材料试验机

材料试验机

2000年9月

发展史及展望：

远在三千多年前，中国已开始使用材料力学概念解决工程实际问题，而且在14世纪以前一直处于国际领先地位，只是在欧州社会经济基础发生重大变革后，材料力学才在西欧发展起来。1638年意大利科学家伽利略首先提出以力学性能为基础的材料强度概念，17世纪以后，胡克、杨氏对材料力学性能进行了系统的测试和理论研究，从而使金属力学性能测试研究进入新阶段。

19世纪初期，英国已设计和制造出300吨卧式拉伸试验机，通过测定金属及其构件的力学性能判据，为机件的强度计算提供了必要的基础资料。殿后，机械式、液压式、电磁式等各种类型的材料试验机相续问世，测试设备由简到繁逐步改进。1949年，美国设计并制造出电子拉伸试验机，显著促进了金属力学性能测试的发展。

当前力学性能测试技术，正向着无惰性电子化及广泛应用电子计算机以实现全盘自动化的方向发展。

一、材料试验机的基础知识

１、概述

要想合理地使用材料（金属、非金属），首先必须了解材料的性能，尤其是材料的各种物理机械性能，即是不同条件下的压力，拉力，弯曲，扭转，磨损等等。为了正确准确地测定材料的强度，弹性，塑性，韧性等性能，就必须通过实践，通过实验。

２、材料试验所要达到的目的

①研究新材料，通过反复的试验、研究，使各种元素更合理地配比，得出我们所要的最理想的材料。

②对成批生产的各种材料，进行其性能试验，检验材料的机械性能是否合理，以便保证产品质量。

③检验各种材料经过加工和热处理后，零部件是否达到预期的目的和要求。

④在科学研究中，对材料由理论分析而推导出的定律和结论由试验来验证。

⑤通过测定材料的物理机械性能，确定合理的加工工艺和设计。

综上所述：材料试验是现代生产中不可缺少的一个环节，为了做好这项工作，不但要有正确的试验方法和操作技术，还必须有各种条件下测量不同材料机械性能的试验仪器，我们将获得材料性能的试验仪器统称为──材料试验机。

３、分类：（共13种）

材料试验机（拉、压、弯）WE

压力试验机（压）YE

冲击试验机（JB-30B）

硬度试验机（布、洛、维、里、肖等）

杯突试验机（GBf60）

弯折试验机（反复弯曲用ZH-7）

扭转试验机

疲劳试验机

热模拟试验机等等

二、材料试验机的分类

材料试验机的种类很多，根据不同性质的材料试验，需要在不同的试验设备上进行，于是，试验机的类型很多。

１、按加荷方式分类：

①机械类{ 杠杆加荷；蜗轮蜗杆加荷（青山5T、吴忠500KN，电子拉伸试验机)

②液式──液压加荷（除2台机械式，其余都是）

２、按测力方式分类：

1）机械式：{ 杠杆测力，弹簧测力；摆锤测力（2台）电子测力。

2）油压式：{ 压力表测力弹簧测力；杠杆摆锤式测力电子测力（广州30t）

3）传感器式：

３、按试验性质分类：

1）非金属材料试验机。如纺织、橡胶、皮革、木材、绳索、混凝土等。

2）金属材料试验机。按外形结构分立式和卧式；

按使用温度分高温、常温、低温试验机；

按载荷性质分为静载荷与动载荷（疲劳用）试验机。

三、液压传动和力矩平衡原理简介

所使用的材料试验机当中，其加荷及其测力原理基本上采用液压式和机械式二种，不论采用何种形式加荷，其测量部分都与液压放大和杠杆放大原理直接有关。现简介如下：

１、液压传动原理

图１为等高的一个连通器，其内装有液体，上部由大小活塞A、B密封，用大小砝码G1、G2使AB处于平衡，没活塞和连通器之间无机械摩擦力。

由帕斯卡原理得：（压强公式）G1---- F1 ＝G2---- F2 (1)

G1、G2－大小砝码的重量；

F1、F2－大小活塞A、B的横载面积。

由(1)式变为：G1＝F1----F2 G2 (2)

由(2)式可见，如果G2不变要想增大G1只要增大F1---F2即可，也就是增大两个活塞的面积比来达到增加力G1，这一原理应用到我们测力计量上来，实际情况要复杂得多。

G G

┏━┓┏┓

┏┻━┻┓A B┏┻━┓

┃ F ┃┃ F ┃

┃┃┃┃

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２、流动液体的压力形式：

一般常识知道；液压系统的液体，沿管道流动时，油路上某一点的压力的大小，是由自这点以后继续前进的道路上所遇到的总阻力（包括负载阻力及液压阻力）来决定的。

３、试验机的测力原理：

试验机结构主要由二大部分组成，即主体部分和测力部分组成。

主要讲一下液压摆锤式测力机构。

这种机构在液压试验机上应用最为普通，我组应用的多为此类，其特点是测量范围大。

原理：由油泵进入工作油缸的油，同时进入测力油缸，此时测力活塞受力为Pc，向下运动，拉动拉杆，使短臂γ及固定在一起的摆锤均扬起角为α，因为试验机的设计，使得Q.R.r.F.f.B均为常数。当摆锤扬起时，推板ao推动齿杆而产生位移x，作用到试样上的载荷PI 和齿杆的位移x成正比，这就是载荷度盘的刻度能够等分的理由所在。

四、液压摆锤式万能材料试验机的结构原理

１、主体部分：

由试验机底座，两个固定立柱（四主柱式）大小横梁，工作油缸活塞，活动细立柱，工作台及试样夹持装置等部件组成。

工作油缸及活塞为主体的主要部件，当油泵送来的高压油经过送油阀进入油缸后，顶着活塞连同小横梁及工作台上升时，使载荷逐渐作用在试件上，当工作台上部中央部位放有试件，则形成压缩变形，试件承受压力。（现日本30t、上海100t压冷弯）。

当工作台下部夹持受拉试件，则形成拉伸变形，试件承受拉力。试件承受压力或拉力的大小是由油缸中的油压压强经传压管传送到测力计部分指示出来的。

在机器底座内装有下夹头升降机构──蜗轮蜗杆传动装置及电动机等。

２、测力计部分：

指示试件承受载荷大小的综合机构，系由测力机构、载荷指示机构、自动绘图器、高压油泵以及操作部分等组成。

计算机测试系统（济南30t、100t），与试验机并联，可独立操作，由压力传感器、引伸计、放大器、ＡＤ卡、计算机处理系统组成，由于这部分近期要改造，暂不细讲。

1）测力机构

主要有测力油缸，油缸内装有测力活塞经过夹具与蜗轮相连动，处于转动状态，由静摩擦变为动摩擦，而提高上下滑动性能，从而提高了测力精度。测力活塞和工作活塞的截面积之比，在试验机检验后已成为固定值，因此作用在两者截面积上的载荷是与两者截面积成正比。当油压作用在测力活塞上时，活塞向下移动，通过拉杆（柜架式）及上部方铁使主轴带动摆杆及摆锤而产生角位移，这个角位移的大小与加在测力活塞上的载荷大小是成正比例的关系，并以这种正比的关系推动推杆（齿杆）齿杆推轮齿轮转动，使指针指出试件承受的载荷数值。

2）载荷指示机械

主要有测力度盘（有三种测量范围），主动针、被动针、推杆、齿轮、吊锤等组成。3）自动绘图器

供自动绘制“应力应变图”用的，也叫载荷变形图或拉伸图。图形比例1:1、2:1、4:1，可测σ0.2等。现不用它绘图，了解一下就可以了。

4）高压油泵：

是液压系统中最重要的元件，它将电动机的机械能转变为工作油液压力能量，实现对试样的压载。国产万能试验机用的油泵都是定量柱塞式高压油泵。

方型的─有6套活塞（长春10t 二台上都是，现已不生产了）；

3套活塞。

园型的─轴向７轴式活塞；

径向７轴式活塞。

东德ZDM型万能机用的油泵是变量柱塞式高压油泵{12套活塞ˇ4 套活塞。

高压油泵与电机是由齿轮减速箱将它们连接成一体，有的齿轮减速箱兼作余油泵，可将积盛在箱底的余油通过滤油头吸入，经细油管输回贮油箱

5）操作部分

主要有送油阀、回油阀及缓冲阀。

a.送油阀：亦称压力调解阀，实际上是个分流阀，将高压油分流到工作油缸与贮油箱，以分流的多少控制载荷增减的速度。

结构是：阀体内装有一针形阀，后部有稳压阀及压缩弹簧，当手轮处于关闭状态时，针形阀打不开，形成回油通路，油液全部回到油缸，油泵无载空转，若针形阀全部打开时，油液可能全部进入工作缸，使工作活塞快速上升，若针形阀不全部打开时，则油泵打来的油就被分成二部分。一部分经过针形阀进入工作缸，另一部分由分流阀流回油箱。随着针形阀打开的程度不同出就有不同的流量进入工作缸，出现不同的油缸上升状态。

b.回油阀：实际上是个分路阀。当关闭时迫使高压油输往测力体；当打开时，就可卸除载荷，使工作油缸、测力油缸的油回到贮油箱。

c.缓冲阀：当试样断裂或打开回油阀时，工作压力突然下降，铊在重力作用下要急剧下落，其作用是使摆杆缓慢回落到零位，有的装在回油阀体上，有的安装在测力活塞上端。

３、试验机的油路系统

开动电机带动油泵工作，油从贮油箱经过双通阀被吸入泵内，经油泵作用把油经送油管送入送油阀内，将油分流成两路，一路经节流阀和输油管送入工作油缸，另一路经回油管回到油箱，工作油缸中的油压压强，是沿工作油缸出油管将油压送入回油阀。当回油阀打开时，出油管送来的油连通回油管回到油箱，（这时工作台下降或静止），当回油阀关闭时，回油管堵塞，迫使油液经等压油管压迫测力油缸，使测力活塞下移推动拉杆，拉杆又带动摆杆和推板，推动齿杆、齿轮及指针运行，指示出载荷的大小。另外，工作油缸与活塞间的溢油经溢油管回到油箱。

试验机的安装使用与维护保养

一、试验机的安装

液压式万能材料试验机是一种比较精密的，用于测试材料机械性能的最常见的计量器具。国家标准对其试验机的技术性能和示值精度都有严格的要求及明确的规定。试验机安装试车后，必须经计量部门的检查，合格后方可正式投入使用，因此，正确安装试验机是非常重要的一环。

如何安装及校水平，主体油缸＜0. 2/1000 ，测力体摆杆＜0.5/1000，

工作试验台＜0.5/1000，具体要求请参照说明书即可。

现将试车简单介绍如下：

试车分空载试车与加载试车。

１、空载试车

安装就绪，油箱注入液压油（13#、20#液压机油）检查绝缘接好电源，先将油泵试车，立即观察油泵飞轮旋转方向与箭头所指方向是否一致（此时送油阀关闭）如不相符应调换电源三相接头，使其方向一致，否则一直反转下去会损坏油泵。

油泵运转正常，再从油箱上口处观察送油阀的回头管，回油情况良好即可进行空载试车。先把电气，机械限位装置检查调正好，关闭回油阀，逐步拧松送油阀（不可一下开到最大），观察试台上升，指针行进少许。关闭送油阀，打开回油阀，观察试台下降，指针后退少许，即说明油压系统运行正常，随后再检查其它机械部分运行是否正常良好。如：

1）测力活塞是否在钢窝内；

2）刀刃是否在刀承窝内；

3）指针背部的吊锤线是否绕在轮槽内，长短是否适当；

4）下钳口座的升降与电气按钮的升降是否一致；

5）人工检查测力电气限位，每当超过各个度盘最大载荷的3－5％时，即应动作自行停车。２、加载试车

空载试车正常后再用试件进行加载试车。

1）观察指针运行是否良好，不应有停滞和跳动等现象，保证加卸荷平稳；

2）油管接头有无渗油、漏油；

3）加载运行声音是否正常；

4）能否达到机器额定负荷（最大度盘满载负荷）；

5）缓冲阀是否失灵，应保证摆杆回落平稳，且不影响指针灵敏回零。

二、试验机的使用操作及注意事项

测试结果是否正确，除要求试验机本身必须达到规定的精度外，还要求测试操作人员必须熟练操作技术和正确使用机器。具体操作步骤按机器类型具体实施。

为了操作上的安全与正确，有必要注意以下几项：

1）估计出所测试件的最大载荷，选用机器的相应测量范围和调妥缓冲阀刻线标志，以求所测数据更为精确，并防止摆杆回落冲击。度盘非使用范围不准使用。试验机使用和检定范围为：各级度盘最大负荷的20％开始直到满负荷。

2）摆杆铅垂及指针零位的调正

摆杆铅垂有不少操作人员不大注意，只注意了指针对准零位。严格地说，应将受拉试件夹住上端或受压试件连同垫板放入试台压座上，升起工作台8－10mm后，将摆杆调整铅垂（要求调整到三个摆铊都为铅垂）然后将指针对准零位，方可进行试验。尤其对于较重的试件必须这样做，以消除工作台与试件、垫板重量，对指针零位的偏移影响，更换不同重量的试件，观察指针零位偏移时，应随时调整摆杆，使之处于铅垂，指针对零。

3）放置试样时，对于受拉试样，一定要垂直于钳口轴线，对于受压试样，一定要放正放平，以免偏心受力。受拉试样上下端夹持后，不可再开动下钳口的升降机构。

4）在做冷弯工艺性能试验时，千万注意将试件放中心放正，以免滑出伤人；对于较硬钢材，应设置适当的遮板，护网。

5）试压高强度、脆性材料时，因呈现爆破性的破坏，应将试件用布围住，以免伤人。6）试台上不得放置机件和工具，以免震动坠落伤人。

7）每次试验完毕，必须将送油阀关闭，以防下次使用出现冲击，发生事故。

三、试验机的维护与保养

试验机的维护保养很重要，这对提高试验机的使用期限和保持良好的性能有着密切的关系，因此建议应有专人负责。

１、试验机的各部件应经常擦试干净，对没有喷漆的表面用油绵纱擦一遍或用黄油薄薄涂一层用薄纸包住，以防生锈，特别在夏天的雨季时，更应多维护。

２、下钳口转动部分应经常注意注入润滑油，钳口夹具背面也应经常注入混合润滑剂（矿物油与石墨结合，黄油），以保持滑动灵活。

３、试验机应定期检查水平垂直度，定期换油和每年检定一次示值误差。

４、禁止非操作人员开动机器，禁止在测力机构转动轴承内上黄油。

加油及润滑：

1）油箱：定期检查油窗（国产试验机、德500t）及油针（德30、50、100t）显示的贮油量多少，进行适量加油。油号：13#或20#压缩机油）

2）丝杆

定期对丝杆加油，擦试，防止锈蚀，转动有碍（机油）

3）夹持系统：定期加注机油（13＃、18＃19#20＃）

作用是润滑蜗轮蜗杆，以及丝杆，使得其运转正常平稳。

试验机的检定与调整

一、常用术语的定义

拉力、压力及万能试验机是测试材料机械性能的一种测力计量器具，为保证国内测力量值的准确一致，国家建立了一整套测力量值传递系统和国家计量管理条例（试行）。测力量值的传递方式有定度和检定两种。

１、定度─以规定的计量单位所表示的量值传递到计器刻度上的作业过程。利用它来确定计量器具的值。如刚制造的标准测力计的示值定度。

２、检定─是将被检计器和量具的示值同标准量具和计器的示值相比较，以确定其误差为目的作业过程。如试验机示值误差的检定。

３、示值相对误差（W）─指试验机的载荷P1- (p1- 指三次载荷的算术平均值)与标准测力计实际载荷P间的差同实际载荷P之间的百分数表示。

即：W＝P1- -P------P ×100％(有十，一之区别)

４、允许误差─现行标准(国标或部标)所允许的示值最大误差，在允许误差前加有±号。

５、示值变动度(b)─被检机器同一载荷值下的几次指示值中的最大值和最小值之间的差同P1-载荷值之比的百分数表示。

即：b＝P1最大－P1最小---------------- P1- ×100％

二、检定仪器、内容与方法

１、检定仪器

①允许误差为±0.1％的专用砝码；②允许误差为±0.2％的校验杠杆；}直接检定法

③三等标准测力计，是检定常用仪器，是间接检定法。

２、检定内容与方法：

试验机的检定分为：①试验机出厂检定（省略不介绍）②新安装或使用中的检定。其检定内容为：甲：外观及技术性能的检查──按前述空载试车，加载试车的事项进行检查。

外观检查合格，技术性能符合要求时方可进行示值检定。

乙：测力示值的检定──在使用范围内不得超过下列规定：

a)示值相对误差为±1％

b)示值变动度为1％

c)示值进回程差为2％(一般不检)

d)从动指针摩擦力的影响不应大于相应载荷的0.4％(误差合格时一般不检)

注意：应当在度盘的使用范围内使用机器，使用范围一般是从各级度盘最大荷载的20％，到各级度盘的最大载荷。

检定方法有两种：

甲：以三等标准测力计的指示值为根据，在试验机度盘上读取数值。这种方法常用，比较直观。乙：以试验机度盘上的数值为根据，在三等标准测力计上读取数值。三、试验机示值超差的原因与调整方法

试验机示值精度超过允许误差时，应及时寻找并排出其产生原因，或调整几何参数，使误差达到规定的允许数值。

试验机示值超差的产生原因，主要是机体安装不垂直和机体部件的磨损、松动，导致试验机在运行中产生摩擦和传动比（几何参数）发生改变。当试验机主体部分的工作活塞、滑轮等在运行中摩擦增大时，试验机的载荷有一小部分消耗于克服摩擦，则试样上实承载荷相应减小，此时反映在度盘上的数值（仍为试验机的原载荷）大于试样上实承的载荷，表现为正误差或正超差。当试验机测力活塞、摆杆、转轴或其他部件的摩擦增大时，试验机载荷传到测力系统时，有一小部分载荷也消耗于克服摩擦，此时反映在度盘上的数值（克服摩擦后剩余的载荷）小于试样上实际承受的载荷（试样上实际承受试验机的原载荷）表现为负误差或负超差。

因此，超差为正值时，则应着重在主体部分找出摩擦或松动的原因随心排除。

此外，还应注意测力机构几何参数的改变；也会产生示值超差。

１、主体部分产生摩擦的原因：

①主体安装不垂直，导致工作活塞和油缸、导向滑轮与立柱之间的摩擦增大，或工作油缸活塞划伤、锈蚀产生了摩擦。

②滑轮与立柱的间隙调整太小，导致摩擦增大，或滑轮处夹有杂物卡磨，滑轮污腻转动不灵。

２、测力部分产生摩擦的原因

①测力活塞太脏或或导向轴承不灵活，产生阻力影响运行。测力活塞下端未正确落在托架窝上产生扭歪，也会增加阻力。

②读数机构的齿轮、齿杆咬合太紧，齿杆弯曲不直，导向滑轮、指针、轴承不灵活，被动指针运行阻力太大，指针与度盘碰磨，平衡锤杆与测力箱体碰磨等都会增大摩擦，影响读数传动系统的正常运行。

③摆轴转动不灵（污腻锈蚀）短臂刀刃污腻严重磨损，使摩擦阻力增大。

④其他另件安装不正（绘图装置、吊锤、吊线）造成摩擦增大。

若将上述产生摩擦的原因确实排除后，经再次检定，其误差仍然超差，可考虑从测力机构几何参数上寻找原因并调整之。首先搞清楚几何参数的改变，对示值误差有何影响，针对性的去找原因并予以调整，千万不可盲目乱动乱调。

３、几何参数的改变，对示值误差的影响

根据试验机测力机构的工作原理（参阅下图）在理论上齿杆位移x 与载荷部的系统式为：x＝ f.m.r---------------F.Q.L Cosβ .P＝KO P

式中: f──测力活塞载面积;

F──工作活塞载面积;

m──摆轴中心至齿杆的垂直距离;

Q──摆铊重量;

r──短臂半径的长度;

L──摆铊重心至摆轴中心的距离;

Cos──余弦;

β──齿杆垂线与推杆间的夹角。

从上公式可知，当某一几何参数改变时，必然引起度盘示值误差的改变，其变化规律简介如下：

①压杆角度β的改变：（压杆即推板）

试验机原设计β＝23°30＇，有时因安装测力箱体不垂直或压杆碰撞变形，使压杆角度不符，导致误差加大。

当β角增大时──误差向正值方向发展。

当β角减小时──误差向负值方向发展。

唯各个度盘的100％载荷时，误差向正值方向略有发展，如调小1°时影响＋0.04％。

β角改变后，对误差的影响是随度盘示值的增大而逐渐减小在度盘第一象限影响最明显。

②短臂距离r的改变：（刀口位置微小改变）

当r 距微量扩大(刀口内侧垫几层硬纸或铜皮)→误差向正值方向发展。

当r 距微量缩小(可用砂布将刀口内侧磨去一些)→误差向负值方向发展。

③摆铊重量Q的改变

当增加铊重Q时→误差向负值方向发展。

当减轻铊重Q时→误差向正值方向发展。

④调整测力箱体的水平，实际上近似相当于改变β角对示值误差的影响。若测力箱体不垂直倾斜于摆锤扬起的方向，应调至水平，等于β角增大小→使误差向正值方向发展。若测力箱体不垂直倾斜于摆锤扬起的反方向，也应调至水平，等于β角减小→使误差向负值方向发展。

上面说了四种情况的影响，实际只有三种几何参数的改变。如试验机超差时，应选择哪一种几何参数进行调整呢？

这要根据起差的正负性质、规律和所在象限以及对三个度盘的共同影响，作全面考虑，准确的判断应调整哪一个几何参数。

如遇度盘各点误差或超差不均匀时，应考虑改变压杆的角度β，如遇

三个度盘的各点基本均匀超差时，应考虑改变短臂之距r；如遇某一度盘各点基本均匀超差时，应考虑改变本度盘的摆铊重量（增减相反）......。

有时只需调整一种参数；有时只需要调整两种参数，才能将误差调至合格。

只需要调整两种参数，才能将误差调至合格。