圖1 材料科學(xué)與工程四要素
材料科學(xué)的研究涉及各行各業(yè)方方面面，而在材料學(xué)的研究工作中，針對(duì)樣品的測(cè)試與表征則是重中之重。圍繞材料不同的基本性質(zhì)，表征手段也多種多樣，分為力學(xué)類(lèi)、結(jié)構(gòu)類(lèi)、表面類(lèi)、成分類(lèi)、應(yīng)用類(lèi)等，相關(guān)的檢測(cè)儀器更是種類(lèi)繁多數(shù)不勝數(shù)。不過(guò)這一次，給大家?guī)?lái)的是一種叫做“萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)”的檢測(cè)設(shè)備，它不僅在實(shí)驗(yàn)室中常用，也早已普及到了工業(yè)化生產(chǎn)中。這就引起了很多客戶(hù)朋友的興趣——在這杠精橫流的年代還有膽敢聲稱(chēng)自己是“萬(wàn)能”的東西？所以今天小編就火速梳理了有關(guān)“萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)”的資料，您且往下看~
1、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)——有哪些萬(wàn)？
首先，小編要給那些被“萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)”名字中的“萬(wàn)能”誤導(dǎo)的朋友們潑一盆冷水——萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)并不“萬(wàn)能”，它是針對(duì)材料力學(xué)性能和試樣機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)試儀器。目前來(lái)說(shuō)較常用、適用性較廣的一個(gè)定義是：萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是能在各種環(huán)境、條件下對(duì)不同材料所制成的材料試樣進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊硬度等試驗(yàn)，檢測(cè)其力學(xué)性能、機(jī)械性能以及其他物理性能測(cè)試的儀器設(shè)備。所以說(shuō)，不能因?yàn)槊志秃?jiǎn)單粗暴地認(rèn)為“萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)”就是真正的全面、全知、全能的，那么，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)之“萬(wàn)”究竟是如何得來(lái)呢？
1.1能力之“萬(wàn)”——實(shí)現(xiàn)全面測(cè)試
萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)之“萬(wàn)”，是指它是能夠?qū)Σ牧狭W(xué)性能進(jìn)行全面的測(cè)試，通過(guò)切換不同的夾具附件，就可以在各種環(huán)境、條件下對(duì)材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變、應(yīng)力等力學(xué)性能、機(jī)械性能以及其他物理性能測(cè)試。根據(jù)施加的不同負(fù)荷可分為靜力試驗(yàn)和動(dòng)力實(shí)驗(yàn)兩大類(lèi)。靜力試驗(yàn)包括拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)、高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)、斷裂韌性試驗(yàn)等。動(dòng)力試驗(yàn)包括沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等。
從用途來(lái)看，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的功能可以分為特殊測(cè)試以及普通測(cè)試兩種。其中普通測(cè)試的范圍包括定應(yīng)力力值、任意點(diǎn)力值、定伸應(yīng)力、扯斷強(qiáng)度、拉伸應(yīng)力、彎曲試驗(yàn)等內(nèi)容。特殊測(cè)試一般指的是除常規(guī)的普通測(cè)試以外對(duì)于某些功能以及特定作用的測(cè)試。此外還有彈性限、彈性變形、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度等的特殊測(cè)量項(xiàng)目。
1.2種類(lèi)之“萬(wàn)”——有多種分類(lèi)
萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)可按照下列方式分類(lèi)：①按運(yùn)行方式分類(lèi)；②按測(cè)定力學(xué)的方式分類(lèi)；③按機(jī)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)；④按測(cè)定的材料類(lèi)型分類(lèi)。目前在市面上，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的品類(lèi)多達(dá)上百種，每種類(lèi)型之上更是發(fā)展出了豐富的型號(hào)，形成了一個(gè)龐大的儀器家族。從這個(gè)角度出發(fā)來(lái)說(shuō)，人們其實(shí)很難給萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下一個(gè)準(zhǔn)確的定義。目前市面上的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主要依據(jù)其動(dòng)力源種類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)為：機(jī)械式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。其中，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是目前技術(shù)水平發(fā)展較迅速，應(yīng)用范圍較廣泛的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。
1.3 用途之“萬(wàn)”——適用于多種材料
材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)不僅是做科研項(xiàng)目的基本手段，也是生產(chǎn)生活檢測(cè)的一種常用手段。目前，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)在冶金、機(jī)械、汽車(chē)、電子、建筑、宇航、化工以及交通運(yùn)輸?shù)雀鱾�(gè)領(lǐng)域和部門(mén)都得到了廣泛的應(yīng)用。可用于測(cè)試廣泛成分、性質(zhì)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(fù)合薄膜、鍍鋁膜、鋁箔、片材、工程塑料、橡膠、皮革、無(wú)紡布、編織袋、打包帶等試樣。
2、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)——都什么能？
電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)具有方便靈活、保養(yǎng)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、精度高、重量輕、可以方便快捷地加載各類(lèi)裝置進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)材料的大小種類(lèi)實(shí)用性也很強(qiáng)，是真正的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。因此，在本節(jié)中，小GO選取電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行主要介紹。
2.1 儀器結(jié)構(gòu)與測(cè)試原理
圖2 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)模型
典型的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)可以分解成機(jī)械系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大模塊。機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)架機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和夾具，伺服系統(tǒng)包括伺服控制器，測(cè)量系統(tǒng)包括光電編碼器、引伸計(jì)、力傳感器，控制系統(tǒng)包括下位機(jī)（單片機(jī)）和上位機(jī)（PC），四大模塊都由伺服電機(jī)帶動(dòng)。
機(jī)器上電啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)自檢并復(fù)位后可以開(kāi)始試驗(yàn)，伺服電機(jī)按照給定的試驗(yàn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)中橫梁（也叫動(dòng)橫梁）、帶動(dòng)上夾具上下移動(dòng)，與固定在下橫梁的下夾具配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的拉伸、壓縮等。在作用于試樣的同時(shí)，力傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量試樣所受到的拉力，引伸計(jì)負(fù)責(zé)測(cè)量試樣的變形。力傳感器、引伸計(jì)、編碼器的信號(hào)經(jīng)下位機(jī)接收計(jì)算后再反饋到伺服控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。
2.2 儀器測(cè)試條件的選擇
① 測(cè)試力值范圍選擇
不同型號(hào)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試范圍是不一樣的，應(yīng)當(dāng)根據(jù)測(cè)試樣本來(lái)決定。拉力試驗(yàn)的有效測(cè)試范圍為1-100%FS。例如5KN的拉力試驗(yàn)機(jī)，有效測(cè)試范圍是50N-5KN之間，低于50N以下就會(huì)有誤差，可以通過(guò)增加不同力值的傳感器來(lái)增加拉伸測(cè)試的測(cè)試范圍。
② 試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)選擇
試驗(yàn)機(jī)伸長(zhǎng)率選擇取決于試樣的材質(zhì)和種類(lèi)。一般來(lái)說(shuō)，延伸率較小的試樣如金屬類(lèi)（除鋁型材之外）可以用小變形引伸計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)量。金屬片材或棒材啞鈴試樣，用小變形引伸計(jì)測(cè)量。還有一些則不需要用引伸計(jì)。如圓形，金屬片材斷后伸長(zhǎng)率，用量尺拼接量取。一般矩形，長(zhǎng)方條試樣，則用位移法求取伸長(zhǎng)率。
③ 夾具的選擇
萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具選取取決于試樣材質(zhì)和試樣方法標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)方法不同，大概可分為: 拉伸類(lèi)夾具、壓縮類(lèi)夾具、彎曲類(lèi)夾具、剝離類(lèi)夾具、剪切類(lèi)夾具等，其中拉伸類(lèi)夾具約占夾具總量的80%左右。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為楔形類(lèi)夾具、對(duì)夾類(lèi)夾具、纏繞類(lèi)夾具、偏心類(lèi)夾具、杠桿類(lèi)夾具、臺(tái)肩類(lèi)夾具、螺栓類(lèi)夾具、90°/180°剝離類(lèi)夾具等。
2.3 儀器使用注意事項(xiàng)
① 測(cè)試前，要根據(jù)試樣的性質(zhì)、種類(lèi)和測(cè)試要求選定適合的測(cè)試條件和模具，因素包括拉伸機(jī)的壓縮行程，拉伸力量的選擇，引伸計(jì)種類(lèi)，位移速度等。
② 進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在試樣周?chē)O(shè)置護(hù)欄，以防試樣斷裂瞬間飛出傷人。
③ 更換試樣夾持裝置時(shí)要注意裝置重心，防止裝置傾倒砸傷人員或砸壞試驗(yàn)機(jī)。安裝試樣時(shí)注意盡可能對(duì)中。
④ 測(cè)試前要對(duì)儀器進(jìn)行歸零，校正力量傳感器系數(shù)以防測(cè)試結(jié)果有誤差。
⑤ 在測(cè)試過(guò)程中需要按照操作規(guī)范進(jìn)行夾持。
3、應(yīng)用實(shí)例
3.1 稻草秸稈力學(xué)特性研究
測(cè)定和研究稻草秸稈中的機(jī)械特性可以為其機(jī)械加工設(shè)計(jì)提供理論參數(shù)，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫占峰和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的蔣恩臣使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)稻草秸稈進(jìn)行了壓縮、彎曲和剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)包括橫向壓縮、軸向壓縮和剪切試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)三大類(lèi)。其中分別對(duì)根部莖稈、下部節(jié)莖稈、中部莖稈、上部節(jié)莖稈、稍部莖稈進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。試樣的物理特性參數(shù)包括外徑、內(nèi)徑、橫斷面面積、含水率等。試驗(yàn)中試樣的變形范圍為0～10 mm，力的變化范圍為0～100 N。通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)可直接得出力-變形曲線(xiàn)。作者在較后通過(guò)多項(xiàng)式回歸還分析建立了稻草秸稈的擠壓、彎曲和剪切力學(xué)指標(biāo)隨含水率變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。
圖3 含水率與稻草秸稈剪切力學(xué)指標(biāo)的回歸曲線(xiàn)
3.2麥稈壓縮剪切特性研究
有關(guān)植物材料的壓縮成型和廢棄物應(yīng)用的研究中，對(duì)麥稈的力學(xué)特性和工程效果的基礎(chǔ)研究至關(guān)重要。西北農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫驪等人用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)干麥稈、浸濕麥稈和綠麥稈的壓縮剪切力學(xué)特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)得出了麥稈的力與變形、濕度、面積、外徑的多元線(xiàn)性回歸方程和在指定條件下的力與變形的關(guān)系，還測(cè)出了麥稈的強(qiáng)度模量值。麥稈的壓縮、剪切特性的研究對(duì)收獲機(jī)械、加工機(jī)械的設(shè)計(jì)、作物抗倒伏能力的量化描述、開(kāi)發(fā)麥秸利用新途徑都有一定的意義。在更廣泛的范圍測(cè)量和研究乃是今后的任務(wù)。
圖4 麥稈的壓縮曲線(xiàn)
3.3 α-石英方石英轉(zhuǎn)變的研究
海南大學(xué)的吳新正等人在文章中使用較純的石英砂為原料，針對(duì)石英砂析出方石英造成的復(fù)合材料整體性能降低問(wèn)題，對(duì)石英砂的析出過(guò)程和機(jī)理進(jìn)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(wěn)定性材料的制備提供依據(jù)。作者利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)燒結(jié)后的試樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，以檢測(cè)在石英砂析晶后的相轉(zhuǎn)變行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱處理溫度在1200～1400℃之間，隨著溫度升高，試樣的耐壓強(qiáng)度得到大幅度的提高，在1400℃達(dá)到較高。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1500℃，耐壓強(qiáng)度逐漸下降。
圖5 不同溫度燒結(jié)后試樣的耐壓強(qiáng)度
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