Kiểm tra nén là gì và máy hoạt động như thế nào?

Thử nghiệm nén là một phương pháp thử nghiệm cơ học áp dụng tải nén có kiểm soát lên vật liệu hoặc thành phần để đo hành vi của nó dưới lực nén - cụ thể là cường độ nén, đặc tính biến dạng và điểm phá hoại . A máy thử nén (còn được gọi là máy kiểm tra độ nén hoặc máy kiểm tra đa năng ở chế độ nén) cung cấp và đo tải này một cách chính xác. Kết quả cho các kỹ sư biết liệu vật liệu có đủ bền, đủ cứng hay đủ dẻo cho ứng dụng dự kiến ​​hay không.

Kiểm tra nén thực sự đo lường điều gì

Khi một lực nén được tác dụng lên mẫu vật, vật liệu sẽ phản ứng theo những cách có thể đo lường được. Thử nghiệm nén nắm bắt đồng thời một số tính chất cơ học quan trọng:

• Cường độ nén: Ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi bị hỏng, được biểu thị bằng MPa hoặc psi. Ví dụ, bê tông thường có cường độ nén là 20–40 MPa đối với các cấp kết cấu tiêu chuẩn.
• Cường độ năng suất nén: Ứng suất tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn mà chưa bị gãy - rất quan trọng đối với kim loại và polyme.
• Mô đun Young (mô đun đàn hồi) khi nén: Tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng đàn hồi, biểu thị độ cứng.
• Biến dạng và biến dạng khi phá hủy: Mức độ nén của mẫu trước khi vỡ, biểu thị độ giòn hoặc độ dẻo.
• Tải trọng nghiền và hấp thụ năng lượng: Đối với bao bì và các bộ phận va chạm của ô tô, cấu trúc sẽ hấp thụ bao nhiêu lực và năng lượng trước khi sụp đổ.

Bài kiểm tra tạo ra một đường cong căng thẳng - biểu đồ vẽ biểu đồ ứng suất ứng suất chống lại biến dạng sinh ra - là kết quả chính mà các kỹ sư sử dụng để xác nhận thiết kế và đánh giá chất lượng vật liệu.

Máy kiểm tra nén hoạt động như thế nào

Máy thử nén áp dụng một lực tăng dần đo được lên mẫu thử được giữ giữa hai tấm ép cứng. Nguyên lý hoạt động cốt lõi rất đơn giản: một trục lăn được cố định, trục kia di chuyển về phía nó với tốc độ được kiểm soát, ép mẫu vào giữa chúng. Cảm biến tải trọng đo lực tác dụng theo thời gian thực; đầu dò dịch chuyển hoặc máy đo độ giãn đo sự thay đổi chiều cao của mẫu vật.

Các thành phần chính của máy thí nghiệm nén

• Tải khung: Xương sống kết cấu - thường là cột thép hoặc khung bốn trụ - phải đủ cứng để hấp thụ phản lực mà không bị lệch. Độ cứng của khung ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả.
• Thiết bị truyền động (đầu chữ thập): Phần tử chuyển động tác dụng lực nén. Nó được dẫn động bởi piston thủy lực, vít bi cơ điện hoặc động cơ servo tùy thuộc vào loại máy.
• Tải tế bào: Một bộ chuyển đổi lực chính xác để đo tải trọng tác dụng. Độ chính xác điển hình là ± 0,5% tải được chỉ định theo hiệu chuẩn ISO 7500-1 Loại 1.
• Tấm ép nén: Các tấm thép cứng (thường là HRC 60) tiếp xúc với mẫu. Các trục lăn hình cầu tự sắp xếp đảm bảo phân bổ tải trọng đồng đều ngay cả khi bề mặt mẫu thử không song song hoàn toàn.
• Hệ thống đo chuyển vị: Bộ mã hóa vị trí đầu chữ thập hoặc máy đo độ giãn kẹp theo dõi biến dạng để Độ phân giải ±0,001 mm trên các máy chính xác.
• Hệ thống và phần mềm điều khiển: Các máy hiện đại sử dụng điều khiển servo vòng kín để duy trì tốc độ đầu trượt không đổi (điều khiển chuyển vị) hoặc tốc độ tải không đổi (điều khiển tải). Phần mềm ghi lại dữ liệu và tự động tạo ra các đường cong ứng suất-biến dạng.

Máy thử nén thủy lực và cơ điện

Hai công nghệ truyền động nổi trội khác nhau đáng kể về khả năng và ứng dụng:

Quy trình kiểm tra nén tiêu chuẩn

Hầu hết các thử nghiệm nén đều tuân theo một trình tự tiêu chuẩn bất kể loại vật liệu hay loại máy nào. Đi chệch khỏi quy trình - đặc biệt là trong việc chuẩn bị mẫu vật - là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến kết quả không chính xác.

1. Chuẩn bị mẫu: Gia công mẫu theo hình dạng yêu cầu. Đối với kim loại, ASTM E9 quy định tỷ lệ chiều cao trên đường kính là 1:1 đến 3:1 . Đối với các khối bê tông, BS EN 12390-3 yêu cầu các mẫu có kích thước 150mm × 150mm × 150mm với bề mặt được mài phẳng trong khoảng 0,05 mm.
2. Đo kích thước: Đo diện tích mặt cắt ngang để tính ứng suất (Fhoặcce / Diện tích). Sai số 1% trong phép đo đường kính gây ra sai số 2% trong cường độ nén được báo cáo.
3. Cài đặt máy: Chọn phạm vi cảm biến tải trọng thích hợp (tải trọng mẫu bị lỗi phải nằm trong khoảng từ 20% đến 80% toàn thang đo để có độ chính xác tốt nhất). Hiệu chỉnh độ lệch không tải.
4. Vị trí đặt mẫu: Đặt mẫu ở giữa tấm ép phía dưới. Sự lệch tâm tạo ra tải lệch tâm, tạo ra kết quả thấp giả tạo và các dạng hư hỏng không đối xứng.
5. Bôi trơn (nếu cần): Một số tiêu chuẩn yêu cầu chất bôi trơn trên các trục lăn để giảm lực cản ngang do ma sát gây ra, điều này có thể làm tăng độ bền biểu kiến một cách giả tạo lên 10–20%.
6. Thực hiện thử nghiệm: Áp dụng tải ở mức quy định. ASTM C39 cho bê tông quy định 0,25 ± 0,05 MPa/s . Tốc độ tải cao hơn tạo ra cường độ rõ ràng cao hơn.
7. Thu thập và phân tích dữ liệu: Ghi lại lực và chuyển vị liên tục. Phần mềm tự động tính toán ứng suất cực đại, điểm chảy dẻo, mô đun đàn hồi và năng lượng khi bị hỏng.

Các ngành công nghiệp và ứng dụng chính để thử nghiệm nén

Thử nghiệm nén là nền tảng trong nhiều lĩnh vực, mỗi lĩnh vực có các tiêu chuẩn và yêu cầu cụ thể:

Xây dựng và Kỹ thuật Xây dựng

Thử nghiệm nén bê tông là thử nghiệm cơ học được thực hiện thường xuyên nhất trên thế giới. Mỗi lần đổ bê tông kết cấu đều yêu cầu thử nghiệm khối lập phương hoặc hình trụ theo ASTM C39 or BS EN 12390-3 để xác minh cường độ thiết kế quy định (f'c) đã đạt được trước khi chất tải. Một dự án cao tầng điển hình có thể thử nghiệm hàng trăm mẫu vật mỗi tầng . Thử nghiệm cơ học đá cho thiết kế đường hầm và nền móng cũng dựa vào thử nghiệm nén một trục theo tiêu chuẩn ISRM.

Kim loại và hợp kim

Trong khi kiểm tra độ bền kéo chiếm ưu thế trong việc đánh giá chất lượng kim loại, thì kiểm tra độ nén là cần thiết đối với các kim loại giòn (gang xám, cacbua xi măng) có độ nén mạnh hơn độ căng và để mô tả các quá trình tạo hình khối như rèn và cán. Hợp kim nhôm hàng không vũ trụ được thử nghiệm nén theo ASTM E9 để xác nhận mô phỏng hình thành.

Polyme, bọt và cao su

Bọt polyurethane được sử dụng trong ghế ngồi, bao bì và vật liệu cách nhiệt ô tô được kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM D1621 để đo cường độ chịu nén và lực biến dạng nén 25% (CLD). Các hợp chất cao su được sử dụng trong bộ cách ly rung được thử nghiệm nén để xác minh độ cứng dưới tải trọng sử dụng. Các thử nghiệm này sử dụng máy cơ điện ở tốc độ rất thấp (1–10 mm/phút).

Công nghiệp dược phẩm và thực phẩm

Kiểm tra độ cứng của máy tính bảng - một hình thức kiểm tra độ nén - là bắt buộc đối với mỗi lô dược phẩm để xác nhận rằng máy tính bảng sẽ tồn tại trong bao bì và xử lý mà không bị vỡ vụn mà vẫn hòa tan chính xác trong cơ thể. Giá trị độ cứng mục tiêu thường nằm trong khoảng 4 và 40 kP (kilopond) . Phân tích kết cấu thực phẩm sử dụng đầu dò nén thu nhỏ để đo độ giòn, độ cứng và độ dai của các sản phẩm từ phô mai đến bánh quy.

Bao bì

Kiểm tra nén hộp (BCT) mỗi ASTM D642 đo độ bền xếp chồng của hộp các tông sóng - tải trọng tối đa mà hộp có thể chịu được trước khi sụp đổ. Điều này trực tiếp xác định số lượng hộp có thể được xếp chồng lên nhau trong một nhà kho hoặc container vận chuyển. Hộp sóng bán lẻ điển hình phải chịu được 300–1.000 lb của lực nén.

Tiêu chuẩn kiểm tra nén chung theo ngành

Kiểm tra nén và kiểm tra độ bền kéo: Khi nào nên sử dụng cái nào

Cả hai thử nghiệm đều mô tả đặc tính cơ học nhưng chúng thăm dò các dạng hư hỏng khác nhau. Việc lựa chọn chính xác rất quan trọng vì một số vật liệu hoạt động rất khác nhau khi bị căng và bị nén:

• Bê tông chỉ có độ bền kéo 10% cường độ nén của nó - đó là lý do tại sao cốt thép được thêm vào. Kiểm tra nén là phương pháp mô tả đặc tính chính.
• Gang lực nén mạnh hơn 3–4× so với lực căng. Giá trị cường độ nén được sử dụng để thiết kế cột và bề mặt chịu lực.
• Kết cấu thép có cường độ chịu kéo và nén gần bằng nhau, nhưng thử nghiệm độ bền kéo là phương pháp đánh giá tiêu chuẩn (ASTM A370).
• Bọt hầu như chỉ có đặc điểm là nén vì tải dịch vụ chính của nó là nén chứ không kéo dài.
• vật liệu tổng hợp thường yêu cầu cả hai - tấm sợi carbon có thể có cường độ nén Thấp hơn 40–60% so với độ bền kéo do sự uốn cong vi mô của sợi.

Lựa chọn máy kiểm tra độ nén phù hợp

Máy phù hợp phụ thuộc vào năm thông số chính. Việc chỉ định không chính xác bất kỳ một trong số chúng - đặc biệt là khả năng chịu tải - sẽ tạo ra kết quả không chính xác hoặc tạo ra các mối nguy hiểm về an toàn.

Khả năng chịu tải

Chọn một máy có tải tối đa dự kiến của bạn nằm trong khoảng 20% và 80% công suất toàn máy . Việc thử nghiệm mẫu 50 kN trên máy ép bê tông 2.000 kN sẽ gây lãng phí vốn và giảm độ phân giải. Thử nghiệm khối bê tông 1.500 kN trên máy 500 kN có nguy cơ thất bại thảm hại.

Kích thước và hình học trục lăn

Các tấm ép phải lớn hơn mặt cắt ngang của mẫu vật. Máy thí nghiệm bê tông thường sử dụng Tấm tối thiểu 200mm × 200mm ; kiểm tra bọt có thể sử dụng đầu dò 50mm × 50mm hoặc hình tròn. Một trục lăn phải kết hợp với một mặt ngồi hình cầu tự sắp xếp để phù hợp với sự không song song của bề mặt.

Phạm vi tốc độ đầu chéo

Xác nhận phạm vi tốc độ của máy đáp ứng tiêu chuẩn kiểm tra cần thiết của bạn. Các thử nghiệm polyme và bọt có thể yêu cầu tốc độ thấp như 1mm/phút ; các thử nghiệm nén tác động sử dụng tốc độ trên 1.000 mm/phút. Hầu hết các máy cơ điện tiêu chuẩn đều bao gồm 0,001 đến 500 mm/phút .

Khả năng tương thích của buồng môi trường

Nếu bạn cần kiểm tra ở nhiệt độ cao hoặc thấp hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, hãy xác nhận hình dạng khung máy phù hợp với buồng nhiệt độ và cảm biến tải trọng được định mức cho phạm vi nhiệt độ yêu cầu.

Yêu cầu hiệu chuẩn và tuân thủ

Đối với các ứng dụng quan trọng về chất lượng (kết cấu bê tông, hàng không vũ trụ, dược phẩm), máy phải được hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn quốc gia có thể truy nguyên. ISO 7500-1 Loại 1 hiệu chuẩn (độ chính xác ± 1%) là mức tối thiểu cho hầu hết các ứng dụng kết cấu; Loại 0,5 (± 0,5%) là cần thiết cho nghiên cứu vật liệu chính xác. Hiệu chuẩn thường được yêu cầu hàng năm hoặc cứ sau 500 giờ hoạt động , tùy điều kiện nào đến trước.

Các nguồn lỗi chính trong kiểm tra nén

Hiểu được lỗi bắt nguồn từ đâu cho phép các phòng thí nghiệm kiểm soát chúng một cách có hệ thống. Các nguồn lỗi có ảnh hưởng lớn nhất là:

• Bề mặt mẫu không song song: Độ nghiêng 1° tạo ra sự tập trung ứng suất có thể làm giảm cường độ đo được bằng 15–25% . Việc mài đầu trong phạm vi 0,05mm là điều cần thiết đối với kim loại và bê tông.
• Ma sát giữa mẫu và tấm ép: Các tấm thép không được bôi trơn trên các mẫu kim loại tạo ra hiệu ứng "nòng" hạn chế sự giãn nở theo chiều ngang một cách giả tạo, làm tăng cường độ biểu kiến.
• Tốc độ tải không chính xác: Tải nhanh hơn tạo ra sức mạnh cao hơn. Tỷ lệ tải 10× tỷ lệ quy định có thể tăng cường độ nén của bê tông lên 5–10%.
• Cảm biến tải trọng không hiệu chuẩn: Độ lệch điểm 0 hoặc khoảng đo của cảm biến tải trọng sẽ không thể nhìn thấy được nếu không hiệu chuẩn định kỳ. Lỗi khoảng 2% trực tiếp chuyển thành lỗi 2% trong mọi giá trị được báo cáo.
• Độ lệch tâm của mẫu: Việc đặt mẫu lệch tâm thậm chí 5 mm sẽ tạo ra mômen uốn che khuất hành vi nén thực sự.