一文读懂电子万能材料试验机

　　电子万能材料试验机是材料力学性能测试领域最核心、应用较广泛的设备之一，对于研发、质量控制和失效分析至关重要。
 

　　一、核心定义与功能
 

　　电子万能材料试验机是一种计算机控制的精密设备，主要用于在静态条件下对材料(金属、塑料、橡胶、复合材料、纺织品、生物材料等)或构件(如紧固件、弹簧、管材、线缆等)施加精确可控的拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离等载荷，并同步测量其产生的变形(位移)和载荷值，从而获取材料或构件的一系列力学性能参数。
 

　　电子万能材料试验机核心功能包括：
 

　　载荷施加： 精确控制施加力(拉力或压力)的大小和速率(应力速率、应变速率、位移速率)。
 

　　变形测量： 精确测量试样在载荷作用下的变形量(如标距内的伸长/缩短、横梁位移、弯曲挠度等)。
 

　　数据采集： 高速、高精度地同步采集载荷和变形信号。
 

　　性能计算： 通过软件自动计算各种力学性能指标。
 

　　过程控制与显示： 实时显示载荷-变形/位移曲线，控制测试过程(如恒速率、恒载荷、恒应变等)。
 

　　结果输出： 生成测试报告、数据文件、曲线图等。
 

　　二、核心组成系统
 

　　一、主机框架
 

　　结构： 通常为坚固的刚性框架，提供反作用力。常见形式有：
 

　　单立柱式： 空间开放，操作方便，适合中小载荷(一般<5kN或10kN)和较短试样。
 

　　门式(双立柱式)： 刚性好，稳定性高，应用广泛，覆盖从几牛到几百甚至上千千牛的载荷范围。
 

　　底座与横梁： 底座固定，上横梁高度通常可手动或电动调节以适应不同长度的试样。
 

　　二、驱动系统
 

　　核心： 伺服电机(通常为交流伺服电机)。这是“电子”万能机的核心动力源。
 

　　传动机构： 将伺服电机的高速旋转运动转换为横梁的低速、平稳、高精度的直线运动。主要采用：
 

　　滚珠丝杠： 精度高、效率高、寿命长、响应快。
 

　　行星滚柱丝杠： 用于高载荷(如>600kN)，刚度和承载能力更强。
 

　　控制器： 接收来自测控系统的指令，精确控制伺服电机的转速、转向和扭矩，从而精确控制横梁的移动速度、位置和施加的力。
 

　　三、载荷测量系统
 

　　核心： 载荷传感器(力传感器)。安装在移动横梁(或固定横梁)和夹具之间。
 

　　原理： 常用的是应变片式传感器。传感器内部的弹性体在受力时产生微小变形，粘贴在其上的应变片电阻值随之变化，通过惠斯通电桥电路将电阻变化转换为电压信号(毫伏级)。该信号经放大、A/D转换后被测控系统读取。
 

　　特点： 精度高(通常达到0.5级或0.1级，即满量程的±0.5%或±0.1%)、量程范围广(从几牛到兆牛)、响应快。设备通常配备多个不同量程的传感器，用户根据测试需求自动或手动切换。
 

　　四、变形/位移测量系统
 

　　位移测量：
 

　　主要方式： 通过光电编码器测量驱动丝杠的旋转角度，结合丝杠导程换算得到横梁位移。这是最基础的位移测量。
 

　　局限性： 横梁位移包含了试样变形、夹具变形、间隙消除等系统柔度的影响，不能精确代表试样标距内的真实变形(尤其是测试刚性材料或小变形时)。
 

　　变形/应变测量：
 

　　引伸计： 这是测量试样标距内真实变形的关键附件。直接夹持在试样平行段上。
 

　　接触式引伸计： 常用类型有夹式(刀口式)和伸长计。通过应变片或LVDT(线性可变差动变压器)测量刀口间距变化。
 

　　视频引伸计： 非接触式，通过摄像头追踪试样表面的标记点。适用于高温、易碎、高应变材料，或需要测量横向应变(泊松比)的情况。
 

　　激光引伸计： 非接触式，精度高，用于特殊场合。
 

　　重要性： 引伸计对于精确测量弹性模量、屈服强度、规定塑性延伸强度(Rp0.2)等参数至关重要。在试样屈服后或达到一定应变后，通常需要取下接触式引伸计以防损坏。
 

　　五、夹具系统
 

　　作用： 可靠、无滑移地将载荷传递到试样上，并确保试样对中，减少附加弯矩。
 

　　多样性： 种类极其繁多，根据试样类型和测试类型(拉伸、压缩、弯曲、剪切等)选择。
 

　　拉伸夹具： 平推楔形夹具、螺纹夹具、线材缠绕夹具、气动夹具、液压夹具、对夹夹具(薄膜、纸张)等。
 

　　压缩夹具： 平板、承窝、抗弯夹具等。
 

　　弯曲夹具： 三点弯曲、四点弯曲夹具。
 

　　剪切/剥离夹具： 穿孔剪切、搭接剪切、180°/90°剥离等。
 

　　关键要求： 夹持可靠、对中性好、避免应力集中、易于装卸试样。
 

　　六、测控与数据采集系统
 

　　核心： 计算机 + 专业测控软件 + 多功能测控卡/箱。
 

　　功能：
 

　　闭环控制： 核心功能。根据设定(位移速率、应力速率、应变速率)和实际反馈(载荷、位移、应变)，实时调整伺服电机运动，确保测试按预定模式进行(例如，在测量弹性模量时，需要精确的恒应变速率控制)。
 

　　数据采集： 高速、同步采集来自载荷传感器、引伸计、位移编码器的模拟或数字信号。
 

　　实时显示： 绘制载荷-位移、应力-应变等实时曲线。
 

　　参数设置： 设置测试方法、控制模式、速率、限值(力、位移、变形)等。
 

　　结果计算： 根据标准(如ISO, ASTM, GB, JIS等)自动计算弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、压缩强度、弯曲强度/模量、剪切强度、剥离强度等数十种参数。
 

　　报告生成： 创建包含测试条件、原始数据、计算结果、曲线的测试报告。
 

　　数据管理： 存储、查询、导出测试数据。
 

　　七、安全保护系统
 

　　紧急停止按钮。
 

　　机械限位开关(防止横梁超程)。
 

　　软件限位(力、位移、变形的上限/下限保护)。
 

　　过载保护。
 

　　夹具脱落、试样断裂检测保护。
 

　　三、电子万能材料试验机核心测试能力与应用
 

　　电子万能试验机可执行广泛的静态力学测试：
 

　　1、拉伸试验： 基础、常用的测试。测量：
 

　　弹性模量
 

　　屈服强度(上/下屈服点)
 

　　规定塑性延伸强度(Rp0.2)
 

　　抗拉强度
 

　　断后伸长率
 

　　断面收缩率
 

　　应变硬化指数等。
 

　　应用： 金属棒材、线材、板材；塑料薄膜、管材、型材；橡胶制品；复合材料；纤维纱线；粘接接头等。
 

　　2、压缩试验：
 

　　压缩屈服强度
 

　　抗压强度
 

　　压缩模量
 

　　压溃强度(如泡沫塑料)
 

　　应用： 金属柱体、塑料块、泡沫材料、建筑材料(水泥、砖)、生物组织(骨骼)、包装材料等。
 

　　3、弯曲试验：
 

　　三点弯曲强度/模量
 

　　四点弯曲强度/模量
 

　　最大弯曲应力/应变
 

　　应用： 金属板材、塑料片材/管材、复合材料层合板、木材、陶瓷、电子元件(PCB)等。
 

　　4、剪切试验：
 

　　剪切强度(穿孔剪切、搭接剪切、层间剪切等)
 

　　剪切模量
 

　　应用： 铆钉、销钉、粘接接头、复合材料层间、土工布、生物软组织等。
 

　　5、剥离试验：
 

　　剥离强度(90°, 180°, T型等)
 

　　应用： 胶带、不干胶标签、复合薄膜、涂层附着力、医用贴剂等。
 

　　其他：
 

　　顶破/胀破试验(纺织品、无纺布)
 

　　撕裂试验(薄膜、纸张、织物)
 

　　蠕变/松弛试验(需长时间保持恒载荷/恒应变)
 

　　循环载荷(低周次)
 

　　四、主要优势
 

　　1、高精度与宽范围： 载荷和变形测量精度高，载荷范围覆盖极广(从毫牛级到兆牛级)。
 

　　2、多功能性： 通过更换夹具和配置，可进行多种类型的力学测试。
 

　　3、精确控制： 先进的伺服系统和闭环控制算法，能精确实现各种复杂的控制模式(恒位移速率、恒应力速率、恒应变速率、载荷保持、位移保持等)。
 

　　4、数据丰富： 实时采集大量数据，提供详细的载荷-位移/应变曲线，揭示材料的完整力学行为。
 

　　5、自动化与效率： 计算机控制软件实现测试过程自动化、参数自动计算、报告自动生成，大大提高效率和重复性。
 

　　6、符合标准： 软件通常内置多种国际/国家/行业标准测试方法，确保测试结果的可比性。
 

　　7、用户友好： 现代软件界面直观，操作相对简便，培训成本较低。
 

　　五、与液压万能试验机的比较
 

　　1、驱动力： 电子万能机使用伺服电机+丝杠；液压万能机使用液压油缸+伺服阀。
 

　　2、动态性能： 电子万能机响应快，控制精度高，特别适合低载荷、高精度、需要精确应变控制的测试(如模量测量)。液压万能机在超大载荷(如>1000kN)和需要高能量(如断裂韧性测试)方面有优势，但动态响应和控制精度通常不如电子式。
 

　　3、维护： 电子万能机维护相对简单(主要是机械部分)；液压万能机需要维护液压油路系统。
 

　　4、清洁度： 电子万能机无液压油泄漏风险，更清洁。
 

　　5、成本： 在中小载荷范围内，电子万能机通常是理想选择；超大载荷领域液压机仍有市场。
 

　　六、总结
 

　　电子万能材料试验机是现代材料科学与工程、产品质量控制、失效分析的精密仪器。它结合了精密机械、伺服驱动、传感器技术、电子测量和计算机控制，能够以高精度、多功能的方式，评估材料在静态载荷下的力学行为。其自动化、智能化的特点极大地提升了测试效率和可靠性，为研发创新和质量保证提供了坚实的数据基础。选择合适的电子万能试验机需要考虑载荷范围、精度要求、测试类型(所需夹具)、空间尺寸、软件功能以及预算等因素。