材料力学 说说早期的材料试验机

进行结构设计，首先要掌握材料的力学性能。历史上，达芬奇(1452-1519)很可能是利

用试验方法测定材料力学性能的第一人。作为画家，在他完成的作品之后通常要悬挂起来供

人们欣赏，而挂画的铁丝时常会发生断裂的现象，由此达芬奇设计过测量铁丝断裂强度的实

验装置，并开展了相应的研究。

图1达芬奇与铁丝强度试验

100多年后，伽利略(1564-1642)对杆的拉伸强度和梁的弯曲强度进行了实验。他把杆

件的断裂性能称为“断裂时的绝对抗力对于梁的强陵，找到了梁宽度与高度影响梁强度的

正确答案。

图2伽利略和他的拉伸强度、弯曲强度试验[1]

不过，达芬奇和伽利略的试验只能称之为结构强度试验，还不能称之为材料强度试验，

他们的试验结果很强的依赖于结构形式。

到了19世纪上半叶，链式悬索桥在欧美国家兴起，然而，由于缺乏桥梁结构力学、以

及材料性能方面的知识，时常出现桥梁倒塌事故。此外，工业革命的到来使得锅炉成了工业

生产中的常见设备，然而，锅炉爆炸事故却如同家常便饭，时常会发生灾难性的爆炸事故。

1850年位于曼哈顿的一家机械车间发生锅炉爆炸，共造成60多人丧生。人们迫切的需要学

握各种材料的力学性能，工程师们时常抱怨缺乏安全可靠的材料性能参数而难以进行合理设

计。当时美国《工程杂志》(EngineeringMagazine)的主编VanNostrand曾描述这一状况

时说(大意)：人们对材料的知识的认知目前绝对是经验性的，在使用新材料或旧材料以新

形式使用之前，唯一安全的方法是进行实验。

1800年前后，人们设计了许多各式各样的材料试验机。其中较有代表性的是Eytelwein

设计的一款材料拉伸试验机，如图3所示。该试验机采用了杠杆式设计，为便于固定试样，

试样设计为“棒骨”状，然后利用杠杆原理对材料施加载荷，通过跌码距离悬挂点的距离，可

以轻松的换算出施加在试样HK上的载荷大小。理论上，只要杠杆有足够的大，就可以提

供足够大的拉力。不过Eytelwein的实验装置只能测定材料的极限强度，还不能测试材料

的屈服极限、弹性模量等指标。

图3Eytelwein确定材料拉伸强度的实验装置⑵

大约1833年,德国应用力学学家FranzJosephRittervonGerstner(1756-1832)设计出了

能同时测量试样受力与变形的实验装置，并给出了力和变形之间的函数美系，这在材料力学

性能实验测定中具有里程碑式的意义。

图4FranzJosephRittervonGerstner(1756-1832)(21

Gerstner的试验装置如图5所示，起初用来测定钢琴线在受拉条件下的力与变形。该实

验装置将试样安装在图中mn处，AB为一长杠杆，C为杠杆支点，CA长4.73m,CB杆

加配重后可保持杠杆平衡，H为配重，通过H的位置可;奂算出m点施加的力的大小。m点

在C点偏右一点，并在C点设置一个传动装置，通过旋转滚子可改变杠杆的倾斜程度，同

时带动钢琴线被拉紧或放松。当扭动旋钮时，长杆mA发生上下倾斜，m处很小的位移在

A端被放大(该装置可放大到54倍)，AD为竖直放置的标有刻度的标尺，读出A点位移

就可以换算出m点的位移，进而获得钢琴线的变形量。

图5Gerstner测量铁丝拉伸状态“力-变形”的实验装置⑵

借助于该试验装置，Gerstner开展了一系列的钢琴线的拉伸试验，并使用多项式方法得

出了铁线的抛物线形和无晟纲力变形定律。

力［2_(&/%)］

上式中，Umax和△Imax是待定常数，F和△］是试验中的过程量。根据上式，可以

绘制出力•变形曲线，如图6所示。

F(AI)|kN|

A'Al(mm|

图6依据Gerstner实验绘制的“力-变形”曲线［2］

Gerstner对钢琴线、普通铁丝、钢发条等进行了10个不同的系列试验，发现实验与计

算之间只有很小的偏差。此外，当(△『△Imax)较小时，上式将可以认为满足线性关系，

并区分了材料的弹性变形和塑性变形，以及加工硬化现象。他曾建议桥梁工程师们应用加工

硬化来提高链条强度，而不是“为获得足够的安全性，铁杆仅应承受一半的破坏载荷

尽管Gerstner的实验装置可以同时测定力与变形，但由于他选择多项式函数式(上式)

来描述力与变形的关系，还不足以清晰的区分屈服强度。有关屈服强度，人们在法国科学家

Jean-VictorPoncelet的《关F在梅斯中进行实验以研究金属线中延伸电阻的注意事项》(Note

surlesExperiencesaMetzpouretudierlaresistancedeI'extensiondanslefilsmetalliques)报告

中发现了一张铁材料的力与变形曲线，如图7所示，图中不仅清楚地展示了胡克定律的范围

和屈服强度，而且写出了弹性模量，只是没有标注出尺寸。

图7Jean-VictorPoncelet教授和他讲稿中有关铁材料的力与变形曲线⑵

这一时期的试验机通常是专用设备，针对于拉伸、压缩、弯曲等特定加载方式的试验机。

第一款通用材料试验机出现在1879年3月(专利号213525),由美籍(挪威移民)工程师

TiniusOlsen(1845-1932)设计，该设备将拉伸，压缩以及横向加载集成在一台设备中,起名

为“小巨人”(TheLMeGiant)。

图8TiniusOlsen和他设计的通用试验机[3]

“小巨人”采用立式设计，上下装有一对抓握夹具把试样夹紧，利用一组齿轮传动装置将

试样进行拉伸或压缩。测试时，固定上横梁通过框架将力传递至下方的称重台，可绘制测试

结果的图形记录。Olsen精心改进了装置系统和称重系统，使施加在试样上的力为可控的力，

称重杆的设计也大大节省了空间。此外，作为可选部件•，还可以使用电动马达在梁上自动移

动祛码以保持平衡，而不需要手动操作。1880年4月I日，Olsen成立了自己的公司Tinius

Olsen&CO.Macninists（现在的TiniusOlsenLtd）,走上了商业化道路，而Olsen的“小巨人”

也被称为“通用试验机的基础

历史上第一台万能材料试验机是如何诞生的

历史背景

早在19世纪，随着美国工业化势头的增强，以及内战结束后不久全国各地开始兴建新

建筑，人们越来越需要更好的方法来测试机械和建筑中使用的材料性能。在此之前，人们对■

材料的了解完全是经验性的。由于在使用之前没有办法测试材料的强度，因而很可能会导致

建筑物倒塌或爆炸。

从19世纪50年代开始，人们开发了许多测试材料的设备，但研发出万能材料试验机仍

然具有一定的难度。直到1880年，失业的挪威移民TiniusOlsen设计了这个现在著名的“Little

Giant”（小巨人），为其申请了专利，并终于研发出一台用于横向、拉伸和压缩试验的设备，

它们一起放在一台仪器中，

1880年挪威移民TiniusOlsen于全球率先研制出多功能一体化材料试验机

自此，Olsen材料试验机的设计原理成为后来全球研制所有测试设备的基础。而Tinius

Olsen试验机公司至今仍在生产创新的领先材料试验解决方案，该公司于2020年庆祝了其

连续运营140周年纪念。

全球首台材料试验机的诞生

Olsen奥尔森1845年出生于挪威康斯伯格。他是一个木制枪械制造者的八个孩子之一。

1866年，他以全班第•的成绩从霍顿技术学校毕、也，成为•家大型海军机械厂机械部的领

班。奥尔森不喜欢这份工作，在英国纽卡斯尔找了份工作后就去了美国。

1869年8月，24岁的奥尔森来到费城，在威廉・塞勒斯公司找到了一份设计师的工作。

奥尔森开始在当地的路德教会参加周日的圣经课程，在那里他遇到了一个小型制作车间的老

板—RiehlW兄弟。他们收到了一份紧急请求，需要一台机器来测试样板的强度。

当时，还没有这样的装置存在，而且脆弱的金属板材料经常引起锅炉爆炸，特别是在密

西西比河航行的汽船上。兄弟俩请奥尔森为仪器绘制工程图纸，他在业余时间为第一台样板

拉伸试验机设计并绘制了精确的计划；它的上限为40000磅力。

由Riehl©兄弟制造的新设备证明是成功的，但很快就出现了对更大型号的需求。奥尔

森被要求负责这个车间，1872年，他成为RiehlC工厂的厂长。在那里的八年里，他帮助建

立了一家同时生产试验机和弹簧的公司。

他对新兴材料测试领域的开创性贡献包括用于机车锅炉、桥梁建设和其他工业产品的立

式和卧式材料试验机。1876年费城百年博览会展出了许多这样的机器。然而，这些专利仍

然是他的雇主的财产。1879年，费城著名的科学研究和信息中心富兰克林研究所的科学和

艺术委员会任命了一个小组委员会调查奥尔森的试验机。

根据委员会的报告，这些机器”操作方便、比例合适、设计美观、精度高”，也许正是这

种赞扬促使奥尔森要求里RiehlC让他成为合作伙伴，但他们拒绝了。1879年底，他被告知

他的服务将在年底终止。然而，此时的奥尔森对一种革命性的设备充满了想法：一台通用测

试机。

在妻子夏洛塔的支持下，他开始为自己的新机器绘制图纸。夏洛塔是首批获得医学学位

的斯堪的纳维亚有美国女性之一。奥尔森于1880年2月6日提交了一份“试验机新的有用改

进”专利申请。这项专利号为228214的专利于1880年6月1日授予。

当时:在那个年代，大多数材料测试都需要不同的机器，并且每台机器都专用于单一的

测试功能。但奥尔森的小巨人可以在一台仪器中准确地进行横向、拉伸和压缩试验，该仪器

安装在一个框架内。该设备并不昂贵，而且结构紧凑，操作简单。

首台材料试验机的特点

奥尔森在他的专利申请中解释说，试验机以前在摩擦中浪费了大部分的应用功率，或者

在对样品施加压力时有困难。他建议减少摩擦吸收的功率，使称重杆更加紧凑，为梁上的重

量提供自动运动，并提供“用于测量试样变形的灵敏测量装置，以及用于以图形方式记录和

说明相同变形的装置。

这个小巨人是一个垂直模型，从上到下对要测试的样本施加作用力。上部和下部加载十

字头包含夹具，当操作员转动连接到齿轮系统的手柄时，夹具将试样拉开或握住并压碎。

对于拉伸试验，当下部十字头被拉下时，试样被固定在上部十字头和下部十字头之间，

固定的上部十字头将力通过垂直框架传递到其下方的称重台上。反过来，该表通过杠杆将力

传递给称重梁，在杠杆处对载荷进行量化。将试样置于下十字头下方进行压缩试验；这会向

下推压试样，然后将试样向下推压在称重台上。

在横向试验中，试样再次位于称重台和十字头之间。在这里，荷载集中在较长试样的中

心，如钢梁或铸铁件。承重架设计不是奥尔森唯•的新想法。它的装载和称重系统也比以前

的做法有所改进。称重杠杆大大减少了空间需求，齿轮和螺钉系统可以对试样施加受控力。

作为可选附件的电机可自动用于移动梁上的平衡或重量，而无需操作员触摸。这个小巨人除

了提高了精度外，还提供了其测量的图形记录。橡胶垫和弹簧提供了损伤保护，避免了一个

难题—当试样断裂时，试验机经常损坏。由于所有上述这些创新，奥尔森的设备被认为是

所有试验机的基础。

专业公司成长记

在费城•家老牌公司拒绝接受新产品后，奥尔森的妻子说服他自己创业。他们俩只有几

千美元，但他设法在费城第12街500N号建立了自己的工作室TiniusOlsen&Co。很快，他

就从他的老雇主里Riehle兄弟手中夺走了生意。

奥尔森拒绝欠债，但他的妻子决心观看这台机器的展出，于是她典当了自己的钻石戒指，

以筹集资金，将这台小巨人送去亚特兰大和辛辛那提的工业博览会。这台机器在两次展览中

都获得了金牌。

1890年TiniusOlsen&Co公司员工合影

第二年，奥尔森获得了有史以来第一台200000磅力测试机的订单，他还制造了一台测

试羽毛抗拉强度的机器，作为他多样性的一个例子。此后几十年，奥尔森继续在试验机领域

进行创新。1891年,富兰克林研究所授予他艾略特•克雷森（ElliotCresson）金质奖章，以

表彰他的自动记录试验机，该试验机产生了易于解释的永久性应力•应变结果记录。

联邦政府在1908年订购了一台1000万磅的机器，直到20世纪中叶，这台机器仍然是

世界上最大的试验机。多年来，他获得了其他荣誉，包括挪威国王颁发的奖章。奥尔森于

1929年从公司退休，1933年去世。他在1880年创办的公司TiniusOlsen&Co仍然由他的后

代经营，现在已经是第五代了。

试验机的发展简史与知识

1试验机的发展简史

最早的试验机是静态试验机，机械式加载，如：美国早在1869年由一位叫奥利森（Tinius

Olsen）的工程师发明了一台杠杆式拉伸试验机，该试验机并在1880年申请了专利，这项专

利名称叫“一个普遍测试的机器“，也就是现在所称的杠杆式拉伸试验机。

2试验机的定义

试验机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。

定义如下：含有测最力值变化的系统、能连续夹持试样进行试验的装置，同时还有一套

能实时反映并记录这一过程中力的变化的装置。

综上，试验机的三要素：有加力装置、有夹具、有力值显示和记录装置。

3试验机的用途

电子式万能试验机是用于金属和非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲和剪切等力学性能试

验的机械加力的用计算机控制及测量的试验机。

试验机主要用于测量材料或产品的物理性能。比如：钢材的屈服强度、抗拉强度，管材

的静液压时间，门窗的疲劳寿命测定等。

（注：用于测量材料的化学性能也就是化学成分的，一般叫分析仪，不叫试验机）

试验机离我们的生活很近。地上精美的瓷砖，为什么踩上去不会坏？我们穿的衬衣，为

什么不会用手一拉就破？我们用的电风扇，为什么吹了一年它的扇叶还是完好如初？

4试验机的分类

试验机行业主要生产制造以下八类产品：

（1）金属材料试验机

（2）非金属材料试验机；

（3）力与变形测试仪器（力传感器、测力仪、位移传感器、引伸计、加速度计等）；

（4）包装件与工艺性能试验机（包括包装件跌落试验机、包装件冲击试验机、摩擦磨

损试验机、弯折试验机、校直机等）；

（5）平衡机（包括现场平衡仪）；

（6）振动台（包括冲击台与碰撞试验台）；

（7）无损检测仪器i磁粉探伤机、X射线探伤机、Y射线探伤机、超声探伤仪、涡流

探伤仪、声发射检测仪等）；

（8）试验机功能附小

1.4.1从应用性质上来分一分为性能试验机和环境试验机。

（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，电器开关的最大可承受压力等。

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。以及模拟家具（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

一般用于对承受动、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、加载时间或宜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。

如对钢材、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

最好的环境试验肯定是自然暴露试验和现场试验，但试验费用较高、耗时较长，试验的

可重复性和规律性较差，因此广泛采用人工模拟环境试验，也就是采用环境试验机。主要的

环境试验机有下列几种：

高低温试验机。

湿热试验机，又分为：恒定温湿试验机、交变湿热试验机、常温湿热试验机。

温度冲击试验机，如管材冷热循环试验机，压力冲击试验机。

如：管材压力循环试验机低气压试验机防腐试验机烟雾试验机霉菌试验机密封试验机外

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。

老化试验机。

1.4.2根据所加载荷的性质——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，直至试样破裂。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。

（注：动态试验机，目前基本上还是被国外垄断，而且由于技术封锁，国内这一块发展

落后很多。当然，静态试验机的核心部件——传感器、减速机，伺服电机，基本上也是国外

的）