만능재료시험기 사용 방법: 전체 가이드

에이 만능시험기 (UTM)은 제어된 힘을 적용하고 재료의 반응을 기록하여 인장 강도, 압축 강도, 굽힘 강도 및 신장률을 포함한 재료의 기계적 특성을 측정합니다. To use one correctly, you must select the right machine type (electronic or hydraulic), install the appropriate grips or fixtures, set test parameters in the software, zero the load and extension, then run the test while monitoring the load-displacement curve in real time. 이 가이드는 정확하고 반복 가능한 결과를 얻는 데 도움이 되는 실제 데이터와 비교를 통해 전자 및 유압 UTM의 모든 단계를 다룹니다.

전자식 및 유압식 만능재료 시험기: 어느 것이 필요합니까?

올바른 머신 유형을 선택하는 것이 가장 중요하고 중요한 결정입니다. 잘못된 플랫폼을 사용하면 부정확한 데이터가 생성되거나 표본과 장비가 손상될 수도 있습니다.

에이s a practical rule: 시편에 600kN 이상의 힘이 필요한 경우 유압식 UTM을 선택하십시오. 0.2mm 폴리머 필름 또는 생체의학 봉합사 테스트와 같은 정밀한 저하중 작업의 경우 10N 로드 셀을 갖춘 전자 UTM은 훨씬 더 의미 있는 데이터를 생성합니다.

작동하기 전에 이해해야 할 필수 구성 요소

기계 유형에 관계없이 모든 UTM은 동일한 핵심 구성 요소를 공유합니다. 이들 중 하나를 잘못 식별하거나 오용하는 것은 유효하지 않은 테스트 결과의 주요 원인입니다.

로드 프레임

테스트 중 모든 힘을 유지하는 구조적 백본입니다. 프레임은 최대 부하 용량에 따라 등급이 결정됩니다. 절대 초과하지 마세요 정격 프레임 용량의 80% 시간이 지남에 따라 프레임의 피로 손상을 방지하기 위해 일상적인 테스트를 수행합니다.

로드셀

기계적 힘을 전기 신호로 변환하는 힘 변환기입니다. 로드 셀에는 자체 용량 등급이 있습니다. 예를 들어, 100kN 프레임에 설치된 1kN 로드 셀은 해당 구성에 대해 기계가 효과적으로 1kN으로 제한된다는 의미입니다. 에이lways match the load cell to within 20–100% of the expected peak force of your specimen. 100kN 로드 셀을 사용하여 50N에서 파손되는 시편을 테스트하면 판독값이 신뢰할 수 없게 됩니다.

크로스헤드 및 액추에이터

전자 UTM에서 크로스헤드는 서보 모터로 구동되는 정밀 볼 스크류 또는 리드 스크류에 의해 구동됩니다. 유압 UTM에서 액추에이터(유압 램)는 가압된 유체를 통해 힘을 가합니다. 크로스헤드는 프로그래밍된 속도(일반적으로 mm/min로 표시)로 이동하여 시편의 변형률을 제어합니다.

그립 및 고정 장치

그립은 기계와 시편 사이의 인터페이스입니다. 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

• 웨지 액션 그립 — 하중이 가해지면 자동으로 조여지며 편평하거나 둥근 금속 시편에 이상적입니다.
• 공압식 그립 - 일관된 클램핑력, 얇은 필름과 고무에 적합
• 압축 플래튼 - 폼, 콘크리트 실린더 또는 태블릿의 압축 테스트를 위한 평판
• 3점 및 4점 굽힘 고정 장치 - 빔과 바의 굴곡 테스트용

신율계

에이 clip-on or non-contact (video or laser) device that measures actual specimen strain independently of crosshead displacement. 정확한 영률 계산을 위해서는 신율계가 필수입니다. — 크로스헤드 변위에는 기계 컴플라이언스와 그립 슬립이 포함되어 강성 측정에서 10~30%의 오류가 발생합니다.

단계별: 전자 만능재료 시험기 사용 방법

전자 UTM은 품질 관리 및 연구 실험실에서 가장 널리 사용되는 플랫폼입니다. 다음 절차에서는 ASTM E8, ISO 6892-1 또는 ASTM D638과 같은 표준을 준수하는 가장 일반적인 테스트 유형인 표준 인장 테스트를 다룹니다.

1. 기계의 전원을 켜고 제어 소프트웨어를 실행합니다. 에이llow a minimum 15-minute warm-up period so the servo drive and load cell electronics reach thermal equilibrium, reducing drift.
2. 올바른 로드셀을 선택하고 설치하십시오. 로드셀 라벨의 정격 용량을 확인하세요. 장착 패스너를 제조업체 사양에 맞게 토크로 조이십시오. 토크가 부족하면 신호 잡음이 발생합니다. 과도한 토크는 변환기를 손상시킬 수 있습니다.
3. 적절한 그립을 설치하십시오. ASTM D638에 따른 도그본(dog-bone) 인장 시편의 경우 웨지 액션 플랫 그립을 설치하십시오. 그립 표면이 깨끗하고 고르지 못한 클램핑을 유발할 수 있는 잔해물이 없는지 확인하십시오.
4. 소프트웨어에 시편 치수를 입력합니다. 보정된 캘리퍼를 사용하여 게이지 길이, 너비 및 두께를 측정합니다. 원형 시편의 경우 세 지점에서 직경을 측정하고 평균을 사용합니다. 소프트웨어는 이러한 값을 사용하여 엔지니어링 응력(힘 ¼ 원래 단면적)을 계산합니다.
5. 테스트 방법을 선택하거나 생성합니다. 정의: 테스트 유형(인장, 압축, 굴곡), 크로스헤드 속도(예: ISO 6892-1 방법 A에 따라 금속의 경우 5mm/분, ASTM D638에 따라 플라스틱의 경우 50mm/분), 하중 및 확장 제한, 데이터 수집 속도(일반적으로 10~100Hz).
6. 로드 및 확장을 0으로 설정합니다. 그립이 설치되었지만 시편에 하중이 가해지지 않은 경우 힘과 변위 채널을 모두 0으로 설정합니다. 이렇게 하면 힘 판독에서 그립의 무게가 제거됩니다.
7. 표본을 로드합니다. 시편을 아래쪽 그립에 먼저 삽입한 다음 위쪽 그립에 삽입합니다. 시편을 고정할 수 있을 만큼만 조임력을 가하십시오. 과도한 사전 응력은 항복점 측정에 영향을 미칩니다.
8. 에이ttach the extensometer (탄성률 또는 항복 변형률을 측정하는 경우) 칼날을 표시된 게이지 길이에 정확히 위치시키십시오. 게이지 길이가 50mm인 신율계의 경우 시편의 게이지 표시가 정확히 50mm 떨어져 있는지 확인합니다.
9. 테스트를 시작하세요. 실시간 하중-변위 곡선을 모니터링합니다. 대부분의 인장 시험에서 곡선은 선형 탄성 영역, 항복점(또는 비례 한계), 소성 변형 및 파손을 보여야 합니다.
10. 파손 후 시편 제거 테스트 보고서를 저장합니다. 소프트웨어는 기록된 데이터에서 UTS, 항복 강도, 파단 연신율 및 영률을 자동으로 계산합니다.

에이 typical electronic UTM tensile test on a steel coupon at 5 mm/min takes approximately 3–8 minutes from specimen loading to fracture, depending on ductility.

단계별: 유압 만능재료 시험기 사용 방법

유압식 UTM은 무거운 구조 테스트를 위한 표준 플랫폼입니다. 아래 절차는 강철 또는 콘크리트 시편의 고하중 인장 또는 압축 시험을 다룹니다.

1. 유압유 레벨과 상태를 점검하십시오. 유체가 부족하면 테스트 도중 압력 강하가 발생합니다. 오염된 유체는 서보 밸브 성능을 저하시킵니다. 설명서에 지정된 유체 등급(일반적으로 ISO VG 46 유압 오일)만 사용하십시오.
2. 유압 동력 장치(HPU)를 시작합니다. 에이llow the pump to run for 5–10 minutes to circulate fluid and reach operating temperature (typically 40–50°C). Most machines display fluid temperature on the control panel.
3. 테스트 구성을 선택합니다. ASTM C39에 따라 150mm 콘크리트 실린더에 대한 압축 테스트를 수행하려면 압축 플래튼을 설치하십시오. ASTM A615에 따른 철근 인장 시험을 위해 철근 직경에 맞는 유압식 웨지 그립을 설치하십시오.
4. 서보 컨트롤러를 구성합니다. 하중 제어 또는 변위 제어 모드를 설정합니다. 준정적 재료 테스트의 경우 정의된 속도(예: ASTM C39에 따라 콘크리트 압축에 대한 0.25 MPa/s 응력 속도)의 변위 제어가 표준입니다. 구조 부품 테스트의 경우 하중 제어가 일반적입니다.
5. 로드 셀 및 위치 변환기(LVDT)를 0으로 설정합니다. 하중을 받는 시편이 없으면 제어 소프트웨어나 전면 패널을 통해 두 채널을 모두 0으로 설정합니다.
6. 표본을 배치하고 고정합니다. 압축 시험의 경우 편심 하중을 방지하기 위해 ±1mm 이내로 상부 압반 아래의 중심에 시편을 배치합니다. 이로 인해 측정된 강도가 인위적으로 최대 15%까지 감소됩니다.
7. 에이pply a small pre-load (contact load). 유압 기계는 제어된 램프를 시작하기 전에 표본을 안착시키고 고정 장치의 느슨함을 제거하기 위해 작은 예압(일반적으로 예상 최대 값의 1~5%)의 이점을 얻습니다.
8. 테스트를 실행합니다. 서보 밸브는 프로그래밍된 부하 또는 변위 속도를 유지하기 위해 유압 흐름을 조절합니다. 시스템 압력 모니터링 - 압력이 릴리프 밸브 설정에 가까워지면 즉시 테스트를 중지하십시오.
9. 에이fter specimen failure, reduce pressure slowly 그립을 열거나 압반을 제거하기 전에. 갑작스러운 압력 해제로 인해 고하중 설정에서 고정 장치가 빠질 수 있습니다.
10. HPU 종료 모든 테스트를 마친 후. 펌프를 불필요하게 작동 상태로 두면 유체와 씰의 성능이 저하됩니다.

테스트 매개변수를 올바르게 설정하기: 데이터 품질을 결정하는 세부 사항

잘못된 테스트 매개변수는 재현 불가능한 UTM 결과의 상당 부분을 차지합니다. 다음 설정에 세심한 주의를 기울이십시오.

크로스헤드 속도 및 변형률

많은 사용자는 변형률로 변환되는 방식을 고려하지 않고 크로스헤드 속도를 mm/min 단위로 입력합니다. 변형률(s⁻¹) = 크로스헤드 속도 ¼ 게이지 길이. 5mm/min의 속도로 테스트된 50mm 게이지 길이 시편의 경우 변형률은 다음과 같습니다. 0.1분⁻²(0.00167초⁻²) . 표준 변형률을 10배 초과하면 연강의 측정된 항복 강도가 5~15% 증가하여 비교할 수 없는 데이터가 생성될 수 있습니다.

테스트 중지 조건

에이lways define at least two stop conditions in the software:

• 부하 강하(피크 부하의 %) — 일반적으로 파손을 자동으로 감지하기 위해 최고점에서 20~40% 부하 강하로 설정됩니다.
• 최대 확장 한도 — 크로스헤드가 그립 분리 범위를 넘어 이동하여 기계가 손상되는 것을 방지합니다.

데이터 획득률

느린 준정적 테스트(50mm/분의 플라스틱, 복합재)의 경우 10Hz이면 충분합니다. 빠른 파손 테스트 또는 충격 인접 테스트의 경우 100~1,000Hz로 증가합니다. 속도가 너무 낮으면 정확한 항복점이나 최대 하중을 놓치게 되어 UTS 값이 과소보고됩니다.

예압

에이 small preload (0.5–2% of expected failure load) removes initial slack and confirms the specimen is properly seated. However, 예압을 가한 후 신율계를 0으로 설정하지 마십시오. 테스트 표준에서 명시적으로 요구하지 않는 한 이는 인위적으로 변형 기준선을 상쇄하기 때문입니다.

일반적인 테스트 유형 및 표준 절차

만능재료시험기 인장 시험에만 국한되지 않습니다. 다음 표에는 가장 일반적인 테스트 유형, 관련 표준 및 주요 설정 참고 사항이 요약되어 있습니다.

건너뛸 수 없는 안전 수칙

만능재료시험기는 좁은 공간에서 엄청난 힘을 발생시킵니다. 100kN 인장 시편 파손은 상당한 기계적 충격에 해당하는 에너지를 방출합니다. 엄격한 안전 프로토콜은 작업자와 장비를 보호합니다.

• 에이lways wear safety glasses and, for high-force hydraulic tests, a face shield. 표본 조각과 그립 구성 요소는 고에너지 골절 중에 심각한 부상을 입혔습니다.
• 특히 예고 없이 부서지는 깨지기 쉬운 재료(세라믹, 유리, 주철)의 경우 테스트 영역 주변에 안전 쉴드 또는 가드를 설치하십시오.
• 테스트 중에는 절대로 하중 축과 나란히 서지 마십시오. 기계 옆에 몸을 위치시키십시오.
• 크로스헤드 이동의 양쪽 끝에 하드웨어 제한 스위치를 설정합니다. 이는 소프트웨어와 독립적인 물리적 정지 기능을 제공하여 크로스헤드가 과도하게 이동하여 로드 셀이나 프레임을 손상시키는 것을 방지합니다.
• 유압 UTM의 경우, 시스템의 정격 작동 압력을 초과하지 마십시오. (일반적으로 210~280bar). 과압은 유압 라인이나 씰을 파열시킬 수 있습니다.
• 각 세션 전에 그립과 고정 장치에 균열이나 마모가 있는지 검사하십시오. 하중을 받은 그립 실패는 UTM 실험실에서 가장 위험한 실패 모드 중 하나입니다.

교정 및 검증: 결과 추적 가능 유지

보정되지 않은 UTM은 엔지니어링 결정에 사용할 수 없거나 고객에게 보고할 수 없는 데이터를 생성합니다. 대부분의 품질 시스템에는 최소한 연간 교정이 필요합니다.

강제 교정

인증된 분동식 기계 또는 기준 로드 셀(ISO 7500-1에 따른 클래스 0.5)을 사용하여 수행됩니다. UTM은 다음 범위 내에서 읽어야 합니다. 적용된 기준 힘의 ±1% 로드 셀의 전체 범위에 걸쳐 각 교정 지점에서. 교정은 로드 셀 용량의 20%에서 100%까지 최소 5개 지점을 포괄해야 합니다.

크로스헤드 변위 검증

보정된 LVDT 또는 다이얼 게이지를 사용하여 크로스헤드가 명령된 거리만큼 이동하는지 확인합니다. 전자 UTM의 경우 정확도는 일반적으로 판독값의 ±0.5% 이내입니다. 유압 UTM은 일반적으로 ±1% 이내입니다.

신율계 Calibration

신율계s must be calibrated to ISO 9513 Class 1 or ASTM E83 Class B1 for modulus measurements. This involves displacing the extensometer a known amount using a micrometer stage and comparing the output. Recalibrate after any drop or physical impact.

국가 표준(NIST, NPL, PTB 등)에 대한 추적성을 갖춘 모든 교정 인증서를 파일에 보관하고 감사 중에 액세스할 수 있습니다. 항공우주(AS9100) 또는 자동차(IATF 16949)와 같은 규제 산업에서는 교정되지 않은 UTM을 사용하면 마지막 유효한 교정 이후 생성된 모든 테스트 데이터가 무효화됩니다.

가장 자주 발생하는 문제 해결

숙련된 운영자라도 반복되는 문제에 직면합니다. 가장 일반적인 문제와 근본 원인은 다음과 같습니다.

그립에서 시편이 미끄러짐

시편 파손 없이 급격한 하중 강하 또는 톱니형 하중 곡선으로 표시됩니다. 원인: 그립 면 마모, 시편 형상에 대한 잘못된 그립 유형, 시편 표면 오염(오일, 습기) 또는 불충분한 클램핑 압력. 해결 방법: 그립 인서트를 교체하고, 시편 끝 부분을 청소하거나, 매끄러운 시편을 위해 톱니 모양 면으로 전환합니다.

비선형 초기 응답(발가락 영역)

에이 curved initial portion of the stress-strain curve before the linear elastic region indicates specimen misalignment, slack in the load train, or specimen end tabs not parallel. Per ASTM E111, the toe region must be corrected by offsetting the strain axis to the intersection of the linear elastic slope and the strain axis. This is done in post-processing in the software.

불규칙한 부하 판독(전자 UTM)

일반적으로 로드 셀 케이블 손상, 전기 접지 불량, 근처 장비의 진동 또는 전자기 간섭으로 인해 발생합니다. 먼저 케이블 커넥터를 확인하십시오. 이렇게 하면 신호 잡음 문제의 60% 이상이 해결됩니다. 프레임이 건물 접지에 적절하게 접지되어 있는지 확인하십시오.

불안정 부하 제어(유압 UTM)

부하 제어 모드의 진동 부하는 서보 밸브 오염, 유압 라인의 공기 또는 시편 강성에 대한 잘못된 PID 조정을 나타냅니다. 공기를 제거하려면 유압 회로를 빼내십시오. 진동이 지속되면 서보 밸브를 청소하거나 교체해야 할 수 있습니다. 이는 자격을 갖춘 기술자의 서비스 작업입니다.

장기적인 신뢰성을 위한 정기 유지보수 일정

예방적 유지보수는 UTM의 사용 수명을 직접적으로 결정합니다. 잘 관리된 기계는 정기적으로 20년 동안 작동합니다. 아래 일정을 따르십시오.

유압 UTM의 경우, 유체 청결도는 가장 중요한 유지 관리 요소입니다. . 오염된 유체는 서보 밸브 고장의 70% 이상을 차지하며, 이는 가장 비용이 많이 드는 유압 UTM 수리 중 하나이며 종종 밸브 교체당 $3,000~$15,000의 비용이 듭니다.