiểm soát tốc độ chính xác cao, vận hành êm ái, tiết kiệm năng lượng; thích hợp cho hầu hết các thử nghiệm kéo, nén và uốn từ 0,1 N đến 600 kN
• thủy lực servo - áp suất thủy lực làm di chuyển một piston và thanh truyền gắn với đầu chữ thập; có khả năng chịu lực rất cao ( 200 kN đến 5.000 kN và hơn thế nữa ), thử nghiệm động tốc độ cao và đạp xe mỏi; yêu cầu bảo trì bộ nguồn thủy lực và tạo ra nhiều tiếng ồn và nhiệt hơn hệ thống cơ điện

Đo lực: Load Cell

Lực được đo bằng cảm biến tải trọng - một bộ chuyển đổi chính xác chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng máy đo biến dạng được liên kết với một phần tử kim loại. Cảm biến tải trọng được gắn trong bộ truyền tải giữa thanh trượt và tay nắm phía trên. Cảm biến tải trọng hiện đại đạt được độ chính xác ± 0,5% tải được chỉ định hoặc tốt hơn trên phạm vi từ 1% đến 100% toàn thang đo, đáp ứng các yêu cầu ISO 7500-1 Loại 0,5 hoặc ASTM E4.

Hầu hết các UTM đều được cung cấp các cảm biến tải trọng có thể hoán đổi cho nhau, bao gồm các phạm vi lực khác nhau - ví dụ: khung 50 kN có thể được sử dụng với cảm biến tải trọng 50 kN để kiểm tra cấu trúc hoặc cảm biến tải trọng 500 N để kiểm tra màng mỏng, mở rộng đáng kể phạm vi hữu ích của máy.

Đo chuyển vị và biến dạng

Chuyển vị của đầu chữ thập được đo bằng bộ mã hóa tích hợp của máy, nhưng điều này bao gồm độ tuân thủ của khung và độ trượt của tay nắm - nguồn gây ra lỗi để đo biến dạng chính xác. Để có dữ liệu biến dạng vật liệu chính xác, máy đo độ giãn chuyên dụng được gắn trực tiếp vào chiều dài thước đo mẫu. Các loại bao gồm:

• Máy đo độ giãn tiếp xúc - các thiết bị có lưỡi dao gắn vào có máy đo biến dạng hoặc LVDT; chính xác để Độ dịch chuyển ±0,5 µm ; phải được loại bỏ trước khi mẫu bị gãy để tránh hư hỏng
• Máy đo độ giãn video - hệ thống quang học không tiếp xúc theo dõi các điểm được đánh dấu trên bề mặt mẫu vật; thích hợp cho các mẫu và vật liệu dễ vỡ hoặc có độ giãn dài cao mà việc tiếp xúc có thể làm ảnh hưởng đến phép đo; độ phân giải thường 0,001–0,01 mm
• Tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) - phép đo biến dạng toàn trường tiên tiến trên toàn bộ bề mặt mẫu; cung cấp bản đồ phân bố biến dạng thay vì một giá trị biến dạng trung bình duy nhất; được sử dụng trong nghiên cứu và phân tích lỗi nâng cao

Kiểm tra độ bền kéo: Nó đo lường điều gì và tại sao nó lại quan trọng

Thử nghiệm độ bền kéo là thử nghiệm phổ biến nhất được thực hiện trên máy thử nghiệm đa năng và là nền tảng của hầu hết các thông số kỹ thuật vật liệu trên toàn thế giới. Một mẫu hình chữ nhật hoặc xương chó tiêu chuẩn được kéo căng ở tốc độ đầu chữ thập được kiểm soát cho đến khi nó gãy, tạo ra đường cong lực dịch chuyển được chuyển đổi thành đường cong ứng suất-biến dạng bằng cách sử dụng diện tích mặt cắt ngang và chiều dài đo của mẫu.

Các thuộc tính chính sau đây được rút ra từ một thử nghiệm kéo đơn:

Ví dụ thực tế: mác thép kết cấu S355 có UTS quy định tối thiểu là 470–630 MPa , sức mạnh năng suất của tối thiểu 355 MPa , và độ giãn dài tối thiểu là 22% . Một máy kiểm tra đa năng sẽ xác minh các giá trị này dựa trên thông số kỹ thuật của vật liệu trước khi thép được phê duyệt để sử dụng trong kết cấu.

Các thử nghiệm khác được thực hiện trên máy thử nghiệm đa năng

Khung tải tương tự được sử dụng để kiểm tra độ bền kéo có thể thực hiện nhiều loại kiểm tra cơ học khác bằng cách thay đổi các thiết bị cố định và cấu hình kiểm tra. Tính linh hoạt này là lý do biện minh cho việc chỉ định "phổ quát" và làm cho một UTM duy nhất có khả năng phục vụ nhiều nhu cầu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Kiểm tra nén

Đầu trượt di chuyển xuống dưới, nén mẫu vật vào giữa hai tấm ép. Dùng để đo cường độ chịu nén của bê tông (thường 20–100 MPa cho các loại kết cấu), gốm sứ, bao bì xốp, gioăng cao su và xương. Thử nghiệm nén khối bê tông và xi lanh là một trong những ứng dụng UTM có khối lượng lớn nhất trong ngành xây dựng.

Kiểm tra uốn cong ba điểm và bốn điểm (uốn cong)

Mẫu dầm được đỡ tại hai điểm và chịu tải tại một (ba điểm) hoặc hai điểm (bốn điểm) giữa các giá đỡ. Đo cường độ uốn và mô đun uốn - đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu giòn như gốm sứ, vật liệu tổng hợp và nhựa trong đó lỗi kẹp kéo khiến việc kiểm tra độ bền kéo trực tiếp trở nên khó khăn. Các tiêu chuẩn bao gồm ISO 178 và ASTM D790 cho nhựa và ISO 6872 cho gốm sứ nha khoa.

Kiểm tra độ bám dính bóc và cắt

Các mối nối dính, lớp mỏng, băng keo và lớp phủ được kiểm tra bằng cách bong tróc ở các góc xác định (90°, 180°, vỏ chữ T) hoặc cắt trên mặt phẳng của liên kết. Kết quả được biểu thị bằng chiều rộng N/mm đối với thử nghiệm bóc vỏ hoặc MPa đối với thử nghiệm cắt lớp phủ. Quan trọng đối với bao bì, chất kết dính ô tô và chất lượng chất kết dính của thiết bị y tế.

Kiểm tra khả năng chống rách

Màng, vải dệt và tấm cao su mỏng được kiểm tra khả năng chống lan truyền vết rách bằng cách sử dụng cấu hình kiểm tra vết rách quần, lưỡi hoặc góc theo ISO 34 hoặc ASTM D1004. Lực cực đại và lực xé trung bình được báo cáo.

Kiểm tra tải và thành phần bằng chứng

Các bộ phận đã hoàn thiện - ốc vít, lò xo, xích, dây thừng, dây đai an toàn, thiết bị cấy ghép y tế - được kiểm tra bằng cách áp dụng một tải trọng kiểm chứng quy định và xác minh rằng không xảy ra biến dạng vĩnh viễn hoặc bằng cách kiểm tra độ phá hủy để xác minh tải trọng đứt tối thiểu. A 500 kN UTM thường được sử dụng để kiểm tra bằng chứng thiết bị nâng và dây chuyền theo EN 818 và các tiêu chuẩn tương tự.

Cấu hình và loại khung của máy thử nghiệm đa năng

UTM được sản xuất theo nhiều cấu hình vật lý, mỗi cấu hình phù hợp với phạm vi tải khác nhau, hạn chế về không gian và loại thử nghiệm:

Thông số kỹ thuật chính khi lựa chọn thiết bị kiểm tra độ bền kéo đa năng

Việc chọn UTM chính xác cho môi trường phòng thí nghiệm hoặc sản xuất đòi hỏi phải đánh giá các thông số kỹ thuật vượt quá khả năng chịu tải tiêu chuẩn. Các thông số sau ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo, tính linh hoạt của phép thử và tiện ích lâu dài:

Khả năng chịu tải và độ phân giải lực

Khả năng chịu tải định mức của máy phải vượt quá lực tối đa dự kiến trong quá trình thử nghiệm - thường chọn khung ở Sử dụng 60–80% thay vì 100%, để đảm bảo độ chính xác ở mức tải thấp hơn và tránh tình trạng quá tải. Độ phân giải lực (độ tăng lực nhỏ nhất có thể đo được) cũng quan trọng như nhau: khung 100 kN có thể có độ phân giải chỉ 1–10 N, không đủ để kiểm tra màng mỏng bị vỡ ở 5–50 N. Trong những trường hợp như vậy, cảm biến tải trọng công suất thấp hơn (ví dụ: 500 N) được lắp vào khung lớn hơn sẽ cung cấp độ phân giải cần thiết.

Phạm vi tốc độ đầu chéo

Các tiêu chuẩn thử nghiệm chỉ định tốc độ đầu trượt cho các vật liệu khác nhau và các thử nghiệm - ISO 6892-1 cho kim loại chỉ định tốc độ biến dạng của 0,00025–0,0025 giây⁻¹ trong vùng đàn hồi, trong khi ISO 527 cho nhựa sử dụng tốc độ đầu trượt là 1–500 mm/phút . Phạm vi tốc độ của máy phải đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn hiện hành. Hầu hết các UTM cơ điện đều cung cấp tốc độ từ 0,001 mm/phút đến 1.000 mm/phút , bao gồm phần lớn các yêu cầu kiểm tra bán tĩnh.

Không gian thử nghiệm (Ánh sáng ban ngày)

Khoảng cách thẳng đứng giữa các kẹp ở khoảng cách tối đa xác định chiều dài mẫu tối đa mà máy có thể đáp ứng. Để kiểm tra độ bền kéo bằng máy đo độ giãn, tối thiểu Ánh sáng ban ngày 400–600 mm thường cần thiết cho các mẫu kim loại tiêu chuẩn theo ISO 6892. Các mẫu dài hơn (dây, cáp, cốt thép) yêu cầu máy nằm ngang hoặc khung dọc với 1.500–3.000 mm ánh sáng ban ngày .

Lớp chính xác và hiệu chuẩn

Độ chính xác của UTM được phân loại theo ISO 7500-1 (kim loại) hoặc ASTM E4 (Hoa Kỳ). Loại 0,5 cho biết máy đo lực bên trong ± 0,5% giá trị được chỉ định từ 1% đến 100% công suất của tế bào tải. Loại 1 (±1%) phù hợp cho hầu hết các ứng dụng kiểm soát chất lượng công nghiệp. Cần phải hiệu chuẩn hàng năm bởi phòng thí nghiệm được công nhận để duy trì độ chính xác có thể theo dõi nhằm thử nghiệm theo tiêu chuẩn quốc tế.

Phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu

Các UTM hiện đại được vận hành thông qua phần mềm dựa trên PC để điều khiển chuyển động của con trượt, thu thập dữ liệu lực và chuyển vị ở tốc độ lấy mẫu thường từ 10 Hz đến 2.500 Hz , tự động tính toán các đặc tính vật liệu và tạo báo cáo thử nghiệm. Các yêu cầu phần mềm chính bao gồm:

• Phương pháp thử nghiệm được lập trình sẵn theo tiêu chuẩn chung (ISO, ASTM, EN, DIN, GB)
• Tự động tính toán tất cả các đặc tính vật liệu cần thiết từ đường cong dữ liệu thô
• Phân tích thống kê nhiều mẫu vật (trung bình, độ lệch chuẩn, tối thiểu/tối đa)
• Xuất sang các định dạng tiêu chuẩn (CSV, Excel, PDF) và tích hợp với hệ thống LIMS
• Tuân thủ 21 CFR Phần 11 đối với các phòng thí nghiệm dược phẩm và thiết bị y tế yêu cầu hồ sơ điện tử và quy trình kiểm tra

Tay cầm và đồ gá: Giao diện giữa máy và mẫu

Hệ thống kẹp được cho là yếu tố quan trọng nhất để đạt được kết quả kiểm tra độ bền kéo hợp lệ. Việc kẹp không đúng cách có thể gây trượt mẫu (cường độ báo cáo thấp) hoặc hỏng sớm ở bề mặt kẹp (làm mất hiệu lực dữ liệu vết nứt). UTM chỉ hoạt động tốt khi có thiết bị cố định phù hợp với mẫu cụ thể đang được thử nghiệm.

Các kiểu cầm phổ biến

• Tay cầm nêm (tự siết chặt) - loại kẹp phổ biến nhất dành cho các mẫu kim loại phẳng và tròn, nhựa và composite; lực bám tăng khi tải kéo tăng; thích hợp cho tải từ 1 kN đến 600 kN ; có sẵn trong các phiên bản khí nén, thủy lực và siết chặt bằng tay
• Tay nắm khí nén - áp suất không khí đóng các hàm với lực kẹp ổn định và được kiểm soát; ưu tiên cho các vật liệu mềm (cao su, xốp, vải) mà việc siết chặt bằng tay sẽ gây hư hỏng; chính xác và có thể lặp lại giữa các mẫu vật
• Chốt và chốt kẹp - để thử nghiệm các mẫu có lỗ (khớp nối bu lông, mắt xích, thanh ren, dây đai an toàn); tải trọng được tác dụng thông qua một chốt chứ không phải do ma sát bề mặt
• Tay nắm Capstan (cốt) - đối với dây, sợi và sợi có thể bị hỏng do kẹp; mẫu vật được quấn quanh một cái trống, sử dụng ma sát để phát triển lực kẹp dần dần
• Trục ép nén - các tấm thép phẳng, cứng để thử nén các hình khối, hình trụ và đĩa; phải được đặt theo hình cầu để phù hợp với sự không song song của mẫu vật nhỏ

Các tiêu chuẩn quốc tế quan trọng để kiểm tra độ bền kéo phổ quát

Thử nghiệm vật liệu phải tuân theo các tiêu chuẩn đã được công bố xác định hình dạng mẫu vật, tốc độ thử nghiệm, điều kiện môi trường và phương pháp tính toán. Việc sử dụng đúng tiêu chuẩn cho vật liệu và ứng dụng là điều bắt buộc để kết quả có ý nghĩa, có thể so sánh được và tuân thủ các thông số kỹ thuật của vật liệu hoặc yêu cầu quy định.

Máy kiểm tra độ bền kéo UTM và chuyên dụng: Khi nào nên chọn từng loại

Một người tận tâm máy kiểm tra độ bền kéo được tối ưu hóa cho một loại thử nghiệm duy nhất - thường chỉ căng thẳng - với thiết kế đơn giản hơn, chi phí thấp hơn và đôi khi thông lượng cao hơn cho môi trường thử nghiệm vật liệu đơn khối lượng lớn. Một máy thử nghiệm đa năng có giá cao hơn nhưng mang lại sự linh hoạt để thực hiện nhiều loại thử nghiệm khi nhu cầu của phòng thí nghiệm ngày càng phát triển.

• Chọn máy đo độ bền kéo chuyên dụng khi: phòng thí nghiệm kiểm tra một loại vật liệu với khối lượng lớn (ví dụ: kiểm tra dây đến tại nhà máy kéo dây), ngân sách bị hạn chế và không có loại thử nghiệm nào khác được dự kiến
• Chọn máy kiểm tra đa năng khi: phòng thí nghiệm kiểm tra nhiều loại vật liệu hoặc thực hiện nhiều loại thử nghiệm (kéo, nén, uốn, bong tróc); hỗn hợp nguyên liệu có thể thay đổi theo thời gian; hoặc thử nghiệm nghiên cứu và phát triển đòi hỏi sự linh hoạt trong cấu hình thử nghiệm

Đối với hầu hết các phòng thí nghiệm R&D và kiểm soát chất lượng công nghiệp, UTM là lựa chọn chính xác. Chi phí bổ sung cho máy kiểm tra độ bền kéo chuyên dụng thường được phục hồi trong vòng vài tháng do tránh được nhu cầu mua thiết bị riêng để kiểm tra độ nén, độ uốn hoặc độ bám dính.

Phụ kiện kiểm tra môi trường và nhiệt độ

Nhiều vật liệu hoạt động rất khác ở nhiệt độ khác với môi trường xung quanh - polyme trở nên giòn ở nhiệt độ thấp, kim loại bị biến dạng ở nhiệt độ cao và chất kết dính có thể mềm ra khi nhiệt. Máy thử nghiệm đa năng có thể được trang bị buồng môi trường để mở rộng khả năng thử nghiệm trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát.

• Buồng môi trường (nhiệt độ) - lắp xung quanh vùng thử nghiệm của UTM; phạm vi điển hình −70°C đến 350°C ; cho phép thử nghiệm độ bền kéo, nén và uốn ở nhiệt độ không phải môi trường xung quanh theo các tiêu chuẩn như ISO 6892-2 (thử độ bền kéo kim loại ở nhiệt độ cao)
• Buồng đo độ ẩm - kiểm soát độ ẩm tương đối từ 10% đến 98% RH đồng thời với nhiệt độ; được sử dụng để thử nghiệm các vật liệu hút ẩm (nylon, giấy, gỗ) và các sản phẩm đủ tiêu chuẩn cho môi trường nhiệt đới hoặc lạnh
• Thiết bị tắm chất lỏng - ngâm mẫu trong chất lỏng (nước, dầu, dung dịch hóa học) trong quá trình thử nghiệm; được sử dụng để đánh giá chất lượng của con dấu, vòng chữ O và vật liệu trong dịch vụ hóa học
• Tay cầm đông lạnh - cho phép thử nghiệm trong nitơ lỏng ( −196°C ) cho vật liệu hàng không vũ trụ, dây siêu dẫn và các ứng dụng kết cấu nhiệt độ thấp