材料力學性能檢測是對鋼鐵材料的各種力學性能指標進行測定的一項必不可少的工作。試驗所獲得的材料的強度、韌性等性能參數，對于工程設計應用和材料研究都具有很重要的參考價值，較多場合是直接以試驗結果為使用依據的。

突發的新型冠狀病毒肺炎疫情讓整個制造業遭遇不小的危機，鋼鐵行業是一個傳統但又非常特殊的行業，相關試驗室又是相對封閉和人員密集的工作場所，不論是日常生產還是在疫情陰霾下，試驗室檢測工作都面臨諸多風險。如何讓試驗室利用先進技術提高自動化檢測和抗風險的能力，在特殊情況下也可以穩定、高質量、無人值守地開展檢測工作，值得業內同行思考。

近年來隨著我國智能制造熱流的掀起，國內鋼鐵企業檢測系統已經在許多領域實現了全流程的自動化。國內一些大型鋼鐵企業的力學試驗室，依靠多套全自動拉伸試驗機（如圖1）每天可輕松完成1000多件拉伸試樣的自動檢測。在疫情常態化的情況下，自動化技術在鋼鐵行業試驗室的運用，充分彰顯出快速復工復產的優勢，危機下不需要多人值守的自動化試驗室，繪畫出智慧試驗室光明的未來。

鋼鐵企業常規力學性能檢驗項目及特點

要建設好一個自動化力學試驗室，必須要了解試驗室的檢測流程、特點，掌握當前試驗機和自動化、智能化等最新技術的發展狀況。

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鋼鐵企業常規力學性能檢驗項目

鋼鐵企業常規力學性能檢驗流程是先將樣坯加工成符合標準的試樣，然后按不同檢驗項目在相應試驗機上進行試驗，得出并上傳試驗結果，其主要檢驗項目和涉及設備見表1。

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鋼鐵企業成品力學性能檢驗特點

鋼鐵企業成品力學性能的檢驗量大，設備要耐用；其產品規格相對集中、檢驗項目相對簡單，設備要專業化配置；檢驗周期緊，來樣不均勻，設備配置要有一定的富余量；對檢驗的精度要求相對較低，主要判斷產品是否合格。

建設自動化力學檢測試驗室的關鍵技術

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全自動拉伸試驗機

試驗時試驗人員根據自動接收到的試驗順序等試驗要求，將經過打標的試樣用機械手放入試樣架內或通過AGV（自動導引運輸）小車送達指定的位置→機械手根據預先在試驗程序上設置好的試樣位置抓取試樣→進行試樣長度測量→進行試樣平行部分位置對中測量→試樣橫截面尺寸測量（可取n次測量數據的最小值或者平均值等）→機械手將試樣放置到試驗機（見圖2）測試位置，在確保按平行段對中的情況下自動調用預定的試驗方法進行試驗→試驗結束后機械手自動取下斷樣→自動分揀合格與不合格試樣→試驗數據自動保存并發送給上位機。

下面介紹一下上海申力試驗機有限公司為滿足用戶個性化需求開發的全自動拉伸試驗機專項技術的運用實例：

（1）帶全自動引伸計的電子拉伸試驗機的普及，特別是視頻引伸計的開發運用，加速了應變硬化指數n值（需配置縱向激光引伸計）和塑性應變比r值（需配置縱向激光引伸計+橫向視頻引伸計）等全自動測量技術的發展（見圖3）。視頻引伸計技術的運用也克服了由于試驗室在試樣加工過程中經常產生的試樣平行部分加工尺寸偏長，因此試樣容易斷在引伸計標距外或標距附近難以準確測量斷后伸長率的難題。

（2）常規的全自動拉伸試驗機在試驗結束后，機械手自動取下斷樣→自動分揀合格與不合格試樣→機械手將斷樣扔到對應的料框里。但經常會碰到有些重要的、異常的斷樣需要試驗室保留以備查驗等情況，傳統的模式是試驗室人員要等這一批次試驗全部完畢后再按編號在留樣框里翻找拼接，這種方式原始繁瑣、效率低。現在斷樣收集專用料斗的配套設計（見圖4），機械手可以按需按組收集需要保留的斷樣，大大方便了試樣留存工作。

現在線材盤圓盤螺拉伸試樣矯直方法主要有3種，即手工敲打矯直、機械沖壓矯直、多次彎曲矯直等。

手工敲打矯直。人工用木錘、橡皮錘或銅錘等進行敲擊達到矯直的目的。其缺點一是在敲擊過程中試樣容易反彈，安全性差；二是由于是人工敲擊，敲擊后的平直度相對較差，用引伸計測量時影響測量數據的真實性；三是敲擊點對試樣會產生局部加工硬化，性能檢測的均勻性相對較差，且影響程度不可控制；四是人工矯直的勞動強度高，工作效率低。

機械沖壓矯直。采用3點彎曲方式，用試樣下方放置行程限位的方式進行沖壓矯直，勞動強度不高，工作效率高、矯直點有局部硬化現象、對試樣性能檢測數據有較大的影響。

多次彎曲矯直。采用類似軋鋼機軋輥的形式達到矯直的功能，此矯直方式有兩種：一是對壓方式，兩個壓輥相對安裝，產生擠壓彎曲。勞動強度低、工作效率高、矯直效果尚可、有硬化現象、對試驗數據有影響。二是采用多輪交叉安裝矯直方式，對試樣只產生彎曲作用，不產生擠壓力，勞動強度低、工作效率高、矯直效果良好、有輕微硬化現象、對性能的影響相對較小。

目前絕大部分試驗室都是采用人工矯直的方法，上海申力試驗機有限公司在常規全自動試驗機里配套開發的全自動盤條多輪交叉彎曲矯直系統（見圖5），比較完美地避免了用其他方式在矯直過程中缺陷的產生。

對有一定弧度的盤條試樣進行全自動機械矯直是全自動檢測發展的趨勢，其與通過人工矯直等方式檢測所得到的數據肯定會存在差異。山東永鋒鋼鐵試驗室聯合上海申力試驗機有限公司就這個問題開展了驗證試驗，驗證結果見表2。

表2 人工矯直和機械矯直的拉伸性能對比

由表2可知，人工矯直和全自動機械矯直的抗拉強度和斷后伸長率基本相同；屈服強度有10 MPa左右的差異，雖然在精度控制范圍之內，但也需要進行具體的分析，其性能差異與線材加熱溫度和冷卻速度不均勻等引起的材料組織差異、與螺紋鋼引伸計的裝夾方式等都有關系。

盤條產品在工程的使用過程中，終究還是要通過拉直或其他方式矯直后才可以使用，這就迫切需要在產品標準或技術協議中統一檢測方法，否則新的檢測技術就無法發展。

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全自動沖擊試驗機

十年前，國內部分鋼鐵企業試驗室從國外引進了推桿式全自動沖擊試驗機，之后國內的試驗機廠家也仿制了這種類型的全自動沖擊試驗機。由于結構上的原因，此類全自動沖擊試驗機在使用過程中經常會發生如下5個缺陷或問題。

（1）沖擊試樣制冷裝置經常會產生結霜現象，特別是制冷溫度越低，和環境溫差越大，結霜現象越嚴重，容易因結霜對推桿系統造成阻力，使得推送機構經常發生卡死等狀況。

（2）送樣過程中，沖擊試樣在試驗機砧座40 mm的跨距間容易掉樣。

（3）試驗過程中，沖擊試樣機砧座上黏接的毛刺無法自動清除，影響試樣的定位精度。

（4）在GB/T 229-2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準中8.2.2款規定：當使用液體介質冷卻試樣時，試樣應在此溫度上保持至少5min。當使用氣體介質冷卻試樣時，試樣應在規定溫度下保持至少20min。但此類全自動沖擊試驗機的冷卻方式是屬于氣體還是液體冷卻方式至今不明確，經常造成甲乙雙方在保溫時間設定上有分歧。即將頒布實施的新版GB/T 229標準，已經在修訂的過程中將此類的冷卻方式明確為氣體介質冷卻，且試樣應在規定溫度下保溫時間至少由20min提高到30min。

（5）此類全自動沖擊試驗機在試驗過程中由于是采用端面定位方式，沖擊試樣的缺口對稱面至端部距離27.5 mm的長度尺寸公差的加工要求由±0.42mm上升到±0.165mm，為了這個加工尺寸公差的提高，就需要將原來的加工工藝發生較大的改變，花費更長的加工時間。

以上的5種問題大大影響了鋼鐵企業在大生產檢驗中的沖擊試樣加工和試驗的工作效率，所以這種類型的全自動沖擊試驗機至今尚未實現普及應用，或制冷送樣裝置被棄之不用。

上海申力試驗機有限公司新開發的全自動沖擊試驗機（見圖6），完全克服了上述推桿式全自動沖擊試驗機的問題。試驗時試驗人員根據自動接收到的試驗順序、試驗溫度等試驗要求，將沖擊試樣通過機械手放置到可以按照指令自動制冷控制的低溫槽→達到規定溫度的保溫時間→沖擊試驗機自動取擺→機械手自動快速抓取轉移經過冷卻后的試樣，通過對中系統送到指定位置→沖擊試驗機自動放擺沖擊→試驗機自動分揀合格與不合格試樣→試驗數據自動保存并發送給上位機。新開發的全自動沖擊試驗機完全符合新版GB/T 229標準的各項要求，如試樣從冷卻裝置中移出至打斷的時間精確掌控，轉移裝置與試樣接觸部分應與試樣一起冷卻等要求。

鋼鐵材料力學檢測自動化有待突破的關鍵技術

（1）激光引伸計、視頻引伸計、全自動引伸計、高低溫引伸計等主要配套件的國產化。

（2）全自動彎曲試驗機和彎曲試驗結果的自動判定技術。

（3）對沖擊和落錘試樣斷口的自動判定技術。

結束語

（1）目前我國智慧試驗室的建設工作還處于初級階段，許多相關技術還不成熟，試驗室要根據自己擬突破的關鍵工序、根據現有場地和資金等情況，結合技術的發展來綜合考慮規劃。對于項目實施可能3 a（年）年不見效、項目中新技術含量超過三分之一的項目，建議要慎重考慮，切忌盲目跟風。

（2）我國現在高端試驗機還是被歐美等國際品牌的試驗機公司所壟斷。部分國內用戶的需求定位也不合理，造成資金和引進設備的浪費，同時也阻礙了我國試驗機技術的發展。

（3）要積極倡導國內相關試驗室與試驗設備制造企業合作開發關鍵技術和產品，在高檔或專用試驗設備的研發制造方面取得重大突破，促進試驗設備在自動化技術方面水平的提升，切實減少高檔試驗設備的進口數量。