在機(jī)械制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)或工程規(guī)劃時(shí)，必須優(yōu)先考慮所用材料的力學(xué)性能。能夠準(zhǔn)確測(cè)定材料力學(xué)性能的材料試驗(yàn)機(jī)是確保各種建筑、設(shè)備、機(jī)器、車船、橋梁和結(jié)構(gòu)物合理設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行的重要測(cè)試設(shè)備。

我們從以下兩個(gè)方面分別闡述材料的力學(xué)性能定義及相關(guān)材料試驗(yàn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“拉力試驗(yàn)機(jī)”)的正確挑選方法。

一、材料的力學(xué)性能

1.材料的力學(xué)性能又稱材料的機(jī)械性能，是指材料在各種不同工作情況(負(fù)荷、扭矩、速度、溫度等)下，從開始受力(靜力或動(dòng)力)至破壞的全部過程中所呈現(xiàn)的力學(xué)特征，如彈性、塑性、強(qiáng)度、剛度、硬度、沖擊韌性、延伸性、持久極限和蠕變等。

2.在GB/T7406.1-1994《試驗(yàn)機(jī)術(shù)語(yǔ)材料試驗(yàn)機(jī)》中，這些不同力學(xué)特性都有確切的名詞與定義，其中主要名詞有:

(1)彈性—材料恢復(fù)變形的能力。

(2)塑性—材料保留變形的能力。

(3)強(qiáng)度—在外力作用下，材料抵抗各種變形和破壞的能力。

強(qiáng)度是力學(xué)性能中主要的性能。根據(jù)不同的試驗(yàn)方法可以得出不同的強(qiáng)度值。常見的有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、疲勞極限、蠕變極限、持久極限等。

(4)彈性模量—在靜態(tài)力作用下，試樣的應(yīng)力與應(yīng)變成比例關(guān)系(符合虎克定律)的比值。承受拉力或壓力時(shí)試樣的彈性模量稱為“楊氏模量”，承受剪力或扭力時(shí)試樣的彈性模量稱為“剪切彈性模量”。

彈性模量是材料抵抗彈性變形的性能指標(biāo)，在工程技術(shù)上常稱為“材料的剛度”。剛度的倒數(shù)通常稱為“柔度”。

(5)硬度—材料在不大的體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形、劃痕或破裂等一種或多種作用同時(shí)發(fā)生的能力。根據(jù)不同的試驗(yàn)方法可以得出不同的硬度值。

(6)沖擊韌性—在沖擊力作用下，試樣一次沖斷時(shí)單位橫截面上所消耗的沖擊功。

(7)疲勞極限—材料承受無限多次循環(huán)應(yīng)力作用，而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應(yīng)力。

(8)持久極限—又稱蠕變斷裂強(qiáng)度。在規(guī)定溫度下，試樣按規(guī)定時(shí)間破壞的應(yīng)力。

(9)蠕變—材料在規(guī)定溫度下承受恒定力的作用，其塑性變形隨時(shí)間增加的現(xiàn)象。

(10)塑性變形—承受力的材料卸除力后的殘余變形。

(11)應(yīng)力松弛—在給定的恒定總應(yīng)變條件下，試樣所受應(yīng)力隨時(shí)間減小的現(xiàn)象。

二、拉力試驗(yàn)機(jī)的選擇

1.正確選擇拉力試驗(yàn)機(jī)的類型

(1)上述材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，均通過相關(guān)的拉力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)得到。

因此，首先需要根據(jù)材料檢測(cè)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容選擇合適的拉力試驗(yàn)機(jī)類型。如果檢測(cè)的產(chǎn)品指標(biāo)單一，應(yīng)該選擇功能單一的拉力試驗(yàn)機(jī)，如檢測(cè)橡膠的抗拉強(qiáng)度可以選擇橡膠拉力試驗(yàn)機(jī)(或電子式拉力試驗(yàn)機(jī)或機(jī)械式拉力試驗(yàn)機(jī));檢測(cè)水泥抗壓強(qiáng)度可以選擇水泥壓力試驗(yàn)機(jī)。

同樣，如果是檢測(cè)材料的“抗扭強(qiáng)度”或“剪切彈性模量”，可以選擇扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī);檢測(cè)材料的“沖擊韌性”，就應(yīng)該選擇擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī);檢測(cè)材料在高溫條件下的蠕變特性就選擇高溫蠕變材料試驗(yàn)機(jī);而檢測(cè)材料的持久強(qiáng)度極限則需要選擇使用持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。

選擇單一功能試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)。當(dāng)僅限于檢測(cè)材料單一力學(xué)性能時(shí)，單功能試驗(yàn)機(jī)是首選。

(2)并不是材料的所有單項(xiàng)“力學(xué)性能”都有對(duì)應(yīng)功能的單功能試驗(yàn)機(jī)可供選擇。如材料的“彈性”、“塑性”可以通過正確的試驗(yàn)方法(如分析試驗(yàn)曲線)來解決。

材料的“剪切強(qiáng)度”及“彎曲強(qiáng)度”等性能的檢測(cè)，則需要通過配置附件來增加試驗(yàn)機(jī)的檢測(cè)功能。顯然，通過配置附件增加試驗(yàn)機(jī)的檢測(cè)功能肯定比定制一臺(tái)專用設(shè)備劃算得多。

一般萬能材料試驗(yàn)機(jī)及配套附件可以用于進(jìn)行剪切試驗(yàn);壓力試驗(yàn)機(jī)及配套附件可以用于進(jìn)行彎曲試驗(yàn);拉力試驗(yàn)機(jī)及配套附件可以用于進(jìn)行剝離試驗(yàn)。

(3)當(dāng)試驗(yàn)項(xiàng)目較多時(shí)，選擇多功能(或多用途)試驗(yàn)機(jī)就比較合適，如某建筑工程實(shí)驗(yàn)室既需要進(jìn)行鋼筋的拉伸試驗(yàn)又需要進(jìn)行混凝土試樣的抗壓試驗(yàn)，可以選擇萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

(4)當(dāng)試驗(yàn)項(xiàng)目較多且同時(shí)試驗(yàn)的項(xiàng)目不止1個(gè)時(shí)，應(yīng)該選擇復(fù)合試驗(yàn)機(jī)，如對(duì)橡膠支座進(jìn)行壓剪性能檢測(cè)的橡膠支座壓剪試驗(yàn)機(jī)。其他復(fù)合試驗(yàn)機(jī)依試驗(yàn)項(xiàng)目不同分別有沖扭試驗(yàn)機(jī)、沖拉試驗(yàn)機(jī)和三軸圍壓試驗(yàn)機(jī)等。需要注意復(fù)合試驗(yàn)機(jī)各檢測(cè)項(xiàng)目之間是受技術(shù)規(guī)范要求制約的，不是將不同功能的裝置組裝在一起就行。

2.試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)的確定

不同類型或性能的材料應(yīng)遵循相關(guān)的國(guó)家或行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制造和檢驗(yàn)，問題是相同的材料機(jī)械性能，其指標(biāo)參數(shù)也存在巨大差異。以抗拉強(qiáng)度為例，一根紗線的抗拉力僅僅只有兒牛頓，一塊厚鋼板的抗拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過幾兆牛，比例高達(dá)十萬倍以上。正確選擇拉力機(jī)類型后，第二步需要根據(jù)材料的指標(biāo)范圍和技術(shù)要求來確定試驗(yàn)機(jī)的規(guī)格、量程和準(zhǔn)確度等級(jí)或技術(shù)指標(biāo)。

(1)選擇合適的試驗(yàn)機(jī)規(guī)格

檢測(cè)單一的材料產(chǎn)品，可以根據(jù)該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或該產(chǎn)品試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)確定試驗(yàn)機(jī)規(guī)格和測(cè)量范圍。

以混凝土材料為例:

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的圓柱體和立方體試件按抗壓強(qiáng)度劃分的抗壓強(qiáng)度等級(jí)及試驗(yàn)力對(duì)照表如表1所示。

(2)目前，國(guó)家僅將部分試驗(yàn)機(jī)列入了依法管理的計(jì)量器具目錄，許多專用試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備不受國(guó)家計(jì)量行政主管部門監(jiān)管。這部分拉力試驗(yàn)機(jī)除了選型和確定技術(shù)指標(biāo)外，千萬不能忽略拉力試驗(yàn)機(jī)的量值溯源問題。因?yàn)槔υ囼?yàn)機(jī)屬于計(jì)量器具，使用拉力試驗(yàn)機(jī)就必須進(jìn)行檢定或者校準(zhǔn)。但下列問題還是常見的:

①由于拉力試驗(yàn)機(jī)制造商不專業(yè)，常見的一個(gè)情況是將工作測(cè)力儀標(biāo)定后安裝在設(shè)備上就作為專用拉力試驗(yàn)機(jī)出售了，這種拉力試驗(yàn)機(jī)雖然可以用于材料檢測(cè)，卻無法對(duì)其進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，這種拉力試驗(yàn)機(jī)沒有預(yù)留安放檢定或校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器的空間，往往也不具備逐漸施加試驗(yàn)力的功能。

②在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，客戶有需求，拉力試驗(yàn)機(jī)制造商肯定有響應(yīng)，當(dāng)所選拉力試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確度級(jí)別優(yōu)于國(guó)家計(jì)量技術(shù)法規(guī)規(guī)定的高級(jí)別時(shí)，客戶其實(shí)是沒有辦法對(duì)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收的。除了科研項(xiàng)目的需要，一般不建議購(gòu)買這樣的非標(biāo)設(shè)備。