圧縮試験とは何ですか?機械はどのように動作するのですか?

圧縮試験は、材料またはコンポーネントに制御された圧縮荷重を加えて、締め付け力下での挙動、特にその動作を測定する機械的試験方法です。 圧縮強度、変形特性、破壊点 。あ 圧縮試験機 (圧縮試験機または圧縮モードの万能試験機とも呼ばれます) は、この荷重を正確に供給し、測定します。この結果により、エンジニアは、材料が意図した用途に十分な強度、剛性、または延性を備えているかどうかを知ることができます。

圧縮試験で実際に測定されるもの

圧縮力が試験片に加えられると、材料は測定可能な方法で反応します。圧縮試験では、いくつかの主要な機械的特性を同時に取得します。

• 圧縮強度: 材料が破損するまでに耐えることができる最大応力。MPa または psi で表されます。たとえば、コンクリートの圧縮強度は通常、 20～40MPa 標準構造グレード用。
• 圧縮降伏強さ: 材料が破壊されることなく永久に変形し始める応力。金属やポリマーにとって重要です。
• 圧縮時のヤング率（弾性率）： 弾性領域における応力とひずみの比。剛性を示します。
• 破壊時の変形とひずみ: 試験片が破壊する前にどれだけ圧縮されるか。これは脆性または延性を示します。
• 衝突荷重とエネルギー吸収: パッケージングや自動車の衝突部品の場合、構造が崩壊する前にどのくらいの力とエネルギーを吸収するか。

テストにより生成されるのは、 応力-ひずみ曲線 — 加えられた応力と結果として生じるひずみをプロットしたグラフ — これは、エンジニアが設計の検証と材料の認定に使用する主な出力です。

圧縮試験機の仕組み

圧縮試験機は、2 つの剛性プラテンの間に保持された試験片に、測定された増加する力を加えます。主要な動作原理は単純です。1 つのプラテンが固定され、もう 1 つのプラテンが制御された速度でプラテンに向かって移動し、それらの間に試験片を挟み込みます。ロードセルは加えられた力をリアルタイムで測定します。変位トランスデューサまたは伸び計は、試験片の高さの変化を測定します。

圧縮試験機の主な構成要素

• ロードフレーム: 構造的バックボーン (通常は鋼鉄の柱または 4 つの支柱フレーム) は、たわむことなく反力を吸収するのに十分な剛性が必要です。フレームの剛性は結果の精度に直接影響します。
• アクチュエーター (クロスヘッド): 圧縮力を加える可動要素。機械のタイプに応じて、油圧ピストン、電気機械式ボールねじ、またはサーボ モーターによって駆動されます。
• ロードセル: 加えられた荷重を測定する高精度の力トランスデューサー。一般的な精度は次のとおりです。 表示荷重の±0.5% ISO 7500-1 クラス 1 校正に従って。
• 圧縮プラテン: 試験片と接触する硬化鋼板 (通常は HRC 60 )。自動調心球面座プラテンにより、試験片表面が完全に平行でなくても、均一な荷重分散が保証されます。
• 変位測定システム： クロスヘッド位置エンコーダまたはクリップオン伸び計が変形を追跡し、 ±0.001mmの分解能 精密機械で。
• 制御システムとソフトウェア: 最新の機械は、閉ループ サーボ制御を使用して、一定のクロスヘッド速度 (変位制御) または一定の負荷率 (負荷制御) を維持します。ソフトウェアがデータを記録し、応力-ひずみ曲線を自動的に生成します。

油圧式圧縮試験機と電気機械式圧縮試験機の比較

2 つの主要なドライブ テクノロジは、機能と用途において大きく異なります。

標準的な圧縮試験手順

ほとんどの圧縮試験は、材料や機械の種類に関係なく、標準化された手順に従います。手順からの逸脱、特に標本の準備における逸脱は、不正確な結果を引き起こす主な原因です。

1. 標本の準備: 試験片を必要な形状に機械加工します。金属の場合、ASTM E9 は高さと直径の比を次のように規定しています。 1:1 ～ 3:1 。コンクリート立方体の場合、BS EN 12390-3 では、表面を 0.05 mm 以内に平らに研磨した 150 mm × 150 mm × 150 mm の試験片が必要です。
2. 寸法測定: 断面積を測定して応力 (力 ÷ 面積) を計算します。直径測定の 1% 誤差は、報告される圧縮強度に 2% の誤差を引き起こします。
3. マシンのセットアップ: 適切なロードセル範囲を選択します (最高の精度を得るには、試験片の破壊荷重がフルスケールの 20% ～ 80% の間に収まる必要があります)。ゼロ負荷オフセットを校正します。
4. 標本の配置: 試験片を下部プラテンの中心に置きます。アライメントのずれにより偏心荷重が生じ、人為的に低い結果と非対称な故障モードが生じます。
5. 潤滑（必要な場合）： 一部の規格では、摩擦による横方向の拘束を軽減するためにプラテンに潤滑剤を塗布する必要があり、これにより見かけの強度が人為的に 10 ～ 20% 増加する可能性があります。
6. テストの実行: 指定された速度で負荷を加えます。コンクリートに関する ASTM C39 の仕様 0.25±0.05MPa/s 。荷重率が高いほど、見かけの強度が高くなります。
7. データのキャプチャと分析: 力と変位を継続的に記録します。ソフトウェアは、ピーク応力、降伏点、弾性率、破壊エネルギーを自動的に計算します。

圧縮試験の主要産業と用途

圧縮試験は幅広い分野で基本的なものであり、それぞれに特定の規格と要件があります。

建設・土木

コンクリート圧縮試験は、世界で最も頻繁に実施される機械試験です。すべての構造コンクリートの注入には、立方体またはシリンダーのテストが必要です。 ASTM C39 または BS EN 12390-3 荷重を加える前に、指定された設計強度 (f'c) が達成されていることを確認します。典型的な高層プロジェクトでは、次のようなテストが行われる可能性があります。 フロアごとに数百の標本 。トンネル工事や基礎設計の岩盤力学試験も、ISRM 規格に基づく一軸圧縮試験に依存しています。

金属および合金

引張試験は金属の認定の大半を占めますが、圧縮試験は、引張よりも圧縮の方が強い脆性金属 (ねずみ鋳鉄、超硬合金) や、鍛造や圧延などのバルク成形プロセスの特性を評価するために不可欠です。航空宇宙用アルミニウム合金は、次の規格に従って圧縮試験が行われています。 ASTM E9 成形シミュレーションを検証します。

ポリマー、フォーム、ゴム

自動車のシート、パッケージング、断熱材に使用されるポリウレタンフォームは、次の基準に従ってテストされます。 ASTM D1621 圧縮強度と 25% の圧縮たわみ力 (CLD) を測定します。防振装置に使用されるゴムコンパウンドは、使用荷重下での剛性を検証するために圧縮試験が行われます。これらのテストでは、電気機械機械を非常に低速 (1 ～ 10 mm/min) で使用します。

製薬および食品産業

圧縮試験の一種である錠剤硬度試験は、錠剤が崩れることなく包装や取り扱いに耐えられるか、体内で正しく溶解するかを確認するために、すべての医薬品バッチに必要です。ターゲット硬度の値は通常、次の範囲内にあります。 4 および 40 kP (キロポンド) 。食品テクスチャー分析では、小型圧縮プローブを使用して、チーズからビスケットまでの製品のクランチ、硬さ、噛み応えを測定します。

包装

ボックス圧縮テスト (BCT) ASTM D642 段ボール箱の積み重ね強度、つまり箱が崩壊するまでに耐えられる最大荷重を測定します。これは、倉庫または輸送用コンテナに積み重ねることができる箱の数を直接決定します。一般的な小売用段ボール箱は、次のような耐久性が必要です。 300～1,000ポンド 圧縮力のこと。

業界別の一般的な圧縮試験規格

圧縮試験と引張試験: いつどちらを使用するか

どちらのテストも機械的動作を特徴付けますが、異なる故障モードを調査します。一部の材料は引張時と圧縮時で大きく異なる動作をするため、正しく選択することが重要です。

• コンクリート 引張強さはわずかです 圧縮強度の 10% — これがスチール補強が追加される理由です。圧縮試験は主な特性評価方法です。
• 鋳鉄 圧縮の方が引張よりも 3 ～ 4 倍強いです。圧縮強度の値は、柱や座面の設計に使用されます。
• 形鋼 引張降伏強度と圧縮降伏強度はほぼ同等ですが、引張試験が標準の認定方法 (ASTM A370) です。
• 泡 主なサービス負荷は伸長ではなく圧縮であるため、ほぼ圧縮のみが特徴です。
• 複合材料 多くの場合両方が必要です - カーボンファイバーラミネートは圧縮強度を持つことができます 引張強さより40～60%低い 繊維のマイクロバックリングが原因です。

適切な圧縮試験機の選択

適切なマシンは 5 つの主要なパラメータによって決まります。それらのいずれか (特に耐荷重) を誤って指定すると、不正確な結果が生成されたり、安全上の危険が生じたりします。

耐荷重

予想されるピーク負荷が次の範囲に収まるマシンを選択してください。 マシンのフルスケール能力の 20% および 80% 。 2,000 kN コンクリートプレスで 50 kN の試験片を試験すると、資本が無駄になり、分解能が低下します。 1,500 kN のコンクリート立方体を 500 kN の機械でテストすると、致命的な故障が発生する危険があります。

プラテンのサイズと形状

プラテンは試験片の断面より大きくなければなりません。コンクリート試験機は通常、 最小 200mm × 200mm プラテン ;泡試験では、50mm × 50mm または円形のプローブを使用する場合があります。 1 つのプラテンには、表面のわずかな非平行性に対応するため、球面自動調心シートを組み込む必要があります。

クロスヘッド速度範囲

機械の速度範囲が必要なテスト基準をカバーしていることを確認してください。ポリマーおよびフォームのテストでは、次のような低速が必要な場合があります。 1mm/分 ;衝撃圧縮試験では、1,000 mm/分を超える速度が使用されます。ほとんどの標準的な電気機械機械のカバー 0.001～500mm/min .

環境チャンバーの互換性

高温または周囲温度以下でテストする必要がある場合は、機械フレームの形状が温度チャンバーに対応していること、およびロードセルが必要な温度範囲に対応していることを確認してください。

校正およびコンプライアンスの要件

品質が重要な用途 (構造用コンクリート、航空宇宙、製薬) の場合、機械は追跡可能な国家標準に合わせて校正されている必要があります。 ISO 7500-1 クラス 1 ほとんどの構造用途では、キャリブレーション (±1% 精度) が最低限です。精密材料研究にはクラス0.5(±0.5%)が必要です。通常は校正が必要です 毎年または 500 稼働時間ごと 、どちらか先に来るもの。

圧縮試験における主なエラーの原因

エラーがどこで発生するかを理解することで、研究室はエラーを体系的に制御できるようになります。最も影響力のあるエラー原因は次のとおりです。

• 非平行な試験片表面: 1°の傾斜により応力集中が生じ、測定強度が低下する可能性があります。 15～25% 。金属やコンクリートでは0.05mm以内の端面研磨が必須です。
• 試験片とプラテンの間の摩擦: 金属試験片上の潤滑されていない鋼板は、人為的に横方向の膨張を抑制する「バレル」効果を生み出し、見かけの強度を増大させます。
• 間違った積載率: 荷重が速いほど強度が高くなります。積載率 指定レートの10倍 報告されているコンクリートの圧縮強度を 5 ～ 10% 増加させることができます。
• 校正外のロードセル: ロードセルのゼロオフセットまたはスパンのドリフトは、定期的な校正を行わなければ目に見えません。 2% のスパン誤差は、報告されるすべての値の 2% 誤差に直接変換されます。
• 試験片の偏心率: 試験片を中心から 5 mm でもずらして配置すると、曲げモーメントが発生し、真の圧縮挙動が隠蔽されます。