18 ～ 19世紀材料試驗機一瞥1)

張偉偉 馬宏偉 王志華

*(東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808)

?(太原科技大學應用科學學院力學系，太原 030024)

**(太原理工大學機械與運載工程學院，太原030024)

材料力學性能是進行材料選擇、結構設計、工藝評價、產品驗收的主要依據，而獲取材料力學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，隨著工業革命的發展，鐵路、橋梁、鍋爐等產品的應用越來越多，然而，這些產品在使用過程中經常性地發生斷裂、鍋爐爆炸等災難性事故，缺乏安全可靠的材料性能參數成為當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，實現了“力與變形”的同時測試。然后，由于工程構件在使用中通常載荷為復雜載荷，單一加載方式不能滿足測試需求，又發展出了可以同時實現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理論發展、工程建設等方面的作用。

1 極限載荷測定

人們最早關注材料力學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生斷裂，由此達·芬奇對鐵絲的斷裂強度產生了興趣，他設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，荷蘭萊頓大學穆申布洛依克（Pieter van Musschenbroek，1692?1761）設計的材料試驗機，如圖1所示，因其使用了簡單機械，即杠桿，可實現連續加載，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，木質試樣直徑約5 mm，他的試驗結果記錄在他的《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家布馮（Georges-Louis Leclerc de Buffon，1707—1788）的批評[1]，布馮發現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，還與樹干軸向的方向有關，像穆申布洛依克所用的小試樣得到的數據，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的是法國在納伊（Neuilly）建造著名的塞納河石拱橋時，該橋的設計師是當時法國著名的建筑師和結構工程師佩羅內（Jean-Rodolphe Perronet，1708—1794），為了測定石材的力學性能，佩羅內采用杠桿原理設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，為了保證產品質量，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）發明了液壓機（如圖3所示）[3]，為大噸位的試驗機的發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）的工程師結合液壓機發明了纜繩試驗機，它沒有像杠桿那樣的“稱重”裝置，而是采用了壓力計來測量，不過具體的技術細節已不清楚，也有人猜測它很可能采用了可調節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，該設備具備了與現在的設備相近的基本原理，采用液壓系統加載，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）創始人，布朗（Samuel Brown，1776—1852）設計了一個纜繩檢測設備，采用了齒輪傳動提供載荷和螺絲補償應變，它的齒輪比為1:100，載荷大小由杠桿“稱重”給出，這個設備一直使用到20世紀初[2]。此后，液壓裝置、齒輪傳動等新技術與杠桿結合，逐漸成為試驗機的發展趨勢，商業需求極大地推動了試驗機的快速發展。

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，在材料發生破壞時記錄最終載荷即可，但就材料而言，其力學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出了它的不足。而實際上，人們對于材料力學性能的進一步認識，還依賴于在相應的載荷下對材料變形測定。大約1833年，德國應用力學家格斯特納（Franz Joseph Ritter von Gerstner，1756—1832）設計了杠桿式應變計[5]，實現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性能奠定了基礎。

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點設置一個傳動裝置，通過旋轉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。當扭動旋鈕時，長桿CA發生上下傾斜，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“力–變形”的實驗裝置[5]

式中，Fmax和 ?lmax是待定常數，F和 ?l是試驗中的過程量。顯然，根據式（1），力和變形滿足二次拋物線規律，現在我們知道這并沒有真正反應材料的力學性能。格斯特納對鋼琴線、普通鐵絲、剛發條等進行了不同的系列試驗，發現實驗與計算之間只有很小的偏差，表明該設備具有較高的測試精度。此外，當 ( ?l/?lmax) 較小時，式（1）可以被認為滿足線性關系，并區分了材料的彈性變形和塑性變形，以及加工硬化現象。特別是加工硬化，他曾建議橋梁工程師們應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別，但他并沒有明確提出屈服極限的概念。1830年，法國科學家彭賽列（Jean-Victor Poncelet）的《關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應變計，由項圈、銷釘、鏡子組成，當試樣拉伸時，兩個項圈隨之產生相對轉動，同時轉動被轉化為銷釘的旋轉運動，銷釘上安裝了一面小鏡子，從中可以讀出試樣的變形量。該應變計的放大倍數為2 400倍，可以讀出0.000 01英寸（0.2 μm）的微小變形。

利用杠桿系統和光學系統設計的應變計在當時使用了很長時間，這些應變計雖然解決了變形測量問題，但由于它們的尺寸和質量較大，這使得它們在動載荷下反應波動變化的應變上存在較大的不足?，F代測量中，常用的電阻式應變片的發明則比較晚。1856年，開爾文勛爵（Lord Kelvin，1824—1907）發現了應變與導線電阻之間的關系[6]。但是到1938年麻省理工學院（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年加州理工學院（California Institute of Technology）的愛德華·西蒙斯（Edward E. Simmons，1911—2004，1936年碩士畢業后留校工作）利用粘結在試樣上銅導線的電阻變化測量了沖擊載荷下材料的應力–應變關系，其研究成果于1938年發表，被認為是獨立于魯格教授的應變片發明者[8]。電阻式應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微應變）的小應變。由于重量輕，它們特別適用于測量快速變化的應變。經過電路設計，以應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用。

圖7 亞瑟·魯格最初的電阻應變計的插圖[7]

3 通用試驗機的發展

材料試驗機的最初用途是科學家為了驗證某些理論而專門設計的。而后，隨著工業化進程的發展，一方面在建設橋梁、大型建筑中，人們需要利用試驗機測試建筑材料的力學性能，另一方面，一些鑄造廠為了保證出廠產品的質量，也需要利用材料試驗機檢驗。此時的試驗機設計與制造具有很大的專門性，而且處于從屬地位，是其他建筑結構、材料或產品的伴生產物，自身并不是產品。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備變為通用測試設備，這最先在美國引起了關注。

鍋爐是工業革命的典型產品，當工業革命來到美國時，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生鍋爐爆炸，造成60多人喪生，材料性能測試對于鍋爐產品的意義不言而喻。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，這體現出了它的獨創性，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年戰爭（美國與英國及盟友之間的戰爭）之后，成立了以生產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、彎曲和扭轉等測試，初步具備了通用試驗機的性質。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）設計了一臺50噸的試驗機，實際上就是西點試驗機的復制品。雖然，這臺設備本身沒有什么特別之處，但它卻導致了世界上第一家商業測試實驗室的誕生，1865年11月25日，實驗室在英國的South Wark大街正式營業，這臺機器在很長一段時間都保持了世界范圍內最高的測試精度[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，專利號為228, 214[10-11]。以此為主要產品，奧爾森注冊成立了世界上第一家專門設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，這與當時大多數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），可在一臺設備中準確地執行拉伸和壓縮測試，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，他設計的稱重桿構建更加緊湊，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備，并創建了測試結果的圖形記錄方式”。

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，致使形成產品質量良莠不齊的結果，這就迫切需要建立統一的測試標準。起初，由于建筑材料和冶金材料供應商擔心嚴格的質量控制會讓顧客更傾向于拒收貨物和違約合同，大多對設立標準持反對態度。賓夕法尼亞鐵路公司是美國19世紀最大的鐵路公司，在建立材料測試規范上，該公司的達德利（Charles Benjamin Dudley，1842—1909）起到了關鍵作用[12]。達德利認為“好規范需要同時考慮生產合格和服役期的優良性能”，并擔任了鐵軌生產廠商和使用者之間橋梁的角色，使得鐵軌供應商和使用者實現了數據共享，這為高品質鐵軌生產奠定了基礎，最終使得供應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會（ASTM），材料測試從此走向了標準化。