万能試験機の使い方 完全ガイド

あ 万能試験機 (UTM) は、制御された力を加えて材料の応答を記録することにより、引張強度、圧縮強度、曲げ強度、伸びなどの材料の機械的特性を測定します。 正しく使用するには、正しい機械タイプ (電子式または油圧式) を選択し、適切なグリップまたは固定具を取り付け、ソフトウェアでテスト パラメータを設定し、荷重と伸長をゼロにして、リアルタイムで荷重-変位曲線を監視しながらテストを実行する必要があります。 このガイドでは、電子 UTM と油圧 UTM の両方のすべての手順を、正確で再現可能な結果を​​得るのに役立つ実践的なデータと比較とともに説明します。

電子万能試験機と油圧万能試験機: どちらが必要ですか?

正しいマシンタイプを選択することが最初であり、最も重要な決定です。間違ったプラットフォームを使用すると、不正確なデータが生成されたり、標本や機器が損傷したりする可能性があります。

あs a practical rule: 試験片に 600 kN を超える力が必要な場合は、油圧 UTM を選択してください。 0.2 mm ポリマー フィルムや生体医療用縫合糸のテストなど、低力で精密に作業する場合、10 N ロードセルを備えた電子 UTM を使用すると、はるかに意味のあるデータが得られます。

操作前に理解する必要がある重要なコンポーネント

マシンタイプに関係なく、すべての UTM は同じコアコンポーネントを共有します。これらのいずれかを誤って使用したり誤用したりすると、無効なテスト結果が生じる主な原因となります。

ロードフレーム

テスト中のすべての力を支える構造的バックボーン。フレームは最大耐荷重によって評価されます。決して超えないでください 定格フレーム容量の 80% 時間の経過によるフレームの疲労損傷を避けるために、定期的なテストで使用します。

ロードセル

機械的な力を電気信号に変換する力変換器。ロード セルには独自の容量定格があります。たとえば、100 kN フレームに 1 kN のロード セルが取り付けられている場合、その構成では機械が実質的に 1 kN に制限されることを意味します。 あlways match the load cell to within 20–100% of the expected peak force of your specimen. 100 kN のロードセルを使用して 50 N で破損する試験片をテストすると、信頼性の低い測定値が得られます。

クロスヘッドとアクチュエーター

電子 UTM では、クロスヘッドはサーボ モーターを動力源とする精密ボール ネジまたは送りネジによって駆動されます。油圧 UTM では、アクチュエータ (油圧ラム) が加圧流体を介して力を加えます。クロスヘッドはプログラムされた速度 (通常は mm/min で表されます) で移動し、試験片のひずみ速度を制御します。

グリップと固定具

グリップは機械と試験片の間のインターフェースです。一般的なタイプは次のとおりです。

• ウェッジアクショングリップ — 負荷がかかると自動的に締まり、平らまたは丸い金属試験片に最適です
• 空気圧グリップ — 安定したクランプ力、薄膜やゴムに適しています
• 圧縮プラテン — 発泡体、コンクリートシリンダー、タブレットの圧縮試験用の平板
• 3 点および 4 点曲げ治具 — 梁および棒の曲げ試験用

伸び計

あ clip-on or non-contact (video or laser) device that measures actual specimen strain independently of crosshead displacement. ヤング率を正確に計算するには、伸び計が必須です — クロスヘッドの変位には機械のコンプライアンスとグリップの滑りが含まれており、剛性測定に 10 ～ 30% の誤差が生じます。

ステップバイステップ: 電子万能試験機の使用方法

電子 UTM は、品質管理や研究室で最も広く使用されているプラットフォームです。次の手順では、ASTM E8、ISO 6892-1、または ASTM D638 などの規格に準拠した、最も一般的な試験タイプである標準引張試験について説明します。

1. マシンの電源を入れ、制御ソフトウェアを起動します。 あllow a minimum 15-minute warm-up period so the servo drive and load cell electronics reach thermal equilibrium, reducing drift.
2. 正しいロードセルを選択して取り付けてください。 定格容量はロードセルのラベルで確認してください。取り付けファスナーをメーカーの仕様に従ってトルクで締めます。トルクが不足すると信号ノイズが発生します。過剰なトルクはトランスデューサーを損傷する可能性があります。
3. 適切なグリップを取り付けます。 ASTM D638 に準拠したドッグボーン引張試験片の場合は、ウェッジ アクション フラット グリップを取り付けます。グリップ面がきれいで、不均一なクランプを引き起こす可能性のある破片がないことを確認します。
4. ソフトウェアに試験片の寸法を入力します。 校正されたノギスを使用して、ゲージの長さ、幅、厚さを測定します。円形の試験片の場合は、3 点の直径を測定し、その平均値を使用します。ソフトウェアはこれらの値を使用して工学応力 (力 ÷ 元の断面積) を計算します。
5. テストメソッドを選択または作成します。 定義: 試験タイプ (引張、圧縮、曲げ)、クロスヘッド速度 (例: ISO 6892-1 メソッド A に基づく金属の場合は 5 mm/分、または ASTM D638 に基づくプラスチックの場合は 50 mm/分)、荷重と伸長の制限、およびデータ取得速度 (通常は 10 ～ 100 Hz)。
6. 荷重と伸びをゼロにします。 グリップは取り付けられていますが、試験片はロードされていない状態で、力と変位の両方のチャネルをゼロにします。これにより、グリップの重量が力の測定値から除​​外されます。
7. 試験片をロードします。 試験片を最初に下部グリップに挿入し、次に上部グリップに挿入します。試験片を保持するのに十分なクランプ力のみを適用します。過剰なプレストレスは降伏点測定に影響します。
8. あttach the extensometer (弾性率または降伏ひずみを測定する場合)。ナイフエッジをマークされたゲージ長さに正確に配置します。ゲージ長が 50 mm の伸び計の場合、試験片上のゲージ マークが正確に 50 mm 離れていることを確認します。
9. テストを開始します。 活荷重-変位曲線を監視します。ほとんどの引張試験では、曲線は線形弾性領域、降伏点 (または比例限界)、塑性変形、および破壊を示す必要があります。
10. 骨折後に試験片を除去する そしてテストレポートを保存します。ソフトウェアは、記録されたデータから UTS、降伏強度、破断点伸び、およびヤング率を自動的に計算します。

あ 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.

ステップバイステップ: 油圧万能試験機の使用方法

油圧 UTM は、重構造試験用の標準プラットフォームです。以下の手順では、鋼鉄またはコンクリート試験片の強力な引張試験または圧縮試験について説明します。

1. 作動油のレベルと状態を確認してください。 液量が少ないとテスト中に圧力低下が発生します。汚れた流体はサーボバルブの性能を低下させます。マニュアルに指定されているグレードの液体 (通常は ISO VG 46 作動油) のみを使用してください。
2. 油圧パワーユニット（HPU）を始動します。 あllow 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. テスト構成を選択します。 ASTM C39 に準拠した 150 mm コンクリート シリンダーの圧縮試験の場合は、圧縮プラテンを取り付けます。 ASTM A615 に基づく鉄筋引張試験の場合は、鉄筋の直径に応じた油圧式ウェッジ グリップを取り付けてください。
4. サーボコントローラーの設定を行います。 荷重制御または変位制御モードを設定します。準静的な材料試験では、定義された速度 (たとえば、ASTM C39 によるコンクリート圧縮の応力速度 0.25 MPa/s) での変位制御が標準です。構造コンポーネントのテストでは、荷重制御が一般的です。
5. ロードセルと位置トランスデューサ (LVDT) をゼロ調整します。 荷重がかかっている試験片がない状態で、制御ソフトウェアまたはフロントパネルを介して両方のチャンネルをゼロに設定します。
6. 試験片を配置して固定します。 圧縮試験の場合は、試験片を上部プラテンの下で±1 mm以内の中央に配置して、偏心荷重を回避します。偏心荷重により、測定強度が人為的に最大 15% 低下します。
7. あpply a small pre-load (contact load). 油圧機械は、制御されたランプを開始する前に、試験片を固定し、治具の緩みを除去するために、小さな予荷重 (通常、予想される最大値の 1 ～ 5%) の恩恵を受けます。
8. テストを実行します。 サーボバルブは油圧の流れを調整して、プログラムされた負荷または変位率を維持します。システム圧力を監視します。圧力がリリーフバルブの設定値に近づいた場合は、直ちにテストを中止してください。
9. あfter specimen failure, reduce pressure slowly グリップを開いたり、プラテンを取り外したりする前に。強い力がかかるセットアップでは、突然の圧力解放により治具が飛び出す可能性があります。
10. HPUをシャットダウンする すべてのテストを完了した後。ポンプを不必要に作動させたままにすると、流体やシールが劣化します。

テストパラメータを正しく設定する: データ品質を決定する詳細

不正確なテストパラメータは、再現不可能な UTM 結果の大部分の原因となります。次の設定に細心の注意を払ってください。

クロスヘッド速度とひずみ速度

多くのユーザーは、クロスヘッド速度がひずみ速度にどのように変換されるかを考慮せずに、クロスヘッド速度を mm/min 単位で入力します。ひずみ速度 (s⁻¹) = クロスヘッド速度 ÷ ゲージ長。ゲージ長 50 mm の試験片を 5 mm/min で試験した場合、ひずみ速度は次のようになります。 0.1分⁻¹ (0.00167秒⁻¹) 。標準ひずみ速度を 10 倍超えると、軟鋼の降伏強さの測定値が 5 ～ 15% 増加し、比較できないデータが生成される可能性があります。

テスト停止条件

あlways define at least two stop conditions in the software:

• 負荷降下 (ピーク負荷の%) — 通常、骨折を自動的に検出するために、ピークから 20 ～ 40% の荷重降下に設定されます。
• 最大延長制限 — クロスヘッドがグリップ分離範囲を超えて移動するのを防ぎ、機械に損傷を与える可能性があります。

データ取得速度

低速の準静的テスト (プラスチック、複合材料、50 mm/min) の場合は、10 Hz で十分です。高速破壊試験または衝撃隣接試験の場合は、100 ～ 1,000 Hz に増加します。レートが低すぎると、正確な降伏点または最大荷重を逃し、UTS 値が過小報告されることになります。

プリロード

あ small preload (0.5–2% of expected failure load) removes initial slack and confirms the specimen is properly seated. However, 予荷重を加えた後は伸び計をゼロにしないでください ただし、試験規格で明示的に要求されている場合を除き、これによりひずみベースラインが人為的にオフセットされます。

一般的なテストの種類とその標準手順

万能試験機 引張試験に限定されません。次の表は、最も一般的なテストの種類、関連する規格、および主要な設定上の注意事項をまとめたものです。

欠かすことのできない安全対策

万能試験機は、コンパクトなスペースで巨大な力を発生させます。 100 kN の引張試験片が破壊されると、重大な機械的衝撃に相当するエネルギーが放出されます。厳格な安全プロトコルがオペレーターと機器を保護します。

• あlways wear safety glasses and, for high-force hydraulic tests, a face shield. 試験片の破片やグリップのコンポーネントは、高エネルギー破壊の際に重大な損傷を引き起こすことがあります。
• 特に警告なしに砕ける脆性材料 (セラミック、ガラス、鋳鉄) の場合は、テストゾーンの周囲に安全シールドまたはガードを設置してください。
• テスト中は絶対に荷重軸に沿って立たないでください。マシンの横に体を置きます。
• クロスヘッドの移動量の両端にハードウェア リミット スイッチを設定します。これらはソフトウェアに依存しない物理的な停止を提供し、クロスヘッドのオーバートラベルやロードセルやフレームの損傷を防ぎます。
• 油圧UTMの場合、 システムの定格作動圧力を決して超えないようにしてください (通常は 210 ～ 280 bar)。過剰な圧力により、油圧ラインやシールが破損する可能性があります。
• 各セッションの前に、グリップと固定具に亀裂や摩耗がないか点検してください。負荷によるグリップの故障は、UTM ラボにおける最も危険な故障モードの 1 つです。

校正と検証: 結果を追跡可能に保つ

キャリブレーションされていない UTM は、エンジニアリング上の決定に使用したり、顧客に報告したりできないデータを生成します。ほとんどの高品質システムでは、少なくとも年に 1 回の校正が必要です。

力の校正

認定された重り機械または基準ロードセル (ISO 7500-1 によるクラス 0.5) を使用して実行されます。 UTM は以下の範囲内で読み取る必要があります 適用された基準力の ±1% ロードセルの全範囲にわたって各校正点で測定します。校正はロードセル容量の 20% ～ 100% の少なくとも 5 点をカバーする必要があります。

クロスヘッド変位検証

校正済みの LVDT またはダイヤル ゲージを使用して、クロスヘッドが指示された距離を移動することを確認します。電子 UTM の場合、精度は通常読み取り値の ±0.5% 以内です。油圧 UTM は通常、±1% 以内です。

伸び計 Calibration

伸び計s 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.

国家標準 (NIST、NPL、PTB など) へのトレーサビリティを備えたすべての校正証明書をファイルに保管し、監査中にアクセスできるようにします。航空宇宙 (AS9100) や自動車 (IATF 16949) などの規制産業では、 キャリブレーション外の UTM を使用すると、最後の有効なキャリブレーション以降に生成されたすべてのテスト データが無効になります。

最も頻繁に起こる問題のトラブルシューティング

経験豊富なオペレーターでも、繰り返し問題が発生します。最も一般的な問題とその根本原因は次のとおりです。

試験片がグリップ内で滑る

試験片の破壊のない突然の荷重降下、または鋸歯状の荷重曲線として表示されます。原因: グリップ面の磨耗、試験片形状に対する不適切なグリップ タイプ、試験片表面の汚染 (油、水分)、または不十分なクランプ圧力。解決策: グリップインサートを交換するか、試験片の端をきれいにするか、滑らかな試験片を得るために鋸歯状の面に切り替えます。

非線形初期応答 (つま先領域)

あ 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.

不安定な負荷読み取り値 (電子 UTM)

通常、ロードセル ケーブルの損傷、電気接地不良、近くの機器からの振動、または電磁干渉が原因で発生します。最初にケーブル コネクタを確認します。これにより、信号ノイズの問題の 60% 以上が解決されます。フレームが建物のアースに適切に接地されていることを確認してください。

不安定負荷制御（油圧UTM）

負荷制御モードで負荷が振動している場合は、サーボバルブの汚れ、油圧ライン内の空気、または試験片の剛性に対する PID 調整が正しくないことを示します。油圧回路のエア抜きをして空気を抜きます。振動が続く場合は、サーボ バルブの洗浄または交換が必要になる場合があります。これは資格のある技術者による保守作業です。

長期的な信頼性を確保するための定期メンテナンス スケジュール

予防メンテナンスは UTM の耐用年数を直接決定します。適切にメンテナンスされたマシンは定期的に 20 年間稼働します。以下のスケジュールに従ってください。

油圧UTMの場合、 液体の清浄度は最も重要なメンテナンス要素です 。サーボ バルブの故障の 70% 以上は汚染された流体が原因であり、油圧 UTM の修理の中でも最も高価な修理の 1 つであり、バルブ交換 1 回あたり 3,000 ドルから 15,000 ドルの費用がかかることもよくあります。