【检测表征】你了解历史上第一台万能材料试验机是如何诞生的吗？

历 史 背 景

早在19世纪，随着美国工业化势头的增强，以及内战结束后不久全国各地开始兴建新建筑，人们越来越需要更好的方法来测试机械和建筑中使用的材料性能。在此之前，人们对材料的了解完全是经验性的。由于在使用之前没有办法测试材料的强度，因而很可能会导致建筑物倒塌或爆炸。

从19世纪50年代开始，人们开发了许多测试材料的设备，但研发出万能材料试验机仍然具有一定的难度。直到1880年，失业的挪威移民Tinius Olsen设计了这个现在著名的“Little Giant”（小巨人），为其申请了专利，并终于研发出一台用于横向、拉伸和压缩试验的设备，它们一起放在一台仪器中。

1880年挪威移民Tinius Olsen于全球率先研制出多功能一体化材料试验机

自此，Olsen材料试验机的设计原理成为后来全球研制所有测试设备的基础。而Tinius Olsen试验机公司至今仍在生产创新的领先材料试验解决方案，该公司于2020年庆祝了其连续运营140周年纪念。

全球首台材料试验机的诞生

Olsen奥尔森1845年出生于挪威康斯伯格。他是一个木制枪械制造者的八个孩子之一。1866年，他以全班第一的成绩从霍顿技术学校毕业，成为一家大型海军机械厂机械部的领班。奥尔森不喜欢这份工作，在英国纽卡斯尔找了份工作后就去了美国。

1869年8月，24岁的奥尔森来到费城，在威廉·塞勒斯公司找到了一份设计师的工作。奥尔森开始在当地的路德教会参加周日的圣经课程，在那里他遇到了一个小型制作车间的老板——Riehlé兄弟。他们收到了一份紧急请求，需要一台机器来测试样板的强度。

当时，还没有这样的装置存在，而且脆弱的金属板材料经常引起锅炉爆炸，特别是在密西西比河航行的汽船上。兄弟俩请奥尔森为仪器绘制工程图纸，他在业余时间为第一台样板拉伸试验机设计并绘制了精确的计划；它的上限为40000磅力。

由Riehlé兄弟制造的新设备证明是成功的，但很快就出现了对更大型号的需求。奥尔森被要求负责这个车间，1872年，他成为Riehlé工厂的厂长。在那里的八年里，他帮助建立了一家同时生产试验机和弹簧的公司。

他对新兴材料测试领域的开创性贡献包括用于机车锅炉、桥梁建设和其他工业产品的立式和卧式材料试验机。1876年费城百年博览会展出了许多这样的机器。然而，这些专利仍然是他的雇主的财产。1879年，费城著名的科学研究和信息中心富兰克林研究所的科学和艺术委员会任命了一个小组委员会调查奥尔森的试验机。

根据委员会的报告，这些机器“操作方便、比例合适、设计美观、精度高”，也许正是这种赞扬促使奥尔森要求里Riehlé让他成为合作伙伴，但他们拒绝了。1879年底，他被告知他的服务将在年底终止。然而，此时的奥尔森对一种革命性的设备充满了想法：一台通用测试机。

在妻子夏洛塔的支持下，他开始为自己的新机器绘制图纸。夏洛塔是首批获得医学学位的斯堪的纳维亚裔美国女性之一。奥尔森于1880年2月6日提交了一份“试验机新的有用改进”专利申请。这项专利号为228214的专利于1880年6月1日授予。

当时，在那个年代，大多数材料测试都需要不同的机器，并且每台机器都专用于单一的测试功能。但奥尔森的小巨人可以在一台仪器中准确地进行横向、拉伸和压缩试验，该仪器安装在一个框架内。该设备并不昂贵，而且结构紧凑，操作简单。

首台材料试验机的特点

奥尔森在他的专利申请中解释说，试验机以前在摩擦中浪费了大部分的应用功率，或者在对样品施加压力时有困难。他建议减少摩擦吸收的功率，使称重杆更加紧凑，为梁上的重量提供自动运动，并提供“用于测量试样变形的灵敏测量装置，以及用于以图形方式记录和说明相同变形的装置。

这个小巨人是一个垂直模型，从上到下对要测试的样本施加作用力。上部和下部加载十字头包含夹具，当操作员转动连接到齿轮系统的手柄时，夹具将试样拉开或握住并压碎。

对于拉伸试验，当下部十字头被拉下时，试样被固定在上部十字头和下部十字头之间，固定的上部十字头将力通过垂直框架传递到其下方的称重台上。反过来，该表通过杠杆将力传递给称重梁，在杠杆处对载荷进行量化。将试样置于下十字头下方进行压缩试验；这会向下推压试样，然后将试样向下推压在称重台上。

在横向试验中，试样再次位于称重台和十字头之间。在这里，荷载集中在较长试样的中心，如钢梁或铸铁件。承重架设计不是奥尔森唯一的新想法。它的装载和称重系统也比以前的做法有所改进。称重杠杆大大减少了空间需求，齿轮和螺钉系统可以对试样施加受控力。作为可选附件的电机可自动用于移动梁上的平衡或重量，而无需操作员触摸。这个小巨人除了提高了精度外，还提供了其测量的图形记录。橡胶垫和弹簧提供了损伤保护，避免了一个难题——当试样断裂时，试验机经常损坏。由于所有上述这些创新，奥尔森的设备被认为是所有试验机的基础。

专业公司成长记

在费城一家老牌公司拒绝接受新产品后，奥尔森的妻子说服他自己创业。他们俩只有几千美元，但他设法在费城第12街500N号建立了自己的工作室Tinius Olsen&Co。很快，他就从他的老雇主里Riehlé兄弟手中夺走了生意。

奥尔森拒绝欠债，但他的妻子决心观看这台机器的展出，于是她典当了自己的钻石戒指，以筹集资金，将这台小巨人送去亚特兰大和辛辛那提的工业博览会。这台机器在两次展览中都获得了金牌。

1890年Tinius Olsen&Co公司员工合影

第二年，奥尔森获得了有史以来第一台200000磅力测试机的订单，他还制造了一台测试羽毛抗拉强度的机器，作为他多样性的一个例子。此后几十年，奥尔森继续在试验机领域进行创新。1891年，富兰克林研究所授予他艾略特·克雷森（Elliot Cresson）金质奖章，以表彰他的自动记录试验机，该试验机产生了易于解释的永久性应力-应变结果记录。

联邦政府在1908年订购了一台1000万磅的机器，直到20世纪中叶，这台机器仍然是世界上最大的试验机。多年来，他获得了其他荣誉，包括挪威国王颁发的奖章。奥尔森于1929年从公司退休，1933年去世。他在1880年创办的公司Tinius Olsen&Co仍然由他的后代经营，现在已经是第五代了。

Tinius Olsen&Co公司产品