การทดสอบแรงอัดคืออะไร และเครื่องจักรทำงานอย่างไร

การทดสอบแรงอัดเป็นวิธีการทดสอบทางกลที่ใช้แรงอัดที่มีการควบคุมกับวัสดุหรือส่วนประกอบเพื่อวัดพฤติกรรมภายใต้แรงบีบ — โดยเฉพาะ กำลังอัด ลักษณะการเสียรูป และจุดชำรุด . ก เครื่องทดสอบแรงอัด (หรือที่เรียกว่าเครื่องทดสอบแรงอัดหรือเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ในโหมดการบีบอัด) ส่งมอบและวัดโหลดนี้ด้วยความแม่นยำ ผลลัพธ์ที่ได้จะบอกวิศวกรว่าวัสดุมีความแข็งแรงเพียงพอ แข็งเพียงพอ หรือมีความเหนียวเพียงพอสำหรับการใช้งานตามที่ต้องการ

การทดสอบแรงอัดวัดค่าอะไรได้จริง

เมื่อใช้แรงอัดกับชิ้นงานทดสอบ วัสดุจะตอบสนองในลักษณะที่วัดได้ การทดสอบแรงอัดจะจับคุณสมบัติทางกลที่สำคัญหลายประการพร้อมกัน:

• แรงอัด: ความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถคงอยู่ได้ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย แสดงเป็น MPa หรือ psi ตัวอย่างเช่น คอนกรีต โดยทั่วไปจะมีกำลังอัดเท่ากับ 20–40 เมกะปาสคาล สำหรับเกรดโครงสร้างมาตรฐาน
• กำลังรับแรงอัด: ความเครียดที่วัสดุเริ่มเปลี่ยนรูปอย่างถาวรโดยยังไม่แตกหัก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อโลหะและโพลีเมอร์
• โมดูลัสของ Young (โมดูลัสยืดหยุ่น) ในการบีบอัด: อัตราส่วนของความเค้นต่อความเครียดในบริเวณยืดหยุ่น ซึ่งบ่งบอกถึงความฝืด
• การเสียรูปและความเครียดเมื่อเกิดความล้มเหลว: ชิ้นงานทดสอบถูกบีบอัดก่อนที่จะแตกหักมากน้อยเพียงใด ซึ่งบ่งบอกถึงความเปราะบางหรือความเหนียว
• ภาระการบดและการดูดซับพลังงาน: สำหรับบรรจุภัณฑ์และส่วนประกอบการชนของรถยนต์ โครงสร้างจะดูดซับแรงและพลังงานได้มากน้อยเพียงใดก่อนที่จะยุบตัว

การทดสอบจะสร้าง เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด — กราฟที่พล็อตกราฟที่ใช้กับความเครียดที่เกิดขึ้น — ซึ่งเป็นเอาท์พุตหลักที่วิศวกรใช้สำหรับการตรวจสอบการออกแบบและคุณสมบัติของวัสดุ

เครื่องทดสอบแรงอัดทำงานอย่างไร

เครื่องทดสอบแรงอัดใช้แรงที่เพิ่มขึ้นที่วัดได้กับชิ้นงานที่ยึดไว้ระหว่างแผ่นแข็งสองแผ่น หลักการทำงานของแกนนั้นตรงไปตรงมา: แท่นหนึ่งถูกยึดไว้ ส่วนอีกแท่นหนึ่งจะเคลื่อนที่เข้าหาแท่นด้วยอัตราที่ควบคุม โดยบีบชิ้นงานทดสอบระหว่างแท่นเหล่านั้น โหลดเซลล์จะวัดแรงที่ใช้แบบเรียลไทม์ ดิสเพลสเมนต์ทรานสดิวเซอร์หรือเอ็กเทนโซมิเตอร์วัดการเปลี่ยนแปลงความสูงของชิ้นงานทดสอบ

ส่วนประกอบหลักของเครื่องทดสอบแรงอัด

• โครงรับน้ำหนัก: กระดูกสันหลังของโครงสร้าง — โดยทั่วไปจะเป็นเสาเหล็กหรือโครงเสาสี่เสา — ที่ต้องแข็งพอที่จะดูดซับแรงปฏิกิริยาโดยไม่โก่งตัว ความแข็งของเฟรมส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำของผลลัพธ์
• แอคชูเอเตอร์ (ครอสเฮด): องค์ประกอบที่เคลื่อนที่ซึ่งใช้แรงอัด ขับเคลื่อนด้วยลูกสูบไฮดรอลิก บอลสกรูระบบเครื่องกลไฟฟ้า หรือเซอร์โวมอเตอร์ ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องจักร
• โหลดเซลล์: ทรานสดิวเซอร์แรงที่แม่นยำซึ่งวัดโหลดที่ใช้ ความแม่นยำโดยทั่วไปคือ ±0.5% ของโหลดที่ระบุ ต่อการสอบเทียบ ISO 7500-1 คลาส 1
• แท่นอัด: แผ่นเหล็กชุบแข็ง (โดยทั่วไปคือ HRC 60 ) ที่สัมผัสกับชิ้นงานทดสอบ แผ่นรองที่นั่งทรงกลมที่ปรับแนวได้เองทำให้มีการกระจายน้ำหนักที่สม่ำเสมอ แม้ว่าพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบจะไม่ขนานกันอย่างสมบูรณ์ก็ตาม
• ระบบการวัดการเคลื่อนที่: ตัวเข้ารหัสตำแหน่งครอสเฮดหรือ extensometer แบบคลิปออนจะติดตามการเสียรูป ความละเอียด ±0.001 มม บนเครื่องจักรที่มีความแม่นยำ
• ระบบควบคุมและซอฟต์แวร์: เครื่องจักรสมัยใหม่ใช้การควบคุมเซอร์โวแบบวงปิดเพื่อรักษาความเร็วของครอสเฮดให้คงที่ (การควบคุมการเคลื่อนที่) หรืออัตราโหลดคงที่ (การควบคุมโหลด) ซอฟต์แวร์บันทึกข้อมูลและสร้างเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดโดยอัตโนมัติ

เครื่องทดสอบแรงอัดไฮดรอลิกกับเครื่องกลไฟฟ้า

เทคโนโลยีการขับเคลื่อนที่โดดเด่นทั้งสองมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านความสามารถและการใช้งาน:

ขั้นตอนการทดสอบแรงอัดมาตรฐาน

การทดสอบแรงอัดส่วนใหญ่จะเป็นไปตามลำดับมาตรฐานโดยไม่คำนึงถึงวัสดุหรือประเภทของเครื่องจักร การเบี่ยงเบนไปจากขั้นตอน โดยเฉพาะในการเตรียมตัวอย่าง เป็นสาเหตุหลักของผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง

1. การเตรียมตัวอย่าง: กลึงชิ้นงานตามรูปทรงที่ต้องการ สำหรับโลหะ มาตรฐาน ASTM E9 ระบุอัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 1:1 ถึง 3:1 . สำหรับคอนกรีตก้อน บีเอส EN 12390-3 ต้องใช้ชิ้นงานขนาด 150 มม. × 150 มม. × 150 มม. โดยมีพื้นผิวเรียบเรียบไม่เกิน 0.05 มม.
2. การวัดขนาด: วัดพื้นที่หน้าตัดเพื่อคำนวณความเค้น (แรง ⁵ พื้นที่) ข้อผิดพลาดในการวัดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1% ทำให้เกิดข้อผิดพลาด 2% ในกำลังรับแรงอัดที่รายงาน
3. การตั้งค่าเครื่อง: เลือกช่วงโหลดเซลล์ที่เหมาะสม (โหลดเซลล์ที่ล้มเหลวของชิ้นงานควรอยู่ระหว่าง 20% ถึง 80% ของขนาดเต็มเพื่อความแม่นยำสูงสุด) ปรับเทียบออฟเซ็ตโหลดเป็นศูนย์
4. การวางตำแหน่งชิ้นงาน: จัดวางชิ้นงานให้อยู่ตรงกลางแท่นด้านล่าง การวางแนวที่ไม่ตรงทำให้เกิดการโหลดที่ผิดปกติ ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ต่ำเกินจริงและโหมดความล้มเหลวที่ไม่สมมาตร
5. การหล่อลื่น (ถ้าจำเป็น): มาตรฐานบางประเภทจำเป็นต้องใช้สารหล่อลื่นบนแท่นวางเพื่อลดการยึดเหนี่ยวด้านข้างที่เกิดจากแรงเสียดทาน ซึ่งสามารถเพิ่มความแข็งแรงที่ปรากฏได้ 10–20%
6. การดำเนินการทดสอบ: ใช้งานโหลดตามอัตราที่กำหนด มาตรฐาน ASTM C39 สำหรับคอนกรีตระบุ 0.25 ± 0.05 เมกะปาสคาล/วินาที . อัตราการโหลดที่สูงขึ้นจะทำให้มีความแข็งแกร่งที่ชัดเจนยิ่งขึ้น
7. การจับและวิเคราะห์ข้อมูล: บันทึกแรงและการกระจัดอย่างต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์คำนวณความเค้นสูงสุด จุดคราก โมดูลัสยืดหยุ่น และพลังงานจนถึงความล้มเหลวโดยอัตโนมัติ

อุตสาหกรรมหลักและการประยุกต์สำหรับการทดสอบแรงอัด

การทดสอบแรงอัดถือเป็นพื้นฐานของภาคส่วนต่างๆ มากมาย โดยแต่ละส่วนจะมีมาตรฐานและข้อกำหนดเฉพาะ:

การก่อสร้างและวิศวกรรมโยธา

การทดสอบแรงอัดคอนกรีตเป็นการทดสอบทางกลที่ดำเนินการบ่อยที่สุดในโลก การเทคอนกรีตโครงสร้างทุกครั้งต้องมีการทดสอบลูกบาศก์หรือกระบอกสูบด้านล่าง ASTM C39 หรือ BS EN 12390-3 เพื่อตรวจสอบความแข็งแรงของการออกแบบที่ระบุ (f'c) ก่อนการโหลด โครงการอาคารสูงทั่วไปอาจทดสอบได้ หลายร้อยตัวอย่างต่อชั้น . การทดสอบกลศาสตร์หินสำหรับการออกแบบอุโมงค์และฐานรากยังต้องอาศัยการทดสอบแรงอัดแกนเดียวตามมาตรฐาน ISRM

โลหะและโลหะผสม

แม้ว่าการทดสอบแรงดึงจะมีอิทธิพลเหนือคุณสมบัติของโลหะ การทดสอบแรงอัดถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับโลหะที่เปราะ (เหล็กหล่อสีเทา ซีเมนต์คาร์ไบด์) ซึ่งมีแรงอัดมากกว่าแรงตึง และสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของกระบวนการขึ้นรูปจำนวนมาก เช่น การตีและการรีด อลูมิเนียมอัลลอยด์ในการบินและอวกาศได้รับการทดสอบแรงอัดตาม ASTM E9 เพื่อตรวจสอบการจำลองการขึ้นรูป

โพลีเมอร์ โฟม และยาง

โฟมโพลียูรีเทนที่ใช้ในเบาะรถยนต์ บรรจุภัณฑ์ และฉนวนกันความร้อนได้รับการทดสอบตาม มาตรฐาน ASTM D1621 เพื่อวัดกำลังอัดและแรงโก่งตัวอัด (CLD) 25% สารประกอบยางที่ใช้ในตัวแยกการสั่นสะเทือนได้รับการทดสอบแรงอัดเพื่อตรวจสอบความแข็งภายใต้ภาระบริการ การทดสอบเหล่านี้ใช้เครื่องจักรระบบเครื่องกลไฟฟ้าที่ความเร็วต่ำมาก (1–10 มม./นาที)

อุตสาหกรรมยาและอาหาร

การทดสอบความแข็งของแท็บเล็ต — การทดสอบแรงอัดรูปแบบหนึ่ง — จำเป็นสำหรับชุดยาทุกชุดเพื่อยืนยันว่าแท็บเล็ตจะทนทานต่อการบรรจุและการจัดการโดยไม่แตกสลาย แต่ละลายในร่างกายได้อย่างถูกต้อง โดยทั่วไปค่าความแข็งเป้าหมายจะอยู่ระหว่างนั้น 4 และ 40 kP (กิโลปอนด์) . การวิเคราะห์เนื้อสัมผัสอาหารใช้หัววัดแรงอัดขนาดเล็กเพื่อวัดความกรุบกรอบ ความแน่น และความเคี้ยวของผลิตภัณฑ์ตั้งแต่ชีสไปจนถึงบิสกิต

บรรจุภัณฑ์

การทดสอบแรงอัดกล่อง (BCT) ต่อ มาตรฐาน ASTM D642 วัดความแข็งแรงในการเรียงซ้อนของกล่องกระดาษลูกฟูก - น้ำหนักสูงสุดที่กล่องสามารถรองรับได้ก่อนที่จะยุบ วิธีนี้จะกำหนดจำนวนกล่องที่สามารถซ้อนกันในคลังสินค้าหรือตู้คอนเทนเนอร์ในการขนส่งได้โดยตรง กล่องลูกฟูกขายปลีกทั่วไปต้องทนทาน 300–1,000 ปอนด์ ของแรงอัด

มาตรฐานการทดสอบแรงอัดทั่วไปตามอุตสาหกรรม

การทดสอบแรงอัดกับการทดสอบแรงดึง: เมื่อใดควรใช้อย่างไหน

การทดสอบทั้งสองแสดงคุณลักษณะของพฤติกรรมทางกล แต่จะตรวจสอบโหมดความล้มเหลวที่แตกต่างกัน การเลือกอย่างถูกต้องมีความสำคัญเนื่องจากวัสดุบางชนิดมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันมากในด้านแรงดึงและแรงอัด:

• คอนกรีต มีความต้านทานแรงดึงเพียงเท่านั้น 10% ของกำลังอัด — ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเสริมเหล็กเสริมเข้าไป การทดสอบแรงอัดเป็นวิธีการจำแนกลักษณะหลัก
• เหล็กหล่อ มีแรงอัดมากกว่าแรงดึง 3–4 เท่า ค่ากำลังรับแรงอัดใช้สำหรับการออกแบบเสาและพื้นผิวลูกปืน
• เหล็กโครงสร้าง มีกำลังรับแรงดึงและกำลังรับแรงอัดเกือบเท่ากัน แต่การทดสอบแรงดึงเป็นวิธีกำหนดคุณสมบัติมาตรฐาน (ASTM A370)
• โฟม มีลักษณะเฉพาะเกือบทั้งหมดในการบีบอัด เนื่องจากโหลดบริการหลักกำลังบีบ ไม่ใช่ยืดออก
• คอมโพสิต มักต้องการทั้งสองอย่าง — ลามิเนตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถมีกำลังรับแรงอัดได้ ต่ำกว่าความต้านทานแรงดึง 40–60% เนื่องจากการไมโครบัคกิ้งของไฟเบอร์

การเลือกเครื่องทดสอบแรงอัดที่เหมาะสม

เครื่องจักรที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์หลักห้าประการ การระบุอย่างใดอย่างหนึ่งไม่ถูกต้อง โดยเฉพาะความสามารถในการรับน้ำหนัก จะทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องหรือสร้างอันตรายด้านความปลอดภัย

กำลังรับน้ำหนัก

เลือกเครื่องจักรที่มีปริมาณโหลดสูงสุดที่คาดหวังอยู่ระหว่างนั้น 20% และ 80% ของกำลังการผลิตเต็มขนาดของเครื่อง . การทดสอบชิ้นงานขนาด 50 kN บนเครื่องอัดคอนกรีตขนาด 2,000 kN จะสิ้นเปลืองเงินทุนและลดความละเอียดลง การทดสอบคอนกรีตลูกบาศก์ 1,500 kN บนเครื่องจักรขนาด 500 kN เสี่ยงต่อความล้มเหลวร้ายแรง

ขนาดแท่นวางและรูปทรง

แท่นจะต้องมีขนาดใหญ่กว่าหน้าตัดของชิ้นงานทดสอบ เครื่องทดสอบคอนกรีตโดยทั่วไปจะใช้ แท่นวางขั้นต่ำ 200 มม. × 200 มม ; การทดสอบโฟมอาจใช้โพรบขนาด 50 มม. × 50 มม. หรือแบบวงกลม แท่นวางหนึ่งแผ่นควรมีเบาะนั่งแบบทรงกลมปรับแนวได้เองเพื่อรองรับพื้นผิวที่ไม่ขนานกันเล็กน้อย

ช่วงความเร็วครอสเฮด

ยืนยันว่าช่วงความเร็วของเครื่องครอบคลุมมาตรฐานการทดสอบที่คุณต้องการ การทดสอบโพลีเมอร์และโฟมอาจต้องใช้ความเร็วต่ำที่สุด 1 มม./นาที ; การทดสอบแรงอัดกระแทกใช้อัตราสูงกว่า 1,000 มม./นาที เครื่องจักรระบบเครื่องกลไฟฟ้ามาตรฐานส่วนใหญ่จะครอบคลุม 0.001 ถึง 500 มม./นาที .

ความเข้ากันได้ของห้องสิ่งแวดล้อม

หากคุณต้องการทดสอบที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อม ให้ยืนยันว่ารูปทรงของเฟรมเครื่องจักรรองรับห้องอุณหภูมิได้ และโหลดเซลล์ได้รับการจัดอันดับสำหรับช่วงอุณหภูมิที่ต้องการ

ข้อกำหนดด้านการสอบเทียบและการปฏิบัติตามข้อกำหนด

สำหรับการใช้งานที่เน้นคุณภาพ (คอนกรีตโครงสร้าง การบินและอวกาศ เภสัชกรรม) ต้องสอบเทียบเครื่องจักรให้เป็นมาตรฐานแห่งชาติที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับได้ ISO 7500-1 Class 1 การสอบเทียบ (ความแม่นยำ ±1%) เป็นค่าขั้นต่ำสำหรับการใช้งานโครงสร้างส่วนใหญ่ ต้องใช้คลาส 0.5 (±0.5%) สำหรับการวิจัยวัสดุที่มีความแม่นยำ โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการสอบเทียบ เป็นประจำทุกปีหรือทุกๆ 500 ชั่วโมงการทำงาน ขึ้นอยู่กับว่ากรณีใดจะเกิดขึ้นก่อน

แหล่งที่มาสำคัญของข้อผิดพลาดในการทดสอบแรงอัด

การทำความเข้าใจว่าข้อผิดพลาดเกิดขึ้นที่ใดทำให้ห้องปฏิบัติการสามารถควบคุมข้อผิดพลาดได้อย่างเป็นระบบ แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่มีผลกระทบมากที่สุดคือ:

• พื้นผิวชิ้นงานที่ไม่ขนานกัน: การเอียง 1° จะสร้างความเข้มข้นของความเค้นซึ่งสามารถลดความแรงที่วัดได้ 15–25% . การเจียรปลายให้อยู่ภายใน 0.05 มม. เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับโลหะและคอนกรีต
• แรงเสียดทานระหว่างชิ้นงานทดสอบและแท่น: แผ่นเหล็กที่ไม่มีการหล่อลื่นบนชิ้นงานโลหะจะสร้างเอฟเฟกต์แบบ "ลำกล้อง" ที่จำกัดการขยายตัวด้านข้างโดยไม่ได้ตั้งใจ ส่งผลให้มีความแข็งแกร่งปรากฏเพิ่มขึ้น
• อัตราการโหลดไม่ถูกต้อง: การโหลดที่เร็วขึ้นจะทำให้มีความแข็งแรงสูงขึ้น อัตราการโหลด 10× อัตราที่กำหนด สามารถเพิ่มกำลังอัดที่รายงานของคอนกรีตได้ 5–10%
• โหลดเซลล์ที่ไม่ได้สอบเทียบ: การเบี่ยงเบนในโหลดเซลล์ออฟเซ็ตหรือช่วงศูนย์จะไม่สามารถมองเห็นได้หากไม่มีการสอบเทียบเป็นระยะ ข้อผิดพลาดของช่วง 2% แปลเป็นข้อผิดพลาด 2% โดยตรงในทุกค่าที่รายงาน
• ความเยื้องศูนย์กลางของชิ้นงาน: การวางชิ้นงานให้ห่างจากศูนย์กลางแม้แต่ 5 มม. จะทำให้เกิดโมเมนต์การโค้งงอที่ปกปิดพฤติกรรมแรงอัดที่แท้จริง