材料試驗系統(tǒng)必須堅固且靈活，能夠確定從金屬到復(fù)合材料，從塑料到天然、生物基材的各種材料和部件的力學(xué)性能。

      力學(xué)性能試驗在研究教育、產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計及質(zhì)量控制方面起著主要作用。試驗可以用各種靜態(tài)和動態(tài)的材料試驗機進行，而且工程師和科學(xué)家在產(chǎn)品開發(fā)中也經(jīng)常用到這些試驗機。力學(xué)性能試驗包含從普通拉伸和壓縮試驗到彎曲和扭轉(zhuǎn)性能等各種技術(shù)，試驗可在環(huán)境條件或非環(huán)境條件下發(fā)生，在溫度和環(huán)境條件變化很大的情況下也可進行。

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電動力學(xué)性能試驗（EM）系統(tǒng)

       電動力學(xué)（EM）試驗系統(tǒng)通常應(yīng)用于靜態(tài)試驗的拉伸或壓縮模式。單柱和雙柱型的載荷框架可應(yīng)用于電動力學(xué)（EM）試驗系統(tǒng)。雙柱型系統(tǒng)采用臺式和落地式。EM系統(tǒng)的其他元件包含一個稱重傳感器，一個十字頭和一種測量拉伸的裝置（通常被成為伸長計）。稱重傳感器是一種產(chǎn)生電信號的傳感器，其大小與正在被測的力成正比。進行試驗時，可移動的十字頭以標準指定的速度向上或向下移動。某些應(yīng)用需要恒定的伸長速率而另一些需要遞增速率。

       例如，Zwick的電動力學(xué)（EM）試驗系統(tǒng)包含了現(xiàn)代設(shè)計元素以提供盡可能可靠的試驗結(jié)果。在這些系統(tǒng)中，交流驅(qū)動技術(shù)實際上結(jié)合了免維護操作和數(shù)字控制的優(yōu)點。此外，一種創(chuàng)新動力反饋系統(tǒng)即使在速度很低的情況下也能確保優(yōu)良的恒速特性。Zwick公司的試驗系統(tǒng)還配備了有專利的，導(dǎo)向筒具有可撓地剛性的空心型材，而且大表面積的長型十字頭可提供極其精確的導(dǎo)向。這種組合使樣品的不利影響最小化。

        EM系統(tǒng)特別適用于對精度高的應(yīng)用。需要支持測量復(fù)雜應(yīng)變的應(yīng)用用引伸計來實現(xiàn)。伸長計要滿足的要求主要取決待測材料的特性，包括材料的形狀，試驗要求和必須滿足的正式標準。標準定義了標距長度，精度，試驗順序和環(huán)境條件，例如試驗溫度。在拉伸試驗中，對應(yīng)施加的力要記錄標記位置的伸長量。通常，在試樣的兩個固定點之間測量伸長量。

        EM系統(tǒng)主要解決的試驗范圍是傳統(tǒng)的靜態(tài)材料試驗例如拉伸，撓曲或彎曲試驗。相對這類試驗來說，EM是最合適的技術(shù)，尤其是拉伸試驗，因為它在應(yīng)變率測量中控制和精度是高度相關(guān)的。這樣的事情只有EM能實現(xiàn)。除材料試驗外，EM系統(tǒng)也適用于高精度的元件試驗。

圖1.AllroundLine  EM試驗系統(tǒng)包含雙試驗區(qū)域來支持試驗的效率

圖2.碳纖維復(fù)合材料試樣的脆性損傷

表1. 試驗系統(tǒng)一覽表

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伺服液壓控制系統(tǒng)

       伺服液壓試驗機可用于靜態(tài)，動態(tài)或疲勞材料試驗。它們通過閉環(huán)系統(tǒng)運行，該系統(tǒng)由連接到試驗的雙向液壓執(zhí)行器；用于調(diào)節(jié)執(zhí)行器的位置、速度和力的伺服閥和控制器以及具有緊密耦合的液壓動力源的負載框架組成；一個電氣反饋回路能利用位置和載荷傳感器來控制試驗變量。雖然它們需要電氣和液壓連接的基礎(chǔ)設(shè)施，但是伺服液壓試驗機在力要求極高或者要求試驗速度很快的情況下（生產(chǎn)螺桿驅(qū)動的機電設(shè)備成本可能很高）是一種經(jīng)濟有效的選擇。

       當(dāng)伺服液壓系統(tǒng)被用于靜態(tài)試驗時，其主要適用于應(yīng)變測量。這些情況下，典型的傳感器臂伸長計，如Zwick的makroXtens設(shè)備，將滿足高精度的應(yīng)變測量的要求。使用這種伸長計，在整個拉伸試驗開始直至試樣斷裂中，可獲得彈性和塑性變形范圍內(nèi)的試樣變形。傾斜的刀刃從開始試驗到斷裂避免了試樣的損傷。

        也可使用夾式引伸計，顧名思義是將這些設(shè)備直接安裝到試樣上。通過刀刃，從試樣到內(nèi)部換能器，轉(zhuǎn)移伸長的機械部件是短而硬的。實際上，試樣和引伸計之間沒有發(fā)生運動，從而產(chǎn)生高精度的測量。

       對于動態(tài)試驗，可以使用簡單的夾式引伸計以及諸如非接觸視頻引伸計的光學(xué)系統(tǒng)。視頻伸長計需要在試樣上貼上測量標記，使之在光學(xué)上不同于樣品周圍的區(qū)域。將標記夾在，粘在樣品上，或者用彩色筆標記樣品。

圖3.HB100伺服液壓試驗機的載荷范圍可達100kN

圖4.HB3500型伺服液壓試驗機適用于施工中大型組件的檢測

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高低周疲勞試驗

       工業(yè)上，即使伺服液壓機確實適用于材料的表征，但是其主要焦點是試驗元件。一些應(yīng)用通常需要疲勞試驗來確定生命周期。疲勞試驗涉及了使部件或試樣經(jīng)受循環(huán)加載。用伺服液壓系統(tǒng)定期研究兩種類型的疲勞試驗—低周疲勞(LCF)和高周疲勞(HCF)。

       受到極端熱和機械力的零部件只能在短期強度范圍內(nèi)設(shè)計，即最多105個周期。主要的案例有用于發(fā)動機的渦輪葉片和圓盤以及用于發(fā)電的固定渦輪，其他類如廢氣渦輪增壓器、排氣歧管和其他類似部件。

        在這些部件中，應(yīng)變誘發(fā)周期性塑性形變發(fā)生在缺口（如葉片-圓盤的連接處）。這遲早會導(dǎo)致裂紋形核。低周疲勞（LCF）試驗中，在試樣上可以模擬這些力或應(yīng)變并確定裂紋開裂的周期數(shù)。裂紋周邊有彈性的區(qū)域在裂紋開裂后也具支撐作用。接下來根據(jù)斷裂力學(xué)標準進一步判定裂紋擴展的發(fā)生。這個結(jié)果直接用于計算預(yù)期的使用壽命。試驗在恒幅下進行，并且維持一定的時間能研究被分散的蠕變或松弛過程。三角波形用作定值，或梯形波被用作維持時間。

     LCF試驗可用疊加的高頻振蕩進行。試驗頻率通常低于1Hz或等于1Hz，即使這個極限不斷向上移動， 最終LCF試驗通常在高達10Hz下進行。只有在特殊情況下，應(yīng)變控制被用于這些試驗，在穩(wěn)定滯后區(qū)域或者時間的保持方面為了研究蠕變效應(yīng)才改變力的控制。材料表征試驗通常以R（循環(huán)應(yīng)力的最大和最小比值）比例為1 的情況下進行。歷史上，大多數(shù)的關(guān)注于需要多于104次以上循環(huán)失效的位置，其中該處應(yīng)力低，變形主要是彈性變形。

       高周疲勞（HCF）是指在彈性應(yīng)變區(qū)內(nèi)，低振幅、高頻率振動對載荷循環(huán)N的影響，通常N> 105。高周疲勞試驗通常的發(fā)生多于107個周，其他一些材料需要高達5×108的循環(huán)周期。當(dāng)施加的應(yīng)力在材料的彈性區(qū)域內(nèi)，隨著零件的老化，塑性變形仍然在微觀水平上發(fā)生，最終導(dǎo)致零件的失效。零部件或材料的疲勞特征通過給定載荷在應(yīng)力VS周期生成的關(guān)系圖來表示，稱之為WOhler曲線，其中疲勞強度由試樣或部件在指定循環(huán)次數(shù)內(nèi)可承受的最大應(yīng)力確定。將材料或部件的疲勞極限定義為不發(fā)生失效的應(yīng)力水平，這就意味著它理論上具有無限的壽命。如果超過疲勞，疲勞失效很快發(fā)生，所以必須通過模擬安裝條件的周期試驗來證明其足夠的疲勞強度，從而保證性能。

       S-N曲線來自于要表征的材料試樣，通常稱之為掛片，其中試驗設(shè)備施加有規(guī)律的正弦應(yīng)力，還能計算失效的循環(huán)數(shù)量。有時這個過程被稱為掛片試驗。每個掛片試驗都會在繪圖上生成一個點，盡管某些情況下失效時間超過試驗時間繪圖就會結(jié)束。S-N曲線的形成會受到腐蝕、溫度、殘余應(yīng)力和存在缺口的影響。

        分析疲勞數(shù)據(jù)需要統(tǒng)計技術(shù)，尤其是生存分析和線性回歸。Goodman關(guān)系是一種量化材料疲勞壽命的平均和交變應(yīng)力互相影響的方程，為疲勞數(shù)據(jù)分析提供支持。Goodman關(guān)系提出的一般趨勢是在給定應(yīng)力水平下的交變應(yīng)力隨著平均應(yīng)力的增加而疲勞壽命再減少。Goodman是一種平均應(yīng)力和交變應(yīng)力的圖，表明材料在給定的循環(huán)次數(shù)下會發(fā)生失效。

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