第二章材料的机械（力学）性能测试
§2-1 材料试验机的操作
一、万能材料试验机简介
在材料力学实验中，一般都要给试样（或模型）施加荷载，这种加载用的设备称为材料试验机。试验机根据所加荷载的性能可分为静荷试验机和动荷试验机；根据工作条件又可分为常温、高温和低温等试验机；根据加载的形式分为拉力、压力和扭转等试验机。如果一台试验机兼作拉伸、压缩、弯曲和剪切等多种试验，则称为万能试验机。
试验机所能施加的荷载有大有小，小的只有几牛顿，大的可达几千吨。一般材料力学实验室常用的是常温、静载5t～100t的万能试验机、拉力和扭转等试验机。
试验机的种类很多，但一般都有机架、加载系统、测力示值系统、荷载位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。其中以加载系统、测力示值系统和荷载位移记录系统反映了试验机的主要性能。
1、加载系统
它是对试样施加荷载的装置，除油泵外，主要安装在右边部分。一般所谓加载，都是利用一定的动力和传动装置强迫试样发生变形，从而使试样受到力的作用。
2、测力、示值系统
它是传递和指示试样所受荷载大小的装置，主要安装在左边部分。
3、荷载位移记录系统
试验机上配置的一种称为自动绘图器的装置，它可以在实验过程中自动地绘出荷载与变形之间的关系曲线。
为了保证实验可靠，试验机要满足一定的技术条件，其标准由国家统一规定。其中重要的规定之一，是要求试验机荷载的示值误差要在±1％以内，并且试验机在安装时或使用一定时间（一般为一年）后，都要进行检定（有国家计量管理部门统一进行），不合格的应检修。试验机的检定方法可参阅“材料试验机检定规程”。
二、液压动摆式万能试验机
这是最常用的一种试验机，类型很多，但一般指示外形不同，基本原理是一样的。其可分为上置式油缸和下置式油缸两大类。
（一）上置式油缸液压万能试验机
这类试验机的工作油缸在上部，其外形如图21－1所示，其构造原理如图21－2所示。
1、加载系统
图21－3所示是其加载机构。当图21－2中的油泵电机带动油泵5工作，将高压油液经送油管(1)和送油阀送入工作油缸时，逐渐推动工作活塞6、上横头7、活动立柱8和工作台9（又称活动台）
上升。若试样装夹在下层拉伸空间的上下夹头10和11中，则因下夹头固定不动，而工作台上升时上夹头随之一起上升，就对试样施加了拉力。若试样放在上层压缩空间的上下垫板12之间，当工作台上升到试样与上垫板接触时就对试样施加了压力。
输油管路中的送油阀门用来控制进入工作油缸中的油量，以调节对试样加载的速度。加载时回油阀置于关闭位置。回油阀打开时，可将工作油缸中的油液泄回油箱，工作台由于自重而下降，回到原始位置。
图21－2 液压式万能试验构造机原理示意图
图21－1 WE －10A 型液压式万能试验机
图21－4 测力、示值系统工作原理示意图
图21-3 试验机加载部分 如果拉伸试样的长度不同，可用下夹头电机（或人力）转动底座中的蜗轮，使螺柱上下移动以调节下夹头的位置。注意：当试样已经夹紧或受力时，不能再移动下夹头，否则就造成用下夹头对试样加载，以致损伤机件。工作台的行程对拉伸和压缩区间都有规定，使用者必须遵守。
2、测力、示值系统
测力、示值系统的功能，是要随时反映出作用在试样上的荷载值。它是试验机的心脏部门(见图21－2)。加载时，工作油缸中的油压推动工作活塞6的力与试样所受的力成正比。如果用油管(2)将工作油缸和测力油缸14连通，此油压便推动测力活塞15向下移动，使拉杆拉动摆锤16，使之绕支点转动而抬起，同时摆上的推杆（又称拨杆）便推动齿轮17，使齿轮和指针18旋转。指针的旋转角度与油压成正比，因此在测力度盘上便可读出试样所受力的大小。
图21－4所示是测力、示值系统工作原理示意图。由此图可知，试验机作用于试样上的力P 就是作用在工作油缸上的压力P W 与工作台自重W 0的差值（即P =P W －W 0）。由于工作油缸与测力油缸相连通，它们的油压相等，因此有：
p S P S P S
S W W == 其中， S W 为工作油缸活塞的面积，P S 是作用在测力油缸上的压力，S S 为测力油缸活塞的面积，p 为油缸内油液的压强。
连杆在P S 作用下，摆杆、砝码对支点O 的平衡方程为：
Q sin α·ι－P S cos(α－α0)·r ＝0
齿杆的位移x 与摆杆扬角α的关系为：
x = h ∙tan α0+h ∙tan(α－α0)= h [sin α/cos α0cos(α－α0)]
示力指针的转角φ与齿杆位移x 的关系为：
x =φ∙d /2
联立以上四式可得：
000W cos 2-⋅⋅=-=ϕαS
w W S S r h Qld W P P 式中，Q 、l 、d 、r 、h 、S W 、S 0以及预置角α0都是常数，工作台的自重W 0也是常数，因此可得如下结论：
⑴ 试验机作用于试样上的荷载P 与示力指针的转角φ成线性关系。因此测力度盘可以以圆等分刻度。
⑵ 若视φ为常量（指针指在同一角度时），而视Q 为变量，则P 与Q 成线性关系。因此更换砝码重量Q 可以得到不同的测力范围。
一般试验机可以更换三种摆重，相应地配有三个不同的砝码（一般由小到大编为A 、B 、C 三种号码），也相应地有三种刻度的测力度盘，分别表示三种测力范围。例如WE －10A 型液压式万能试验机（图21－1所示）的三种度盘分别为：0～20KN 、0～50KN 、0～100KN 。试验时，为了保证测量荷载的精度，要根据试样实现估算所需荷载的大小，正确选择合适的测力度盘，并在摆杆21上放置相应重量的砝码。
⑶ 当φ视为常量，而l 视为变量时，P 与l 成线性关系。因此更换摆杆长度l ，也可以得到不同的测力范围。所以，有些试验机是采用调节摆杆长度的办法，而不是变更砝码的重量。
前式中的荷载P 与示力指针的转角φ成线性关系，是在理想状态下推得的，其中没有考虑到摩擦力，支承、夹具、机架受力后的变形，加工装配中几何尺寸的偏差，以及各零件之间的间隙等因素的影响，这些都会使P 与φ之间产生非线性偏差。当摆杆扬起的α角较大（相应指针的转角φ也大）时，由于摩察力引起的非线性误差显著增加，指针临近度盘的满度区域，示值的精度较差。又根据国家对试验机示值精度的规定：以每级测量范围的10%开始，但不小于该机最大荷载的4%，误差应在±1%之内。可见，指针在度盘的开始区域内精度也较差。因此在试验时，应正确选择度盘的测力范围，一般使需要测量的荷载最好全落在度盘的10%～80%范围内。
另外，摩察力对试验机进程（加载）、回程（卸载）都有影响，而在进回程中引起的是双倍误差。所以试验机加载时，必须平稳增加，不应忽增忽减。
再者，试验机加在试样上的荷载P 是作用在工作油缸上的压力P W 与工作台自重W 0的差值，因此在加载前，应调整测力指针的零点（使P o =W O ），以消除试验机工作台自重的影响。
普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式，它有两根示值指针：一根是主动针，另一根示从动针，如图21－1所示。当试验加载时，主动针带着从动针随荷载增加而沿刻度值增大的方向旋转；当试验结束卸载时，主动针回转至零位，而从动针则停示在终止的力值上，以供充裕的时间准确读数。试验中，主动针记录的是加在试样上的瞬时荷载值，从动针记录的是前期加在试样上的最大荷载值。从动针的位置可由手动进行调节。
3、荷载位移记录系统
图21－5所示是万能试验机荷载位移记录系统的一般构成机构。
力值的记录：在测力系统的齿杆上装有笔架，记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。如使指针转动一圈，记录笔所绘直线的长度代表该度盘的满度力值，可作为力值的坐标。
位移的记录：试验机上下夹头之间有相对位移时，线绳通过绳轮带动记录筒转动，记录笔便在筒纸上绘出了代表位移的线段。记录筒上的绳轮一般具有2～3条不同直径的线槽，使描绘位移线段的长度比真实位移放大不同的倍数，可以选择使用。
力和位移同时记录：当夹头强迫试样变形的同时，试样不断产生抗力，这时记录笔和记录筒仪器运动，二者的合成运动描绘了力－变形曲线。
