金属材料万能试验机的发展及主要配置

摘要：对金属材料万能试验机的发展概述，常见的金属材料万能试验机主要有液压系列和电子万能系列2大类。具体可细分为4种类型：液压系列包括手动液压万能试验机和电液伺服液压万能试验机；电子万能系列包括电子万能试验机和高性能电子万能试验机，对此进行比较介绍。选择金属材料万能试验机应注意最大量程、精度等级、试验速率等参数，且配套的附件等。


关键词：金属材料  万能试验机  配置  结构  装置

1. 概况

自从人类社会进入工业化时代后，材料性能检测的理论研究和实践探索就一直为学界和工程技术界所重视。合理有效的使用材料，并使其潜力得到充分的发挥，必须了解和掌握它们所具有的性能，了解和掌握其组织结构和成分，材料检测工作已成为保证和提高产品内在质量的有效手段。为此，材料质量检测与分析在现代制造业中具有非常重要地位和作用，只要有制造业、有产品就离不开材料的质量检测与分析技术。材料质量检测与分析技术又是一项理论性和实践性都很强的技术，直接关系到产品的质量与水平。

材料科学的进步与发展，使各类新材料层出不穷，但传统的金属材料凭借优良的加工性能和使用性能，在实际应用中仍占据优势。如今越来越多的材料性能数据库可以直接给出各种金属材料的性能，也可以利用计算机有限元分析和其他计算方法来分析整体构件或零部件的应力、应变场，但材料拉伸试验仍然是获得金属材料性能唯一可靠的途径。

拉伸试验可以测定金属材料在单向静拉伸条件下的基本力学性能指标，如弹性模量、泊松比、屈服强度、规定非比例延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、应变硬化指数和塑性应变比等。因此，拉伸试验在机械设计、新材料的研制、材料的采购和检验收、产品的质量控制、设备的安全评估等领域应用广泛，试验结果具有重要的应用价值和参考价值。

材料万能试验机从最早应用于金属领域开始，经历了从小负荷到大量程，从手动到自动，从单一功能到多种控制模式的跨越。万能试验机结构形式多样、性能特点各异，如何选择试验机是大多数用户关心的问题，而绝大多数的金属材料试验机多是静力学性能试验。本文针对常见金属材料万能试验机及其主要附件的性能特点进行探讨，为选型、配置提供参考。

2. 金属材料万能试验机的发展

拉伸试验是一种最古老最基本的力学测试方法。为了对材料的静强度进行正确评价，需要设计并制造出其相应的材料试验装置。

17世纪意大利科学家伽利略在研究焊件与其所承受载荷关系问题上已提出了拉伸力学性能为基础的材料强度概念。17世纪后，虎克试验了研究材料拉伸测试过程，总结并提出材料的应力与应变呈比例关系的虎克定律。然后在分析研究材料拉伸试验时又发现弹性范围内应力与应力的比例总体为一常数，称为杨氏模量。以后世界各国科学家对拉伸测试技术进行了改进与创新，使拉伸试验得到迅速发展。为了测量拉伸试验过程中试样的变形发明了马登式引伸计。19世纪初期，英国设计和制造出300 t卧式拉伸试验机，可测试大试样和构件的拉伸试验性能，为机件强度设计提供了必要的基础资料。19世纪中叶，意大利科学家Galileo为验证解析法求解构件的安全尺寸而提出了拉伸、弯曲试验，并设计出最早用砝码加载的静力材料试验机。上述2种试验装置通过对试样施加简单的拉力，得到1个试验结果，即材料的抗拉强度，而无法记录和观察材料的形变与施加载荷的关系，远远不能满足对材料性能的评价以及新材料研究与开发的要求，也不能满足现代工业发展的需要。然后，机械式、液压式、电磁式集各种类型的材料试验机相继问世，测试设备由简到繁逐步改进。

19世纪末以来，随着材料科学的发展和试验技术不断革新，静态力学性能测试设备越来越多。静态液压试验机在20世纪50年代首先普及，该类型试验机能实现连接加载，并可记录载荷--位移曲线。在配备应变引伸仪的试验机上，还可以测得材料的弹性模量和屈服极限，为研究材料的形变及破坏机理提供了条件。不足之处是既不能控制加载速率，也不能控制形变速率；因此试验结果的重复性不能保证。由于大多数金属材料，其静态力学性能随着加载速率的变化而变化，研究人员在进行材料的研究和设计时需要获得材料在不同加载速率下的静态力学性能，同时在工业生产中，工程技术人员需要及时获得准确的材料参数，来判断材料是否合格。因此，静态液压试验机无论在控制方面，还是在记录方面，既不能满足材料研究，也不能满足生产检验的需要。

20世纪中叶美国设计并制造出电子式拉伸试验机，加速了拉伸试验测试技术的发展。20世纪60年代以后电子技术和无线电技术、自动控制技术、电子计算机技术、数字显示技术、液压技术、应力应变测量技术、现代仪器仪表等广泛应用到拉伸试验中去，使拉伸试验获得显著发展。

电子技术和计算机控制技术的发展为拉伸试验机革新提供了便利条件，各种先进的微机控制电子拉伸试验机和液压伺服材料试验机不断涌现，通过计算机不仅可以精确地控制轴向加载速率，而且可实现3种方式的加载控制，即载荷、位移和应变控制。整个试验过程实时采样、显示，同时以数据形式进行存储，试验结束后可迅速计算结果，并打印出试验报告。

为了实现静态试验的完全自动化，工程技术人员又设计出了全自动静态试验系统，该系统配备机械手，使得试验从试样装夹到打印报告的整个过程完全自动实现，大大提高了工作效率。该系统是目前较先进的静态试验设备。

3. 金属材料万能试验机选型

3.1 种类选择

常见的金属材料万能试验机主要有液压系列和电子万能系列2大类。具体可细分为4种类型：液压系列包括手动液压万能试验机和电液伺服液压万能试验机；电子万能系列包括电子万能试验机和高性能电子万能试验机。系列规格有100KN、200KN、300KN、600KN、1000KN和2000KN等等，它们性能各异，优缺点明显，一般力学性能试验室普遍配套使用，且针对不同的用户群体。当然还有其它特殊规格，如用于各类钢丝绳、锚固螺栓以及索具等试样拉伸试验的卧式万能试验机、全自动电子万能拉伸试验机等。

3.1.1 手动液压万能试验机

该试验机采用简易高压源作为动力源，手动调整阀作为控制元件，由人工手动实现加载，属于开环控制系统。受油源流量及主机结构的限制，油缸活塞行程较小，一般在300mm左右，试验速度也较小。受价格因素的影响，测力传感器一般采用压力传感器，精度较低，为1级或2级；量程为满量程的4%～100%；受油缸摩擦力的影响，吨位较难做到很小，基本在5 t以上。这类试验机虽然技术较为落后，自20世纪80年代被发达国家淘汰，但它所特有的低价、大吨位以及操作简便等优点，在国内中小企业中仍大量使用。

3.1.2 电液伺服液压万能试验机

该试验机采用精密高压油源作为动力源，使用伺服阀或比例阀为控制元件进行闭环自动控制，控制性能较高，结合计算机可实现载荷、应变、位移3种控制模式。与手动液压万能试验机一样，受油源流量的限制，试验速度较低。采用闭环自动控制，试验机的刚度成为整个系统正常运行的关键，其吨位不可能做得很小，基本上都在1 t以上。为了尽可能减少液体对整机刚度的影响，一般行程也都不大。因此，比较适合机械类产品和大尺寸的零部件试样。

3.1.3 常规电子万能试验机

该试验机采用伺服电机作为动力源，丝杠、螺母作为执行部件，实现试验机移动横梁的速度控制，试验速度范围较大，一般为0.001～1000mm/min；试验行程可按需要而定，最大可达几米，这是液压类试验机无法比拟的。常规电子万能试验机采用速度控制，因而对系统刚度的要求不高，为小吨位试验机实践创造了有利条件。目前国内外小吨位10KN以下试验机都是常规的电子万能试验机。灵活的夹具配置、传感器的扩展，为实现金属薄板、金属线材以及高分子材料等试验提供了可能，是性价比最高的一个品种。由于它的控制模式较为单一，并不适合做恒应力、恒应变类试验。

3.1.4 高性能电子万能试验机

高性能电子万能试验机与常规电子万能试验机一样，也是采用伺服电机作为动力源，丝杠、螺母作为执行部件，不同的是它具有载荷、应变和位移3种闭环控制。因此除了具有常规电子万能试验机速度范围宽、行程大的特点外，还具有电液伺服万能试验机的全部优点，因而是性能最好的万能试验机。当然，这类试验机也有它的缺点，由于闭环控制系统的刚度很重要，而试样刚度又直接影响系统的刚度和整机的稳定性，所以试样种类较多时，整机刚度的变化就会很大，需随时调整控制系统的参数，增加了操作人员的难度。尽管此类试验机的价格比较高，但也逐渐被各大科研院所、第3方实验室和大型企业所选用。

3.2 结构选择

从外观形式上看，万能试验机有单立柱、双立柱等，金属材料万能试验机由于吨位普遍较大，因此以双立柱结构居多。根据机器大小，又分台式和落地式：台式可放置于稳固台面上，但量程较小，只能测定薄件或细件，仅靠电机即可提供足够的动力；落地式可以测定较大的试样，相应破坏瞬间的震动也更大。因此，选择这类试验机时要考虑有足够的场地空间，尤其是注意楼层高度和预备地脚。

测试力值在5KN以下，一般选用单立柱电子万能试验机；力值为5～50KN，选用双立柱台式机；50KN以上基本选用落地式。

从功能区间来划分，万能试验机大体可分为单空间和双空间2大类。双空间万能试验机是国内市场上使用最多、使用时间最长的机型，包括上拉下压或上压下拉式，优点是拉向的试验和压向的试验分别在2个试验空间，可以比较方便地完成各种不同试验，但由于增加了调节横梁，试样断裂后的震动较大。单空间万能试验机所有的试验都在1个试验空间内完成，设备的优点是整机刚性好，没有间隙，试样拉断后能量可在整机范围内得到有效分散，震动较小，而且试验的空间很低，装卸试样省力、方便，所以该机型单一试验的效率非常高。如果要进行多种试验，如拉伸、弯曲、压缩等，比双空间操作麻烦。大吨位液压万能试验机的单空间机型，在生产上具有一定技术难度，价格也较高。因此，在一台设备上实现多种试验使用功能，双空间万能试验机是最佳选择。

4. 万能试验机主要配置

4.1参数选择

确定合适的参数，是选择万能试验机的关键。决定万能试验机性能的主要参数有以下几点。

⑴最大量程。根据试验材料的破断力值来选择所需要的试验机最大载荷。选配传感器时还是要尽量保证试验力值处于传感器最大量程的10%～90%，以确保结果可靠。

⑵精度等级。常见万能试验机精度一般为1级和0.5级，这2种精度的试验机在技术上差别并不明显，校验的方法和手段也基本一致。随着传感器技术的发展，传感器元件的线性度已经达到很高的水平，对于一般的材料试验选择1级精度的试验机已经完全够用，对于科学研究和要求严格的比对试验或仲裁试验，才需要0.5级精度的试验机。

⑶分辨率。合适的分辨率有利于测量的解析度，能测量出较小的分度，然而有效分辨率和动态性能是一对矛盾，提高有效分辨率是以牺牲动态性能（带宽）为代价的，带宽的降低直接导致材料屈服波动不明显甚至出现屈服平台现象，所以在选型时也要考虑这对参数。

⑷速度范围。包括应力速率、应变速率和位移速率，范围越大意味着适应性越强。

⑸测控软件。优良的测控软件应体现出模块化、人性化的优势，界面直观、操作简便、控制方案完善、编辑功能强大，这些都需要操作人员亲身体验。

总之，无论万能试验机是哪一种类型，拉伸万能试验机应满足以下要求：①达到试验机检定的1级或以上级别精度；②有加荷调速装置；③有数据记录或显示装置；④由计量部门定期进行检定。

4.2 附件选配

金属材料万能试验机是一个完整的试验系统，除了主机外，还有一些附件也影响到试验效果，主要有夹具、引伸计和高低温试验辅助装置。

4.2.1 夹具

装卸夹具是连接试样与试验机加载装置的重要附件，为了保证试验的重复性及其精度，要求夹具夹持稳固、对中性好、装卸方便。夹具分为拉伸、压缩、弯曲、剪切等类别；还有杯突试验夹具。拉伸夹具的应用最多，为适应不同的试验需要，有液压夹具、气动夹具等替代了手动夹具。先进的液压平推夹具，可以很好地消除初始试验力，消除误差，但是价格较高。

4.2.2 引伸计

引伸计是测量试样变形量的传感器，主要用于测定试样微小塑性变形对应的性能指标。如测定规定非比例延伸强度、下屈服强度或弹性模量等。引伸计一般由3部分组成：变形部分（与试样表面接触，感受试样的微量变形），传递和放大部分（将接受到的变形放大），指示部分（记录或显示变形量）。它的主要参数为放大倍数和测量范围（量程）。拉伸试验中常用的引伸计有机械式、电子式。

引伸计根据其标定的精度分为A、B、C、D和E 5个等级。使用时应根据试验机和检测变形量来选取引伸计的式样及等级，见表1。若试验要求记录载荷--变形图，应选用电子式引伸计。引伸计应定期进行检定。日常试验中要经常检查引伸计，如发现异常应重新标定后再使用。

4.2.3 高低温试验辅助装置

⑴加热装置

加热装置把试样加热到规定的试验温度，并保持该温度直到试验结束所使用的装置。对于温度在100～1100℃的试验，可采用电阻丝加热炉。一般为对开式圆筒型高温电阻炉，采用内置式加热体，升温速度快，调节灵敏，精度高。它应有均匀温度区，有较高的温度精度与稳定性。采用PID温度控制仪，用电炉支架安装在试验机上，电炉方便进出主机。其长度一般为试样标距的2倍。均匀温度区沿试样标距的温度梯度应小于5℃，加热炉的温度偏差最多不能超过±5℃。

⑵冷却装置
冷却装置是把试样冷却到规定的试验温度，并保持该温度直到试验结束所使用的装置。其温度偏差应小于±2℃。冷却装置也应有均匀温度区，其长度至少为试样标距的1.5倍。在试样标距两端同时测得温度之差（梯度）最大不超过3℃。可使用搅拌装置使冷却介质沿试样轴线方向流动循环来达到温度均匀。不同温度的冷源和冷却介质的选用，见表2。


⑶环境箱

环境箱是试验温度在-60℃～+250℃之间所使用的装置，它把加热装置和冷却装置合为一体。环境箱必须同时满足加热、冷却装置对温度范围和温度梯度的要求，使用时，高温采用硅碳棒加热，低温采用液氮或压缩机制冷。工作室空气用风扇鼓风循环，强制空气对流，使之室内温度得到均匀，以达到试验要求的温度。

⑷ 温度测量装置
温度测量装置由热电偶、补偿导线和电位差计组成。根据不同的试验温度，按表3选择热电偶类型。试验时，由电位差计测得的数值查表即可得到所对应的温度。热电偶、补偿导线以及电位差计应定期进行检定。

5. 结束语

金属材料万能试验机是测量求得各种力学性能判据（指标）的试验技术。随着最新的微电子技术、计算机技术、自动控制技术等高新技术在力学性能试验技术和设备中的广泛应用，一方面改进了试验设备，使得一些复杂的控制、测量和记录得以自动化，减少了人为误差；另一方面促进了力学试验技术发展，使得一些原来只能定性或半定量测量的力学性能指标能够精确地测量。当前的力学性能试验技术正向着试验条件不断繁杂化（更接近材料或构件的实际服役条件）、试验范围逐渐扩大化（满足新材料的试验）、试验数据更趋精确化和试验过程日益自动化的方向发展。目前，拉伸试验的力学性能的许多指标从试验方法到试验设备，都能满足自动精确测量的要求，值得检测人员加以关注。