材料试验机.doc

试验机概述试验机，广义的说，就是一种产品或材料在投入使用前，对其质量或性能按设计要求进行验证的仪器。从定义可以看出，凡是对于产品或材料的质量或性能进行验证的仪器都可以叫做试验机，但往往有时也叫做检测仪、测定仪、检测设备、测试仪等诸如此类的名称。试验机主要是用于测试材料或产品的物理性能的，比如：钢材的屈服强度、抗拉强度，规定非比例延伸强度，水泥、混凝土、建筑沙浆的抗压强度，管材的静液压时间测定，门窗的疲劳寿命等。而用于测量材料的化学性能的也就是化学成分的，一般叫分析仪，不叫试验机。一般分类一： 试验机从应用性质上来分，主要分为“性能试验机”和“环境试验机”两大类。（1）性能试验机 a. 功能试验机 通过试验机模拟产品的实际使用功能，并获得试验数据。如汽车的最大牵引力、制动力、最大速度，门窗的开关力、开关疲劳寿命等，电器开关的最大可承受压力。如检查弹簧性能的弹簧拉压试验机，检测门窗寿命的门窗力学性能试验机，检测铝塑复合管使用年限的微机控制管材耐压爆破试验机，对阀门、水嘴进行试验的微机控制阀门试验机。 模拟家具（如座椅、沙发等）使用的家具试验机，模拟开关插座使用情况的开关插座试验机等。 b. 结构力学试验机 一般用于承受动、静载荷的产品进行机械力学性能试验。试验时模拟外界受力的状态，比如拉力、压力、扭力、振动、冲击、颠簸、跌落等，进行静力和动力等试验。试验时，往往加到规定的载荷量值、加载时间或直至结构破坏以测定其强度，验证产品设计及参数计算的正确性。如钢材、塑料等进行强度试验的微机控制电子万能试验机，对PVC、PPR等非金属管或复合管进行压扁试验的微机控制电子万能试验机，对PVC管进行外力冲击用的全自动落锤冲击试验机等。 (2)环境试验机a. 高低温试验机 b. 湿热试验机 又分：恒定温湿试验机、交变湿热试验机、常温湿热试验机 c. 温度冲击试验机如：管材冷热循环试验机 d. 压力冲击试验机如：管材压力循环试验机 e. 低气压试验机 f. 防腐试验机 g. 烟雾试验机 h. 霉菌试验机 i. 密封试验机 j. 外力试验机如全自动落锤冲击试验机、门窗力学性能试验机、接插件拉力压力试验机 k. 老化试验机二： 对于力学性能试验，又可分为动态试验机和静态试验机（1）静态试验机：以匀速的方式对试样施力，直至试样破断。如万能试验机、压力试验机等。（2）动态试验机：以一定的频率按要求的波形对试样进行长期试验，直至一定的时间或试样破裂。如高频疲劳试验机、低周疲劳试验机等。三： 从受力方式来分，可分为单轴和多轴试验机（1）单轴试验机：试样仅受一个方向的力而进行的试验。所有的万能试验机均属于单轴试验机、另外如扭转试验机、疲劳试验机等。（2） 多轴试验机：试样不仅受到一个方向的力而进行的试验。如：岩土力学试验机、地震模拟试验台、拉扭复合试验机、弯扭复合试验机等。四、根据试验过程中试样是否遭到破坏，又可分为无损检测试验机和有损检测试验机。（1） 无损检测试验机 试验过程中通过不破坏试样的方式而获得试验数据的试验机。如：硬度计、探伤仪等。（2） 有损检测试验机 通过破坏性试验而取得试验数据的试验机。所有的万能试验机、压力试验机都属于有损检测试验机。 五、根据使用方式，还可分为在线检测试验机和非在线检测检测试验机（1） 在线检测试验机 在生产设备联用，在生产过程中就能知道产品的某些物理性能。如钢管生产线中的管材耐压爆破试验机，最后一道生产流程就是向钢管中充水做打压试验。（2）非在线检测检测试验机 大部分的试验设备均在试验室工作，都属于非在线检测检测试验机。 由以上的一般分类可知，试验机的品种其实是很多的，它们的加荷方法、结构特征、测试原理、使用范围都各不相同 。我们公司主要是从事建设工程材料力学性能试验方面试验机的全自动控制。按业内一般分类，以做液压式静态试验机的全自动控制为主：万能试验机、压力试验机 、拉力试验机、隶属于液压式静态试验机属性的专门试验机等。当然，其它一些动静态试验机都会成为我公司延伸发展的方向。 目前市场上的这一类试验机，按测力方式分类有机械测力试验机和电子测力试验机（数显）。机械测力试验机的测量精度等级为二级，即显示值误差为全量程最大力的2，电子测力试验机（数显）的测量精度等级为一级。它们的共同缺点是要通过手动控制来对试样施加载荷，不能满足材料的特定加荷过程控制和试验数据自动处理的要求。我们公司虽然也是以液压缸作为加载装置对试样施加拉力或者压力的，但采用了电液数字阀作为控制元件，和控制器、传感器组成闭环控制系统，从而实现力/位移/变形等的闭环控制，并且具有强大的数据处理能力参考资料：现代材料力学试验技术及其发展（作者：张利民）新技术革命促进对材料力学性能的研究对材料力学性能的研究起始于欧洲工业革命时期，当时主要是采用机械测试设备进行静态试验，以便评价材料在拉压和弯曲载荷作用下的力学特征。两次世界大战促进了多种技术的发展，同时也对材料的力学性能提出了更高的要求，需要更轻而又更强的材料来制造飞机、火箭及各种武器。战后世界上的军备竞赛一直没有停止，上世纪中叶开始又发展到太空的竞争，新的科学技术的发展为材料力学性能研究开辟了新的天地。 发展主要领域有：高温然汽轮机；热核反应发电站；轻质航天飞机、火箭、卫星；各种节能轻质地面车辆；探井钻探及高压贮罐；医学仿生材料；电子、光电子、超导材料。 新材料： 主要有超级合金；复合材料；聚合材料；陶瓷材料。 现代科学技术的材料工作条件非常复杂、非常恶劣，对材料性能提出更高的要求 ： 超高压、超高温、超低温、超真空、超高纯、超高速冷、超高强、超辐射、耐腐蚀。 所以现代科学对材料实验技术提出更高的要求：快速省力、准确可靠、安全经济、多能而善变。二现代材料试验的主要技术随着对材料力学性能测试要求不断更新，出现了各种功能的试验设备，但不论什么类型，一般可分成下列三个独立的子系统。 1机械-动力加载系统这是试验设备的主要工作部分。机械部分包括机架、试件夹持结构等固定装置；动力部分包括原动机及其控制元件（如液压源、伺服阀、液压作动器、加力电机机构、压电晶体、电磁振荡机构及其联络电路），这是设备的心脏。 2传感器系统一般力和位移都是用阻抗式传感器测量的，例如载荷传感器、引伸仪和线性位移传感器LVDT。在一些新的试验系统也用上了光学和电视图像装置。 3控制-数据采集-分析系统集成电路、微处理机及模拟技术等方面的成就促进了试验设备方面的发展。控制系统在试验设备中一般有两套，一是功能简单的手控系统，一是多功能的计算机控制系统。从目前各种新型实验系统看，材料试验最新发展的主要技术有以下四个方面： 1液压伺服在实验技术方面，液压伺服技术是最主要的，适应性最广的技术。1960年美国“研究有限公司”首先在材料实验系统引入液压伺服技术。电液伺服技术是当今高精度材料实验系统的主流技术，与旧的测试系统相比，电液伺服技术有下列特点; 伺服技术（又称随即系统或跟踪系统）能自动校正指令信号同反馈信号之间的误差。这样，执行机构能以一定的精度自动按照指令信号的变化规律动作。 先进的电子技术和液压技术结合，使测试系统即可像电子测量仪表那样精确加以控制，又可提供广阔范围的力和速度。例如由伺服阀（将电信号变成液压信号的转换装置）产生的试验频率范围可达0.0003Hz1000Hz，因此可模拟各种复杂的加载方式。 可以从直接与试件相耦合的传感处测量和控制载荷、位移和应变，其灵敏度及精确度与传动机构施加压力的作用无关。综上所述，电液伺服技术特别是用于复杂载荷（包括疲劳载荷）的力学试验。 2环境模拟实验技术的另一个重要发展是环境模拟。据调查，很多构件的失效是由于环境和力学条件的综合作用引起材料疲劳或断裂。事实上，环境的变化对材料性能的影响往往是很大的。现在环境模拟技术由于实际的需要已发展成为现代测试技术的重要方面。设计一个具有能模拟力学和环境的实验系统是比较复杂的。现在各种环境模拟的实验装置不断出现，一般的环境模拟实验系统应包括一个环境外壳（环境箱），一个环境发生器（高温或低温，湿度，盐雾），一个精密的控制器，一个对试样进行力学作用的系统及一套测量、记录和处理参数的有关仪器。主要种类如下： 高低温试验高温炉：在空气或其他气氛中实现精确的温度控制配有专门的高温液压夹头和高温（轴向或径向）引伸仪。炉内三段温度控制和显示可保证试件在标距范围内温度均匀，可进行不同温度的疲劳、持久蠕变/疲劳交互作用、应力松弛等试验。感应加热系统：由感应加热器和感应圈组成对试件加热系统，采用计算机控制系统的闭环回路，实现温度动态变化，适合做热机械疲劳试验。 高温真空试验一般包括高真空和高温环境，目的是防止在试验过程中试件氧化物的形成，中等程度的真空10-6torr，（相当于1mm水银柱压强）时，试件表面约在2秒内形成氧化物的第一层原子，而在超高真空109torr时，第一层原子约需2000秒。典型的高温真空实验系统使用预抽泵、低温吸入泵、离子泵和钛净化器来达到所要求的真空，同时配套专门的感应加热、高温夹头、引伸仪和精密的载荷传感器等，这有很大的价值，但难度也很大。 腐蚀环境试验应力腐蚀和腐蚀疲劳试验对海上船只、海洋采油平台、油气输送管道、核反应堆、承受腐蚀环境的飞机和汽车构件等都很有必要。将试件浸在一种液体中可以模拟许多环境，有的试验机是卧式的，浸湿系统可以是一个简单的有机玻璃和金属液体的容器。盐雾腐蚀箱是另一种加速腐蚀试验装置，可以比较不同金属在盐雾或酸雾环境下的特征。整套系统包括箱体、水调节器、专用夹头和引伸仪、加热装置、空气压缩机和废气（液）排出装置。 复合环境试验 在实际应用中，材料往往处于复合的复杂环境下，例如：腐蚀-温度环境：原子核反应堆中的压力容器经受起动、关闭时的热偏差和一个动载荷，加上反应堆重水的腐蚀，试件要在这样的环境模拟条件下进行裂纹增长速率的研究。温度-湿度环境：先进的复合材料具有强度高、重量轻等优点，但它对温度、湿度很敏感，如飞机框架，汽车部件用的石墨环氧树脂，该材料试验时应模拟飞机（或汽车）使用的温度-湿度变化条件进行试验。 3自动化 70年代，测试技术又产生了另一个飞跃，就是试验机在加载电机和液压伺服控制装置上加进了电子计算机。利用计算机可以对动态测试过程进行实时监督，计算复杂的可变控制方式，大大简化了收集和分析数据的过程。使用计算机，用程序来操纵与纪录试验可以实现许多以前人工不可以完成的试验。例如：MTS公司生产的Test star IIs控制系统由三个硬件组件合成一个完整的试验管理平台； 数字控制器该控制器管理：命令产生；数据采集；信号调节；事件探查和其他所有伺服控制运作。 计算机它基于Inter公司处理器，通过你建立的实验应用的用户界面设置站点参数和观看实验资料的数据或图形。 远程站台控制器作为控制系统的一个选用组件，重量轻且可用固定或手持方式，可提供简易的界面进行简单操作，如试件装卸，实验起动等。基于Test ware软件：快速完成简单的实验。当你要做一个简单的实验，用Test star IIs控制系统的基本Test ware 应用软件可以很容易达到目的：在计算机的屏幕上显示的操作面板可确定实验的速率、频率、幅值、平均值以形成正旋波（或三角波、方波、斜波等）信号来做简单的或循环的加载实验，放入试样，设立参数后，点击“运行“，实验即按要求运行。 4各种附件现代材料力学性能试验中复杂的、精密的引伸仪、夹头、以及数据采集装置等可有效的保证现代材料实验的完成。 引伸仪由于实验对引伸仪的频带宽度，环境及测量分辨率的要求愈来愈高，而且不同领域的实验用引伸仪的工作方式也不同，所以在引伸仪方面的新技术、新形式也不断出现，如光学引伸仪、数字编码机等。电子电位系统为定量测量各种参数展示了广阔前景。随着现场测试的增加及有关仪器内外电子元件的完善，引伸仪技术还将进一步发展。目前一般常用的引伸仪有：轴向引伸仪、低周疲劳引伸仪、板式引伸仪、精确测E值双边引伸仪、高温引伸仪、高温拉、扭引伸仪、径向引伸仪等，还有一些专用引伸仪，如岩石力学实验引伸仪、某种特殊结构实验引伸仪。激光测量变形装置与计算机配套作为非接触测量亦很有用处。 夹具动态的、复合环境的实验同样对试件夹具提出更高的要求。夹具要稳固可靠、对中性好、操作方便。现有的夹具包括台阶型夹头、自动对中液压夹头，高温炉（拉压疲劳）夹头、高温拉、扭夹头，Wood金属熔铸夹头等。 机架机架首先要有足够的刚度，以保证实验的精确性，这点对精密控制试验，岩石力学试验以及大型试验系统尤为重要。现代材料实验技术发展的特点 发展快，更新快机械液压电液伺服微机控制全数字化控制； 表盘电子数显液晶数显 通用化、系列化、元件模块化通用接口系统：积木式功能组合，一机多用 特种化大型机：液压、多缸、卧式、立式。最大立式实验机：P11000T,h16m, L30m,行程2m.。小型机：生物力学（皮肤的张力），Nano显微力学探针，棉花纤维Pmin0.01N。特殊用途机：变形大、力小；双轴、多轴复杂应力状态。 智能化整机自动化、自动切换、自动控制、自动记录、自动处理数据、全数字化控制。三材料实验最活跃的几个方面 1先进工程系统 ：模拟地震台，人工造波，模拟常规发射系统等 2航空及宇航 ：航空、航天飞机、飞船、卫星中使用的复合材料、陶瓷、先进材料 3生物材料及结构测试 ：人工关节，臀，膝盖，腿部，躯体组织，牙齿等仿生材料力学性能测试以及以上器官的整体模拟试验。 4土木工程 ：工程结构与大载荷实验，岩石力学，土壤和沥青实验、混凝土实验。 5常规材料测试：金属，塑料等，承受静、动载荷的复合材料实验。 6汽车及零部件：汽车耐久性，操作，行驶及运转性能，疲劳实验及模