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山東國量儀器設備有限公司
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一．新技術革命促進對材料力學性能的研究
對材料力學性能的研究起始于歐洲工業革命時期，當時主要是采用機械測試設備進行靜態試驗，以便評價材料在拉壓和彎曲載荷作用下的力學特征。兩次世界大戰促進了多種技術的發展，同時也對材料的力學性能提出了更高的要求，需要更輕而又更強的材料來制造飛機、火箭及各種武器。戰后世界上的軍備競賽一直沒有停止，上世紀中葉開始又發展到太空的競爭，新的科學技術的發展為材料力學性能研究開辟了新的天地。
● 發展主要領域有：高溫然汽輪機；熱核反應發電站；輕質航天飛機、火箭、衛星；各種節能輕質地面車輛；探井鉆探及高壓貯罐；醫學仿生材料；電子、光電子、超導材料。
● 新材料： 主要有超級合金；復合材料；聚合材料；陶瓷材料。
● 現代科學技術的材料工作條件非常復雜、非常惡劣，對材料性能提出更高的要求： 超高壓、超高溫、超低溫、超真空、超高純、超高速冷、超高強、超輻射、耐腐蝕。
● 所以現代科學對材料實驗技術提出更高的要求：快速省力、準確可靠、安全經濟、多能而善變。
二．現代材料試驗的主要技術
隨著對材料力學性能測試要求不斷更新，出現了各種功能的試驗設備，但不論什么類型，一般可分成下列三個獨立的子系統。
1．機械-動力加載系統
這是試驗設備的主要工作部分。機械部分包括機架、試件夾持結構等固定裝置；動力部分包括原動機及其控制元件（如液壓源、伺服閥、液壓作動器、加力電機機構、壓電晶體、電磁振蕩機構及其聯絡電路），這是設備的心臟。
2．傳感器系統
一般力和位移都是用阻抗式傳感器測量的，例如載荷傳感器、引伸儀和線性位移傳感器LVDT。在一些新的試驗系統也用上了光學和電視圖像裝置。
3．控制-數據采集-分析系統
集成電路、微處理機及模擬技術等方面的成就促進了試驗設備方面的發展。控制系統在試驗設備中一般有兩套，一是功能簡單的手控系統，一是多功能的計算機控制系統。
從目前各種新型實驗系統看，材料試驗最新發展的主要技術有以下四個方面：
1．液壓伺服
在實驗技術方面，液壓伺服技術是最主要的，適應性最廣的技術。1960年美國“研究有限公司”首先在材料實驗系統引入液壓伺服技術。電液伺服技術是當今高精度材料實驗系統的主流技術，與舊的測試系統相比，電液伺服技術有下列特點;
● 伺服技術（又稱隨即系統或跟蹤系統）能自動校正指令信號同反饋信號之間的誤差。這樣，執行機構能以一定的精度自動按照指令信號的變化規律動作。
● 先進的電子技術和液壓技術結合，使測試系統即可像電子測量儀表那樣精確加以控制，又可提供廣闊范圍的力和速度。例如由伺服閥（將電信號變成液壓信號的轉換裝置）產生的試驗頻率范圍可達0.0003Hz——1000Hz，因此可模擬各種復雜的加載方式。
● 可以從直接與試件相耦合的傳感處測量和控制載荷、位移和應變，其靈敏度及精確度與傳動機構施加壓力的作用無關。
綜上所述，電液伺服技術特別是用于復雜載荷（包括疲勞載荷）的力學試驗。
2．環境模擬
實驗技術的另一個重要發展是環境模擬。據調查，很多構件的失效是由于環境和力學條件的綜合作用引起材料疲勞或斷裂。事實上，環境的變化對材料性能的影響往往是很大的。現在環境模擬技術由于實際的需要已發展成為現代測試技術的重要方面。
設計一個具有能模擬力學和環境的實驗系統是比較復雜的。現在各種環境模擬的實驗裝置不斷出現，一般的環境模擬實驗系統應包括一個環境外殼（環境箱），一個環境發生器（高溫或低溫，濕度，鹽霧……），一個精密的控制器，一個對試樣進行力學作用的系統及一套測量、記錄和處理參數的有關儀器。主要種類如下：
● 高低溫試驗
高溫爐：在空氣或其他氣氛中實現精確的溫度控制配有專門的高溫液壓夾頭和高溫（軸向或徑向）引伸儀。爐內三段溫度控制和顯示可保證試件在標距范圍內溫度均勻，可進行不同溫度的疲勞、持久蠕變/疲勞交互作用、應力松弛等試驗。
感應加熱系統：由感應加熱器和感應圈組成對試件加熱系統，采用計算機控制系統的閉環回路，實現溫度動態變化，適合做熱機械疲勞試驗。
● 高溫真空試驗
一般包括高真空和高溫環境，目的是防止在試驗過程中試件氧化物的形成，中等程度的真空10-6torr，（相當于1mm水銀柱壓強）時，試件表面約在2秒內形成氧化物的第一層原子，而在超高真空109torr時，第一層原子約需2000秒。典型的高溫真空實驗系統使用預抽泵、低溫吸入泵、離子泵和鈦凈化器來達到所要求的真空，同時配套專門的感應加熱、高溫夾頭、引伸儀和精密的載荷傳感器等，這有很大的價值，但難度也很大。
● 腐蝕環境試驗
應力腐蝕和腐蝕疲勞試驗對海上船只、海洋采油平臺、油氣輸送管道、核反應堆、承受腐蝕環境的飛機和汽車構件等都很有必要。將試件浸在一種液體中可以模擬許多環境，有的試驗機是臥式的，浸濕系統可以是一個簡單的有機玻璃和金屬液體的容器。鹽霧腐蝕箱是另一種加速腐蝕試驗裝置，可以比較不同金屬在鹽霧或酸霧環境下的特征。整套系統包括箱體、水調節器、專用夾頭和引伸儀、加熱裝置、空氣壓縮機和廢氣（液）排出裝置。
● 復合環境試驗 
在實際應用中，材料往往處于復合的復雜環境下，例如：
腐蝕-溫度環境：原子核反應堆中的壓力容器經受起動、關閉時的熱偏差和一個動載荷，加上反應堆重水的腐蝕，試件要在這樣的環境模擬條件下進行裂紋增長速率的研究。
溫度-濕度環境：先進的復合材料具有強度高、重量輕等優點，但它對溫度、濕度很敏感，如飛機框架，汽車部件用的石墨環氧樹脂，該材料試驗時應模擬飛機（或汽車）使用的溫度-濕度變化條件進行試驗。
3．自動化
70年代，測試技術又產生了另一個飛躍，就是試驗機在加載電機和液壓伺服控制裝置上加進了電子計算機。利用計算機可以對動態測試過程進行實時監督，計算復雜的可變控制方式，大大簡化了收集和分析數據的過程。
使用計算機，用程序來操縱與紀錄試驗可以實現許多以前人工不可以完成的試驗。
例如：MTS公司生產的Test star IIs控制系統由三個硬件組件合成一個完整的試驗管理平臺；
● 數字控制器
該控制器管理：命令產生；數據采集；信號調節；事件探查和其他所有伺服控制運作。
● 計算機
它基于Inter公司奔騰處理器，通過你建立的實驗應用的用戶界面設置站點參數和觀看實驗資料的數據或圖形。
● 遠程站臺控制器
作為控制系統的一個選用組件，重量輕且可用固定或手持方式，可提供簡易的界面進行簡單操作，如試件裝卸，實驗起動等。
基于Test ware軟件：快速完成簡單的實驗。
當你要做一個簡單的實驗，用Test star IIs控制系統的基本Test ware 應用軟件可以很容易達到目的：在計算機的屏幕上顯示的操作面板可確定實驗的速率、頻率、幅值、平均值以形成正旋波（或三角波、方波、斜波等）信號來做簡單的或循環的加載實驗，放入試樣，設立參數后，點擊“運行“，實驗即按要求運行。
4．各種附件
現代材料力學性能試驗中復雜的、精密的引伸儀、夾頭、以及數據采集裝置等可有效的保證現代材料實驗的完成。
● 引伸儀
由于實驗對引伸儀的頻帶寬度，環境及測量分辨率的要求愈來愈高，而且不同領域的實驗用引伸儀的工作方式也不同，所以在引伸儀方面的新技術、新形式也不斷出現，如光學引伸儀、數字編碼機等。電子電位系統為定量測量各種參數展示了廣闊前景。隨著現場測試的增加及有關儀器內外電子元件的完善，引伸儀技術還將進一步發展。
目前一般常用的引伸儀有：軸向引伸儀、低周疲勞引伸儀、板式引伸儀、精確測E值雙邊引伸儀、高溫引伸儀、高溫拉、扭引伸儀、徑向引伸儀等，還有一些專用引伸儀，如巖石力學實驗引伸儀、某種特殊結構實驗引伸儀。激光測量變形裝置與計算機配套作為非接觸測量亦很有用處。
● 夾具
動態的、復合環境的實驗同樣對試件夾具提出更高的要求。夾具要穩固可靠、對中性好、操作方便。現有的夾具包括臺階型夾頭、自動對中液壓夾頭，高溫爐（拉壓疲勞）夾頭、高溫拉、扭夾頭，Wood金屬熔鑄夾頭等。
● 機架
機架首先要有足夠的剛度，以保證實驗的精確性，這點對精密控制試驗，巖石力學試驗以及大型試驗系統尤為重要。
現代材料實驗技術發展的特點
● 發展快，更新快
機械——液壓——電液伺服——微機控制——全數字化控制； 表盤——電子數顯——液晶數顯
● 通用化、系列化、元件模塊化
通用接口系統：積木式功能組合，一機多用
● 特種化
大型機：液壓、多缸、臥式、立式。最大立式實驗機：P>11000T,h>16m, L>30m,行程>2m.。
小型機：生物力學（皮膚的張力），Nano顯微力學探針，棉花纖維Pmin<0.01N。
特殊用途機：變形大、力小；雙軸、多軸復雜應力狀態。
● 智能化
整機自動化、自動切換、自動控制、自動記錄、自動處理數據、全數字化控制。
三．材料實驗最活躍的幾個方面
1．先進工程系統：模擬地震臺，人工造波，模擬常規發射系統等
2．航空及宇航：航空、航天飛機、飛船、衛星中使用的復合材料、陶瓷、先進材料
3．生物材料及結構測試：人工關節，臀，膝蓋，腿部，軀體組織，牙齒等仿生材料力學性能測試以及以上器官的整體模擬試驗。
4．土木工程：工程結構與大載荷實驗，巖石力學，土壤和瀝青實驗、混凝土實驗。
5．常規材料測試：金屬，塑料等，承受靜、動載荷的復合材料實驗。
6．汽車及零部件：汽車耐久性，操作，行駛及運轉性能，疲勞實驗及模擬試驗。
結論
1．世界高科技的發展為包括材料試驗在內的材料力學性能研究開辟了新的領域，也提出了更多、更高的要求。
2．電液伺服技術和計算機技術相結合可以實現以前人工操作不可能完成的實驗，把現代材料推進到一個新的水平。
3．為了更真實的反映構件在實際工作的狀態，材料試驗技術已更多的采用了模擬實際工作環境的整體的（或部件的）結構試驗，材料實驗技術更困難、更復雜、也更有效。
4．當前，隨著計算機的廣泛應用，利用計算機建立的材料性能數據庫可以直接給出各種材料的有關性能，利用（計算機）計算力學的有限單元分析整體（或零件）構件的應力、應變場。但它們都不能完全代替材料試驗。材料試驗在材料科研中仍占有重要的地位。