压缩测试详解：定义、目的、应用与方法论

压缩测试是一种广泛使用的力学测试，可提供材料在压缩载荷下行为的宝贵见解。该测试在为航空航天、汽车、建筑等行业的各种应用选择合适材料方面至关重要。本文将深入探讨压缩测试的定义、目的、应用、工作原理及执行步骤。

什么是压缩测试？

压缩测试是一种力学测试，用于确定材料在压缩载荷下的行为。从压缩测试收集的数据提供不同材料力学性能的有益见解，这在为建筑和工程行业的不同应用选择合适材料方面极具价值。

压缩测试如何工作？

压缩测试中，材料样品放置在测试机的两个压板或钳口之间。可采用通用试验机形式，配备测量施加力的载荷传感器。对样品施加压缩力，直到达到特定变形或断裂。可使用偏转计或引伸计等附加装置测量样品的挠度或压缩应变。

压缩定型测试示意图。

压缩测试的目的是什么？

压缩测试的目的是通过测量应变、应力和变形等关键参数，确定材料对压缩载荷的行为或响应。压缩测试可确定材料的抗压强度、最大承载能力、屈服强度、弹性模量和弹性极限等性能。

一旦理解这些因素及特定材料相关数值，即可评估材料是否适合给定应用，或在给定应力下是否会失效。

何时使用压缩测试？

压缩测试用于展示材料对压缩的响应。可用于评估材料塑性流动行为和延性断裂极限。也可确定材料对粉碎载荷的响应。压缩测试对评估脆性或低延性材料的弹性和压缩断裂特性至关重要。

弹性模量、压缩屈服点、比例极限、抗压强度和最大抗压强度均可通过压缩实验确定。这些特性在判断材料是否适合给定应用或在给定应力下是否会失效中起关键作用。

压缩测试应用于哪些领域？

多个行业使用压缩测试。主要行业如下：

1. 航空航天与汽车工业

压缩测试是航空航天和汽车工业的重要组成部分。用于测量发动机部件、结构部件和其他关键部件所用材料的抗压强度。例如，航空航天领域用压缩测试测试飞机机翼、机身、发动机部件制造材料强度。汽车工业用压缩测试测试发动机缸体、曲轴、弹簧等部件制造材料强度。

2. 建筑工业

建筑工业中，压缩测试用于确定混凝土、水泥和其他建筑材料的抗压强度。这些测试对确保建筑材料满足要求强度标准、能承受结构重量和压力至关重要。压缩测试也用于测量屋顶板、绝缘板、建筑用板材的压缩性能，以及石膏板、管道和喷射混凝土的压痕测试。

3. 化妆品工业

压缩测试是化妆品工业的重要组成部分，用途如下：

• 喷雾和分配泵的执行器力测试。
• 口红、润唇膏、眼线笔断裂强度测试。
• 压实时眼影和粉饼强度测试。
• 测量从瓶和袋中挤出乳霜和乳液所需力。

4. 电气电子工业

电气电子工业中，压缩测试用于测试绝缘体、连接器、LCD屏幕、键盘等组件的抗压强度。这些测试对确保组件能承受其他组件和设备的压力和重量而不破损或随时间降解至关重要。

5. 医疗器械工业

医疗行业是压缩测试应用众多的另一行业。部分用途包括：

• 针的三点弯曲测试。
• 定量吸入器和笔式注射器执行器力测试。
• 手术刀和针的锋利度、插入和穿透力测试。
• 注射器推杆驱动和“行程”力评估。

6. 包装工业

包装工业中，压缩测试用于测试纸板、纸浆板等包装材料的抗压强度。这些测试对确保包装能承受内部产品重量和压力而不破损或撕裂至关重要。

7. 纸张和纸板工业

纸张和纸板工业进行压缩测试以测试纸板抗压强度。

8. 塑料、橡胶和弹性体工业

橡胶、塑料和弹性体工业中的压缩测试主要包括聚合物在载荷下压缩特性的鉴定。

9. 安全、健康、健身和休闲工业

压缩测试在安全、健康、健身和休闲工业中的部分应用包括：

• 测试网球、高尔夫球、板球有效性。
• 汽车安全座椅安全带压缩测试。

如何执行压缩测试？

压缩测试通过施加压缩力于材料直到达到指定变形或断裂工作。过程通常包含以下步骤：

• 样品制备：根据测试标准选择和制备待测材料样品。样品可能为圆柱或立方体形状，视测试要求而定。
• 样品安装：样品安装在测试机两个压板或钳口之间。机器可使用液压、气动或机械力向样品施加载荷。
• 施加力：以恒定速率向样品施加压缩力，直到达到指定变形或断裂。测试期间测量并记录施加力和结果变形。
• 结果分析：测试期间收集的数据用于计算材料各种性能，包括抗压强度、弹性模量和变形特性。

压缩应力测试示意图。

什么是压缩测试设备？

通用兼容测试设备用于压缩测试。力容量范围从0.02N到2000kN，这些设备通常提供广泛尺寸范围。通用试验机必须配备引伸计、专用压板和测试软件。通过简单更换夹具，单台机器可调整测试其力范围内任何材料，视被测材料类型而定。

压缩测试中，材料样品夹在两个压缩测试机压板或钳口之间，压缩至预定变形或开裂。

常见压缩测试结果有哪些？

压缩测试结果因材料而异，也因用户测试的目标性能而异。

压缩测试有哪些类型？

不同压缩测试类型列述如下：

1. 单轴压缩测试

单轴压缩测试是最常见和基础的压缩测试类型。涉及在单轴向对试样施加压缩载荷，通常在通用试验机的两个平板之间。此测试用于评估多种材料的抗压强度、弹性模量、屈服点和变形行为。

单轴测试特别适用于金属、塑料、陶瓷、混凝土和复合材料等。试样通常为圆柱或立方体形状，按受控变形速率进行测试，直到失效或达到指定应变。

2. 弹簧测试

弹簧测试是测试压缩弹簧性能特性的方法。将弹簧置于压缩测试机中压缩至所有线圈接触，机器随后确定以下特性：

• 实心高度：弹簧完全压缩时的高度。
• 最大载荷：完全压缩弹簧所需力。
• 自由长度：无载荷下弹簧长度。
• 弹簧刚率：压缩弹簧特定距离所需力。

3. 顶载/压碎测试

顶载测试通过向试样施加向下力测量其抗压碎能力。可对任何类型试样执行，但常用于包装行业测试塑料瓶、纸盒、罐子等容器抗压碎性。

压缩测试标准有哪些？

不同组织维护许多压缩测试行业标准，如：

金属

ASTM E9-89a – 常温下金属材料压缩测试标准方法

涵盖常温下金属材料轴向载荷压缩测试的装置、试样和程序。

塑料

ISO 844:2021 – 硬质泡沫塑料 — 压缩性能测定

规定硬质泡沫塑料抗压强度、10%相对变形应力和压缩模量测定方法。

ISO 15527:2007 – 塑料 — 压缩模塑聚乙烯（PE-UHMW, PE-HD）板材 — 要求和测试方法

规定无填料或增强材料的实心平板压缩模塑聚乙烯板材要求和测试方法。

ASTM D6713-01 – 聚偏二氟乙烯（PVDF）挤出和压缩模塑型材标准规范

涵盖PVDF挤出和压缩模塑型材要求和测试方法。

橡胶和弹性体

ISO 7743:2008 – 橡胶，硫化或热塑性 — 压缩应力-应变性能测定

规定用标准试件测定硫化或热塑性橡胶压缩应力-应变性能的方法。

ASTM D575 – 橡胶压缩性能标准测试方法

测定橡胶化合物压缩-挠度特性。

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ASTM C864-05 – 致密弹性体压缩密封垫圈、定位块和间隔块标准规范

涵盖用于密封和玻璃安装应用的预制致密弹性体压缩垫圈及配件。

纸张和纸板

ISO 9895:1989 – 纸和纸板 — 抗压强度 — 短跨度测试

规定用短跨度压缩测试仪测定纸和纸板纵横向抗压强度的方法。

建筑材料

BS EN 12365-2:2003 – 建筑五金 — 门、窗、百叶窗和幕墙用垫圈和密封条 — 第2部分：线性压缩力测试方法

规定建筑五金用垫圈和密封条线性压缩力测定方法。

压缩测试有哪些优势？

压缩测试有诸多优势，包括：

• 与其他测试类型相比，通常具成本效益。
• 可在多种材料上执行。
• 是成熟技术，正确执行时可提供可靠结果。

压缩测试有哪些局限性？

压缩测试存在一些局限性，包括：

• 仅提供材料抗压强度及相关性能（如弹性模量和屈服点）信息。
• 可能耗时。
• 测试试样制备方式非常特定，可能昂贵且影响结果准确性。
• 结果准确性可能受环境因素（如温度）和操作员错误（如试样安装不当）影响。

压缩测试准确吗？

是的，只要使用高质量机器和测试程序，压缩测试可极其准确。但多种因素可降低测试准确性，如不一致的测试设置、低质量机器或校准不当机器。缓解这些因素可实现压缩测试极高准确性。

拉伸测试与压缩测试有何区别？

拉伸测试与压缩测试的区别在于：拉伸测试施加拉伸应力（拉力）；压缩测试施加压缩应力（压力）。

总结

本文介绍了压缩测试，解释了其定义，并讨论了目的和类型。了解更多压缩测试信息，请联系Xometry代表。

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Dean McClements

Dean McClements拥有机械工程一等荣誉学士学位，在制造业拥有二十多年经验。他的职业生涯包括在Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace和Hyster-Yale等领先公司担任重要职务，深入理解工程流程和创新。

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