微机控制万能试验机试验

技术概述

微机控制万能试验机试验是现代材料力学性能检测领域中应用最为广泛、技术最为成熟的测试手段之一。该技术通过计算机系统对试验过程进行全自动控制，实现了对金属材料、非金属材料、复合材料等多种材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能的精确测量。与传统液压式或机械式试验机相比，微机控制万能试验机具有自动化程度高、测量精度高、数据处理能力强、试验结果可追溯等显著优势，已成为科研院所、检测机构、生产企业等开展材料力学性能测试的首选设备。

微机控制万能试验机的核心技术在于其闭环控制系统。该系统由载荷传感器、位移传感器、应变引伸计等信号采集单元、伺服电机或伺服阀驱动的执行机构、以及基于微处理器的控制单元组成。在试验过程中，控制系统根据预设的试验参数和程序，实时调整执行机构的动作，确保试验载荷或变形速率符合标准要求。同时，数据采集系统以极高的采样频率记录试验过程中的载荷、位移、应变等数据，并通过专业软件进行实时显示、分析和存储。

从技术发展历程来看，微机控制万能试验机经历了从模拟控制到数字控制、从单片机控制到PC控制、从手动操作到全自动操作的演进过程。当前主流产品普遍采用交流伺服电机驱动、高精度负荷传感器测量、高速数据采集卡和基于Windows平台的控制软件，具备了试验力、变形、位移三种控制方式，可实现恒速加载、恒速变形、循环加载等多种试验模式。部分高端产品还集成了视频引伸计、高温环境箱、腐蚀环境槽等附件，进一步拓展了试验机的应用范围和测试能力。

在测量精度方面，现代微机控制万能试验机的载荷测量精度已达到0.5级甚至更高，位移测量分辨率可达微米级，应变测量精度可达0.001。这些技术指标完全满足GB/T 228.1、ISO 6892-1、ASTM E8等国内外金属材料拉伸试验标准的要求，为材料性能评价提供了可靠的技术保障。

检测样品

微机控制万能试验机适用于各类材料的力学性能测试，检测样品范围极为广泛。根据材料性质和应用领域的不同，检测样品可分为以下几大类别：

• 金属材料样品：包括黑色金属和有色金属两大类。黑色金属样品主要有碳素结构钢、低合金高强度钢、不锈钢、工具钢、铸铁、球墨铸铁等；有色金属样品包括铝合金、铜合金、钛合金、镁合金、镍基合金等。这些金属样品通常需要按照相关标准加工成标准拉伸试样、压缩试样或弯曲试样。

• 非金属材料样品：主要包括塑料、橡胶、陶瓷、玻璃、木材、石材等。塑料样品涵盖热塑性塑料和热固性塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂等；橡胶样品包括天然橡胶和合成橡胶；陶瓷样品包括结构陶瓷、功能陶瓷等。

• 复合材料样品：复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的新型材料。常见的复合材料样品包括碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。这类材料的力学性能测试具有特殊性，需要采用专门的夹具和试验方法。

• 线材和缆索样品：包括钢丝、钢丝绳、钢绞线、预应力混凝土用钢绞线、电线电缆等。这类样品的夹持和试验有其特殊性，需要采用缠绕式或夹套式夹具。

• 管材和型材样品：包括无缝钢管、焊接钢管、铝型材、塑料管材等。这类样品可以以原始截面形状进行测试，也可以从管材上截取条状试样进行测试。

• 焊接接头样品：焊接接头的力学性能测试是焊接质量检验的重要内容，包括焊缝金属拉伸试验、焊接接头拉伸试验、焊接接头弯曲试验等。

• 紧固件样品：包括螺栓、螺钉、螺柱、螺母、铆钉等紧固件的力学性能测试。

• 建筑材料样品：包括钢筋、混凝土试块、砌体材料、建筑板材等。

对于不同类型的检测样品，需要根据相关产品标准和试验标准的要求，选择合适的夹具、引伸计和试验参数，确保试验结果的准确性和可比性。样品的制备质量直接影响试验结果，因此样品的加工精度、尺寸测量、表面状态等都需要严格控制。

检测项目

微机控制万能试验机可以完成多种力学性能检测项目，涵盖了材料在静态载荷作用下的主要性能指标。根据试验类型的不同，检测项目主要分为以下几类：

• 拉伸试验检测项目：拉伸试验是应用最广泛的力学性能试验。主要检测项目包括：抗拉强度（Rm）、屈服强度（上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、规定塑性延伸强度Rp0.2）、断后伸长率（A）、断面收缩率（Z）、弹性模量（E）、比例极限、弹性极限、应变硬化指数（n值）等。对于某些特殊材料，还需要测定规定总延伸强度Rt、规定残余延伸强度Rr等指标。

• 压缩试验检测项目：压缩试验主要用于测定材料在压缩载荷作用下的力学行为。检测项目包括：压缩强度、压缩屈服强度、压缩弹性模量、压缩比例极限、压缩变形量等。压缩试验常用于脆性材料和多孔材料的性能评价。

• 弯曲试验检测项目：弯曲试验用于评价材料的弯曲力学性能和弯曲塑性变形能力。检测项目包括：弯曲强度、弯曲弹性模量、最大弯曲应力、弯曲挠度等。弯曲试验分为三点弯曲和四点弯曲两种方式。

• 剪切试验检测项目：剪切试验用于测定材料的抗剪切性能。检测项目包括：剪切强度、剪切模量等。剪切试验主要应用于铆钉、销钉、键等连接件以及胶接接头的性能测试。

• 剥离试验检测项目：剥离试验主要用于胶粘剂、胶带、复合薄膜等材料的粘接强度测试。检测项目包括：剥离强度、撕裂强度等。

• 循环加载试验检测项目：通过反复加载和卸载，研究材料的弹塑性变形行为、包申格效应等。检测项目包括：循环硬化/软化特性、滞回环面积、残余变形等。

上述检测项目的选择和结果判定需要依据相应的国家标准、行业标准或国际标准。检测人员应熟悉相关标准的技术要求，正确选择试验参数，准确采集和处理试验数据，确保检测结果的准确性和有效性。

检测方法

微机控制万能试验机试验必须严格按照相关标准规定的方法进行，以保证试验结果的科学性、准确性和可比性。检测方法的标准化是质量控制的重要基础。以下是主要检测项目的标准方法介绍：

拉伸试验方法：金属材料室温拉伸试验应按照GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》执行。该标准对试样制备、尺寸测量、试验速率、性能测定等各环节均有详细规定。试验速率的控制是关键环节，标准规定了应力速率控制范围和应变速率控制范围。屈服前的应力速率应在2-60 MPa/s范围内，或采用等效的应变速率控制。测定屈服强度时，应变速率应在0.00007-0.0008 /s范围内。断后伸长率的测定需要将断裂试样仔细拼合，测量标距部分的长度变化。

压缩试验方法：金属材料压缩试验可参照GB/T 7314-2005《金属材料 室温压缩试验方法》执行。压缩试验需要特别注意试样端面的平行度和光洁度，以及试样的端面效应。为了减小端面摩擦对试验结果的影响，可以在试样端面涂抹润滑剂或采用特殊设计的试样形状。

弯曲试验方法：金属弯曲试验方法按照GB/T 232-2010《金属材料 弯曲试验方法》执行。弯曲试验可以采用三点弯曲或四点弯曲方式，试验结果以弯曲角度或弯曲直径来表征材料的弯曲性能。弯曲试验常用于评价焊接接头的弯曲性能和材料承受塑性变形的能力。

非金属材料拉伸试验方法：塑料拉伸试验按照GB/T 1040系列标准执行，橡胶拉伸试验按照GB/T 528-2009执行。由于非金属材料的力学行为与金属有显著差异，试验方法也有其特殊性，如试样的形状尺寸、试验速率的设定、环境条件的控制等。

在试验方法执行过程中，需要重点关注以下技术要点：试样的加工精度和尺寸测量准确度直接影响试验结果的准确性；夹具的选择和安装方式应确保试样在夹持部位不发生滑移或断裂；试验速率的控制应符合标准规定或由供需双方协商确定；引伸计的标距和安装位置应准确，以保证应变测量的准确性；试验环境温度和湿度应符合标准要求或予以记录。

检测仪器

微机控制万能试验机是完成上述检测项目的核心设备。一台完整的微机控制万能试验机由主机框架、驱动系统、测量系统、控制系统和数据处理系统等部分组成。

主机框架是试验机的承载结构，通常采用门式或立柱式结构。门式结构具有结构刚度高、试验空间大、操作方便等优点，适用于大负荷试验；立柱式结构结构紧凑、外形美观，适用于中小负荷试验。主机框架的设计应保证足够的刚度和同轴度，以减小试验过程中的弹性变形和偏心载荷。

驱动系统是试验机的动力来源，现代微机控制万能试验机普遍采用交流伺服电机驱动，通过减速机和丝杠螺母机构将旋转运动转化为直线运动，驱动活动横梁上升或下降。伺服电机具有响应速度快、控制精度高、过载能力强等优点，可以实现精确的速率控制和位置控制。对于大负荷试验机，也有采用液压驱动的方式，通过伺服阀控制液压缸的动作。

测量系统是试验机的关键部件，包括载荷测量系统、位移测量系统和变形测量系统。载荷测量系统采用高精度应变式负荷传感器，传感器的精度等级和量程应根据试验机的最大试验力和测量精度要求选择。位移测量系统通常采用光电编码器或差动变压器式位移传感器，用于测量活动横梁的位移。变形测量系统采用应变引伸计，用于测量试样标距部分的变形。引伸计是拉伸试验中测量弹性模量、规定塑性延伸强度等指标的关键测量器具，其精度直接影响试验结果的准确性。

控制系统由控制硬件和控制软件组成。控制硬件包括伺服驱动器、数据采集卡、信号调理电路等。控制软件是试验机的人机交互界面，负责试验参数设置、试验过程控制、数据采集处理、试验报告生成等功能。现代控制软件通常运行于Windows平台，具有友好的用户界面、强大的数据处理能力和丰富的报表格式。

除了主机和软件，试验机还需要配备各种附件以满足不同试验的要求。常用附件包括：各种规格的拉伸夹具（楔形夹具、平推夹具、气动夹具、液压夹具等）、压缩平台、弯曲支座和压头、钢丝绳夹具、管材夹具、引伸计、高温环境箱、低温环境箱、腐蚀环境槽等。这些附件的正确选择和使用是保证试验顺利进行的重要条件。

试验机的计量检定是保证其测量准确性的重要措施。按照JJG 139-2014《拉力、压力和万能试验机检定规程》的要求，试验机应定期进行检定或校准，检定周期一般不超过一年。检定项目包括试验力的示值误差、示值重复性、同轴度、横梁移动速度等。引伸计应按照JJG 377-2011《引伸计检定规程》进行检定。

应用领域

微机控制万能试验机在国民经济各行业都有着广泛的应用，是材料研发、产品质量检验、工程验收等工作中不可或缺的检测设备。主要应用领域包括：

• 航空航天领域：航空航天材料对力学性能有着极高的要求，微机控制万能试验机广泛应用于铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等航空材料的力学性能测试。航空发动机叶片、机身结构件、起落架等关键部件的材料都需要进行严格的力学性能检测。

• 汽车工业领域：汽车工业是微机控制万能试验机的重要应用领域。汽车用钢板、铝合金车身材料、发动机零部件材料、传动系统材料、制动系统材料等都需要进行拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试。随着汽车轻量化的发展，铝合金、镁合金、碳纤维复合材料的应用日益增多，对这些新材料的力学性能测试提出了更高的要求。

• 机械制造领域：机械制造行业对材料的力学性能有严格要求，各类机械零件如齿轮、轴、轴承、弹簧、紧固件等的材料都需要进行力学性能检测。微机控制万能试验机可以完成材料的拉伸、压缩、弯曲等基础力学性能测试，也可以完成零件的实物测试。

• 建筑行业领域：建筑行业是微机控制万能试验机应用最为广泛的领域之一。钢筋、型钢、钢管等建筑钢材的力学性能测试是工程质量控制的重要内容。混凝土试块的抗压强度测试也需要使用压力试验机。此外，建筑幕墙材料、建筑板材、建筑锚栓等也都需要进行力学性能检测。

• 电力行业领域：电力行业对材料的力学性能要求严格。变压器用硅钢片、电力金具、输电铁塔材料、电缆材料、绝缘材料等都需要进行力学性能测试。微机控制万能试验机可以满足电力行业对材料检测的需求。

• 石油化工领域：石油化工设备多在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下工作，对材料性能要求极高。压力容器用钢、管道材料、阀门材料、换热器材料等都需要进行力学性能测试。某些特殊工况下的材料还需要进行高温拉伸试验或腐蚀环境下的力学性能测试。

• 轨道交通领域：高速铁路、城市轨道交通的发展对材料性能提出了更高要求。钢轨材料、车轮材料、车体材料、转向架材料等的力学性能测试都需要使用微机控制万能试验机。

• 科研教育领域：高等院校、科研院所是微机控制万能试验机的重要用户。在新材料研发、材料力学行为研究、教学实验等方面，试验机发挥着重要作用。科研用途的试验机通常需要具备更高的精度和更多的功能扩展。

常见问题

在使用微机控制万能试验机进行试验的过程中，用户常会遇到一些技术问题和操作困惑。以下是对常见问题的解答：

• 试验机力值显示不稳定是什么原因？力值显示不稳定可能由多种原因引起：传感器连接线接触不良、放大器漂移、电磁干扰、机械振动、试样在夹具中滑移等。应逐一排查，首先检查传感器接线和接地情况，然后检查夹具的夹持效果，必要时请专业人员检修。

• 拉伸试验时试样总是在夹持部位断裂怎么办？这种情况通常是由于夹具选择不当或夹持方式不正确造成的。可以尝试更换更合适的夹具，如采用平推夹具或气动夹具；调整夹持长度和夹持压力；在试样夹持部位加垫铝箔或铜片以保护试样表面。如果问题仍然存在，可能需要重新设计试样的夹持端形状。

• 如何选择合适的试验速率？试验速率的选择应遵循相关标准的规定。一般来说，测定屈服强度时应采用较低的应变速率，而测定抗拉强度时可以采用较高的应力速率。具体速率范围应查阅相关试验标准，如GB/T 228.1对金属材料拉伸试验的速率有详细规定。对于特殊材料或特殊试验目的，试验速率可由供需双方协商确定。

• 引伸计如何正确使用和维护？引伸计是高精度测量器具，使用时应轻拿轻放，避免碰撞和跌落。安装时应准确对准试样上的标距标记，确保引伸计的刀刃与试样表面紧密接触。试验结束后应及时取下引伸计，特别是在试样即将断裂时，以防止损坏引伸计。引伸计应定期进行检定和标定，存放时应放置在专用的保护盒内。

• 试验机如何进行日常维护保养？试验机的日常维护保养对保持设备性能、延长使用寿命非常重要。日常维护内容包括：保持设备清洁干燥，定期清理灰尘和油污；检查各连接部位是否紧固，电缆是否完好；定期检查夹具的夹持面，如有磨损及时修复或更换；定期给丝杠、导轨等运动部件加注润滑油；长期不使用时应切断电源，用防尘罩遮盖设备。

• 试验结果异常如何分析和处理？试验结果异常可能由多种因素引起。首先应检查试验参数设置是否正确，试样尺寸测量是否准确；其次应检查试验过程是否正常，有无异常声响或振动；还应分析试样断口形貌，判断断裂位置和断裂方式是否正常。如确认是设备原因导致结果异常，应查找设备故障并进行维修；如对试验结果有疑问，应重新取样进行试验。

• 不同材料的试验方法有何区别？不同类型的材料具有不同的力学行为特征，因此试验方法也有所不同。金属材料一般具有明显的屈服现象，需要测定屈服强度；而塑料、橡胶等高分子材料的应力-应变曲线形状与金属差异很大，通常测定特定应变下的应力或特定应力下的应变。此外，试样的形状尺寸、试验速率、试验环境等参数的设定也需要根据材料特性确定，具体应参照相应的试验标准。