18 ～ 19世紀材料試驗機一瞥1)

張偉偉 馬宏偉 王志華

*(東莞理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

?(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院力學(xué)系，太原 030024)

**(太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，太原030024)

材料力學(xué)性能是進行材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝評價、產(chǎn)品驗收的主要依據(jù)，而獲取材料力學(xué)性能主要依賴于材料試驗機。材料試驗機最早誕生于18世紀，隨著工業(yè)革命的發(fā)展，鐵路、橋梁、鍋爐等產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，然而，這些產(chǎn)品在使用過程中經(jīng)常性地發(fā)生斷裂、鍋爐爆炸等災(zāi)難性事故，缺乏安全可靠的材料性能參數(shù)成為當(dāng)時工程師們抱怨最多的問題。在這一背景下，工程師和科研人員開始設(shè)計各式各樣的材料試驗機，起初人們只是為了測試材料的極限強度，因此試驗機只能測試材料的極限破壞載荷。隨著人們對材料力學(xué)性能的不斷認識，除載荷外還需要同時測量材料的變形曲線，實現(xiàn)了“力與變形”的同時測試。然后，由于工程構(gòu)件在使用中通常載荷為復(fù)雜載荷，單一加載方式不能滿足測試需求，又發(fā)展出了可以同時實現(xiàn)多種加載的通用試驗機。本文以此為線索，簡要回顧了18～19世紀材料試驗機的發(fā)展，并將其分為極限載荷測定、力與變形測定和通用試驗機三個階段，以理解材料試驗機在推動材料力學(xué)理論發(fā)展、工程建設(shè)等方面的作用。

1 極限載荷測定

人們最早關(guān)注材料力學(xué)性能是從材料的極限強度開始的，達·芬奇（1452—1519）很可能是利用試驗方法測定材料力學(xué)性能的第一人。作為畫家，達·芬奇完成作品后通常要懸掛起來供人們欣賞，而掛畫的鐵絲時常會發(fā)生斷裂，由此達·芬奇對鐵絲的斷裂強度產(chǎn)生了興趣，他設(shè)計了實驗方案測定了一系列不同長度鐵絲的強度。后來，伽利略（Galileo Galilei, 1554?1642）也對桿和梁的極限強度進行了測定，并將這種性能稱為“材料的極限抗力”。此外，胡克（Robert Hooke, 1635?1703）和馬略特（Edme Mariotte, 1620—1684）等也進行過一些材料強度試驗，不過他們的實驗都是為了驗證材料力學(xué)的某些理論，是針對于某一問題進行的專門實驗，他們的實驗裝置還不能稱為材料試驗機[1]。1729年，荷蘭萊頓大學(xué)穆申布洛依克（Pieter van Musschenbroek，1692?1761）設(shè)計的材料試驗機，如圖1所示，因其使用了簡單機械，即杠桿，可實現(xiàn)連續(xù)加載，成為了早期材料試驗機的代表，杠桿也作為一種測力裝置被使用了很長時間。

圖1 Pieter van Musschenbroek和他的材料試驗機[1]

顯然，穆申布洛依克的試驗機只能用來測試尺寸較小的試樣，金屬試樣直徑約2.5 mm，木質(zhì)試樣直徑約5 mm，他的試驗結(jié)果記錄在他的《實驗物理與幾何》中，為廣大工程師所采用。不過穆申布洛依克的試驗也受到了法國科學(xué)家布馮（Georges-Louis Leclerc de Buffon，1707—1788）的批評[1]，布馮發(fā)現(xiàn)木材強度隨試樣所取位置的不同有顯著的差異，不僅與其到樹干軸線的距離有關(guān)，還與樹干軸向的方向有關(guān)，像穆申布洛依克所用的小試樣得到的數(shù)據(jù)，很難對建筑上使用整個樹干作梁時形成參考價值。因此布馮通過改進試驗方案重做了穆申布洛依克的試驗，將試樣設(shè)置為截面約為 2 0cm×20cm ，長約71 cm的梁。

真正刺激大型試驗機出現(xiàn)的是法國在納伊（Neuilly）建造著名的塞納河石拱橋時，該橋的設(shè)計師是當(dāng)時法國著名的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師佩羅內(nèi)（Jean-Rodolphe Perronet，1708—1794），為了測定石材的力學(xué)性能，佩羅內(nèi)采用杠桿原理設(shè)計了一款加載能力可達18噸的試驗機。同時代的法國工程師藍布拉吉（acques-élie Lamblardie,1747—1797）在建造貨運港口中設(shè)計出了加載能力可達100噸的試驗機[2]。吉拉德（Pierre-Simon Girard，1765—1836）曾利用這些設(shè)備第一次測試了大尺度的彈性材料（如圖2所示）[1-2]。

圖2 吉拉德的實驗裝置[1]

19世紀，隨著各種建筑材料廠、煉鐵廠、鏈條廠、鍋爐廠的成立，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，越來越需要一些大噸位試驗機。1795年，英國工程師布拉瑪（Joseph Bramah，1748—1814）發(fā)明了液壓機（如圖3所示）[3]，為大噸位的試驗機的發(fā)明和制造提供了條件。1813年，位于英國穆塞爾堡（Musselburgh）的鏈條和電纜制造廠，一位叫富勒（Fuller）的工程師結(jié)合液壓機發(fā)明了纜繩試驗機，它沒有像杠桿那樣的“稱重”裝置，而是采用了壓力計來測量，不過具體的技術(shù)細節(jié)已不清楚，也有人猜測它很可能采用了可調(diào)節(jié)的重量閥或彈簧閥來估計壓力，也可能是把液壓機的活塞桿連接在重力杠桿上的，它或許和后來Cyfarthfa煉鐵廠的一臺試驗機相似[2]。

圖3 布拉瑪和他的液壓機[3]

Cyfarthfa煉鐵廠是18 ～ 19世紀英國威爾士重要的煉鐵廠，它的首席工程師威廉姆斯（William Williams, 1731—1811）于1829年設(shè)計了130噸的立式試驗機（如圖4所示）[2,4]，主要用來測試鉚接接頭，螺栓強度，該設(shè)備具備了與現(xiàn)在的設(shè)備相近的基本原理，采用液壓系統(tǒng)加載，但載荷的測量還是采用了杠桿原理。

圖4 威廉姆斯的立式試驗機[2]

在試驗機制造上，由于加工上的方便，試驗機多為木制，法國建筑師蘇夫洛（Jacques Germain Soufflot，1713—1780）曾制造出了鐵制的類似試驗機，并進行了大量的石材、木材和金屬材料的試驗。此外，朗底列特（Jean-Baptiste Rondelet，1743—1829）改進了試驗機，采用刃口代替固定杠桿的鉸支座，以提高測試精度。大概與富勒同時期，布朗萊諾克斯公司（Brown Lenox & Co）創(chuàng)始人，布朗（Samuel Brown，1776—1852）設(shè)計了一個纜繩檢測設(shè)備，采用了齒輪傳動提供載荷和螺絲補償應(yīng)變，它的齒輪比為1:100，載荷大小由杠桿“稱重”給出，這個設(shè)備一直使用到20世紀初[2]。此后，液壓裝置、齒輪傳動等新技術(shù)與杠桿結(jié)合，逐漸成為試驗機的發(fā)展趨勢，商業(yè)需求極大地推動了試驗機的快速發(fā)展。

2 力與變形的測定

極限載荷的測定只需要試驗機提供足夠大的載荷，在材料發(fā)生破壞時記錄最終載荷即可，但就材料而言，其力學(xué)性能可能包括彈性模量、屈服極限、強度極限等等，這時，只能測定極限載荷的試驗機就顯現(xiàn)出了它的不足。而實際上，人們對于材料力學(xué)性能的進一步認識，還依賴于在相應(yīng)的載荷下對材料變形測定。大約1833年，德國應(yīng)用力學(xué)家格斯特納（Franz Joseph Ritter von Gerstner，1756—1832）設(shè)計了杠桿式應(yīng)變計[5]，實現(xiàn)了同時測定試樣受力與變形量，為材料測試和人們理解材料的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

格斯特納的試驗裝置如圖5所示，該裝置用來測定鋼琴線在受拉條件下的力與變形。該實驗裝置將試樣安裝在圖中mn處，AB為一長杠桿，C為杠桿支點，CA長4.73 m，CB桿加配重后可保持杠桿平衡，H為配重，通過H的位置可換算出m點施加的力的大小。m點在C點偏右一點，并在C點設(shè)置一個傳動裝置，通過旋轉(zhuǎn)滾子可改變杠桿的傾斜程度，同時帶動鋼琴線被拉緊或放松。當(dāng)扭動旋鈕時，長桿CA發(fā)生上下傾斜，C端很小的位移在A端被放大（該裝置可放大到54倍），AD為豎直放置的標有刻度的標尺，讀出A點位移就可以換算出m點的位移，進而獲得鋼琴線的變形量，這被稱為杠桿式應(yīng)變計。借助于該試驗裝置，格斯特納開展了一系列的鋼琴線的拉伸試驗，并使用多項式方法得出了鐵線的拋物線形和無量綱力變形定律

圖5 格斯特納與他測量鐵絲拉伸狀態(tài)“力–變形”的實驗裝置[5]

式中，F(xiàn)max和 ?lmax是待定常數(shù)，F(xiàn)和 ?l是試驗中的過程量。顯然，根據(jù)式（1），力和變形滿足二次拋物線規(guī)律，現(xiàn)在我們知道這并沒有真正反應(yīng)材料的力學(xué)性能。格斯特納對鋼琴線、普通鐵絲、剛發(fā)條等進行了不同的系列試驗，發(fā)現(xiàn)實驗與計算之間只有很小的偏差，表明該設(shè)備具有較高的測試精度。此外，當(dāng) ( ?l/?lmax) 較小時，式（1）可以被認為滿足線性關(guān)系，并區(qū)分了材料的彈性變形和塑性變形，以及加工硬化現(xiàn)象。特別是加工硬化，他曾建議橋梁工程師們應(yīng)用加工硬化來提高鏈條強度，而不是“為獲得足夠的安全性，鐵桿僅應(yīng)承受一半的破壞載荷”。盡管格斯特納意識到了彈性變形和塑性變形的區(qū)別，但他并沒有明確提出屈服極限的概念。1830年，法國科學(xué)家彭賽列（Jean-Victor Poncelet）的《關(guān)于在梅斯中進行實驗以研究金屬線中延伸電阻的注意事項》（Note sur les Expériences à Metz pourétudier la résistance de l'extension dans le fils métalliques）（1830年）報告中給出了一張鐵材料的力與變形曲線，如圖6所示，圖中不僅清楚地展示了胡克定律的范圍和屈服強度，而且寫出了彈性模量，只是沒有標注出尺寸。顯然，格斯特納并沒有注意到彭賽列的報告。

圖6 彭賽列教授和他講稿中有關(guān)鐵材料的力與變形曲線[5]

美國在修建圣路易斯大橋（St. Louis Bridge）時，著名的土木工程師伊茲（James Buchanan Eads，1820—1887）設(shè)計過兩款試驗機[2]，其一在1869年由Shickle, Harrison & Company建造，加載能力為100噸；另一臺在1871年由Keystone Bridge Company建造，加載能力為800噸。其中，前者采用了一種光學(xué)應(yīng)變計，由項圈、銷釘、鏡子組成，當(dāng)試樣拉伸時，兩個項圈隨之產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)動被轉(zhuǎn)化為銷釘?shù)男D(zhuǎn)運動，銷釘上安裝了一面小鏡子，從中可以讀出試樣的變形量。該應(yīng)變計的放大倍數(shù)為2 400倍，可以讀出0.000 01英寸（0.2 μm）的微小變形。

利用杠桿系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)變計在當(dāng)時使用了很長時間，這些應(yīng)變計雖然解決了變形測量問題，但由于它們的尺寸和質(zhì)量較大，這使得它們在動載荷下反應(yīng)波動變化的應(yīng)變上存在較大的不足。現(xiàn)代測量中，常用的電阻式應(yīng)變片的發(fā)明則比較晚。1856年，開爾文勛爵（Lord Kelvin，1824—1907）發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變與導(dǎo)線電阻之間的關(guān)系[6]。但是到1938年麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的 亞 瑟·魯 格（Arthur Ruge，1905—2000）教授才申請了第一個電阻式應(yīng)變片的專利[6-7]，如圖7所示。不過人們也注意到，1936年加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）的愛德華·西蒙斯（Edward E. Simmons，1911—2004，1936年碩士畢業(yè)后留校工作）利用粘結(jié)在試樣上銅導(dǎo)線的電阻變化測量了沖擊載荷下材料的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系，其研究成果于1938年發(fā)表，被認為是獨立于魯格教授的應(yīng)變片發(fā)明者[8]。電阻式應(yīng)變計的測量長度可短至0.015英寸（0.038 cm），并且可檢測到每英寸0.000 001英寸（1微應(yīng)變）的小應(yīng)變。由于重量輕，它們特別適用于測量快速變化的應(yīng)變。經(jīng)過電路設(shè)計，以應(yīng)變片為傳感元件制成的各類傳感器，在試驗機、各類工程測量中獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖7 亞瑟·魯格最初的電阻應(yīng)變計的插圖[7]

3 通用試驗機的發(fā)展

材料試驗機的最初用途是科學(xué)家為了驗證某些理論而專門設(shè)計的。而后，隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，一方面在建設(shè)橋梁、大型建筑中，人們需要利用試驗機測試建筑材料的力學(xué)性能，另一方面，一些鑄造廠為了保證出廠產(chǎn)品的質(zhì)量，也需要利用材料試驗機檢驗。此時的試驗機設(shè)計與制造具有很大的專門性，而且處于從屬地位，是其他建筑結(jié)構(gòu)、材料或產(chǎn)品的伴生產(chǎn)物，自身并不是產(chǎn)品。隨著測試市場的擴大，試驗機具有了迫切成為商品的需求，但前提是試驗機也要由專用測試設(shè)備變?yōu)橥ㄓ脺y試設(shè)備，這最先在美國引起了關(guān)注。

鍋爐是工業(yè)革命的典型產(chǎn)品，當(dāng)工業(yè)革命來到美國時，鍋爐爆炸就成為最為嚴重的工程事故。例如，1850年曼哈頓一家機械車間發(fā)生鍋爐爆炸，造成60多人喪生，材料性能測試對于鍋爐產(chǎn)品的意義不言而喻。受美國財政部委托，富蘭克林研究所（Franklin Institute）在1832—1937年之間開始制造試驗機，這很可能是美國第一次制造試驗機[2]。起初美國的試驗機選用橡木制作，工作空間60英寸×14.5英寸（約1.5 m×0.37 m），杠桿比例為30:1，通過在秤盤上加重來測量載荷，并使用絲杠補充加載。最大載荷為21 000英鎊。杠桿的支點不是刀刃狀，這帶來很嚴重的摩擦，對框架本身的彈性修正的誤差為5%。首次增加了高溫測試，溫度可達1 317oF（約714 ℃）。在金屬拉伸強度測試中，這體現(xiàn)出了它的獨創(chuàng)性，如圖8所示。

圖8 1832年富蘭克林研究所的試驗機[6]

美國在1812年戰(zhàn)爭（美國與英國及盟友之間的戰(zhàn)爭）之后，成立了以生產(chǎn)Parrott rifle（一種炮）和炮彈為主的西點鑄造廠[9]。大約1850年，西點鑄造廠設(shè)計、制造了一臺通用試驗機，該試驗機可以進行拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等測試，初步具備了通用試驗機的性質(zhì)。1864年，英格蘭人Greenwood 和Batley為英國謝菲爾德（Sheffield）的Charles Cammell & Co.（一家主營鐵路材料和鋼材的公司）設(shè)計了一臺50噸的試驗機，實際上就是西點試驗機的復(fù)制品。雖然，這臺設(shè)備本身沒有什么特別之處，但它卻導(dǎo)致了世界上第一家商業(yè)測試實驗室的誕生，1865年11月25日，實驗室在英國的South Wark大街正式營業(yè)，這臺機器在很長一段時間都保持了世界范圍內(nèi)最高的測試精度[2]。

1880年2月6日，美國費城的奧爾森（Tinius Olsen,1845—1932）提交了一項專利申請：“試驗機的新的和有用的改進”，同年6月被授權(quán)，專利號為228, 214[10-11]。以此為主要產(chǎn)品，奧爾森注冊成立了世界上第一家專門設(shè)計和制造材料試驗機的公司——Tinius Olsen & CO. Machinists。奧爾森試驗機的首要特點就是它的通用性，這與當(dāng)時大多數(shù)試驗機只專用于一個測試功能形成了鮮明的對比。奧爾森第一代機被命名為“小巨人”（見圖9），可在一臺設(shè)備中準確地執(zhí)行拉伸和壓縮測試，儀器裝在一個框架中。該裝置緊湊，易于操作且價格不貴。奧爾森在其專利申請中解釋說，以前的測試機難以承受樣品上的壓力，或者摩擦力浪費了大部分的施加載荷，他設(shè)計的稱重桿構(gòu)建更加緊湊，減少摩擦吸收的功率。使得“小巨人”成為“可用于測量樣本變形的靈敏測量設(shè)備，并創(chuàng)建了測試結(jié)果的圖形記錄方式”。

圖9 奧爾森公司第一代試驗機“小巨人”[11]

自從奧爾森將試驗機變成商品以后，試驗機就走上了快速發(fā)展的道路，此后，相繼誕生了其他一些試驗機制造公司，相同的產(chǎn)品由不同的試驗機進行測試，由于測試方法、試樣缺乏標準，致使形成產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊的結(jié)果，這就迫切需要建立統(tǒng)一的測試標準。起初，由于建筑材料和冶金材料供應(yīng)商擔(dān)心嚴格的質(zhì)量控制會讓顧客更傾向于拒收貨物和違約合同，大多對設(shè)立標準持反對態(tài)度。賓夕法尼亞鐵路公司是美國19世紀最大的鐵路公司，在建立材料測試規(guī)范上，該公司的達德利（Charles Benjamin Dudley，1842—1909）起到了關(guān)鍵作用[12]。達德利認為“好規(guī)范需要同時考慮生產(chǎn)合格和服役期的優(yōu)良性能”，并擔(dān)任了鐵軌生產(chǎn)廠商和使用者之間橋梁的角色，使得鐵軌供應(yīng)商和使用者實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，這為高品質(zhì)鐵軌生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，最終使得供應(yīng)商和使用者達成一致意見，并于1898年成立美國材料與試驗協(xié)會（ASTM），材料測試從此走向了標準化。