摘要：對金屬材料萬能試驗機的發(fā)展概述，常見的金屬材料萬能試驗機主要有液壓系列和電子萬能系列2大類。具體可細分為4種類型：液壓系列包括手動液壓萬能試驗機和電液伺服液壓萬能試驗機；電子萬能系列包括電子萬能試驗機和高性能電子萬能試驗機，對此進行比較介紹。選擇金屬材料萬能試驗機應注意最大量程、精度等級、試驗速率等參數(shù)，且配套的附件等。


關鍵詞：金屬材料  萬能試驗機  配置  結構  裝置

1. 概況

自從人類社會進入工業(yè)化時代后，材料性能檢測的理論研究和實踐探索就一直為學界和工程技術界所重視。合理有效的使用材料，并使其潛力得到充分的發(fā)揮，必須了解和掌握它們所具有的性能，了解和掌握其組織結構和成分，材料檢測工作已成為保證和提高產(chǎn)品內在質量的有效手段。為此，材料質量檢測與分析在現(xiàn)代制造業(yè)中具有非常重要地位和作用，只要有制造業(yè)、有產(chǎn)品就離不開材料的質量檢測與分析技術。材料質量檢測與分析技術又是一項理論性和實踐性都很強的技術，直接關系到產(chǎn)品的質量與水平。

材料科學的進步與發(fā)展，使各類新材料層出不窮，但傳統(tǒng)的金屬材料憑借優(yōu)良的加工性能和使用性能，在實際應用中仍占據(jù)優(yōu)勢。如今越來越多的材料性能數(shù)據(jù)庫可以直接給出各種金屬材料的性能，也可以利用計算機有限元分析和其他計算方法來分析整體構件或零部件的應力、應變場，但材料拉伸試驗仍然是獲得金屬材料性能唯一可靠的途徑。

拉伸試驗可以測定金屬材料在單向靜拉伸條件下的基本力學性能指標，如彈性模量、泊松比、屈服強度、規(guī)定非比例延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率、應變硬化指數(shù)和塑性應變比等。因此，拉伸試驗在機械設計、新材料的研制、材料的采購和檢驗收、產(chǎn)品的質量控制、設備的安全評估等領域應用廣泛，試驗結果具有重要的應用價值和參考價值。

材料萬能試驗機從最早應用于金屬領域開始，經(jīng)歷了從小負荷到大量程，從手動到自動，從單一功能到多種控制模式的跨越。萬能試驗機結構形式多樣、性能特點各異，如何選擇試驗機是大多數(shù)用戶關心的問題，而絕大多數(shù)的金屬材料試驗機多是靜力學性能試驗。本文針對常見金屬材料萬能試驗機及其主要附件的性能特點進行探討，為選型、配置提供參考。

2. 金屬材料萬能試驗機的發(fā)展

拉伸試驗是一種最古老最基本的力學測試方法。為了對材料的靜強度進行正確評價，需要設計并制造出其相應的材料試驗裝置。

17世紀意大利科學家伽利略在研究焊件與其所承受載荷關系問題上已提出了拉伸力學性能為基礎的材料強度概念。17世紀后，虎克試驗了研究材料拉伸測試過程，總結并提出材料的應力與應變呈比例關系的虎克定律。然后在分析研究材料拉伸試驗時又發(fā)現(xiàn)彈性范圍內應力與應力的比例總體為一常數(shù)，稱為楊氏模量。以后世界各國科學家對拉伸測試技術進行了改進與創(chuàng)新，使拉伸試驗得到迅速發(fā)展。為了測量拉伸試驗過程中試樣的變形發(fā)明了馬登式引伸計。19世紀初期，英國設計和制造出300 t臥式拉伸試驗機，可測試大試樣和構件的拉伸試驗性能，為機件強度設計提供了必要的基礎資料。19世紀中葉，意大利科學家Galileo為驗證解析法求解構件的安全尺寸而提出了拉伸、彎曲試驗，并設計出最早用砝碼加載的靜力材料試驗機。上述2種試驗裝置通過對試樣施加簡單的拉力，得到1個試驗結果，即材料的抗拉強度，而無法記錄和觀察材料的形變與施加載荷的關系，遠遠不能滿足對材料性能的評價以及新材料研究與開發(fā)的要求，也不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。然后，機械式、液壓式、電磁式集各種類型的材料試驗機相繼問世，測試設備由簡到繁逐步改進。

19世紀末以來，隨著材料科學的發(fā)展和試驗技術不斷革新，靜態(tài)力學性能測試設備越來越多。靜態(tài)液壓試驗機在20世紀50年代首先普及，該類型試驗機能實現(xiàn)連接加載，并可記錄載荷--位移曲線。在配備應變引伸儀的試驗機上，還可以測得材料的彈性模量和屈服極限，為研究材料的形變及破壞機理提供了條件。不足之處是既不能控制加載速率，也不能控制形變速率；因此試驗結果的重復性不能保證。由于大多數(shù)金屬材料，其靜態(tài)力學性能隨著加載速率的變化而變化，研究人員在進行材料的研究和設計時需要獲得材料在不同加載速率下的靜態(tài)力學性能，同時在工業(yè)生產(chǎn)中，工程技術人員需要及時獲得準確的材料參數(shù)，來判斷材料是否合格。因此，靜態(tài)液壓試驗機無論在控制方面，還是在記錄方面，既不能滿足材料研究，也不能滿足生產(chǎn)檢驗的需要。

20世紀中葉美國設計并制造出電子式拉伸試驗機，加速了拉伸試驗測試技術的發(fā)展。20世紀60年代以后電子技術和無線電技術、自動控制技術、電子計算機技術、數(shù)字顯示技術、液壓技術、應力應變測量技術、現(xiàn)代儀器儀表等廣泛應用到拉伸試驗中去，使拉伸試驗獲得顯著發(fā)展。

電子技術和計算機控制技術的發(fā)展為拉伸試驗機革新提供了便利條件，各種先進的微機控制電子拉伸試驗機和液壓伺服材料試驗機不斷涌現(xiàn)，通過計算機不僅可以精確地控制軸向加載速率，而且可實現(xiàn)3種方式的加載控制，即載荷、位移和應變控制。整個試驗過程實時采樣、顯示，同時以數(shù)據(jù)形式進行存儲，試驗結束后可迅速計算結果，并打印出試驗報告。

為了實現(xiàn)靜態(tài)試驗的完全自動化，工程技術人員又設計出了全自動靜態(tài)試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備機械手，使得試驗從試樣裝夾到打印報告的整個過程完全自動實現(xiàn)，大大提高了工作效率。該系統(tǒng)是目前較先進的靜態(tài)試驗設備。

3. 金屬材料萬能試驗機選型

3.1 種類選擇

常見的金屬材料萬能試驗機主要有液壓系列和電子萬能系列2大類。具體可細分為4種類型：液壓系列包括手動液壓萬能試驗機和電液伺服液壓萬能試驗機；電子萬能系列包括電子萬能試驗機和高性能電子萬能試驗機。系列規(guī)格有100KN、200KN、300KN、600KN、1000KN和2000KN等等，它們性能各異，優(yōu)缺點明顯，一般力學性能試驗室普遍配套使用，且針對不同的用戶群體。當然還有其它特殊規(guī)格，如用于各類鋼絲繩、錨固螺栓以及索具等試樣拉伸試驗的臥式萬能試驗機、全自動電子萬能拉伸試驗機等。

3.1.1 手動液壓萬能試驗機

該試驗機采用簡易高壓源作為動力源，手動調整閥作為控制元件，由人工手動實現(xiàn)加載，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。受油源流量及主機結構的限制，油缸活塞行程較小，一般在300mm左右，試驗速度也較小。受價格因素的影響，測力傳感器一般采用壓力傳感器，精度較低，為1級或2級；量程為滿量程的4%～100%；受油缸摩擦力的影響，噸位較難做到很小，基本在5 t以上。這類試驗機雖然技術較為落后，自20世紀80年代被發(fā)達國家淘汰，但它所特有的低價、大噸位以及操作簡便等優(yōu)點，在國內中小企業(yè)中仍大量使用。

3.1.2 電液伺服液壓萬能試驗機

該試驗機采用精密高壓油源作為動力源，使用伺服閥或比例閥為控制元件進行閉環(huán)自動控制，控制性能較高，結合計算機可實現(xiàn)載荷、應變、位移3種控制模式。與手動液壓萬能試驗機一樣，受油源流量的限制，試驗速度較低。采用閉環(huán)自動控制，試驗機的剛度成為整個系統(tǒng)正常運行的關鍵，其噸位不可能做得很小，基本上都在1 t以上。為了盡可能減少液體對整機剛度的影響，一般行程也都不大。因此，比較適合機械類產(chǎn)品和大尺寸的零部件試樣。

3.1.3 常規(guī)電子萬能試驗機

該試驗機采用伺服電機作為動力源，絲杠、螺母作為執(zhí)行部件，實現(xiàn)試驗機移動橫梁的速度控制，試驗速度范圍較大，一般為0.001～1000mm/min；試驗行程可按需要而定，最大可達幾米，這是液壓類試驗機無法比擬的。常規(guī)電子萬能試驗機采用速度控制，因而對系統(tǒng)剛度的要求不高，為小噸位試驗機實踐創(chuàng)造了有利條件。目前國內外小噸位10KN以下試驗機都是常規(guī)的電子萬能試驗機。靈活的夾具配置、傳感器的擴展，為實現(xiàn)金屬薄板、金屬線材以及高分子材料等試驗提供了可能，是性價比最高的一個品種。由于它的控制模式較為單一，并不適合做恒應力、恒應變類試驗。

3.1.4 高性能電子萬能試驗機

高性能電子萬能試驗機與常規(guī)電子萬能試驗機一樣，也是采用伺服電機作為動力源，絲杠、螺母作為執(zhí)行部件，不同的是它具有載荷、應變和位移3種閉環(huán)控制。因此除了具有常規(guī)電子萬能試驗機速度范圍寬、行程大的特點外，還具有電液伺服萬能試驗機的全部優(yōu)點，因而是性能最好的萬能試驗機。當然，這類試驗機也有它的缺點，由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的剛度很重要，而試樣剛度又直接影響系統(tǒng)的剛度和整機的穩(wěn)定性，所以試樣種類較多時，整機剛度的變化就會很大，需隨時調整控制系統(tǒng)的參數(shù)，增加了操作人員的難度。盡管此類試驗機的價格比較高，但也逐漸被各大科研院所、第3方實驗室和大型企業(yè)所選用。

3.2 結構選擇

從外觀形式上看，萬能試驗機有單立柱、雙立柱等，金屬材料萬能試驗機由于噸位普遍較大，因此以雙立柱結構居多。根據(jù)機器大小，又分臺式和落地式：臺式可放置于穩(wěn)固臺面上，但量程較小，只能測定薄件或細件，僅靠電機即可提供足夠的動力；落地式可以測定較大的試樣，相應破壞瞬間的震動也更大。因此，選擇這類試驗機時要考慮有足夠的場地空間，尤其是注意樓層高度和預備地腳。

測試力值在5KN以下，一般選用單立柱電子萬能試驗機；力值為5～50KN，選用雙立柱臺式機；50KN以上基本選用落地式。

從功能區(qū)間來劃分，萬能試驗機大體可分為單空間和雙空間2大類。雙空間萬能試驗機是國內市場上使用最多、使用時間最長的機型，包括上拉下壓或上壓下拉式，優(yōu)點是拉向的試驗和壓向的試驗分別在2個試驗空間，可以比較方便地完成各種不同試驗，但由于增加了調節(jié)橫梁，試樣斷裂后的震動較大。單空間萬能試驗機所有的試驗都在1個試驗空間內完成，設備的優(yōu)點是整機剛性好，沒有間隙，試樣拉斷后能量可在整機范圍內得到有效分散，震動較小，而且試驗的空間很低，裝卸試樣省力、方便，所以該機型單一試驗的效率非常高。如果要進行多種試驗，如拉伸、彎曲、壓縮等，比雙空間操作麻煩。大噸位液壓萬能試驗機的單空間機型，在生產(chǎn)上具有一定技術難度，價格也較高。因此，在一臺設備上實現(xiàn)多種試驗使用功能，雙空間萬能試驗機是最佳選擇。

4. 萬能試驗機主要配置

4.1參數(shù)選擇

確定合適的參數(shù)，是選擇萬能試驗機的關鍵。決定萬能試驗機性能的主要參數(shù)有以下幾點。

⑴最大量程。根據(jù)試驗材料的破斷力值來選擇所需要的試驗機最大載荷。選配傳感器時還是要盡量保證試驗力值處于傳感器最大量程的10%～90%，以確保結果可靠。

⑵精度等級。常見萬能試驗機精度一般為1級和0.5級，這2種精度的試驗機在技術上差別并不明顯，校驗的方法和手段也基本一致。隨著傳感器技術的發(fā)展，傳感器元件的線性度已經(jīng)達到很高的水平，對于一般的材料試驗選擇1級精度的試驗機已經(jīng)完全夠用，對于科學研究和要求嚴格的比對試驗或仲裁試驗，才需要0.5級精度的試驗機。

⑶分辨率。合適的分辨率有利于測量的解析度，能測量出較小的分度，然而有效分辨率和動態(tài)性能是一對矛盾，提高有效分辨率是以犧牲動態(tài)性能（帶寬）為代價的，帶寬的降低直接導致材料屈服波動不明顯甚至出現(xiàn)屈服平臺現(xiàn)象，所以在選型時也要考慮這對參數(shù)。

⑷速度范圍。包括應力速率、應變速率和位移速率，范圍越大意味著適應性越強。

⑸測控軟件。優(yōu)良的測控軟件應體現(xiàn)出模塊化、人性化的優(yōu)勢，界面直觀、操作簡便、控制方案完善、編輯功能強大，這些都需要操作人員親身體驗。

總之，無論萬能試驗機是哪一種類型，拉伸萬能試驗機應滿足以下要求：①達到試驗機檢定的1級或以上級別精度；②有加荷調速裝置；③有數(shù)據(jù)記錄或顯示裝置；④由計量部門定期進行檢定。

4.2 附件選配

金屬材料萬能試驗機是一個完整的試驗系統(tǒng)，除了主機外，還有一些附件也影響到試驗效果，主要有夾具、引伸計和高低溫試驗輔助裝置。

4.2.1 夾具

裝卸夾具是連接試樣與試驗機加載裝置的重要附件，為了保證試驗的重復性及其精度，要求夾具夾持穩(wěn)固、對中性好、裝卸方便。夾具分為拉伸、壓縮、彎曲、剪切等類別；還有杯突試驗夾具。拉伸夾具的應用最多，為適應不同的試驗需要，有液壓夾具、氣動夾具等替代了手動夾具。先進的液壓平推夾具，可以很好地消除初始試驗力，消除誤差，但是價格較高。

4.2.2 引伸計

引伸計是測量試樣變形量的傳感器，主要用于測定試樣微小塑性變形對應的性能指標。如測定規(guī)定非比例延伸強度、下屈服強度或彈性模量等。引伸計一般由3部分組成：變形部分（與試樣表面接觸，感受試樣的微量變形），傳遞和放大部分（將接受到的變形放大），指示部分（記錄或顯示變形量）。它的主要參數(shù)為放大倍數(shù)和測量范圍（量程）。拉伸試驗中常用的引伸計有機械式、電子式。

引伸計根據(jù)其標定的精度分為A、B、C、D和E 5個等級。使用時應根據(jù)試驗機和檢測變形量來選取引伸計的式樣及等級，見表1。若試驗要求記錄載荷--變形圖，應選用電子式引伸計。引伸計應定期進行檢定。日常試驗中要經(jīng)常檢查引伸計，如發(fā)現(xiàn)異常應重新標定后再使用。

4.2.3 高低溫試驗輔助裝置

⑴加熱裝置

加熱裝置把試樣加熱到規(guī)定的試驗溫度，并保持該溫度直到試驗結束所使用的裝置。對于溫度在100～1100℃的試驗，可采用電阻絲加熱爐。一般為對開式圓筒型高溫電阻爐，采用內置式加熱體，升溫速度快，調節(jié)靈敏，精度高。它應有均勻溫度區(qū)，有較高的溫度精度與穩(wěn)定性。采用PID溫度控制儀，用電爐支架安裝在試驗機上，電爐方便進出主機。其長度一般為試樣標距的2倍。均勻溫度區(qū)沿試樣標距的溫度梯度應小于5℃，加熱爐的溫度偏差最多不能超過±5℃。

⑵冷卻裝置
冷卻裝置是把試樣冷卻到規(guī)定的試驗溫度，并保持該溫度直到試驗結束所使用的裝置。其溫度偏差應小于±2℃。冷卻裝置也應有均勻溫度區(qū)，其長度至少為試樣標距的1.5倍。在試樣標距兩端同時測得溫度之差（梯度）最大不超過3℃?？墒褂脭嚢柩b置使冷卻介質沿試樣軸線方向流動循環(huán)來達到溫度均勻。不同溫度的冷源和冷卻介質的選用，見表2。


⑶環(huán)境箱

環(huán)境箱是試驗溫度在-60℃～+250℃之間所使用的裝置，它把加熱裝置和冷卻裝置合為一體。環(huán)境箱必須同時滿足加熱、冷卻裝置對溫度范圍和溫度梯度的要求，使用時，高溫采用硅碳棒加熱，低溫采用液氮或壓縮機制冷。工作室空氣用風扇鼓風循環(huán)，強制空氣對流，使之室內溫度得到均勻，以達到試驗要求的溫度。

⑷ 溫度測量裝置
溫度測量裝置由熱電偶、補償導線和電位差計組成。根據(jù)不同的試驗溫度，按表3選擇熱電偶類型。試驗時，由電位差計測得的數(shù)值查表即可得到所對應的溫度。熱電偶、補償導線以及電位差計應定期進行檢定。

5. 結束語

金屬材料萬能試驗機是測量求得各種力學性能判據(jù)（指標）的試驗技術。隨著最新的微電子技術、計算機技術、自動控制技術等高新技術在力學性能試驗技術和設備中的廣泛應用，一方面改進了試驗設備，使得一些復雜的控制、測量和記錄得以自動化，減少了人為誤差；另一方面促進了力學試驗技術發(fā)展，使得一些原來只能定性或半定量測量的力學性能指標能夠精確地測量。當前的力學性能試驗技術正向著試驗條件不斷繁雜化（更接近材料或構件的實際服役條件）、試驗范圍逐漸擴大化（滿足新材料的試驗）、試驗數(shù)據(jù)更趨精確化和試驗過程日益自動化的方向發(fā)展。目前，拉伸試驗的力學性能的許多指標從試驗方法到試驗設備，都能滿足自動精確測量的要求，值得檢測人員加以關注。