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一．新技術(shù)革命促進(jìn)對(duì)材料力學(xué)性能的研究
對(duì)材料力學(xué)性能的研究起始于歐洲工業(yè)革命時(shí)期，當(dāng)時(shí)主要是采用機(jī)械測(cè)試設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，以便評(píng)價(jià)材料在拉壓和彎曲載荷作用下的力學(xué)特征。兩次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了多種技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)材料的力學(xué)性能提出了更高的要求，需要更輕而又更強(qiáng)的材料來(lái)制造飛機(jī)、火箭及各種武器。戰(zhàn)后世界上的軍備競(jìng)賽一直沒(méi)有停止，上世紀(jì)中葉開(kāi)始又發(fā)展到太空的競(jìng)爭(zhēng)，新的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為材料力學(xué)性能研究開(kāi)辟了新的天地。
● 發(fā)展主要領(lǐng)域有：高溫然汽輪機(jī)；熱核反應(yīng)發(fā)電站；輕質(zhì)航天飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星；各種節(jié)能輕質(zhì)地面車(chē)輛；探井鉆探及高壓貯罐；醫(yī)學(xué)仿生材料；電子、光電子、超導(dǎo)材料。
● 新材料： 主要有超級(jí)合金；復(fù)合材料；聚合材料；陶瓷材料。
● 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的材料工作條件非常復(fù)雜、非常惡劣，對(duì)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(qiáng)、超輻射、耐腐蝕。
● 所以現(xiàn)代科學(xué)對(duì)材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出更高的要求：快速省力、準(zhǔn)確可靠、安全經(jīng)濟(jì)、多能而善變。
二．現(xiàn)代材料試驗(yàn)的主要技術(shù)
隨著對(duì)材料力學(xué)性能測(cè)試要求不斷更新，出現(xiàn)了各種功能的試驗(yàn)設(shè)備，但不論什么類(lèi)型，一般可分成下列三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。
1．機(jī)械-動(dòng)力加載系統(tǒng)
這是試驗(yàn)設(shè)備的主要工作部分。機(jī)械部分包括機(jī)架、試件夾持結(jié)構(gòu)等固定裝置；動(dòng)力部分包括原動(dòng)機(jī)及其控制元件（如液壓源、伺服閥、液壓作動(dòng)器、加力電機(jī)機(jī)構(gòu)、壓電晶體、電磁振蕩機(jī)構(gòu)及其聯(lián)絡(luò)電路），這是設(shè)備的心臟。
2．傳感器系統(tǒng)
一般力和位移都是用阻抗式傳感器測(cè)量的，例如載荷傳感器、引伸儀和線(xiàn)性位移傳感器LVDT。在一些新的試驗(yàn)系統(tǒng)也用上了光學(xué)和電視圖像裝置。
3．控制-數(shù)據(jù)采集-分析系統(tǒng)
集成電路、微處理機(jī)及模擬技術(shù)等方面的成就促進(jìn)了試驗(yàn)設(shè)備方面的發(fā)展。控制系統(tǒng)在試驗(yàn)設(shè)備中一般有兩套，一是功能簡(jiǎn)單的手控系統(tǒng)，一是多功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
從目前各種新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)看，材料試驗(yàn)最新發(fā)展的主要技術(shù)有以下四個(gè)方面：
1．液壓伺服
在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，液壓伺服技術(shù)是最主要的，適應(yīng)性最廣的技術(shù)。1960年美國(guó)“研究有限公司”首先在材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入液壓伺服技術(shù)。電液伺服技術(shù)是當(dāng)今高精度材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主流技術(shù)，與舊的測(cè)試系統(tǒng)相比，電液伺服技術(shù)有下列特點(diǎn);
● 伺服技術(shù)（又稱(chēng)隨即系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）能自動(dòng)校正指令信號(hào)同反饋信號(hào)之間的誤差。這樣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能以一定的精度自動(dòng)按照指令信號(hào)的變化規(guī)律動(dòng)作。
● 先進(jìn)的電子技術(shù)和液壓技術(shù)結(jié)合，使測(cè)試系統(tǒng)即可像電子測(cè)量?jī)x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(hào)變成液壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置）產(chǎn)生的試驗(yàn)頻率范圍可達(dá)0.0003Hz——1000Hz，因此可模擬各種復(fù)雜的加載方式。
● 可以從直接與試件相耦合的傳感處測(cè)量和控制載荷、位移和應(yīng)變，其靈敏度及精確度與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)施加壓力的作用無(wú)關(guān)。
綜上所述，電液伺服技術(shù)特別是用于復(fù)雜載荷（包括疲勞載荷）的力學(xué)試驗(yàn)。
2．環(huán)境模擬
實(shí)驗(yàn)技術(shù)的另一個(gè)重要發(fā)展是環(huán)境模擬。據(jù)調(diào)查，很多構(gòu)件的失效是由于環(huán)境和力學(xué)條件的綜合作用引起材料疲勞或斷裂。事實(shí)上，環(huán)境的變化對(duì)材料性能的影響往往是很大的。現(xiàn)在環(huán)境模擬技術(shù)由于實(shí)際的需要已發(fā)展成為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的重要方面。
設(shè)計(jì)一個(gè)具有能模擬力學(xué)和環(huán)境的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。現(xiàn)在各種環(huán)境模擬的實(shí)驗(yàn)裝置不斷出現(xiàn)，一般的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包括一個(gè)環(huán)境外殼（環(huán)境箱），一個(gè)環(huán)境發(fā)生器（高溫或低溫，濕度，鹽霧……），一個(gè)精密的控制器，一個(gè)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)作用的系統(tǒng)及一套測(cè)量、記錄和處理參數(shù)的有關(guān)儀器。主要種類(lèi)如下：
● 高低溫試驗(yàn)
高溫爐：在空氣或其他氣氛中實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制配有專(zhuān)門(mén)的高溫液壓夾頭和高溫（軸向或徑向）引伸儀。爐內(nèi)三段溫度控制和顯示可保證試件在標(biāo)距范圍內(nèi)溫度均勻，可進(jìn)行不同溫度的疲勞、持久蠕變/疲勞交互作用、應(yīng)力松弛等試驗(yàn)。
感應(yīng)加熱系統(tǒng)：由感應(yīng)加熱器和感應(yīng)圈組成對(duì)試件加熱系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)溫度動(dòng)態(tài)變化，適合做熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)。
● 高溫真空試驗(yàn)
一般包括高真空和高溫環(huán)境，目的是防止在試驗(yàn)過(guò)程中試件氧化物的形成，中等程度的真空10-6torr，（相當(dāng)于1mm水銀柱壓強(qiáng)）時(shí)，試件表面約在2秒內(nèi)形成氧化物的第一層原子，而在超高真空109torr時(shí)，第一層原子約需2000秒。典型的高溫真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用預(yù)抽泵、低溫吸入泵、離子泵和鈦凈化器來(lái)達(dá)到所要求的真空，同時(shí)配套專(zhuān)門(mén)的感應(yīng)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(jià)值，但難度也很大。
● 腐蝕環(huán)境試驗(yàn)
應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞試驗(yàn)對(duì)海上船只、海洋采油平臺(tái)、油氣輸送管道、核反應(yīng)堆、承受腐蝕環(huán)境的飛機(jī)和汽車(chē)構(gòu)件等都很有必要。將試件浸在一種液體中可以模擬許多環(huán)境，有的試驗(yàn)機(jī)是臥式的，浸濕系統(tǒng)可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的有機(jī)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(yàn)裝置，可以比較不同金屬在鹽霧或酸霧環(huán)境下的特征。整套系統(tǒng)包括箱體、水調(diào)節(jié)器、專(zhuān)用夾頭和引伸儀、加熱裝置、空氣壓縮機(jī)和廢氣（液）排出裝置。
● 復(fù)合環(huán)境試驗(yàn) 
在實(shí)際應(yīng)用中，材料往往處于復(fù)合的復(fù)雜環(huán)境下，例如：
腐蝕-溫度環(huán)境：原子核反應(yīng)堆中的壓力容器經(jīng)受起動(dòng)、關(guān)閉時(shí)的熱偏差和一個(gè)動(dòng)載荷，加上反應(yīng)堆重水的腐蝕，試件要在這樣的環(huán)境模擬條件下進(jìn)行裂紋增長(zhǎng)速率的研究。
溫度-濕度環(huán)境：先進(jìn)的復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)溫度、濕度很敏感，如飛機(jī)框架，汽車(chē)部件用的石墨環(huán)氧樹(shù)脂，該材料試驗(yàn)時(shí)應(yīng)模擬飛機(jī)（或汽車(chē)）使用的溫度-濕度變化條件進(jìn)行試驗(yàn)。
3．自動(dòng)化
70年代，測(cè)試技術(shù)又產(chǎn)生了另一個(gè)飛躍，就是試驗(yàn)機(jī)在加載電機(jī)和液壓伺服控制裝置上加進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)。利用計(jì)算機(jī)可以對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，計(jì)算復(fù)雜的可變控制方式，大大簡(jiǎn)化了收集和分析數(shù)據(jù)的過(guò)程。
使用計(jì)算機(jī)，用程序來(lái)操縱與紀(jì)錄試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)許多以前人工不可以完成的試驗(yàn)。
例如：MTS公司生產(chǎn)的Test star IIs控制系統(tǒng)由三個(gè)硬件組件合成一個(gè)完整的試驗(yàn)管理平臺(tái)；
● 數(shù)字控制器
該控制器管理：命令產(chǎn)生；數(shù)據(jù)采集；信號(hào)調(diào)節(jié)；事件探查和其他所有伺服控制運(yùn)作。
● 計(jì)算機(jī)
它基于Inter公司奔騰處理器，通過(guò)你建立的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的用戶(hù)界面設(shè)置站點(diǎn)參數(shù)和觀看實(shí)驗(yàn)資料的數(shù)據(jù)或圖形。
● 遠(yuǎn)程站臺(tái)控制器
作為控制系統(tǒng)的一個(gè)選用組件，重量輕且可用固定或手持方式，可提供簡(jiǎn)易的界面進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，如試件裝卸，實(shí)驗(yàn)起動(dòng)等。
基于Test ware軟件：快速完成簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。
當(dāng)你要做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，用Test star IIs控制系統(tǒng)的基本Test ware 應(yīng)用軟件可以很容易達(dá)到目的：在計(jì)算機(jī)的屏幕上顯示的操作面板可確定實(shí)驗(yàn)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(hào)來(lái)做簡(jiǎn)單的或循環(huán)的加載實(shí)驗(yàn)，放入試樣，設(shè)立參數(shù)后，點(diǎn)擊“運(yùn)行“，實(shí)驗(yàn)即按要求運(yùn)行。
4．各種附件
現(xiàn)代材料力學(xué)性能試驗(yàn)中復(fù)雜的、精密的引伸儀、夾頭、以及數(shù)據(jù)采集裝置等可有效的保證現(xiàn)代材料實(shí)驗(yàn)的完成。
● 引伸儀
由于實(shí)驗(yàn)對(duì)引伸儀的頻帶寬度，環(huán)境及測(cè)量分辨率的要求愈來(lái)愈高，而且不同領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)用引伸儀的工作方式也不同，所以在引伸儀方面的新技術(shù)、新形式也不斷出現(xiàn)，如光學(xué)引伸儀、數(shù)字編碼機(jī)等。電子電位系統(tǒng)為定量測(cè)量各種參數(shù)展示了廣闊前景。隨著現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的增加及有關(guān)儀器內(nèi)外電子元件的完善，引伸儀技術(shù)還將進(jìn)一步發(fā)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(cè)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(zhuān)用引伸儀，如巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)引伸儀、某種特殊結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)引伸儀。激光測(cè)量變形裝置與計(jì)算機(jī)配套作為非接觸測(cè)量亦很有用處。
● 夾具
動(dòng)態(tài)的、復(fù)合環(huán)境的實(shí)驗(yàn)同樣對(duì)試件夾具提出更高的要求。夾具要穩(wěn)固可靠、對(duì)中性好、操作方便。現(xiàn)有的夾具包括臺(tái)階型夾頭、自動(dòng)對(duì)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(jī)架
機(jī)架首先要有足夠的剛度，以保證實(shí)驗(yàn)的精確性，這點(diǎn)對(duì)精密控制試驗(yàn)，巖石力學(xué)試驗(yàn)以及大型試驗(yàn)系統(tǒng)尤為重要。
現(xiàn)代材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)
● 發(fā)展快，更新快
機(jī)械——液壓——電液伺服——微機(jī)控制——全數(shù)字化控制； 表盤(pán)——電子數(shù)顯——液晶數(shù)顯
● 通用化、系列化、元件模塊化
通用接口系統(tǒng)：積木式功能組合，一機(jī)多用
● 特種化
大型機(jī)：液壓、多缸、臥式、立式。最大立式實(shí)驗(yàn)機(jī)：P>11000T,h>16m, L>30m,行程>2m.。
小型機(jī)：生物力學(xué)（皮膚的張力），Nano顯微力學(xué)探針，棉花纖維Pmin<0.01N。
特殊用途機(jī)：變形大、力小；雙軸、多軸復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。
● 智能化
整機(jī)自動(dòng)化、自動(dòng)切換、自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄、自動(dòng)處理數(shù)據(jù)、全數(shù)字化控制。
三．材料實(shí)驗(yàn)最活躍的幾個(gè)方面
1．先進(jìn)工程系統(tǒng)：模擬地震臺(tái)，人工造波，模擬常規(guī)發(fā)射系統(tǒng)等
2．航空及宇航：航空、航天飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星中使用的復(fù)合材料、陶瓷、先進(jìn)材料
3．生物材料及結(jié)構(gòu)測(cè)試：人工關(guān)節(jié)，臀，膝蓋，腿部，軀體組織，牙齒等仿生材料力學(xué)性能測(cè)試以及以上器官的整體模擬試驗(yàn)。
4．土木工程：工程結(jié)構(gòu)與大載荷實(shí)驗(yàn)，巖石力學(xué)，土壤和瀝青實(shí)驗(yàn)、混凝土實(shí)驗(yàn)。
5．常規(guī)材料測(cè)試：金屬，塑料等，承受靜、動(dòng)載荷的復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)。
6．汽車(chē)及零部件：汽車(chē)耐久性，操作，行駛及運(yùn)轉(zhuǎn)性能，疲勞實(shí)驗(yàn)及模擬試驗(yàn)。
結(jié)論
1．世界高科技的發(fā)展為包括材料試驗(yàn)在內(nèi)的材料力學(xué)性能研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，也提出了更多、更高的要求。
2．電液伺服技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)以前人工操作不可能完成的實(shí)驗(yàn)，把現(xiàn)代材料推進(jìn)到一個(gè)新的水平。
3．為了更真實(shí)的反映構(gòu)件在實(shí)際工作的狀態(tài)，材料試驗(yàn)技術(shù)已更多的采用了模擬實(shí)際工作環(huán)境的整體的（或部件的）結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)更困難、更復(fù)雜、也更有效。
4．當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)建立的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)可以直接給出各種材料的有關(guān)性能，利用（計(jì)算機(jī)）計(jì)算力學(xué)的有限單元分析整體（或零件）構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)。但它們都不能完全代替材料試驗(yàn)。材料試驗(yàn)在材料科研中仍占有重要的地位。