试验机技术发展探究及根源

       最早的静态试验机是机械式，如英国早在1880年已生产了杠杆重锤式材料试验机,在1908年又生产了螺母、螺杆加载的万能试验机（电子万能试验机的雏形），这些试验机可进行材料的拉伸、压缩、弯曲和扭转等验，约在90年前，瑞士Amsler公司开发了液压万能试验机，这种试验机较机械式操作简便、输出力大、结构简单、体积紧凑，能完成材料的各种静态力学性能试验。
        仅仅了解材料的静态力学性能是远远不够的，在现实生活中大部分的破坏是因为疲劳破坏。根据国外统计，失效的机器零件中50%-90%为疲劳破坏。因此许多发达国家非常重视对疲劳强度的研究。
        劳问题的产生可追溯到19世纪初叶，产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在零部件的截面突变处。破坏处的名义应力不高，低于材料的强度极限，有时还低于屈服极限。
        疲劳现象首先系统研究的实验者是德国人A.Whler(沃勒)，他自1847年起，在担任机车车辆厂厂长和机械厂厂长的23年中，对金属疲劳进行了深入系统的研究。1850年，德国人A.Whler(沃勒)设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机（亦称A.Whler疲劳试验机），用来进行全尺寸机车车轴的疲劳试验。以后他又研制出多种型式的疲劳试验机，并首次用金属试样进行疲劳试验。他在1871年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确立了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。因此公认A.Whler(沃勒)是疲劳的奠基人，有“疲劳试验之父”之称。
        从19世纪70年代到90年代，Gerber W.（格伯）研究了平均应力对疲劳强度的影响，提出了Gerber抛物线方程，英国人Goodman J.（古德曼）提出了著名的简化直线—Goodman图。1884年Bauschinger J.（包辛格）在验证Whler疲劳试验时，发现了在循环载荷下弹性极限降低的“循环软化”现象，引入了应力—应变迟滞回线的概念。但他的工作当时人们并不重视，直到1952年Keuyon（柯杨）在做铜棒试验时才把它重新提出来，并命名为“包辛格效应”。
20世纪初叶，开始使用金相显微镜来研究疲劳机制。1903年Ewing J.A.（尤因）和Humfery J.C.W.（汉弗莱）在单晶格铝和多晶格铁上发现了循环应力产生的滑移痕迹，指出了疲劳变形是由于与单调变形相类似的滑移所产生。1910年Bairstow（拜尔斯托）研究了循环载荷下应力—应变曲线的变化，测定了迟滞回线，建立了循环硬化与循环软化的概念；并且还进行了程序疲劳试验。在此时期，英国人Gough H.J.（高尔）在疲劳机制的研究上做出了很大贡献；他还进行了弯—扭复合疲劳试验，研究了弯—扭复合应力下的疲劳强度；并在伦敦出版了一本巨著《金属疲劳》。
        1929年美国人Peterson R.E.（彼特逊）对尺寸效应进行了一系列试验，提出了应力集中系数的理论值。1929年—1930年英国人Haigh B.P.（海夫）对高强钢和软钢的不同缺口效应做了合理解释。
        1945年美国人Miner M.A.（迈因纳）在对疲劳损伤积累问题进行了大量试验研究的基础上，将Palmgren J.V.（帕姆格伦）1924年提出的线性累积损伤理论公式化，形成了著名的Palmgren—Miner线性累积损伤法则（简称Miner法则）。在20世纪40年代前苏联的CepeHceH C.A.（谢联先）还提出了常规疲劳的设计计算公式，奠定了常规疲劳设计的基础。
    1952年美国国家航空管理局刘易斯研究所的Manson S.S.（曼森）和Coffin L.F.(科芬)，在大量试验的基础上，提出了表达塑性应变与疲劳寿命关系的Manson—Coffin方程，奠定了低周疲劳的基础。20世纪50年代使用电子显微镜，给疲劳机制的研究开拓了新纪元。
    用概率统计方法处理疲劳试验数据是从20世纪40年代开始的。1949年Weibull W.（威布尔）发表了对疲劳试验数据进行统计处理的著名方法。1959年Pope J.A.（波普）指出疲劳寿命服从对数正态分布。20世纪60年代开始将统计学应用于疲劳试验和疲劳设计，1963年美国材料试验学会（ASTM）上午E9委员会总结了这方面的研究成果，发表了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》（ASTM STP91A）一书。
    在上个世纪50年代初，出现了高速响应的永磁式力矩马达，50年代后期又出现了已喷嘴挡板阀为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控制精度最高的伺服系统。1958年美国勃莱克布恩等公布了他们在麻省理工学院的研究工作，为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了基础。60年代各种结构的电液伺服阀的相继问世，特别是以穆格为代表的采用干式力矩马达的级间力反馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服阀的性能，电液伺服技术日臻成熟，电液伺服系统已成为武器和航空、航天自动控制以及一部分民用技术设备自动控制的重要组成部分。
    电液伺服动态疲劳试验机，在此背景下随着电液伺服技术的发展而发展起来。由于它既能进行动态的高低周疲劳试验、程序控制疲劳试验，也能进行静态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的试验和各种常规的力学性能试验，还可进行断裂力学试验，根据需要也可以进行部分的振动和冲击试验，也可以对广义范围上材料或构件的疲劳寿命、裂纹扩展、断裂韧性性能测试、实际试件的安全性评价、工况模拟等，因此有着其它任何种类的试验机所不能比拟的优势，是国际疲劳界最推崇的材料试验设备。
    20世纪60年代，随着大规模集成电路的出现，研制出了能够模拟零部件服役载荷工况的随机疲劳试验机。20世纪70年代，国外已广泛使用电子计算机控制的电液伺服疲劳试验装置来进行随机疲劳试验。20世纪90年代，已经出现了上下位机结构的全数字的伺服控制器，闭环控制计算速率达到了6kHz，数据传输采用100Mb以太网卡（Ethernet），可以完成控制模式的平滑无扰切换、多通道的协调加载以及各种工况谱的实验室再现。
    低周疲劳Manson—Coffin方程、电子显微镜以及电液伺服动态疲劳试验机的出现被国际疲劳研究界认为是疲劳研究的三大贡献，电液伺服动态疲劳试验机由于采用了闭环控制技术，从而在试验中可以模拟实际使用工况，大大促进了疲劳试验的发展。
 
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