圖1 材料科學與工程四要素
材料科學的研究涉及各行各業方方面面，而在材料學的研究工作中，針對樣品的測試與表征則是重中之重。圍繞材料不同的基本性質，表征手段也多種多樣，分為力學類、結構類、表面類、成分類、應用類等，相關的檢測儀器更是種類繁多數不勝數。不過這一次，給大家帶來的是一種叫做“萬能試驗機”的檢測設備，它不僅在實驗室中常用，也早已普及到了工業化生產中。這就引起了很多客戶朋友的興趣——在這杠精橫流的年代還有膽敢聲稱自己是“萬能”的東西？所以今天小編就火速梳理了有關“萬能試驗機”的資料，您且往下看~
1、萬能試驗機——有哪些萬？
首先，小編要給那些被“萬能試驗機”名字中的“萬能”誤導的朋友們潑一盆冷水——萬能試驗機并不“萬能”，它是針對材料力學性能和試樣機械性能進行檢測的測試儀器。目前來說最常用、適用性最廣的一個定義是：萬能試驗機是能在各種環境、條件下對不同材料所制成的材料試樣進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉、沖擊硬度等試驗，檢測其力學性能、機械性能以及其他物理性能測試的儀器設備。所以說，不能因為名字就簡單粗暴地認為“萬能試驗機”就是真正的全面、全知、全能的，那么，萬能試驗機之“萬”究竟是如何得來呢？
1.1能力之“萬”——實現全面測試
萬能試驗機之“萬”，是指它是能夠對材料力學性能進行全面的測試，通過切換不同的夾具附件，就可以在各種環境、條件下對材料進行拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、交變、應力等力學性能、機械性能以及其他物理性能測試。根據施加的不同負荷可分為靜力試驗和動力實驗兩大類。靜力試驗包括拉伸試驗、壓縮試驗、彎曲試驗、剪切試驗、扭轉實驗、硬度試驗、蠕變試驗、高溫持久強度試驗、應力松弛試驗、斷裂韌性試驗等。動力試驗包括沖擊試驗、疲勞試驗等。
從用途來看，萬能試驗機的功能可以分為特殊測試以及普通測試兩種。其中普通測試的范圍包括定應力力值、任意點力值、定伸應力、扯斷強度、拉伸應力、彎曲試驗等內容。特殊測試一般指的是除常規的普通測試以外對于某些功能以及特定作用的測試。此外還有彈性限、彈性變形、屈服點、屈服強度等的特殊測量項目。
1.2種類之“萬”——有多種分類
萬能試驗機可按照下列方式分類：①按運行方式分類；②按測定力學的方式分類；③按機器結構特點分類；④按測定的材料類型分類。目前在市面上，萬能試驗機的品類多達上百種，每種類型之上更是發展出了豐富的型號，形成了一個龐大的儀器家族。從這個角度出發來說，人們其實很難給萬能試驗機下一個準確的定義。目前市面上的萬能試驗機主要依據其動力源種類進行分類為：機械式萬能試驗機、電子萬能試驗機和液壓萬能試驗機。其中，電子萬能試驗機是目前技術水平發展最迅速，應用范圍最廣泛的萬能試驗機。
1.3 用途之“萬”——適用于多種材料
材料萬能試驗機不僅是做科研項目的基本手段，也是生產生活檢測的一種常用手段。目前，萬能試驗機已經在冶金、機械、汽車、電子、建筑、宇航、化工以及交通運輸等各個領域和部門都得到了廣泛的應用。可用于測試廣泛成分、性質和形狀的待檢元件，涵蓋各種金屬、非金屬材料，如金屬薄片、塑料薄膜、復合薄膜、鍍鋁膜、鋁箔、片材、工程塑料、橡膠、皮革、無紡布、編織袋、打包帶等試樣。
2、萬能試驗機——都什么能？
電子式萬能試驗機具有方便靈活、保養簡單、實用性強、精度高、重量輕、可以方便快捷地加載各類裝置進行力學試驗，對材料的大小種類實用性也很強，是真正的萬能試驗機。因此，在本節中，小GO選取電子式萬能試驗機進行主要介紹。
2.1 儀器結構與測試原理
圖2 萬能試驗機的主機模型
典型的電子萬能試驗機系統可以分解成機械系統、伺服系統、測量系統、控制系統四大模塊。機械系統包括機架機構、傳動機構、執行機構和夾具，伺服系統包括伺服控制器，測量系統包括光電編碼器、引伸計、力傳感器，控制系統包括下位機（單片機）和上位機（PC），四大模塊都由伺服電機帶動。
機器上電啟動后，經過自檢并復位后可以開始試驗，伺服電機按照給定的試驗速度轉動，經減速器、滾珠絲杠驅動中橫梁（也叫動橫梁）、帶動上夾具上下移動，與固定在下橫梁的下夾具配合，實現對試樣的拉伸、壓縮等。在作用于試樣的同時，力傳感器負責測量試樣所受到的拉力，引伸計負責測量試樣的變形。力傳感器、引伸計、編碼器的信號經下位機接收計算后再反饋到伺服控制器，實現對伺服電機的控制。
2.2 儀器測試條件的選擇
① 測試力值范圍選擇
不同型號的萬能試驗機的測試范圍是不一樣的，應當根據測試樣本來決定。拉力試驗的有效測試范圍為1-100%FS。例如5KN的拉力試驗機，有效測試范圍是50N-5KN之間，低于50N以下就會有誤差，可以通過增加不同力值的傳感器來增加拉伸測試的測試范圍。
② 試驗機引伸計選擇
試驗機伸長率選擇取決于試樣的材質和種類。一般來說，延伸率較小的試樣如金屬類（除鋁型材之外）可以用小變形引伸計測量。延伸率較高的試樣如鋁型材，彈性體，橡膠塑料，高分子材料等，則需要使用大變形引伸計測量。金屬片材或棒材啞鈴試樣，用小變形引伸計測量。還有一些則不需要用引伸計。如圓形，金屬片材斷后伸長率，用量尺拼接量取。一般矩形，長方條試樣，則用位移法求取伸長率。
③ 夾具的選擇
萬能試驗機的夾具選取取決于試樣材質和試樣方法標準。根據試驗方法不同，大概可分為: 拉伸類夾具、壓縮類夾具、彎曲類夾具、剝離類夾具、剪切類夾具等，其中拉伸類夾具約占夾具總量的80%左右。根據結構不同，可分為楔形類夾具、對夾類夾具、纏繞類夾具、偏心類夾具、杠桿類夾具、臺肩類夾具、螺栓類夾具、90°/180°剝離類夾具等。
2.3 儀器使用注意事項
① 測試前，要根據試樣的性質、種類和測試要求選定適合的測試條件和模具，因素包括拉伸機的壓縮行程，拉伸力量的選擇，引伸計種類，位移速度等。
② 進行試驗時應在試樣周圍設置護欄，以防試樣斷裂瞬間飛出傷人。
③ 更換試樣夾持裝置時要注意裝置重心，防止裝置傾倒砸傷人員或砸壞試驗機。安裝試樣時注意盡可能對中。
④ 測試前要對儀器進行歸零，校正力量傳感器系數以防測試結果有誤差。
⑤ 在測試過程中需要按照操作規范進行夾持。
3、應用實例
3.1 稻草秸稈力學特性研究
測定和研究稻草秸稈中的機械特性可以為其機械加工設計提供理論參數，東北農業大學的孫占峰和華南農業大學的蔣恩臣使用萬能試驗機對稻草秸稈進行了壓縮、彎曲和剪切試驗。試驗包括橫向壓縮、軸向壓縮和剪切試驗、彎曲試驗三大類。其中分別對根部莖稈、下部節莖稈、中部莖稈、上部節莖稈、稍部莖稈進行測試和數據處理。試樣的物理特性參數包括外徑、內徑、橫斷面面積、含水率等。試驗中試樣的變形范圍為0～10 mm，力的變化范圍為0～100 N。通過計算機自動采集數據可直接得出力-變形曲線。作者在最后通過多項式回歸還分析建立了稻草秸稈的擠壓、彎曲和剪切力學指標隨含水率變化關系的數學模型。
圖3 含水率與稻草秸稈剪切力學指標的回歸曲線
3.2麥稈壓縮剪切特性研究
有關植物材料的壓縮成型和廢棄物應用的研究中，對麥稈的力學特性和工程效果的基礎研究至關重要。西北農業大學的孫驪等人用數理統計的方法在萬能試驗機和壓力試驗機上對干麥稈、浸濕麥稈和綠麥稈的壓縮剪切力學特性進行了研究。實驗得出了麥稈的力與變形、濕度、面積、外徑的多元線性回歸方程和在指定條件下的力與變形的關系，還測出了麥稈的強度模量值。麥稈的壓縮、剪切特性的研究對收獲機械、加工機械的設計、作物抗倒伏能力的量化描述、開發麥秸利用新途徑都有一定的意義。在更廣泛的范圍測量和研究乃是今后的任務。
圖4 麥稈的壓縮曲線
3.3 α-石英方石英轉變的研究
海南大學的吳新正等人在文章中使用較純的石英砂為原料，針對石英砂析出方石英造成的復合材料整體性能降低問題，對石英砂的析出過程和機理進行了研究，探索石英砂的方石英化影響因素，以便為低成本、高穩定性材料的制備提供依據。作者利用萬能材料試驗機，對燒結后的試樣進行強度測試，以檢測在石英砂析晶后的相轉變行為。結果發現熱處理溫度在1200～1400℃之間，隨著溫度升高，試樣的耐壓強度得到大幅度的提高，在1400℃達到最高。當燒結溫度達到1500℃，耐壓強度逐漸下降。
圖5 不同溫度燒結后試樣的耐壓強度
|
