現(xiàn)代材料力學(xué)試驗技術(shù)及其發(fā)展

一、新技術(shù)革命促進(jìn)對材料力學(xué)性能的研究
        對材料力學(xué)性能的研究起始于歐洲工業(yè)革命時期，當(dāng)時主要是采用機(jī)械測試設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)試驗，以便評價材料在拉壓和彎曲載荷作用下的力學(xué)特征。兩次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了多種技術(shù)的發(fā)展，同時也對材料的力學(xué)性能提出了更高的要求，需要更輕而又更強(qiáng)的材料來制造飛機(jī)、火箭及各種武器。戰(zhàn)后世界上的軍備競賽一直沒有停止，上世紀(jì)中葉開始又發(fā)展  到太空的競爭，新的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為材料力學(xué)性能研究開辟了新的天地。
    1、發(fā)展主要領(lǐng)域有：高溫然汽輪機(jī)；熱核反應(yīng)發(fā)電站；輕質(zhì)航天飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星；各種節(jié)能輕質(zhì)地面車輛；探井鉆探及高壓貯罐；醫(yī)學(xué)仿生材料；電子、光電子、超導(dǎo)材料。
    2、新材料：主要有超級合金；復(fù)合材料；聚合材料；陶瓷材料。
    3、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的材料工作條件非常復(fù)雜、非常惡劣，對材料性能提出更高的要求：超高壓、超高溫、超低溫、超真空、超高純、超高速冷、超高強(qiáng)、超輻射、耐腐蝕。
    4、所以現(xiàn)代科學(xué)對材料實驗技術(shù)提出更高的要求：快速省力、準(zhǔn)確可靠、安全經(jīng)濟(jì)、多能而善變。

二、現(xiàn)代材料試驗的主要技術(shù)
        隨著對材料力學(xué)性能測試要求不斷更新，出現(xiàn)了各種功能的試驗設(shè)備，但不論什么類型，一般可分成下列三個獨(dú)立的子系統(tǒng)。
    1、機(jī)械-動力加載系統(tǒng)
        這是試驗設(shè)備的主要工作部分。機(jī)械部分包括機(jī)架、試件夾持結(jié)構(gòu)等固定裝置；動力部分包括原動機(jī)及其控制元件（如液壓源、伺服閥、液壓作動器、加力電機(jī)機(jī)構(gòu)、壓電晶體、電磁振蕩機(jī)構(gòu)及其聯(lián)絡(luò)電路），這是設(shè)備的心臟。
    2、傳感器系統(tǒng)
          一般力和位移都是用阻抗式傳感器測量的，例如載荷傳感器、引伸儀和線性位移傳感器LVDT。在一些新的試驗系統(tǒng)也用上了光學(xué)和電視圖像裝置。
    3、控制-數(shù)據(jù)采集-分析系統(tǒng)
        集成電路、微處理機(jī)及模擬技術(shù)等方面的成就促進(jìn)了試驗設(shè)備方面的發(fā)展。控制系統(tǒng)在試驗設(shè)備中一般有兩套，一是功能簡單的手控系統(tǒng)，一是多功能的計算機(jī)控制系統(tǒng)。從目前各種新型實驗系統(tǒng)看，材料試驗發(fā)展的主要技術(shù)有以下四個方面:
    （1）液壓伺服
        在實驗技術(shù)方面，液壓伺服技術(shù)是zui主要的，適應(yīng)性zui廣的技術(shù)。1960年美國“研究有限公司”首先在材料實驗系統(tǒng)引入液壓伺服技術(shù)。電液伺服技術(shù)是當(dāng)今高精度材料實驗系統(tǒng)的主流技術(shù)，與舊的測試系統(tǒng)相比，電液伺服技術(shù)有下列特點:
    ·伺服技術(shù)（又稱隨即系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）能自動校正指令信號同反饋信號之間的誤差。這樣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能以一定的精度自動按照指令信號的變化規(guī)律動作。
    ·*的電子技術(shù)和液壓技術(shù)結(jié)合，使測試系統(tǒng)即可像電子測量儀表那樣加以控制，又可提供廣闊范圍的力和速度。例如由伺服閥（將電信號變成液壓信號的轉(zhuǎn)換裝置）產(chǎn)生的試驗頻率范圍可達(dá)0.0003Hz-1000Hz，因此可模擬各種復(fù)雜的加載方式。
    ·可以從直接與試件相糯合的傳感處測量和控制載荷、位移和應(yīng)變，其靈敏度及度與傳動機(jī)構(gòu)施加壓力的作用無關(guān)。
綜上所述，電液伺服技術(shù)特別是用于復(fù)雜載荷（包括疲勞載荷）的力學(xué)試驗。
    （2）環(huán)境模擬
        實驗技術(shù)的另一個重要發(fā)展是環(huán)境模擬。據(jù)調(diào)查，很多構(gòu)件的失效是由于環(huán)境和力學(xué)條件的綜合作用引起材料疲勞或斷裂。事實上，環(huán)境的變化對材料性能的影晌往往是很大的?，F(xiàn)在環(huán)境模擬技術(shù)由于實際的需要已發(fā)展成為現(xiàn)代測試技術(shù)的重要方面。
        設(shè)計一個具有能模擬力學(xué)和環(huán)境的實驗系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。現(xiàn)在各種環(huán)境模擬的實驗裝置不斷出現(xiàn)，一般的環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)應(yīng)包括一個環(huán)境外殼（環(huán)境箱），一個環(huán)境發(fā)生器（高溫或低溫，濕度，鹽霧……），一個精密的控制器，一個對試樣進(jìn)行力學(xué)作用的系統(tǒng)及一套測量、記錄和處理參數(shù)的有關(guān)儀器。主要種類如下:
    ·高低溫試驗
        高溫爐：在空氣或其他氣氛中實現(xiàn)的溫度控制配有專門的高溫液壓夾頭和高溫（軸向或徑向）引伸儀。爐內(nèi)三段溫度控制和顯示可保證試件在標(biāo)距范圍內(nèi)溫度均勻，可進(jìn)行不同溫度的疲勞、持久蠕變/疲勞交互作用、應(yīng)力松弛等試驗。
感應(yīng)加熱系統(tǒng)：由感應(yīng)加熱器和感應(yīng)圈組成對試件加熱系統(tǒng)，采用計算機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)回路，實現(xiàn)溫度動態(tài)變化，適合做熱機(jī)械疲勞試驗。
    ·高溫真空試驗
        一般包括高真空和高溫環(huán)境，目的是防止在試驗過程中試件氧化物的形成，中等程度的真空10-6torr，（相當(dāng)于1mm水銀柱壓強(qiáng)）時，試件表面約在2秒內(nèi)形成氧化物的*層原子，而在超高真空10-9torr時，*層原子約需2000秒。典型的高溫真空實驗系統(tǒng)使用預(yù)抽泵、低溫吸入泵、離子泵和鐵凈化器來達(dá)到所要求的真空，同時配套專門的感應(yīng)加熱、高溫夾頭、引伸儀和精密的載荷傳感器等，這有很大的價值，但難度也很大。
    ·腐蝕環(huán)境試驗
        應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞試驗對海上船只、海洋采油平臺、油氣輸送管道、核反應(yīng)堆、承受腐蝕環(huán)境的飛機(jī)和汽車構(gòu)件等都很有必要。將試件浸在一種液體中可以模擬許多環(huán)境，有的試驗機(jī)是臥式的，浸濕系統(tǒng)可以是一個簡單的有機(jī)玻璃  和金屬液體的窯器。鹽霧腐蝕箱是另一種加速腐蝕試驗裝置，可以比較不同金屬在鹽霧或酸霧環(huán)境下的特征。整套系統(tǒng)包括箱體、水調(diào)節(jié)器、夾頭和引伸儀、

（3）自動化
        70年代，測試技術(shù)又產(chǎn)生了另一個飛躍，就是試驗機(jī)在加載電機(jī)和液壓伺服控制裝置上加進(jìn)了電子計算機(jī)。利用計算機(jī)可以對動態(tài)測試過程進(jìn)行實時監(jiān)督，計算復(fù)雜的可變控制方式，大大簡化了收集和分析數(shù)據(jù)的過程。
        使用計算機(jī)，用程序來操縱與紀(jì)錄試驗可以實現(xiàn)許多以前人工不可以完成的試驗。
        例如：MTS公司生產(chǎn)的Test  star  Iis  控制系統(tǒng)由三個硬件組件合成一個完整的試驗管理平臺；

      數(shù)字控制器
        該控制器管理：命令產(chǎn)生；數(shù)據(jù)采集；倍號調(diào)節(jié)；事件探查和其他所有伺服控制運(yùn)作。
      計算機(jī)
        它基于Inter公司奔騰處理器，通過你建立的實驗應(yīng)用的用戶界面設(shè)置站點參數(shù)和觀看實驗資料的數(shù)據(jù)或圖形。
    遠(yuǎn)程站臺控制器
        作為控制系統(tǒng)的一個選用組件，重量輕且可用固定或手持方式，可提供簡易的界面進(jìn)行簡單操作，如試件裝卸，實驗起動等?；赥est    ware  軟件：快速完成簡單的實驗。
        當(dāng)你要做一個簡單的實驗，用Test  star  Iis  控制系統(tǒng)的基本Test  ware  應(yīng)用軟件可以很容易達(dá)到目的：在計算機(jī)的屏幕上顯示的操作面板可確定實驗的速率飛頻率、幅值、平均值以形成正旋波（或三角波、方波、斜波等）信號來做簡單的或循環(huán)的加載實驗，放入試樣，設(shè)立參數(shù)后，點擊“運(yùn)行”，實驗即按要求運(yùn)行。

    （4）備種附件
        現(xiàn)代材料力學(xué)性能試驗中復(fù)雜的、精密的引伸儀、夾頭、以及數(shù)據(jù)采集裝置等可有效的保證現(xiàn)代材料實驗的完成。
·引伸儀
        由于實驗對引伸儀的頻帶寬度，環(huán)境及測量分辨率的要求愈來愈高，而且不同領(lǐng)域的實驗用引伸儀的工作方式也不同，所以在引伸儀方面的新技術(shù)、新形式也不斷出現(xiàn)，如光學(xué)引伸儀、數(shù)字編碼機(jī)等。電子電位系統(tǒng)為定量測量各種參數(shù)展示了廣闊前景。隨著現(xiàn)場測試的增加及有關(guān)儀器內(nèi)外電子元件的完善，引伸儀技術(shù)還將進(jìn)一步發(fā)展。
        目前一般常用的引伸儀有：軸向引伸儀、低周疲勞引伸儀、板式引伸儀、測E值雙邊引伸儀、高溫引伸儀、高溫拉；扭引伸儀、徑向引伸儀等，還有一些引伸儀，如巖石力學(xué)實驗引伸儀、某種特殊結(jié)構(gòu)實驗引伸儀。激光測量變形裝置與計算機(jī)配套作為非接觸測量亦很有用處。
·夾具
        動態(tài)的、復(fù)合環(huán)境的實驗同樣對試件夾具提出更高的要求。夾具要穩(wěn)固可靠、對中性好、操作方便。現(xiàn)有的夾具包括臺階型夾頭、自動對中液壓夾頭，高溫爐（拉壓疲勞）夾頭、高溫拉、扭夾頭，Wood金屬熔鑄夾頭等。
·機(jī)架
        機(jī)架首先要有足夠的剛度，以保證實驗的性，這點對精密控制試驗，巖石力學(xué)試驗以及大型試驗系統(tǒng)尤為重要。

現(xiàn)代材料實驗技術(shù)發(fā)展的特點：
·發(fā)展快，更新快
        機(jī)械液壓電液伺服微機(jī)控制全數(shù)字化控制；表盤電子數(shù)顯液晶數(shù)顯
·通用化、系列化、元件模塊化
通用接口系統(tǒng)：積木式功能組合，一機(jī)多用
·特種化
        大型機(jī)：液壓、多缸、臥式、立式。zui大立式實驗機(jī)：P>11000T，h>16m，L>30m，行程>2m.。小型機(jī)：生物力學(xué)（皮膚的張力），Nano顯微力學(xué)探針，棉花纖維Pmin<0.01N。
        特殊用途機(jī)：變形大、力??；雙軸、多軸復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。
·智能化
        整機(jī)自動化、自動切換、自動控制、自動記錄、自動處理數(shù)據(jù)、全數(shù)字化控制。

三、材料實驗zui活躍的幾個方面
    1、*工程系統(tǒng)：模擬地震臺，人工造波，模擬常規(guī)發(fā)射系統(tǒng)等。
    2、航空及宇航：航空、航天飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星中使用的復(fù)合材料、陶瓷、*材料
    3、生物材料及結(jié)構(gòu)測試：人工關(guān)節(jié)，臀，膝蓋，腿部，軀體組織，牙齒等仿生材料力學(xué)性能測試以及以上器官的整體模擬試驗。
    4、土木工程：工程結(jié)構(gòu)與大載荷實驗，巖石力學(xué)，土壤和瀝青實驗、混凝土實驗。
    5、常規(guī)材料測試：金屬，塑料等，承受靜、動載荷的復(fù)合材料實驗。
    6、汽車及零部件：汽車耐久性，操作，行駛及運(yùn)轉(zhuǎn)性能，疲勞實驗及模擬試驗。

結(jié)論：
1、世界高科技的發(fā)展為包括材料試驗在內(nèi)的材料力學(xué)性能研究開辟了新的領(lǐng)域，也提出了更多、更高的要求。
2、電液伺服技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)以前人工操作不可能完成的實驗，把現(xiàn)代材料推進(jìn)到一個新的水平。
3、為了更真實的反映構(gòu)件在實際工作的狀態(tài)，材料試驗技術(shù)己更多的采用了模擬實際工作環(huán)境的整體的（或部件的）結(jié)構(gòu)試驗，材料實驗技術(shù)更困難、更復(fù)雜、也更有效。
4、當(dāng)前，隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，利用計算機(jī)建立的材料性能數(shù)據(jù)庫可以直接給出各種材料的有關(guān)性能，利用（計算機(jī)）計算力學(xué)的有限單元分析整體（或零件）構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變場。但它們都不能*代替材料試驗。材料試驗在材料科研中仍占有重要的地位。