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常见问题
概述
测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。常用的材料试验机有拉力试验机、压力试验机、扭转试验机、冲击试验机、疲劳试验机等。能兼作拉伸、压缩、剪切、弯曲等多种实验的试验机称为万能材料试验机。根据加力的性质可分为静荷试验机和动荷试验机。供静力实验用的万能材料试验机有液压式、机械式、电子式等类型。本实验着重了解和掌握液压式和电子式两种类型的万能材料试验机。通过该实验，要求学生：
（1）了解万能试验机的构造和工作原理；
（2）学会试件的安装、测力度盘指针的调零和量程的选取；
（3）掌握操作规程，学会独立操作万能试验机。
图1液压式万能材料试验机结构简图
为介绍液压式万能材料试验机，现以国产WE系列为例。图1为这一系列中最常见的WE-100A、300、600试验机的结构简图。现分别介绍其加载系统和测力系统。
（一）加载系统
在底座1上由两根固定立柱5和固定横梁12组成承载框架。工作油缸13固定于框架上。在工作油缸的工作活塞14上，支承着由上横梁15、活动立柱10和活动平台8组成的活动框架。当油泵35启动时，油液通过送油阀16，经送油管17进入工作油缸，把工作活塞连同活动平台一同顶起。这样，如把试样安装于上夹头7和下夹头6之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸。若把试样置放于两个承压垫板11之间，或将受弯试样置放于两个弯曲支座9上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。此外，实验开始前如欲调整上、下夹头之间的距离，则可开动调位电机3，驱动螺杆4，便可使下夹头上升或下降。但调位电机不能用来给试样施加拉力。
（二）测力系统
加载时，开动油泵电机，打开送油阀16，油泵把油液送入工作油缸13顶起工作活塞14给试样加载；同时，油液经回油管18及测力油管33（这时回油阀19是关闭的，油液不能流回油箱34），进入测力油缸32，压迫测力活塞31、使它带动拉杆27向下移动，，从而迫使摆杆28和摆锤29连同推杆25绕支点偏转。推杆偏转时，推动齿杆24作水平移动，于是驱动示力盘的指针齿轮，使示力指针23绕示力度盘22的中心旋转。示力指针旋转的角度与测力油缸活塞上的总压力（即拉杆27所受拉力）成正比。因为测力油缸和工作油缸中油压压强相同，两个油缸活塞上的总压力成正比（活塞面积之比）。这样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试样所受载荷成正比。经过标定便可使指针在示力度盘上直接指示载荷的大小。
试验机一般配有重量不同的摆锤，可供选择。对重量不同的摆锤，使示力指针转同样的转角，所需油压并不相同，即载荷并不相同。所以，示力度盘上由刻度表示的测力范围应与摆锤的重量相匹配。以WE－300试验机为例，它配有A、B、C三种摆锤。摆锤A对应的测力范围为0～60kN，A＋B对应0～150kN，A＋B＋C对应0～300kN。
开动油泵电机，送油阀开启的大小可以调节油液进入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加载荷的速度。开启回油阀19，可使工作油缸中的油液经回油管18泄回油箱34，从而卸减试样所受载荷。
实验开始前，为消除活动框架等的自重影响，应开动油泵送油，将活动平台升高10mm左右。然后调节测力部分的平衡铊26，使摆杆28保持垂直位置，并使示力指针指在零点。
试验机上一般还有自动绘图装置。它的工作原理是，活动平台上升时，由绕过滑轮的拉绳带动滚筒20绕轴线转动，在滚筒圆柱面上构成沿周线表示位移的坐标；同时齿杆24的移动构成沿滚筒轴线表示载荷的坐标。这样，实验时绘图笔21在滚筒上就可自动绘出载荷－位移曲线。当然，这只是一条定性曲线，不是很准确的。
（三）操作规程和注意事项
1．根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，并以此力作为示力盘量程的40%～80%,以选定相应的示力度盘和摆锤重量。然后，选用与试样相适应的夹具。
2．液压式万能试验机总开关上电。
3．根据实验要求，更换摆杆上悬挂的摆锤并调整缓冲阀，安装好事先选好的夹具。
4．先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机。待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台升高约10mm，以消除其自重。然后关闭送油阀，安装好试样。
5．调整平衡锤，使摆杆刻线对准标牌线，保证摆杆垂直，并锁紧平衡锤位置。
6．需要作图时，在记录筒上卷上记录纸，在推杆上安装记录笔；放下推杆的记录笔，将笔尖压在记录纸上，并记录放大比例。
7．固定记录笔的位置，调整推杆上的旋钮，使指针对正零位。
8．按实验要求调整加荷速度指针，缓慢开启送油阀，给试样平稳加载。应避免油阀开启过大进油太快。实验进行中，注意不要触动摆杆或摆锤。
9．实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。破坏性实验先取下试样，再缓缓打开回油阀将油液放回油箱。非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。
电子万能材料试验机是采用各类传感器进行力和变形检测，通过微机控制的新型机械式试验机。由于采用了传感技术、自动化检测和微机控制等先进的测控技术，它不仅可以完成拉伸、压缩、弯曲、剪切等常规试验，还能进行材料的断裂性能研究以及完成载荷或变形循环、恒加载速率、恒变形速率、蠕变、松弛和应变疲劳等一系列静、动态力学性能试验。此外，它还具有测量精度高、加载控制简单、试验范围宽等特点，以及提供较好的人机交互界面，具备对整个试验过程进行预设和监控，直接提供试验分析结果和试验报告，试验数据和试验过程再现等优点。
现以Instron5882电子万能材料试验机（见图2）为例，简单介绍其构造原理和使用方法（见图3）。该机采用全数字化控制，配备载荷传感器、电子引伸计、光电位移编码器等传感器，机械加载部分采用直流伺服控制系统控制预应力滚珠丝杠带动横梁移动。
（一）工作原理
在测试系统接通电源后，微机按试验前设定的数值发出横梁移动指令，该指令通过伺服控制系统控制主机内部的伺服电机转动，经过皮带、齿轮等减速机构后驱动左、右丝杠转动，由活动横梁内与之啮合的螺母带动横梁上升或下降。装上试样后，试验机可通过载荷、应变、位移传感器获得相应的信号，该信号放大后通过A/D进行数据采集和转换，并将数据传递给微机。微机一方面对数据进行处理，以图形及数值形式在微机显示器上反映出来；另一方面将处理后的信号与初始设定值进行比较，调节横梁移动改变输出量，并将调整后的输出量传递给伺服控制系统，从而可达到恒速率、恒应变、恒应力等高要求的控制需要。
（二）操作规程和注意事项
由于Instron5882电子万能材料试验机采用了全数字化控制技术，因此，其工作过程均通过软件操作来实现。下面结合常用的Merlin软件来介绍操作方法。
1．依次合上主机、控制器、计算机系统的电源，一般要求预热一会儿。
2．直接点击计算机桌面上的Merlin图标，打开软件，进入试验方法模式，如以前已编好了试验方法，可直接点击进入；如果没有，可点击最下方的Merlin，查找合适的试验法。
3．选定所要的试验方法后，输入相关的试验参数，如：加载速率、试样尺寸、数据采集模式和所需试验结果等，最后存储方法。
4．安装试样，检查设备的上下限保护是否设置正确。
5．启动试验，并注意观察，若发生意外立即终止试验。
6．试验完成后，存储试验数据，根据需要提供试验分析结果或打印试验报告。
7．将主机的横梁回位，以免接着试验时，造成软件与主机连接不上。
8．实验完毕，关闭Merlin软件，关闭计算机系统，关闭控制器，关闭主机电源，最后切断总电源。
9．清洁主机，填写设备使用记录。
图2 Instron5882电子万能材料试验机 图3 电子式万能材料试验机结构简图
1－主机；2－滚珠丝杠；3－活动横梁；4－齿轮传动机构；5－ 伺服电机；6－试件；7－光电位移编码器；8－力传感器；9－电子引伸计；10－点动控制按钮
三、实验操作
1．认真阅读实验讲义，并与具体试验机对照，弄清试验机的主要部件及作用，了解它的性能特点。
2．掌握不同试验机的操作规程、安全注意事项和操作方法。
3．按照操作规程认真练习，练习时着重下列环节：
（1）检查试验机是否处于正常状态。主要包括：试件夹的形式和尺寸是否与试件要求一致；操作机构或油阀是否在开始位置，保险开关自动绘图器等能否正常工作。
（2）根据最大载荷的40%—80%选择合适的档位或测力度盘和相应的配重。
（3）安装拉伸试件时，应使夹持长度至少等于夹头长度，并应将试件夹正；安装压缩试件时，则应把试件摆正，对中。
（4）练习液压式试验机的慢速加载、在某一载荷下稳定不变和缓慢卸载。
关闭电源，将试验机一切机构复原。
四 、思考题
1．拉伸试件的夹头是根据什么条件选取的？它与试件夹持部分的长短有无关系？
2．怎样选择档位或测力盘的量程以及加载速度?它们与试验结果精度有无影响？
3．不同的试验机操作时应分别注意哪些问题？
