常用材料试验系统概述

       材料试验系统必须坚固且灵活，能够确定从金属到复合材料，从塑料到天然、生物基材的各种材料和部件的力学性能。

      力学性能试验在研究教育、产品开发设计及质量控制方面起着主要作用。试验可以用各种静态和动态的材料试验机进行，而且工程师和科学家在产品开发中也经常用到这些试验机。力学性能试验包含从普通拉伸和压缩试验到弯曲和扭转性能等各种技术，试验可在环境条件或非环境条件下发生，在温度和环境条件变化很大的情况下也可进行。

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电动力学性能试验（EM）系统

       电动力学（EM）试验系统通常应用于静态试验的拉伸或压缩模式。单柱和双柱型的载荷框架可应用于电动力学（EM）试验系统。双柱型系统采用台式和落地式。EM系统的其他元件包含一个称重传感器，一个十字头和一种测量拉伸的装置（通常被成为伸长计）。称重传感器是一种产生电信号的传感器，其大小与正在被测的力成正比。进行试验时，可移动的十字头以标准指定的速度向上或向下移动。某些应用需要恒定的伸长速率而另一些需要递增速率。

       例如，Zwick的电动力学（EM）试验系统包含了现代设计元素以提供尽可能可靠的试验结果。在这些系统中，交流驱动技术实际上结合了免维护操作和数字控制的优点。此外，一种创新动力反馈系统即使在速度很低的情况下也能确保优良的恒速特性。Zwick公司的试验系统还配备了有专利的，导向筒具有可挠地刚性的空心型材，而且大表面积的长型十字头可提供极其精确的导向。这种组合使样品的不利影响最小化。

        EM系统特别适用于对精度高的应用。需要支持测量复杂应变的应用用引伸计来实现。伸长计要满足的要求主要取决待测材料的特性，包括材料的形状，试验要求和必须满足的正式标准。标准定义了标距长度，精度，试验顺序和环境条件，例如试验温度。在拉伸试验中，对应施加的力要记录标记位置的伸长量。通常，在试样的两个固定点之间测量伸长量。

        EM系统主要解决的试验范围是传统的静态材料试验例如拉伸，挠曲或弯曲试验。相对这类试验来说，EM是最合适的技术，尤其是拉伸试验，因为它在应变率测量中控制和精度是高度相关的。这样的事情只有EM能实现。除材料试验外，EM系统也适用于高精度的元件试验。

图1.AllroundLine  EM试验系统包含双试验区域来支持试验的效率

图2.碳纤维复合材料试样的脆性损伤

表1. 试验系统一览表

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伺服液压控制系统

       伺服液压试验机可用于静态，动态或疲劳材料试验。它们通过闭环系统运行，该系统由连接到试验的双向液压执行器；用于调节执行器的位置、速度和力的伺服阀和控制器以及具有紧密耦合的液压动力源的负载框架组成；一个电气反馈回路能利用位置和载荷传感器来控制试验变量。虽然它们需要电气和液压连接的基础设施，但是伺服液压试验机在力要求极高或者要求试验速度很快的情况下（生产螺杆驱动的机电设备成本可能很高）是一种经济有效的选择。

       当伺服液压系统被用于静态试验时，其主要适用于应变测量。这些情况下，典型的传感器臂伸长计，如Zwick的makroXtens设备，将满足高精度的应变测量的要求。使用这种伸长计，在整个拉伸试验开始直至试样断裂中，可获得弹性和塑性变形范围内的试样变形。倾斜的刀刃从开始试验到断裂避免了试样的损伤。

        也可使用夹式引伸计，顾名思义是将这些设备直接安装到试样上。通过刀刃，从试样到内部换能器，转移伸长的机械部件是短而硬的。实际上，试样和引伸计之间没有发生运动，从而产生高精度的测量。

       对于动态试验，可以使用简单的夹式引伸计以及诸如非接触视频引伸计的光学系统。视频伸长计需要在试样上贴上测量标记，使之在光学上不同于样品周围的区域。将标记夹在，粘在样品上，或者用彩色笔标记样品。

图3.HB100伺服液压试验机的载荷范围可达100kN

图4.HB3500型伺服液压试验机适用于施工中大型组件的检测

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高低周疲劳试验

       工业上，即使伺服液压机确实适用于材料的表征，但是其主要焦点是试验元件。一些应用通常需要疲劳试验来确定生命周期。疲劳试验涉及了使部件或试样经受循环加载。用伺服液压系统定期研究两种类型的疲劳试验—低周疲劳(LCF)和高周疲劳(HCF)。

       受到极端热和机械力的零部件只能在短期强度范围内设计，即最多105个周期。主要的案例有用于发动机的涡轮叶片和圆盘以及用于发电的固定涡轮，其他类如废气涡轮增压器、排气歧管和其他类似部件。

        在这些部件中，应变诱发周期性塑性形变发生在缺口（如叶片-圆盘的连接处）。这迟早会导致裂纹形核。低周疲劳（LCF）试验中，在试样上可以模拟这些力或应变并确定裂纹开裂的周期数。裂纹周边有弹性的区域在裂纹开裂后也具支撑作用。接下来根据断裂力学标准进一步判定裂纹扩展的发生。这个结果直接用于计算预期的使用寿命。试验在恒幅下进行，并且维持一定的时间能研究被分散的蠕变或松弛过程。三角波形用作定值，或梯形波被用作维持时间。

     LCF试验可用叠加的高频振荡进行。试验频率通常低于1Hz或等于1Hz，即使这个极限不断向上移动， 最终LCF试验通常在高达10Hz下进行。只有在特殊情况下，应变控制被用于这些试验，在稳定滞后区域或者时间的保持方面为了研究蠕变效应才改变力的控制。材料表征试验通常以R（循环应力的最大和最小比值）比例为1 的情况下进行。历史上，大多数的关注于需要多于104次以上循环失效的位置，其中该处应力低，变形主要是弹性变形。

       高周疲劳（HCF）是指在弹性应变区内，低振幅、高频率振动对载荷循环N的影响，通常N> 105。高周疲劳试验通常的发生多于107个周，其他一些材料需要高达5×108的循环周期。当施加的应力在材料的弹性区域内，随着零件的老化，塑性变形仍然在微观水平上发生，最终导致零件的失效。零部件或材料的疲劳特征通过给定载荷在应力VS周期生成的关系图来表示，称之为WOhler曲线，其中疲劳强度由试样或部件在指定循环次数内可承受的最大应力确定。将材料或部件的疲劳极限定义为不发生失效的应力水平，这就意味着它理论上具有无限的寿命。如果超过疲劳，疲劳失效很快发生，所以必须通过模拟安装条件的周期试验来证明其足够的疲劳强度，从而保证性能。

       S-N曲线来自于要表征的材料试样，通常称之为挂片，其中试验设备施加有规律的正弦应力，还能计算失效的循环数量。有时这个过程被称为挂片试验。每个挂片试验都会在绘图上生成一个点，尽管某些情况下失效时间超过试验时间绘图就会结束。S-N曲线的形成会受到腐蚀、温度、残余应力和存在缺口的影响。

        分析疲劳数据需要统计技术，尤其是生存分析和线性回归。Goodman关系是一种量化材料疲劳寿命的平均和交变应力互相影响的方程，为疲劳数据分析提供支持。Goodman关系提出的一般趋势是在给定应力水平下的交变应力随着平均应力的增加而疲劳寿命再减少。Goodman是一种平均应力和交变应力的图，表明材料在给定的循环次数下会发生失效。

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