材料力學 說說早期的材料試驗機

進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要掌握材料的力學性能。歷史上，達芬奇(1452-1519)很可能是利

用試驗方法測定材料力學性能的第一人。作為畫家，在他完成的作品之后通常要懸掛起來供

人們欣賞，而掛畫的鐵絲時常會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，由此達芬奇設(shè)計過測量鐵絲斷裂強度的實

驗裝置，并開展了相應(yīng)的研究。

圖1達芬奇與鐵絲強度試驗

100多年后，伽利略(1564-1642)對桿的拉伸強度和梁的彎曲強度進行了實驗。他把桿

件的斷裂性能稱為“斷裂時的絕對抗力對于梁的強陵，找到了梁寬度與高度影響梁強度的

正確答案。

圖2伽利略和他的拉伸強度、彎曲強度試驗[1]

不過，達芬奇和伽利略的試驗只能稱之為結(jié)構(gòu)強度試驗，還不能稱之為材料強度試驗，

他們的試驗結(jié)果很強的依賴于結(jié)構(gòu)形式。

到了19世紀上半葉，鏈式懸索橋在歐美國家興起，然而，由于缺乏橋梁結(jié)構(gòu)力學、以

及材料性能方面的知識，時常出現(xiàn)橋梁倒塌事故。此外，工業(yè)革命的到來使得鍋爐成了工業(yè)

生產(chǎn)中的常見設(shè)備，然而，鍋爐爆炸事故卻如同家常便飯，時常會發(fā)生災(zāi)難性的爆炸事故。

1850年位于曼哈頓的一家機械車間發(fā)生鍋爐爆炸，共造成60多人喪生。人們迫切的需要學

握各種材料的力學性能，工程師們時常抱怨缺乏安全可靠的材料性能參數(shù)而難以進行合理設(shè)

計。當時美國《工程雜志》(EngineeringMagazine)的主編VanNostrand曾描述這一狀況

時說(大意)：人們對材料的知識的認知目前絕對是經(jīng)驗性的，在使用新材料或舊材料以新

形式使用之前，唯一安全的方法是進行實驗。

1800年前后，人們設(shè)計了許多各式各樣的材料試驗機。其中較有代表性的是Eytelwein

設(shè)計的一款材料拉伸試驗機，如圖3所示。該試驗機采用了杠桿式設(shè)計，為便于固定試樣，

試樣設(shè)計為“棒骨”狀，然后利用杠桿原理對材料施加載荷，通過跌碼距離懸掛點的距離，可

以輕松的換算出施加在試樣HK上的載荷大小。理論上，只要杠桿有足夠的大，就可以提

供足夠大的拉力。不過Eytelwein的實驗裝置只能測定材料的極限強度，還不能測試材料

的屈服極限、彈性模量等指標。

圖3Eytelwein確定材料拉伸強度的實驗裝置⑵

大約1833年,德國應(yīng)用力學學家FranzJosephRittervonGerstner(1756-1832)設(shè)計出了

能同時測量試樣受力與變形的實驗裝置，并給出了力和變形之間的函數(shù)美系，這在材料力學

性能實驗測定中具有里程碑式的意義。

圖4FranzJosephRittervonGerstner(1756-1832)(21

Gerstner的試驗裝置如圖5所示，起初用來測定鋼琴線在受拉條件下的力與變形。該實

驗裝置將試樣安裝在圖中mn處，AB為一長杠桿，C為杠桿支點，CA長4.73m,CB桿

加配重后可保持杠桿平衡，H為配重，通過H的位置可;奐算出m點施加的力的大小。m點

在C點偏右一點，并在C點設(shè)置一個傳動裝置，通過旋轉(zhuǎn)滾子可改變杠桿的傾斜程度，同

時帶動鋼琴線被拉緊或放松。當扭動旋鈕時，長桿mA發(fā)生上下傾斜，m處很小的位移在

A端被放大(該裝置可放大到54倍)，AD為豎直放置的標有刻度的標尺，讀出A點位移

就可以換算出m點的位移，進而獲得鋼琴線的變形量。

圖5Gerstner測量鐵絲拉伸狀態(tài)“力-變形”的實驗裝置⑵

借助于該試驗裝置，Gerstner開展了一系列的鋼琴線的拉伸試驗，并使用多項式方法得

出了鐵線的拋物線形和無晟綱力變形定律。

力［2_(&/%)］

上式中，Umax和△Imax是待定常數(shù)，F(xiàn)和△］是試驗中的過程量。根據(jù)上式，可以

繪制出力?變形曲線，如圖6所示。

F(AI)|kN|

A'Al(mm|

圖6依據(jù)Gerstner實驗繪制的“力-變形”曲線［2］

Gerstner對鋼琴線、普通鐵絲、鋼發(fā)條等進行了10個不同的系列試驗，發(fā)現(xiàn)實驗與計

算之間只有很小的偏差。此外，當(△『△Imax)較小時，上式將可以認為滿足線性關(guān)系，

并區(qū)分了材料的彈性變形和塑性變形，以及加工硬化現(xiàn)象。他曾建議橋梁工程師們應(yīng)用加工

硬化來提高鏈條強度，而不是“為獲得足夠的安全性，鐵桿僅應(yīng)承受一半的破壞載荷

盡管Gerstner的實驗裝置可以同時測定力與變形，但由于他選擇多項式函數(shù)式(上式)

來描述力與變形的關(guān)系，還不足以清晰的區(qū)分屈服強度。有關(guān)屈服強度，人們在法國科學家

Jean-VictorPoncelet的《關(guān)F在梅斯中進行實驗以研究金屬線中延伸電阻的注意事項》(Note

surlesExperiencesaMetzpouretudierlaresistancedeI'extensiondanslefilsmetalliques)報告

中發(fā)現(xiàn)了一張鐵材料的力與變形曲線，如圖7所示，圖中不僅清楚地展示了胡克定律的范圍

和屈服強度，而且寫出了彈性模量，只是沒有標注出尺寸。

圖7Jean-VictorPoncelet教授和他講稿中有關(guān)鐵材料的力與變形曲線⑵

這一時期的試驗機通常是專用設(shè)備，針對于拉伸、壓縮、彎曲等特定加載方式的試驗機。

第一款通用材料試驗機出現(xiàn)在1879年3月(專利號213525),由美籍(挪威移民)工程師

TiniusOlsen(1845-1932)設(shè)計，該設(shè)備將拉伸，壓縮以及橫向加載集成在一臺設(shè)備中,起名

為“小巨人”(TheLMeGiant)。

圖8TiniusOlsen和他設(shè)計的通用試驗機[3]

“小巨人”采用立式設(shè)計，上下裝有一對抓握夾具把試樣夾緊，利用一組齒輪傳動裝置將

試樣進行拉伸或壓縮。測試時，固定上橫梁通過框架將力傳遞至下方的稱重臺，可繪制測試

結(jié)果的圖形記錄。Olsen精心改進了裝置系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)，使施加在試樣上的力為可控的力，

稱重桿的設(shè)計也大大節(jié)省了空間。此外，作為可選部件?，還可以使用電動馬達在梁上自動移

動祛碼以保持平衡，而不需要手動操作。1880年4月I日，Olsen成立了自己的公司Tinius

Olsen&CO.Macninists（現(xiàn)在的TiniusOlsenLtd）,走上了商業(yè)化道路，而Olsen的“小巨人”

也被稱為“通用試驗機的基礎(chǔ)

歷史上第一臺萬能材料試驗機是如何誕生的

歷史背景

早在19世紀，隨著美國工業(yè)化勢頭的增強，以及內(nèi)戰(zhàn)結(jié)束后不久全國各地開始興建新

建筑，人們越來越需要更好的方法來測試機械和建筑中使用的材料性能。在此之前，人們對■

材料的了解完全是經(jīng)驗性的。由于在使用之前沒有辦法測試材料的強度，因而很可能會導致

建筑物倒塌或爆炸。

從19世紀50年代開始，人們開發(fā)了許多測試材料的設(shè)備，但研發(fā)出萬能材料試驗機仍

然具有一定的難度。直到1880年，失業(yè)的挪威移民TiniusOlsen設(shè)計了這個現(xiàn)在著名的“Little

Giant”（小巨人），為其申請了專利，并終于研發(fā)出一臺用于橫向、拉伸和壓縮試驗的設(shè)備，

它們一起放在一臺儀器中，

1880年挪威移民TiniusOlsen于全球率先研制出多功能一體化材料試驗機

自此，Olsen材料試驗機的設(shè)計原理成為后來全球研制所有測試設(shè)備的基礎(chǔ)。而Tinius

Olsen試驗機公司至今仍在生產(chǎn)創(chuàng)新的領(lǐng)先材料試驗解決方案，該公司于2020年慶祝了其

連續(xù)運營140周年紀念。

全球首臺材料試驗機的誕生

Olsen奧爾森1845年出生于挪威康斯伯格。他是一個木制槍械制造者的八個孩子之一。

1866年，他以全班第?的成績從霍頓技術(shù)學校畢、也，成為?家大型海軍機械廠機械部的領(lǐng)

班。奧爾森不喜歡這份工作，在英國紐卡斯爾找了份工作后就去了美國。

1869年8月，24歲的奧爾森來到費城，在威廉?塞勒斯公司找到了一份設(shè)計師的工作。

奧爾森開始在當?shù)氐穆返陆虝⒓又苋盏氖ソ?jīng)課程，在那里他遇到了一個小型制作車間的老

板—RiehlW兄弟。他們收到了一份緊急請求，需要一臺機器來測試樣板的強度。

當時，還沒有這樣的裝置存在，而且脆弱的金屬板材料經(jīng)常引起鍋爐爆炸，特別是在密

西西比河航行的汽船上。兄弟倆請奧爾森為儀器繪制工程圖紙，他在業(yè)余時間為第一臺樣板

拉伸試驗機設(shè)計并繪制了精確的計劃；它的上限為40000磅力。

由Riehl?兄弟制造的新設(shè)備證明是成功的，但很快就出現(xiàn)了對更大型號的需求。奧爾

森被要求負責這個車間，1872年，他成為RiehlC工廠的廠長。在那里的八年里，他幫助建

立了一家同時生產(chǎn)試驗機和彈簧的公司。

他對新興材料測試領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻包括用于機車鍋爐、橋梁建設(shè)和其他工業(yè)產(chǎn)品的立

式和臥式材料試驗機。1876年費城百年博覽會展出了許多這樣的機器。然而，這些專利仍

然是他的雇主的財產(chǎn)。1879年，費城著名的科學研究和信息中心富蘭克林研究所的科學和

藝術(shù)委員會任命了一個小組委員會調(diào)查奧爾森的試驗機。

根據(jù)委員會的報告，這些機器”操作方便、比例合適、設(shè)計美觀、精度高”，也許正是這

種贊揚促使奧爾森要求里RiehlC讓他成為合作伙伴，但他們拒絕了。1879年底，他被告知

他的服務(wù)將在年底終止。然而，此時的奧爾森對一種革命性的設(shè)備充滿了想法：一臺通用測

試機。

在妻子夏洛塔的支持下，他開始為自己的新機器繪制圖紙。夏洛塔是首批獲得醫(yī)學學位

的斯堪的納維亞有美國女性之一。奧爾森于1880年2月6日提交了一份“試驗機新的有用改

進”專利申請。這項專利號為228214的專利于1880年6月1日授予。

當時:在那個年代，大多數(shù)材料測試都需要不同的機器，并且每臺機器都專用于單一的

測試功能。但奧爾森的小巨人可以在一臺儀器中準確地進行橫向、拉伸和壓縮試驗，該儀器

安裝在一個框架內(nèi)。該設(shè)備并不昂貴，而且結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單。

首臺材料試驗機的特點

奧爾森在他的專利申請中解釋說，試驗機以前在摩擦中浪費了大部分的應(yīng)用功率，或者

在對樣品施加壓力時有困難。他建議減少摩擦吸收的功率，使稱重桿更加緊湊，為梁上的重

量提供自動運動，并提供“用于測量試樣變形的靈敏測量裝置，以及用于以圖形方式記錄和

說明相同變形的裝置。

這個小巨人是一個垂直模型，從上到下對要測試的樣本施加作用力。上部和下部加載十

字頭包含夾具，當操作員轉(zhuǎn)動連接到齒輪系統(tǒng)的手柄時，夾具將試樣拉開或握住并壓碎。

對于拉伸試驗，當下部十字頭被拉下時，試樣被固定在上部十字頭和下部十字頭之間，

固定的上部十字頭將力通過垂直框架傳遞到其下方的稱重臺上。反過來，該表通過杠桿將力

傳遞給稱重梁，在杠桿處對載荷進行量化。將試樣置于下十字頭下方進行壓縮試驗；這會向

下推壓試樣，然后將試樣向下推壓在稱重臺上。

在橫向試驗中，試樣再次位于稱重臺和十字頭之間。在這里，荷載集中在較長試樣的中

心，如鋼梁或鑄鐵件。承重架設(shè)計不是奧爾森唯?的新想法。它的裝載和稱重系統(tǒng)也比以前

的做法有所改進。稱重杠桿大大減少了空間需求，齒輪和螺釘系統(tǒng)可以對試樣施加受控力。

作為可選附件的電機可自動用于移動梁上的平衡或重量，而無需操作員觸摸。這個小巨人除

了提高了精度外，還提供了其測量的圖形記錄。橡膠墊和彈簧提供了損傷保護，避免了一個

難題—當試樣斷裂時，試驗機經(jīng)常損壞。由于所有上述這些創(chuàng)新，奧爾森的設(shè)備被認為是

所有試驗機的基礎(chǔ)。

專業(yè)公司成長記

在費城?家老牌公司拒絕接受新產(chǎn)品后，奧爾森的妻子說服他自己創(chuàng)業(yè)。他們倆只有幾

千美元，但他設(shè)法在費城第12街500N號建立了自己的工作室TiniusOlsen&Co。很快，他

就從他的老雇主里Riehle兄弟手中奪走了生意。

奧爾森拒絕欠債，但他的妻子決心觀看這臺機器的展出，于是她典當了自己的鉆石戒指，

以籌集資金，將這臺小巨人送去亞特蘭大和辛辛那提的工業(yè)博覽會。這臺機器在兩次展覽中

都獲得了金牌。

1890年TiniusOlsen&Co公司員工合影

第二年，奧爾森獲得了有史以來第一臺200000磅力測試機的訂單，他還制造了一臺測

試羽毛抗拉強度的機器，作為他多樣性的一個例子。此后幾十年，奧爾森繼續(xù)在試驗機領(lǐng)域

進行創(chuàng)新。1891年,富蘭克林研究所授予他艾略特?克雷森（ElliotCresson）金質(zhì)獎?wù)?，?/p>

表彰他的自動記錄試驗機，該試驗機產(chǎn)生了易于解釋的永久性應(yīng)力?應(yīng)變結(jié)果記錄。

聯(lián)邦政府在1908年訂購了一臺1000萬磅的機器，直到20世紀中葉，這臺機器仍然是

世界上最大的試驗機。多年來，他獲得了其他榮譽，包括挪威國王頒發(fā)的獎?wù)?。奧爾森于

1929年從公司退休，1933年去世。他在1880年創(chuàng)辦的公司TiniusOlsen&Co仍然由他的后

代經(jīng)營，現(xiàn)在已經(jīng)是第五代了。

試驗機的發(fā)展簡史與知識

1試驗機的發(fā)展簡史

最早的試驗機是靜態(tài)試驗機，機械式加載，如：美國早在1869年由一位叫奧利森（Tinius

Olsen）的工程師發(fā)明了一臺杠桿式拉伸試驗機，該試驗機并在1880年申請了專利，這項專

利名稱叫“一個普遍測試的機器“，也就是現(xiàn)在所稱的杠桿式拉伸試驗機。

2試驗機的定義

試驗機是一種產(chǎn)品或材料在投入使用前，對其質(zhì)量或性能按設(shè)計要求進行驗證的儀器。

定義如下：含有測最力值變化的系統(tǒng)、能連續(xù)夾持試樣進行試驗的裝置，同時還有一套

能實時反映并記錄這一過程中力的變化的裝置。

綜上，試驗機的三要素：有加力裝置、有夾具、有力值顯示和記錄裝置。

3試驗機的用途

電子式萬能試驗機是用于金屬和非金屬材料進行拉伸、壓縮、彎曲和剪切等力學性能試

驗的機械加力的用計算機控制及測量的試驗機。

試驗機主要用于測量材料或產(chǎn)品的物理性能。比如：鋼材的屈服強度、抗拉強度，管材

的靜液壓時間，門窗的疲勞壽命測定等。

（注：用于測量材料的化學性能也就是化學成分的，一般叫分析儀，不叫試驗機）

試驗機離我們的生活很近。地上精美的瓷磚，為什么踩上去不會壞？我們穿的襯衣，為

什么不會用手一拉就破？我們用的電風扇，為什么吹了一年它的扇葉還是完好如初？

4試驗機的分類

試驗機行業(yè)主要生產(chǎn)制造以下八類產(chǎn)品：

（1）金屬材料試驗機

（2）非金屬材料試驗機；

（3）力與變形測試儀器（力傳感器、測力儀、位移傳感器、引伸計、加速度計等）；

（4）包裝件與工藝性能試驗機（包括包裝件跌落試驗機、包裝件沖擊試驗機、摩擦磨

損試驗機、彎折試驗機、校直機等）；

（5）平衡機（包括現(xiàn)場平衡儀）；

（6）振動臺（包括沖擊臺與碰撞試驗臺）；

（7）無損檢測儀器i磁粉探傷機、X射線探傷機、Y射線探傷機、超聲探傷儀、渦流

探傷儀、聲發(fā)射檢測儀等）；

（8）試驗機功能附小

1.4.1從應(yīng)用性質(zhì)上來分一分為性能試驗機和環(huán)境試驗機。

（1）性能試驗機

a功能試驗機

通過試驗機模擬產(chǎn)品的實際使用功能，并獲得試驗數(shù)據(jù)，如汽車的最大牽引力、制動力、

最大速度，門窗的開關(guān)力、開關(guān)疲勞壽命，電器開關(guān)的最大可承受壓力等。

如檢查彈簧性能的彈簧拉壓試驗機，檢測門窗壽命的門窗力學性能試驗機，檢測鋁塑復

合管使用年限的微機控制管材耐壓爆破試驗機，對閥門、水嘴進行試驗的微機控制閥門試驗

機。以及模擬家具（如座椅、沙發(fā)等）使用的家具試驗機，模擬開關(guān)插座使用情況的開關(guān)插

座試驗機等。

b結(jié)構(gòu)力學試驗機

一般用于對承受動、靜載荷的產(chǎn)品進行機械力學性能試驗。試驗時模擬外界受力的狀態(tài)，

比如拉力、壓力、扭力、振動、沖擊、顛簸、跌落等，進行靜力和動力等試驗。試驗時，往

往加到規(guī)定的載荷量值、加載時間或宜至結(jié)構(gòu)破壞以測定其強度，驗證產(chǎn)品設(shè)計及參數(shù)計算

的正確性。

如對鋼材、塑料等進行強度試驗的微機控制電子萬能試驗機，對PVC、PPR等非金屬

管或復合管進行壓扁試驗的微機控制電子萬能試驗機，對PVC管進行外力沖擊用的全自動

落錘沖擊試驗機等。

（2）環(huán)境試驗機

最好的環(huán)境試驗肯定是自然暴露試驗和現(xiàn)場試驗，但試驗費用較高、耗時較長，試驗的

可重復性和規(guī)律性較差，因此廣泛采用人工模擬環(huán)境試驗，也就是采用環(huán)境試驗機。主要的

環(huán)境試驗機有下列幾種：

高低溫試驗機。

濕熱試驗機，又分為：恒定溫濕試驗機、交變濕熱試驗機、常溫濕熱試驗機。

溫度沖擊試驗機，如管材冷熱循環(huán)試驗機，壓力沖擊試驗機。

如：管材壓力循環(huán)試驗機低氣壓試驗機防腐試驗機煙霧試驗機霉菌試驗機密封試驗機外

力試驗機如：全自動落錘沖擊試驗機、門窗力學性能試驗機、接插件拉力壓力試驗機。

老化試驗機。

1.4.2根據(jù)所加載荷的性質(zhì)——分為動態(tài)試驗機和靜態(tài)試驗機。

（1）靜態(tài)試驗機：以勻速的方式對試樣施力，直至試樣破裂。如萬能試驗機、壓力試

驗機等。

（2）動態(tài)試驗機：以一定的頻率按要求的波形對試樣進行長期試驗，直至一定的時間

或試樣破裂。如高頻疲勞試驗機、低周疲勞試驗機等。

（注：動態(tài)試驗機，目前基本上還是被國外壟斷，而且由于技術(shù)封鎖，國內(nèi)這一塊發(fā)展

落后很多。當然，靜態(tài)試驗機的核心部件——傳感器、減速機，伺服電機，基本上也是國外

的）