万能試験機とは何ですか?完全ガイド

万能試験機 (UTM) は、材料試験片に制御された引張力、圧縮力、曲げ力、せん断力、および曲げ力を加えて、その機械的特性 (最も一般的には引張強さ、降伏強さ、伸び、弾性率) を測定できる機械試験装置です。 「ユニバーサル」という言葉は、無制限の容量ではなく、テスト フィクスチャを変更することで単一のフレームで複数の種類の機械テストを実行できる能力を指します。負荷容量の範囲は次のとおりです。 デリケートな素材の場合は 1 kN 未満 フィルムや繊維など 構造用鋼およびコンクリートでは2,000 kN以上 コンポーネント。

万能引張試験装置 金属、ポリマー、複合材料、織物、ゴム、接着剤、建設資材、医療機器、包装など、設計、品質管理、規制遵守のために材料が機械的負荷の下でどのように挙動するかについての定量的データが必要な場合には、ほぼすべての製造および研究分野で使用されています。

万能試験機のしくみ

UTM の基本的な動作原理はシンプルです。試験片を 2 つの治具 (1 つは固定、もう 1 つは可動) の間で掴み、制御された力を加えながら、機械が加えられた力と試験片の変位または変形を同時に測定します。これら 2 つの測定値間の関係により、すべての主要な機械的特性が導出される応力-ひずみ曲線が生成されます。

ロードフレームと駆動システム

ロード フレームは、たわむことなく試験力に耐えられる構造的剛性を提供します。一般的なフレームは、2 本または 4 本の垂直支柱、一端の固定クロスヘッド、およびテスト アクチュエータによって駆動される可動クロスヘッドで構成されます。駆動システムは、制御された速度でクロスヘッドを移動させるか、制御された速度で力を加えます。 2 つのドライブ テクノロジーが支配的です。

• 電気機械式 (ネジ駆動) - サーボモーターがボールネジまたは親ネジを駆動してクロスヘッドを動かします。高精度の速度制御、静かな動作、エネルギー効率の高い;ほとんどの引張、圧縮、曲げ試験に適しています。 0.1N～600kN
• サーボ油圧式 — 油圧によって、クロスヘッドに取り付けられたピストンとロッドが動きます。非常に大きな力を加えることができる ( 200kN～5,000kN以上 ）、高速動的試験、および疲労サイクル。油圧パワーユニットのメンテナンスが必要であり、電気機械システムよりも多くの騒音と熱が発生します。

力測定：ロードセル

力はロードセルによって測定されます。ロードセルは、金属要素に接着されたひずみゲージを使用して機械的な力を電気信号に変換する高精度の変換器です。ロードセルは、クロスヘッドと上部グリップの間のロードトレインに取り付けられます。最新のロードセルは次の精度を達成しています。 表示荷重の±0.5% フルスケールの 1% ～ 100% の範囲で、ISO 7500-1 クラス 0.5 または ASTM E4 要件を満たしています。

ほとんどの UTM には、さまざまな力の範囲をカバーする交換可能なロード セルが付属しています。たとえば、50 kN のフレームを構造試験の場合は 50 kN のロード セルと併用したり、薄膜の試験の場合は 500 N のロード セルと併用したりすることで、機械の有効範囲が大幅に広がります。

変位・ひずみ測定

クロスヘッドの変位は機械の内蔵エンコーダによって測定されますが、これにはフレームのコンプライアンスとグリップのスリップが含まれており、正確なひずみ測定の誤差の原因となります。正確な材料ひずみデータを取得するには、専用の伸び計を試験片のゲージ長さに直接取り付けます。種類には次のものがあります。

• 接触伸び計 — ひずみゲージまたは LVDT を備えたクリップオン ナイフエッジ デバイス。正確に ±0.5μmの変位 ;損傷を防ぐために、試験片が破損する前に取り外す必要があります
• ビデオ伸び計 — 試料表面上のマークされた点を追跡する非接触光学システム。接触すると測定が妨げられる、壊れやすいまたは高伸びの試験片および材料に適しています。通常、解像度 0.001～0.01mm
• デジタル画像相関 (DIC) — 試験片表面全体にわたる高度な全視野ひずみ測定。単一の平均ひずみ値ではなく、ひずみ分布マップを提供します。研究や高度な故障解析に使用される

引張試験: 測定内容と重要な理由

引張試験は万能試験機で行われる最も一般的な試験であり、世界中のほとんどの材料仕様の基礎となります。標準化されたドッグボーンまたは長方形の試験片を、制御されたクロスヘッド速度で破断するまで引っ張り、力-変位曲線を生成します。この曲線は、試験片の断面積と標点間距離を使用して応力-ひずみ曲線に変換されます。

次の主要な特性は、1 回の引張試験から得られます。

実際の例として、構造用鋼グレード S355 の最小指定 UTS は次のとおりです。 470～630MPa 、降伏強さは 最低355MPa 、最小伸びは 22% 。鋼材が構造物に使用されることが承認される前に、万能試験機がこれらの値を材料仕様に照らして検証します。

万能試験機で行われるその他の試験

引張試験に使用される同じロード フレームは、治具と試験構成を変更することで、他の幅広い機械試験を実行できます。この多用途性により、「ユニバーサル」という名称が正当化され、単一の UTM で実験室の複数のテスト ニーズに対応できるようになります。

圧縮試験

クロスヘッドが下方に移動し、2 つのプラテンの間で試験片を圧縮します。コンクリートの圧縮強度を測定するために使用されます（通常、 20～100MPa 構造グレードの場合）、セラミック、発泡パッケージ、ゴムガスケット、および骨。コンクリート立方体および円柱の圧縮試験は、建設業界で UTM の最も使用量が多いアプリケーションの 1 つです。

3 点および 4 点曲げ (曲げ) 試験

梁試験片は 2 点で支持され、サポート間の 1 点 (3 点) または 2 点 (4 点) で荷重がかかります。曲げ強度と曲げ弾性率を測定します。引張グリップの破損により直接引張試験が困難になる、セラミック、複合材料、プラスチックなどの脆性材料にとって特に重要です。規格には、プラスチックの場合は ISO178 および ASTM D790、歯科用セラミックの場合は ISO 6872 が含まれます。

剥離およびせん断接着力試験

接着接合部、ラミネート、テープ、およびコーティングは、定義された角度 (90°、180°、T 剥離) で剥離するか、接着面で剪断することによってテストされます。結果は、剥離試験の場合は N/mm 幅、重ねせん断試験の場合は MPa で表されます。包装、自動車の接着、医療機器の接着認定に不可欠です。

引裂き抵抗試験

ISO 34 または ASTM D1004 に準拠したズボン、タン、または角度引裂き試験構成を使用して、フィルム、織物、および薄いゴムシートの引裂き伝播に対する耐性が試験されます。ピーク力と平均引き裂き力が報告されます。

耐荷重とコンポーネントのテスト

完成したコンポーネント (ファスナー、スプリング、チェーン、ロープ、安全ハーネス、医療用インプラント) は、指定された耐荷重を適用して永久変形が生じていないことを確認するか、破壊までの試験を行って最小破壊荷重を確認することによってテストされます。あ 500kN UTM EN 818 および同様の規格に準拠した昇降装置およびチェーンの証明試験に一般的に使用されます。

万能試験機の構成とフレームの種類

UTM はいくつかの物理構成で製造されており、それぞれが異なる負荷範囲、スペース制約、テスト タイプに適しています。

万能引張試験装置を選択する際の主要な技術仕様

実験室または実稼働環境に適切な UTM を選択するには、ヘッドラインの耐荷重を超えて仕様を評価する必要があります。次のパラメータは、測定精度、テストの多用途性、および長期的な実用性に直接影響します。

耐荷重と力の分解能

機械の定格荷重容量は、テストで予想される最大力を余裕で超える必要があります。通常は、次のような値でフレームを選択します。 60 ～ 80% の使用率 100% ではなく、より低い負荷での精度を確保し、過負荷イベントを回避します。力の分解能（測定可能な最小の力の増分）も同様に重要です。100 kN のフレームの分解能は 1 ～ 10 N しかない場合があり、5 ～ 50 N で破損する薄膜の試験には不十分です。そのような場合、より大きなフレームに取り付けられた低容量のロード セル（たとえば、500 N）が必要な分解能を提供します。

クロスヘッド速度範囲

試験規格では、さまざまな材料および試験のクロスヘッド速度が指定されています。金属用の ISO 6892-1 では、次のひずみ速度が指定されています。 0.00025～0.0025秒⁻¹ 弾性領域では、プラスチックの ISO 527 ではクロスヘッド速度が使用されます。 1～500mm/分 。機械の速度範囲は、適用されるすべての規格をカバーする必要があります。ほとんどの電気機械式 UTM は、 0.001mm/min～1,000mm/min 、準静的テスト要件の大部分をカバーします。

テストスペース（日光）

最大分離時のグリップ間の垂直距離によって、機械が対応できる最大試験片長さが決まります。伸び計を使用した引張試験の場合、少なくとも 昼光色 400 ～ 600 mm 通常、ISO 6892 に準拠した標準的な金属試験片に必要です。長い試験片 (ロープ、ケーブル、鉄筋) には、水平機械または垂直フレームが必要です。 昼光量 1,500 ～ 3,000 mm .

精度クラスと校正

UTM 精度は ISO 7500-1 (金属) または ASTM E4 (米国) に従って分類されます。クラス 0.5 は、機械が力を測定する範囲内であることを示します。 表示値の±0.5％ ロードセル容量の 1% ～ 100%。クラス 1 (±1%) は、ほとんどの工業用品質管理アプリケーションに適しています。国際基準に準拠したテストの追跡可能な精度を維持するには、認定試験所による年次校正が必要です。

制御およびデータ収集ソフトウェア

最新の UTM は、クロスヘッドの動きを制御し、通常は次のサンプリング レートで力と変位データを取得する PC ベースのソフトウェアを通じて操作されます。 10Hz～2,500Hz 、材料特性を自動的に計算し、試験レポートを生成します。主なソフトウェア要件は次のとおりです。

• 共通規格 (ISO、ASTM、EN、DIN、GB) 向けに事前にプログラムされたテスト方法
• 生データ曲線から必要なすべての材料特性を自動計算
• 複数の標本の統計分析 (平均、標準偏差、最小/最大)
• 標準形式 (CSV、Excel、PDF) へのエクスポートと LIMS システムとの統合
• 電子記録と監査証跡を必要とする製薬および医療機器研究所向けの 21 CFR Part 11 への準拠

グリップと治具: 機械と試験片の間のインターフェース

グリップ システムはおそらく、有効な引張試験結果を得る上で最も重要な要素です。不適切なグリップは試験片の滑り（強度の過小報告）やグリップ界面での早期破損（破壊データの無効化）を引き起こします。 UTM の性能は、試験対象の特定の試験片に対応する治具によって決まります。

一般的なグリップの種類

• ウェッジグリップ（自動締め付け） — 平らで丸い金属、プラスチック、複合材料の試験片に最も一般的なグリップ。引張荷重が増加するとグリップ力も増加します。 ～からの負荷に適しています 1kN～600kN ;空気圧式、油圧式、手動締め付けバージョンが利用可能
• 空気圧グリップ — 空気圧により、制御された一定のクランプ力でジョーが閉じられます。手で締めると損傷する可能性がある柔らかい素材 (ゴム、フォーム、繊維) に適しています。試験片間で正確かつ再現可能
• ピンとクレビスのグリップ — 穴のある試験片（ボルト接合部、チェーンリンク、ねじロッド、安全ハーネスウェビング）の試験用。表面摩擦ではなくピンを介して負荷がかかります
• キャプスタン（ボラード）グリップ - クランプによって損傷する可能性のあるワイヤー、糸、繊維用。試験片をドラムに巻き付け、摩擦を利用して徐々にグリップ力を高めます。
• 圧縮プラテン — 立方体、円筒、ディスクの圧縮試験用の平らな硬化鋼板。わずかな試験片の非平行性に対応するために、球状に設置する必要があります

ユニバーサル引張試験の主要な国際規格

材料試験は、試験片の形状、試験速度、環境条件、計算方法を定義する公表された規格に従う必要があります。結果が意味のあるものとなり、比較可能であり、材料の仕様や規制要件に準拠するには、材料と用途に正しい規格を使用することが必須です。

UTM と専用引張試験機: それぞれを選択する場合

専用の 引張試験機 単一の試験タイプ (通常は張力のみ) 向けに最適化されており、大量の単一材料試験環境向けに、よりシンプルな設計、低コスト、場合によってはより高いスループットを実現します。万能試験機はコストが高くなりますが、研究室のニーズの進化に応じて複数の種類の試験を実行できる柔軟性を備えています。

• 専用の引張試験機を選択する 場合: 研究所が単一の材料タイプを大量にテストし (伸線工場での入線検査など)、予算が限られており、他のタイプのテストが想定されていない場合
• 万能試験機を選ぶ いつ: 研究所が複数の種類の材料を試験するか、複数の種類の試験 (引張、圧縮、曲げ、剥離) を実行する。材料の混合は時間の経過とともに変化する可能性があります。または研究開発テストにはテスト構成の柔軟性が必要です

ほとんどの産業用品質管理および研究開発研究所にとって、UTM は正しい選択です。専用の引張試験機にかかる追加コストは、圧縮、曲げ、接着試験用に別の機器を購入する必要がなくなるため、通常は数か月以内に回収されます。

環境および温度試験アクセサリ

多くの材料は周囲温度以外の温度では大きく異なります。ポリマーは低温では脆くなり、金属は高温ではクリープし、接着剤は熱で軟化することがあります。万能試験機には環境チャンバーを装備して、制御された温度と湿度条件まで試験能力を拡張できます。

• 環境チャンバー（温度） — UTM のテストゾーンの周囲に取り付けます。典型的な範囲 −70℃〜350℃ ; ISO 6892-2 (高温金属引張試験) などの規格に準拠した、周囲温度以外の温度での引張、圧縮、曲げ試験が可能
• 加湿器 — 相対湿度を制御します 10%～98%RH 温度と同時に。吸湿性素材 (ナイロン、紙、木材) をテストし、熱帯環境または冷蔵環境向けの製品を認定するために使用されます。
• 液体バス備品 — 試験中に試験片を液体（水、油、化学溶液）に浸します。化学サービスにおけるシール、O リング、および材料の認定に使用されます
• 極低温グリップ — 液体窒素中での検査を許可する ( −196℃ ) 航空宇宙材料、超電導線材、低温構造用途向け