现代材料力学试验技术及其发展

一、新技术革命促进对材料力学性能的研究
        对材料力学性能的研究起始于欧洲工业革命时期，当时主要是采用机械测试设备进行静态试验，以便评价材料在拉压和弯曲载荷作用下的力学特征。两次世界大战促进了多种技术的发展，同时也对材料的力学性能提出了更高的要求，需要更轻而又更强的材料来制造飞机、火箭及各种武器。战后世界上的军备竞赛一直没有停止，上世纪中叶开始又发展  到太空的竞争，新的科学技术的发展为材料力学性能研究开辟了新的天地。
    1、发展主要领域有：高温然汽轮机；热核反应发电站；轻质航天飞机、火箭、卫星；各种节能轻质地面车辆；探井钻探及高压贮罐；医学仿生材料；电子、光电子、超导材料。
    2、新材料：主要有超级合金；复合材料；聚合材料；陶瓷材料。
    3、现代科学技术的材料工作条件非常复杂、非常恶劣，对材料性能提出更高的要求：超高压、超高温、超低温、超真空、超高纯、超高速冷、超高强、超辐射、耐腐蚀。
    4、所以现代科学对材料实验技术提出更高的要求：快速省力、准确可靠、安全经济、多能而善变。

二、现代材料试验的主要技术
        随着对材料力学性能测试要求不断更新，出现了各种功能的试验设备，但不论什么类型，一般可分成下列三个独立的子系统。
    1、机械-动力加载系统
        这是试验设备的主要工作部分。机械部分包括机架、试件夹持结构等固定装置；动力部分包括原动机及其控制元件（如液压源、伺服阀、液压作动器、加力电机机构、压电晶体、电磁振荡机构及其联络电路），这是设备的心脏。
    2、传感器系统
          一般力和位移都是用阻抗式传感器测量的，例如载荷传感器、引伸仪和线性位移传感器LVDT。在一些新的试验系统也用上了光学和电视图像装置。
    3、控制-数据采集-分析系统
        集成电路、微处理机及模拟技术等方面的成就促进了试验设备方面的发展。控制系统在试验设备中一般有两套，一是功能简单的手控系统，一是多功能的计算机控制系统。从目前各种新型实验系统看，材料试验发展的主要技术有以下四个方面:
    （1）液压伺服
        在实验技术方面，液压伺服技术是zui主要的，适应性zui广的技术。1960年美国“研究有限公司”首先在材料实验系统引入液压伺服技术。电液伺服技术是当今高精度材料实验系统的主流技术，与旧的测试系统相比，电液伺服技术有下列特点:
    ·伺服技术（又称随即系统或跟踪系统）能自动校正指令信号同反馈信号之间的误差。这样，执行机构能以一定的精度自动按照指令信号的变化规律动作。
    ·*的电子技术和液压技术结合，使测试系统即可像电子测量仪表那样加以控制，又可提供广阔范围的力和速度。例如由伺服阀（将电信号变成液压信号的转换装置）产生的试验频率范围可达0.0003Hz-1000Hz，因此可模拟各种复杂的加载方式。
    ·可以从直接与试件相糯合的传感处测量和控制载荷、位移和应变，其灵敏度及度与传动机构施加压力的作用无关。
综上所述，电液伺服技术特别是用于复杂载荷（包括疲劳载荷）的力学试验。
    （2）环境模拟
        实验技术的另一个重要发展是环境模拟。据调查，很多构件的失效是由于环境和力学条件的综合作用引起材料疲劳或断裂。事实上，环境的变化对材料性能的影晌往往是很大的。现在环境模拟技术由于实际的需要已发展成为现代测试技术的重要方面。
        设计一个具有能模拟力学和环境的实验系统是比较复杂的。现在各种环境模拟的实验装置不断出现，一般的环境模拟实验系统应包括一个环境外壳（环境箱），一个环境发生器（高温或低温，湿度，盐雾……），一个精密的控制器，一个对试样进行力学作用的系统及一套测量、记录和处理参数的有关仪器。主要种类如下:
    ·高低温试验
        高温炉：在空气或其他气氛中实现的温度控制配有专门的高温液压夹头和高温（轴向或径向）引伸仪。炉内三段温度控制和显示可保证试件在标距范围内温度均匀，可进行不同温度的疲劳、持久蠕变/疲劳交互作用、应力松弛等试验。
感应加热系统：由感应加热器和感应圈组成对试件加热系统，采用计算机控制系统的闭环回路，实现温度动态变化，适合做热机械疲劳试验。
    ·高温真空试验
        一般包括高真空和高温环境，目的是防止在试验过程中试件氧化物的形成，中等程度的真空10-6torr，（相当于1mm水银柱压强）时，试件表面约在2秒内形成氧化物的*层原子，而在超高真空10-9torr时，*层原子约需2000秒。典型的高温真空实验系统使用预抽泵、低温吸入泵、离子泵和铁净化器来达到所要求的真空，同时配套专门的感应加热、高温夹头、引伸仪和精密的载荷传感器等，这有很大的价值，但难度也很大。
    ·腐蚀环境试验
        应力腐蚀和腐蚀疲劳试验对海上船只、海洋采油平台、油气输送管道、核反应堆、承受腐蚀环境的飞机和汽车构件等都很有必要。将试件浸在一种液体中可以模拟许多环境，有的试验机是卧式的，浸湿系统可以是一个简单的有机玻璃  和金属液体的窑器。盐雾腐蚀箱是另一种加速腐蚀试验装置，可以比较不同金属在盐雾或酸雾环境下的特征。整套系统包括箱体、水调节器、夹头和引伸仪、

（3）自动化
        70年代，测试技术又产生了另一个飞跃，就是试验机在加载电机和液压伺服控制装置上加进了电子计算机。利用计算机可以对动态测试过程进行实时监督，计算复杂的可变控制方式，大大简化了收集和分析数据的过程。
        使用计算机，用程序来操纵与纪录试验可以实现许多以前人工不可以完成的试验。
        例如：MTS公司生产的Test  star  Iis  控制系统由三个硬件组件合成一个完整的试验管理平台；

      数字控制器
        该控制器管理：命令产生；数据采集；倍号调节；事件探查和其他所有伺服控制运作。
      计算机
        它基于Inter公司奔腾处理器，通过你建立的实验应用的用户界面设置站点参数和观看实验资料的数据或图形。
    远程站台控制器
        作为控制系统的一个选用组件，重量轻且可用固定或手持方式，可提供简易的界面进行简单操作，如试件装卸，实验起动等。基于Test    ware  软件：快速完成简单的实验。
        当你要做一个简单的实验，用Test  star  Iis  控制系统的基本Test  ware  应用软件可以很容易达到目的：在计算机的屏幕上显示的操作面板可确定实验的速率飞频率、幅值、平均值以形成正旋波（或三角波、方波、斜波等）信号来做简单的或循环的加载实验，放入试样，设立参数后，点击“运行”，实验即按要求运行。

    （4）备种附件
        现代材料力学性能试验中复杂的、精密的引伸仪、夹头、以及数据采集装置等可有效的保证现代材料实验的完成。
·引伸仪
        由于实验对引伸仪的频带宽度，环境及测量分辨率的要求愈来愈高，而且不同领域的实验用引伸仪的工作方式也不同，所以在引伸仪方面的新技术、新形式也不断出现，如光学引伸仪、数字编码机等。电子电位系统为定量测量各种参数展示了广阔前景。随着现场测试的增加及有关仪器内外电子元件的完善，引伸仪技术还将进一步发展。
        目前一般常用的引伸仪有：轴向引伸仪、低周疲劳引伸仪、板式引伸仪、测E值双边引伸仪、高温引伸仪、高温拉；扭引伸仪、径向引伸仪等，还有一些引伸仪，如岩石力学实验引伸仪、某种特殊结构实验引伸仪。激光测量变形装置与计算机配套作为非接触测量亦很有用处。
·夹具
        动态的、复合环境的实验同样对试件夹具提出更高的要求。夹具要稳固可靠、对中性好、操作方便。现有的夹具包括台阶型夹头、自动对中液压夹头，高温炉（拉压疲劳）夹头、高温拉、扭夹头，Wood金属熔铸夹头等。
·机架
        机架首先要有足够的刚度，以保证实验的性，这点对精密控制试验，岩石力学试验以及大型试验系统尤为重要。

现代材料实验技术发展的特点：
·发展快，更新快
        机械液压电液伺服微机控制全数字化控制；表盘电子数显液晶数显
·通用化、系列化、元件模块化
通用接口系统：积木式功能组合，一机多用
·特种化
        大型机：液压、多缸、卧式、立式。zui大立式实验机：P>11000T，h>16m，L>30m，行程>2m.。小型机：生物力学（皮肤的张力），Nano显微力学探针，棉花纤维Pmin<0.01N。
        特殊用途机：变形大、力小；双轴、多轴复杂应力状态。
·智能化
        整机自动化、自动切换、自动控制、自动记录、自动处理数据、全数字化控制。

三、材料实验zui活跃的几个方面
    1、*工程系统：模拟地震台，人工造波，模拟常规发射系统等。
    2、航空及宇航：航空、航天飞机、飞船、卫星中使用的复合材料、陶瓷、*材料
    3、生物材料及结构测试：人工关节，臀，膝盖，腿部，躯体组织，牙齿等仿生材料力学性能测试以及以上器官的整体模拟试验。
    4、土木工程：工程结构与大载荷实验，岩石力学，土壤和沥青实验、混凝土实验。
    5、常规材料测试：金属，塑料等，承受静、动载荷的复合材料实验。
    6、汽车及零部件：汽车耐久性，操作，行驶及运转性能，疲劳实验及模拟试验。

结论：
1、世界高科技的发展为包括材料试验在内的材料力学性能研究开辟了新的领域，也提出了更多、更高的要求。
2、电液伺服技术和计算机技术相结合可以实现以前人工操作不可能完成的实验，把现代材料推进到一个新的水平。
3、为了更真实的反映构件在实际工作的状态，材料试验技术己更多的采用了模拟实际工作环境的整体的（或部件的）结构试验，材料实验技术更困难、更复杂、也更有效。
4、当前，随着计算机的广泛应用，利用计算机建立的材料性能数据库可以直接给出各种材料的有关性能，利用（计算机）计算力学的有限单元分析整体（或零件）构件的应力、应变场。但它们都不能*代替材料试验。材料试验在材料科研中仍占有重要的地位。