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万能试验机——有哪些万？都什么能？

来源：测试GO 时间：2022-10-20 11:47:41 浏览：2351次

图1 材料科学与工程四要素

材料科学的研究涉及各行各业方方面面，而在材料学的研究工作中，针对样品的测试与表征则是重中之重。围绕材料不同的基本性质，表征手段也多种多样，分为力学类、结构类、表面类、成分类、应用类等，相关的检测仪器更是种类繁多数不胜数。不过这一次，给大家带来的是一种叫做“万能试验机”的检测设备，它不仅在实验室中常用，也早已普及到了工业化生产中。这就引起了小GO的兴趣——在这杠精横流的年代还有胆敢声称自己是“万能”的东西？这还不得让我来“杠一杠”挑个刺？这就火速梳理了有关“万能试验机”的资料，果不其然给我抓到了它的BUG！具体是怎么样的BUG？您且往下看~

1、万能试验机——有哪些万？

首先，小GO要给那些被“万能试验机”名字中的“万能”误导的朋友们泼一盆冷水——万能试验机并不“万能”，它是针对材料力学性能和试样机械性能进行检测的测试仪器。目前来说最常用、适用性最广的一个定义是：万能试验机是能在各种环境、条件下对不同材料所制成的材料试样进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击硬度等试验，检测其力学性能、机械性能以及其他物理性能测试的仪器设备^[1]。所以说，不能因为名字就简单粗暴地认为“万能试验机”就是真正的全面、全知、全能的，那么，万能试验机之“万”究竟是如何得来呢？

1.1能力之“万”——实现全面测试

万能试验机之“万”，是指它是能够对材料力学性能进行全面的测试，通过切换不同的夹具附件，就可以在各种环境、条件下对材料进行拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变、应力等力学性能、机械性能以及其他物理性能测试^[^2]。根据施加的不同负荷可分为静力试验和动力实验两大类。静力试验包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、剪切试验、扭转实验、硬度试验、蠕变试验、高温持久强度试验、应力松弛试验、断裂韧性试验等。动力试验包括冲击试验、疲劳试验等。

从用途来看，万能试验机的功能可以分为特殊测试以及普通测试两种。其中普通测试的范围包括定应力力值、任意点力值、定伸应力、扯断强度、拉伸应力、弯曲试验等内容。特殊测试一般指的是除常规的普通测试以外对于某些功能以及特定作用的测试。此外还有弹性限、弹性变形、屈服点、屈服强度等的特殊测量项目。

1.2种类之“万”——有多种分类

万能试验机可按照下列方式分类：①按运行方式分类；②按测定力学的方式分类；③按机器结构特点分类；④按测定的材料类型分类。目前在市面上，万能试验机的品类多达上百种，每种类型之上更是发展出了丰富的型号，形成了一个庞大的仪器家族。从这个角度出发来说，人们其实很难给万能试验机下一个准确的定义。目前市面上的万能试验机主要依据其动力源种类进行分类为：机械式万能试验机、电子万能试验机和液压万能试验机。其中，电子万能试验机是目前技术水平发展最迅速，应用范围最广泛的万能试验机。

1.3 用途之“万”——适用于多种材料

材料万能试验机不仅是做科研项目的基本手段，也是生产生活检测的一种常用手段。目前，万能试验机已经在冶金、机械、汽车、电子、建筑、宇航、化工以及交通运输等各个领域和部门都得到了广泛的应用。可用于测试广泛成分、性质和形状的待检元件，涵盖各种金属、非金属材料，如金属薄片、塑料薄膜、复合薄膜、镀铝膜、铝箔、片材、工程塑料、橡胶、皮革、无纺布、编织袋、打包带等试样。

2、万能试验机——都什么能？

电子式万能试验机具有方便灵活、保养简单、实用性强、精度高、重量轻、可以方便快捷地加载各类装置进行力学试验，对材料的大小种类实用性也很强，是真正的万能试验机^[3]。因此，在本节中，小GO选取电子式万能试验机进行主要介绍。

2.1 仪器结构与测试原理

图2 万能试验机的主机模型^[4]

典型的电子万能试验机系统可以分解成机械系统、伺服系统、测量系统、控制系统四大模块。机械系统包括机架机构、传动机构、执行机构和夹具，伺服系统包括伺服控制器，测量系统包括光电编码器、引伸计、力传感器，控制系统包括下位机（单片机）和上位机（PC），四大模块都由伺服电机带动。

机器上电启动后，经过自检并复位后可以开始试验，伺服电机按照给定的试验速度转动，经减速器、滚珠丝杠驱动中横梁（也叫动横梁）、带动上夹具上下移动，与固定在下横梁的下夹具配合，实现对试样的拉伸、压缩等。在作用于试样的同时，力传感器负责测量试样所受到的拉力，引伸计负责测量试样的变形。力传感器、引伸计、编码器的信号经下位机接收计算后再反馈到伺服控制器，实现对伺服电机的控制。

2.2 仪器测试条件的选择

① 测试力值范围选择

不同型号的万能试验机的测试范围是不一样的，应当根据测试样本来决定^[^5]。拉力试验的有效测试范围为1-100%FS。例如5KN的拉力试验机，有效测试范围是50N-5KN之间，低于50N以下就会有误差，可以通过增加不同力值的传感器来增加拉伸测试的测试范围。

② 试验机引伸计选择

试验机伸长率选择取决于试样的材质和种类。一般来说，延伸率较小的试样如金属类（除铝型材之外）可以用小变形引伸计测量。延伸率较高的试样如铝型材，弹性体，橡胶塑料，高分子材料等，则需要使用大变形引伸计测量。金属片材或棒材哑铃试样，用小变形引伸计测量。还有一些则不需要用引伸计。如圆形，金属片材断后伸长率，用量尺拼接量取。一般矩形，长方条试样，则用位移法求取伸长率。

③ 夹具的选择

万能试验机的夹具选取取决于试样材质和试样方法标准。根据试验方法不同，大概可分为: 拉伸类夹具、压缩类夹具、弯曲类夹具、剥离类夹具、剪切类夹具等，其中拉伸类夹具约占夹具总量的80%左右。根据结构不同，可分为楔形类夹具、对夹类夹具、缠绕类夹具、偏心类夹具、杠杆类夹具、台肩类夹具、螺栓类夹具、90°/180°剥离类夹具等。

2.3 仪器使用注意事项

① 测试前，要根据试样的性质、种类和测试要求选定适合的测试条件和模具，因素包括拉伸机的压缩行程，拉伸力量的选择，引伸计种类，位移速度等。

② 进行试验时应在试样周围设置护栏，以防试样断裂瞬间飞出伤人。

③ 更换试样夹持装置时要注意装置重心，防止装置倾倒砸伤人员或砸坏试验机。安装试样时注意尽可能对中。

④ 测试前要对仪器进行归零，校正力量传感器系数以防测试结果有误差。

⑤ 在测试过程中需要按照操作规范进行夹持。

3、应用实例

3.1 稻草秸秆力学特性研究

测定和研究稻草秸秆中的机械特性可以为其机械加工设计提供理论参数，东北农业大学的孙占峰和华南农业大学的蒋恩臣使用万能试验机对稻草秸秆进行了压缩、弯曲和剪切试验^[6]。试验包括横向压缩、轴向压缩和剪切试验、弯曲试验三大类。其中分别对根部茎秆、下部节茎秆、中部茎秆、上部节茎秆、稍部茎秆进行测试和数据处理。试样的物理特性参数包括外径、内径、横断面面积、含水率等。试验中试样的变形范围为0～10 mm，力的变化范围为0～100 N。试验加载速度为5mm·min^-1，通过计算机自动采集数据可直接得出力-变形曲线。作者在最后通过多项式回归还分析建立了稻草秸秆的挤压、弯曲和剪切力学指标随含水率变化关系的数学模型（表1）。

表1 含水率与稻草秸秆剪切力学指标的回归模型

图3 含水率与稻草秸秆剪切力学指标的回归曲线

3.2麦秆压缩剪切特性研究

有关植物材料的压缩成型和废弃物应用的研究中，对麦秆的力学特性和工程效果的基础研究至关重要。西北农业大学的孙骊等人用数理统计的方法在万能试验机和压力试验机上对干麦秆、浸湿麦秆和绿麦秆的压缩剪切力学特性进行了研究^[8]。实验得出了麦秆的力与变形、湿度、面积、外径的多元线性回归方程和在指定条件下的力与变形的关系，还测出了麦秆的强度模量值。麦秆的压缩、剪切特性的研究对收获机械、加工机械的设计、作物抗倒伏能力的量化描述、开发麦秸利用新途径都有一定的意义。在更广泛的范围测量和研究乃是今后的任务。

图4 麦秆的压缩曲线

3.3 α-石英方石英转变的研究

海南大学的吴新正等人在文章中使用较纯的石英砂为原料，针对石英砂析出方石英造成的复合材料整体性能降低问题，对石英砂的析出过程和机理进行了研究，探索石英砂的方石英化影响因素，以便为低成本、高稳定性材料的制备提供依据^[9]。作者利用万能材料试验机，对烧结后的试样进行强度测试，以检测在石英砂析晶后的相转变行为。结果发现热处理温度在1200～1400℃之间，随着温度升高，试样的耐压强度得到大幅度的提高，在1400℃达到最高。当烧结温度达到1500℃，耐压强度逐渐下降。