電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)是材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域最核心、應(yīng)用較廣泛的設(shè)備之一，對于研發(fā)、質(zhì)量控制和失效分析至關(guān)重要。
 

　　一、核心定義與功能
 

　　電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)是一種計算機(jī)控制的精密設(shè)備，主要用于在靜態(tài)條件下對材料(金屬、塑料、橡膠、復(fù)合材料、紡織品、生物材料等)或構(gòu)件(如緊固件、彈簧、管材、線纜等)施加精確可控的拉伸、壓縮、彎曲、剪切、剝離等載荷，并同步測量其產(chǎn)生的變形(位移)和載荷值，從而獲取材料或構(gòu)件的一系列力學(xué)性能參數(shù)。
 

　　電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)核心功能包括：
 

　　載荷施加： 精確控制施加力(拉力或壓力)的大小和速率(應(yīng)力速率、應(yīng)變速率、位移速率)。
 

　　變形測量： 精確測量試樣在載荷作用下的變形量(如標(biāo)距內(nèi)的伸長/縮短、橫梁位移、彎曲撓度等)。
 

　　數(shù)據(jù)采集： 高速、高精度地同步采集載荷和變形信號。
 

　　性能計算： 通過軟件自動計算各種力學(xué)性能指標(biāo)。
 

　　過程控制與顯示： 實(shí)時顯示載荷-變形/位移曲線，控制測試過程(如恒速率、恒載荷、恒應(yīng)變等)。
 

　　結(jié)果輸出： 生成測試報告、數(shù)據(jù)文件、曲線圖等。
 

　　二、核心組成系統(tǒng)
 

　　一、主機(jī)框架
 

　　結(jié)構(gòu)： 通常為堅(jiān)固的剛性框架，提供反作用力。常見形式有：
 

　　單立柱式： 空間開放，操作方便，適合中小載荷(一般<5kN或10kN)和較短試樣。
 

　　門式(雙立柱式)： 剛性好，穩(wěn)定性高，應(yīng)用廣泛，覆蓋從幾牛到幾百甚至上千千牛的載荷范圍。
 

　　底座與橫梁： 底座固定，上橫梁高度通?？墒謩踊螂妱诱{(diào)節(jié)以適應(yīng)不同長度的試樣。
 

　　二、驅(qū)動系統(tǒng)
 

　　核心： 伺服電機(jī)(通常為交流伺服電機(jī))。這是“電子”萬能機(jī)的核心動力源。
 

　　傳動機(jī)構(gòu)： 將伺服電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為橫梁的低速、平穩(wěn)、高精度的直線運(yùn)動。主要采用：
 

　　滾珠絲杠： 精度高、效率高、壽命長、響應(yīng)快。
 

　　行星滾柱絲杠： 用于高載荷(如>600kN)，剛度和承載能力更強(qiáng)。
 

　　控制器： 接收來自測控系統(tǒng)的指令，精確控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和扭矩，從而精確控制橫梁的移動速度、位置和施加的力。
 

　　三、載荷測量系統(tǒng)
 

　　核心： 載荷傳感器(力傳感器)。安裝在移動橫梁(或固定橫梁)和夾具之間。
 

　　原理： 常用的是應(yīng)變片式傳感器。傳感器內(nèi)部的彈性體在受力時產(chǎn)生微小變形，粘貼在其上的應(yīng)變片電阻值隨之變化，通過惠斯通電橋電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(毫伏級)。該信號經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后被測控系統(tǒng)讀取。
 

　　特點(diǎn)： 精度高(通常達(dá)到0.5級或0.1級，即滿量程的±0.5%或±0.1%)、量程范圍廣(從幾牛到兆牛)、響應(yīng)快。設(shè)備通常配備多個不同量程的傳感器，用戶根據(jù)測試需求自動或手動切換。
 

　　四、變形/位移測量系統(tǒng)
 

　　位移測量：
 

　　主要方式： 通過光電編碼器測量驅(qū)動絲杠的旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合絲杠導(dǎo)程換算得到橫梁位移。這是最基礎(chǔ)的位移測量。
 

　　局限性： 橫梁位移包含了試樣變形、夾具變形、間隙消除等系統(tǒng)柔度的影響，不能精確代表試樣標(biāo)距內(nèi)的真實(shí)變形(尤其是測試剛性材料或小變形時)。
 

　　變形/應(yīng)變測量：
 

　　引伸計： 這是測量試樣標(biāo)距內(nèi)真實(shí)變形的關(guān)鍵附件。直接夾持在試樣平行段上。
 

　　接觸式引伸計： 常用類型有夾式(刀口式)和伸長計。通過應(yīng)變片或LVDT(線性可變差動變壓器)測量刀口間距變化。
 

　　視頻引伸計： 非接觸式，通過攝像頭追蹤試樣表面的標(biāo)記點(diǎn)。適用于高溫、易碎、高應(yīng)變材料，或需要測量橫向應(yīng)變(泊松比)的情況。
 

　　激光引伸計： 非接觸式，精度高，用于特殊場合。
 

　　重要性： 引伸計對于精確測量彈性模量、屈服強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度(Rp0.2)等參數(shù)至關(guān)重要。在試樣屈服后或達(dá)到一定應(yīng)變后，通常需要取下接觸式引伸計以防損壞。
 

　　五、夾具系統(tǒng)
 

　　作用： 可靠、無滑移地將載荷傳遞到試樣上，并確保試樣對中，減少附加彎矩。
 

　　多樣性： 種類極其繁多，根據(jù)試樣類型和測試類型(拉伸、壓縮、彎曲、剪切等)選擇。
 

　　拉伸夾具： 平推楔形夾具、螺紋夾具、線材纏繞夾具、氣動夾具、液壓夾具、對夾夾具(薄膜、紙張)等。
 

　　壓縮夾具： 平板、承窩、抗彎夾具等。
 

　　彎曲夾具： 三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲夾具。
 

　　剪切/剝離夾具： 穿孔剪切、搭接剪切、180°/90°剝離等。
 

　　關(guān)鍵要求： 夾持可靠、對中性好、避免應(yīng)力集中、易于裝卸試樣。
 

　　六、測控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
 

　　核心： 計算機(jī) + 專業(yè)測控軟件 + 多功能測控卡/箱。
 

　　功能：
 

　　閉環(huán)控制： 核心功能。根據(jù)設(shè)定(位移速率、應(yīng)力速率、應(yīng)變速率)和實(shí)際反饋(載荷、位移、應(yīng)變)，實(shí)時調(diào)整伺服電機(jī)運(yùn)動，確保測試按預(yù)定模式進(jìn)行(例如，在測量彈性模量時，需要精確的恒應(yīng)變速率控制)。
 

　　數(shù)據(jù)采集： 高速、同步采集來自載荷傳感器、引伸計、位移編碼器的模擬或數(shù)字信號。
 

　　實(shí)時顯示： 繪制載荷-位移、應(yīng)力-應(yīng)變等實(shí)時曲線。
 

　　參數(shù)設(shè)置： 設(shè)置測試方法、控制模式、速率、限值(力、位移、變形)等。
 

　　結(jié)果計算： 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(如ISO, ASTM, GB, JIS等)自動計算彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度/模量、剪切強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度等數(shù)十種參數(shù)。
 

　　報告生成： 創(chuàng)建包含測試條件、原始數(shù)據(jù)、計算結(jié)果、曲線的測試報告。
 

　　數(shù)據(jù)管理： 存儲、查詢、導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)。
 

　　七、安全保護(hù)系統(tǒng)
 

　　緊急停止按鈕。
 

　　機(jī)械限位開關(guān)(防止橫梁超程)。
 

　　軟件限位(力、位移、變形的上限/下限保護(hù))。
 

　　過載保護(hù)。
 

　　夾具脫落、試樣斷裂檢測保護(hù)。
 

　　三、電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)核心測試能力與應(yīng)用
 

　　電子萬能試驗(yàn)機(jī)可執(zhí)行廣泛的靜態(tài)力學(xué)測試：
 

　　1、拉伸試驗(yàn)： 基礎(chǔ)、常用的測試。測量：
 

　　彈性模量
 

　　屈服強(qiáng)度(上/下屈服點(diǎn))
 

　　規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度(Rp0.2)
 

　　抗拉強(qiáng)度
 

　　斷后伸長率
 

　　斷面收縮率
 

　　應(yīng)變硬化指數(shù)等。
 

　　應(yīng)用： 金屬棒材、線材、板材；塑料薄膜、管材、型材；橡膠制品；復(fù)合材料；纖維紗線；粘接接頭等。
 

　　2、壓縮試驗(yàn)：
 

　　壓縮屈服強(qiáng)度
 

　　抗壓強(qiáng)度
 

　　壓縮模量
 

　　壓潰強(qiáng)度(如泡沫塑料)
 

　　應(yīng)用： 金屬柱體、塑料塊、泡沫材料、建筑材料(水泥、磚)、生物組織(骨骼)、包裝材料等。
 

　　3、彎曲試驗(yàn)：
 

　　三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度/模量
 

　　四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度/模量
 

　　最大彎曲應(yīng)力/應(yīng)變
 

　　應(yīng)用： 金屬板材、塑料片材/管材、復(fù)合材料層合板、木材、陶瓷、電子元件(PCB)等。
 

　　4、剪切試驗(yàn)：
 

　　剪切強(qiáng)度(穿孔剪切、搭接剪切、層間剪切等)
 

　　剪切模量
 

　　應(yīng)用： 鉚釘、銷釘、粘接接頭、復(fù)合材料層間、土工布、生物軟組織等。
 

　　5、剝離試驗(yàn)：
 

　　剝離強(qiáng)度(90°, 180°, T型等)
 

　　應(yīng)用： 膠帶、不干膠標(biāo)簽、復(fù)合薄膜、涂層附著力、醫(yī)用貼劑等。
 

　　其他：
 

　　頂破/脹破試驗(yàn)(紡織品、無紡布)
 

　　撕裂試驗(yàn)(薄膜、紙張、織物)
 

　　蠕變/松弛試驗(yàn)(需長時間保持恒載荷/恒應(yīng)變)
 

　　循環(huán)載荷(低周次)
 

　　四、主要優(yōu)勢
 

　　1、高精度與寬范圍： 載荷和變形測量精度高，載荷范圍覆蓋極廣(從毫牛級到兆牛級)。
 

　　2、多功能性： 通過更換夾具和配置，可進(jìn)行多種類型的力學(xué)測試。
 

　　3、精確控制： 先進(jìn)的伺服系統(tǒng)和閉環(huán)控制算法，能精確實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制模式(恒位移速率、恒應(yīng)力速率、恒應(yīng)變速率、載荷保持、位移保持等)。
 

　　4、數(shù)據(jù)豐富： 實(shí)時采集大量數(shù)據(jù)，提供詳細(xì)的載荷-位移/應(yīng)變曲線，揭示材料的完整力學(xué)行為。
 

　　5、自動化與效率： 計算機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)測試過程自動化、參數(shù)自動計算、報告自動生成，大大提高效率和重復(fù)性。
 

　　6、符合標(biāo)準(zhǔn)： 軟件通常內(nèi)置多種國際/國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試方法，確保測試結(jié)果的可比性。
 

　　7、用戶友好： 現(xiàn)代軟件界面直觀，操作相對簡便，培訓(xùn)成本較低。
 

　　五、與液壓萬能試驗(yàn)機(jī)的比較
 

　　1、驅(qū)動力： 電子萬能機(jī)使用伺服電機(jī)+絲杠；液壓萬能機(jī)使用液壓油缸+伺服閥。
 

　　2、動態(tài)性能： 電子萬能機(jī)響應(yīng)快，控制精度高，特別適合低載荷、高精度、需要精確應(yīng)變控制的測試(如模量測量)。液壓萬能機(jī)在超大載荷(如>1000kN)和需要高能量(如斷裂韌性測試)方面有優(yōu)勢，但動態(tài)響應(yīng)和控制精度通常不如電子式。
 

　　3、維護(hù)： 電子萬能機(jī)維護(hù)相對簡單(主要是機(jī)械部分)；液壓萬能機(jī)需要維護(hù)液壓油路系統(tǒng)。
 

　　4、清潔度： 電子萬能機(jī)無液壓油泄漏風(fēng)險，更清潔。
 

　　5、成本： 在中小載荷范圍內(nèi)，電子萬能機(jī)通常是理想選擇；超大載荷領(lǐng)域液壓機(jī)仍有市場。
 

　　六、總結(jié)
 

　　電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)是現(xiàn)代材料科學(xué)與工程、產(chǎn)品質(zhì)量控制、失效分析的精密儀器。它結(jié)合了精密機(jī)械、伺服驅(qū)動、傳感器技術(shù)、電子測量和計算機(jī)控制，能夠以高精度、多功能的方式，評估材料在靜態(tài)載荷下的力學(xué)行為。其自動化、智能化的特點(diǎn)極大地提升了測試效率和可靠性，為研發(fā)創(chuàng)新和質(zhì)量保證提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。選擇合適的電子萬能試驗(yàn)機(jī)需要考慮載荷范圍、精度要求、測試類型(所需夾具)、空間尺寸、軟件功能以及預(yù)算等因素。