一、概述

在机械制造、产品设计或工程规划时，必须优先考虑所用材料的力学性能。能够准确测定材料力学性能的材料试验机是确保各种建筑、设备、机器、车船、桥梁和结构物合理设计与安全运行的重要测试设备。本文从以下两个方面分别阐述材料的力学性能定义及相关材料试验机(以下简称“试验机”)的正确挑选方法。

二、材料的力学性能

1.材料的力学性能又称材料的机械性能，是指材料在各种不同工作情况(负荷、扭矩、速度、温度等)下，从开始受力(静力或动力)至破坏的全部过程中所呈现的力学特征，如弹性、塑性、强度、刚度、硬度、冲击韧性、延伸性、持久极限和蠕变等。

2.在JB/T7406.1-1994《试验机术语材料试验机》中，这些不同力学特性都有确切的名词与定义，其中主要名词有:

(1)弹性——材料恢复变形的能力。

(2)塑性——材料保留变形的能力。

(3)强度——在外力作用下，材料抵抗各种变形和破坏的能力。
强度是力学性能中主要的性能。根据不同的试验方法可以得出不同的强度值。常见的有抗拉强度、抗压强度、抗扭强度、剪切强度、弯曲强度、疲劳极限、蠕变极限、持久极限等。

(4)弹性模量——在静态力作用下，试样的应力与应变成比例关系(符合虎克定律)的比值。承受拉力或压力时试样的弹性模量称为“杨氏模量”，承受剪力或扭力时试样的弹性模量称为“剪切弹性模量”。
弹性模量是材料抵抗弹性变形的性能指标，在工程技术上常称为“材料的刚度”。刚度的倒数通常称为“柔度”。

(5)硬度——材料在不大的体积内抵抗弹性变形、塑性变形、划痕或破裂等一种或多种作用同时发生的能力。根据不同的试验方法可以得出不同的硬度值。

(6)冲击韧性——在冲击力作用下，试样一次冲断时单位横截面上所消耗的冲击功。

(7)疲劳极限——材料承受无限多次循环应力作用，而不发生疲劳断裂的最大应力。

(8)持久极限——又称蠕变断裂强度。在规定温度下，试样按规定时间破坏的应力。

(9)蠕变——材料在规定温度下承受恒定力的作用，其塑性变形随时间增加的现象。

(10)塑性变形——承受力的材料卸除力后的残余变形。

(11)应力松弛——在给定的恒定总应变条件下，试样所受应力随时间减小的现象。

三、试验机的选择

1.正确选择试验机的类型

(1)上述材料的各项性能指标，均通过相关的试验机检测得到。

因此，首先需要根据材料检测的项目内容选择合适的试验机类型。如果检测的产品指标单一，应该选择功能单一的试验机，如检测橡胶的抗拉强度可以选择橡胶拉力试验机(或电子式拉力试验机或机械式拉力试验机)；检测水泥抗压强度可以选择水泥压力试验机。

同样，如果是检测材料的“抗扭强度”或“剪切弹性模量”，可以选择扭转试验机；检测材料的“冲击韧性”，就应该选择摆锤式冲击试验机；检测材料在高温条件下的蠕变特性就选择高温蠕变材料试验机；而检测材料的持久强度极限则需要选择使用持久强度试验机。

选择单一功能试验机的优点是操作方便、维护简单、费用经济。当仅限于检测材料单一力学性能时，单功能试验机是首选。

(2)并不是材料的所有单项“力学性能”都有对应功能的单功能试验机可供选择。如材料的“弹性”、“塑性”可以通过正确的试验方法(如分析试验曲线)来解决。

材料的“剪切强度”及“弯曲强度”等性能的检测，则需要通过配置附件来增加试验机的检测功能。显然，通过配置附件增加试验机的检测功能肯定比定制一台专用设备划算得多。

一般万能试验机及配套附件可以用于进行剪切试验；压力试验机及配套附件可以用于进行弯曲试验；拉力试验机及配套附件可以用于进行剥离试验。

(3)当试验项目较多时，选择多功能(或多用途)试验机就比较合适，如某建筑工程实验室既需要进行钢筋的拉伸试验又需要进行混凝土试样的抗压试验，可以选择万能材料试验机。

(4)当试验项目较多且同时试验的项目不止1个时，应该选择复合试验机，如对橡胶支座进行压剪性能检测的橡胶支座压剪试验机。其他复合试验机依试验项目不同分别有冲扭试验机、冲拉试验机和三轴围压试验机等。需要注意复合试验机各检测项目之间是受技术规范要求制约的，不是将不同功能的装置组装在一起就行。

2.试验机技术指标的确定

不同类型或性能的材料应遵循相关的国家或行业产品标准制造和检验，问题是相同的材料机械性能，其指标参数也存在巨大差异。以抗拉强度为例，一根纱线的抗拉力仅仅只有几牛顿，一块厚钢板的抗拉力远远超过几兆牛，比例高达十万倍以上。正确选择试验机类型后，第二步需要根据材料的指标范围和技术要求来确定试验机的规格、量程和准确度等级或技术指标。(1)选择合适的试验机规格

检测单一的材料产品，可以根据该产品标准或该产品试验方法标准确定试验机规格和测量范围。
以混凝土材料为例:

国家标准GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》规定的圆柱体和立方体试件按抗压强度划分的抗压强度等级及试验力对照表如表1所示。

表1 GB/T50081按抗压强度划分的抗压强度等级及试验力对照表注:圆柱体试件尺寸为Φ150mm×300mm，立方体试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

表1中混凝土试验力按式(1)计算得到，分别为圆柱体和立方体试件的标准试验力。

F=fcc×A(1)

式中:fcc——混凝土立方体试件抗压强度，MPa；F——试件破坏荷载，N；A——试件承压面积，mm2。

当试验机检测涉及的混凝土强度品种较全且包含其中的最低和最高等级时，所选压力试验机的测量范围应包含(35～1238)kN的整个区间，还得留有不低于20%的余量。一般应满足式(2)和式(3)的条件要求:

测量下限≤最小试验力×80%(2)

最大试验力≤测量上限×80%(3)

另外，按照试验机国际建议或者国家标准中的技术要求，试验机的规格按照1、2、5系列给出。不同规格的试验机存在一个保证检测结果准确度的测量范围，即试验机测量下限至上限的范围。测量下限一般为测量上限的1%～4%。

如果选择检测表1中强度等级为C50/55的混凝土试样，显然1000kN规格的试验机不能满足要求，大一点规格就只有2000kN了。况且，混凝土最大标准试验力也不大于试验机上限的80%，即1237.5kN≤2000kN×80%=1600kN

满足式(3)要求，因此，将规格为2000kN的压力试验机确定为所选的试验机规格。

同样，将表1中的最小试验力35.343kN代入式(2)，可得满足要求的试验机测量下限为

测量下限≤35.343kN×80%=28.274kN

如果试验机的测量下限为其上限的4%，可以方便地得出规格为2000kN的试验机测量下限为80kN。不能同时满足表1不同强度等级混凝土试样的检测。这就需要通过多选择几台性能相同、规格衔接的试验机解决问题。如本例可以选择一台规格为100kN的试验机。

(2)目前，国家仅将部分试验机列入了依法管理的计量器具目录，许多专用试验机和试验检测设备不受国家计量行政主管部门监管。这部分试验机除了选型和确定技术指标外，千万不能忽略试验机的量值溯源问题。因为试验机属于计量器具，使用试验机就必须进行检定或者校准。但下列问题还是常见的:

①由于试验机制造商不专业，常见的一个情况是将工作测力仪标定后安装在设备上就作为专用试验机出售了，这种试验机虽然可以用于材料检测，却无法对其进行计量校准，这种试验机没有预留安放检定或校准用标准器的空间，往往也不具备逐渐施加试验力的功能。

②在市场经济中，客户有需求，试验机制造商肯定有响应，当所选试验机的准确度级别优于国家计量技术法规规定的最高级别时，客户其实是没有办法对产品技术指标进行验收的。除了科研项目的需要，一般不建议购买这样的非标设备。