一種材料抗彎性質(zhì)的測量方法及其測試儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種材料抗彎性質(zhì)的測量方法及其測試儀器，其屬于理論力學(xué)、應(yīng)用 力學(xué)與實驗力學(xué)研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)理論力學(xué)、應(yīng)用力學(xué)與實驗力學(xué)對材料的抗彎性質(zhì)缺乏足夠的認(rèn)識，目前，度 量抗彎性質(zhì)的參數(shù)選擇是根據(jù)傳統(tǒng)力學(xué)的強度理論將抗彎強度作為衡量材料抗彎性質(zhì)的 指標(biāo)。實際上，抗彎性質(zhì)有多種指標(biāo)，如抗彎程度、可彎程度、瞬間抗彎能力、長時間抗彎能 力都是度量材料抗彎性質(zhì)的指標(biāo)。最主要的是，根據(jù)傳統(tǒng)理論沒辦法預(yù)測材料在什么情況 下會彎曲到什么程度。因此，傳統(tǒng)抗彎理論與測試方法都是不完善的。
[0003] 具體來說，在傳統(tǒng)理論力學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、實驗力學(xué)基礎(chǔ)上，能夠通過實驗來確定材 料的抗彎強度，即能確定抵抗瞬間作用量的極限值，也就是在保持一定變形限度范圍內(nèi)能 夠抵抗最大作用力的極限值。但是，由于缺乏作用量概念，同時缺乏度量材料抗彎性質(zhì)的正 確標(biāo)度概念，難以通過實驗確定材料抵抗作用量的極限值，難以確定材料抗彎或可彎程度 標(biāo)度值，即難以確定彎折變形中材料的虛度和實度。所以，傳統(tǒng)抗彎理論與測試方法存在一 定缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對傳統(tǒng)抗彎研究理論與測試方法存在的缺陷，提供一種根據(jù)作用學(xué)研究 理論而研究的材料抗彎性質(zhì)的測量方法及其測試儀器。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0006] 彎折是一類特別的作用方式，其變形表現(xiàn)是特殊的，其相應(yīng)的性質(zhì)特征與其它作 用方式下表現(xiàn)出來的性質(zhì)特征也有很大區(qū)別。在彎折變形現(xiàn)象中，彎折變形量或變形速度 與變形點的位置有關(guān)。如圖1所示，作用力F作用在桿狀物體一端的C點上;A點只受約束作 用，其約束力即阻力為辦;B點也只是接受一種被動的約束阻力，其值為R 2;在B點與C點之間， 桿狀物上任意點P接受的不平衡彎折作用驅(qū)動力通過傳遞獲得，其值為P = 在B點與C r 點之間，桿狀物上的任意點P接受的來自阻力仏的傳遞量為A = 在B點與A點之間，任 r 一點P也受兩個力，其值分別為< =一&和= .同時，由桿狀物體本身性質(zhì)決定生成 r r 的一種力，叫抗彎折力，記為f.p點處的抗彎折力用f表示。除了以上力以外，p點還接受一 種通過傳遞而得到的一對能夠互相抵消的平衡力，其大小分別為μ =>夂和 好" =/^-廣二4(廠+ /?|)，這兩個力的和總是等于零，即，=1^2+1^=0總是成立。驅(qū)使？點 r 形成彎折位移的動力主要由K、IT dPf共同產(chǎn)生。根據(jù)作用學(xué)，P點在彎折作用控制下遵守 兩個基本方程：
[0007] ①不平衡運動方程
[0008]
[0009]式中，F(xiàn)、表示P點接受的虛作用力;E'表示P點在彎折變形中表現(xiàn)出來的虛度，BP 可彎折程度;F'表示P點接受的彎折作用驅(qū)動力;f表示桿狀物體自身產(chǎn)生的抵抗彎曲變形 的一種阻力;π/表示P點處桿狀物體的受作用和位移質(zhì)量;a'表示π/的位移加速度;F、使π/ 產(chǎn)生位移動量。
[0010]②克抗作用方程
[0011]
[0012] 式中，F(xiàn)S表示Ρ點接受的實作用力；f表示Ρ點在彎折變形中表現(xiàn)出來的實度，ΒΡ 不可彎折程度;K T用于克服抗彎阻力，與f抗衡。
[0013] 正因為接受的這種特殊的作用狀態(tài)，才造就了桿狀物體變形的特殊性和其性質(zhì)的 特殊性。在作用控制下，桿狀物體上除了有約束的A點和B點保持原位不變外，其它點都在這 個不平衡作用控制下形成變形位移，但各個不同點的變形位移量大小都被特定大小的不平 衡作用量限制。如果力F值不變，作用點位置C改變了，r值相應(yīng)改變，桿狀物體的彎曲變形狀 態(tài)將發(fā)生改變。所以，彎曲試驗必須考慮作用點與變形之間的關(guān)系。
[0014] 當(dāng)作用力很小時，桿狀物體不發(fā)生彎曲變形;稍大些時只產(chǎn)生可恢復(fù)的彎曲變形； 當(dāng)作用力大到一定程度時，材料產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形即塑性變形;再大將會產(chǎn)生破裂 或斷裂變形。在測試中一般要逐漸加載到破裂或斷裂變形為止。如果桿狀物在作用下產(chǎn)生 的彎折變形是可以恢復(fù)的，即應(yīng)力消除后，彎折變形隨即消失，那么，就說彎折變形是彈性 彎折變形。彈性彎折變形的極限值叫彎折變形的彈性極限，記為 Xmax;產(chǎn)生彎折變形彈性極 限的力叫彎折變形彈性極限力，記為Fmax;產(chǎn)生彎折變形彈性極限值時的虛度是彈性彎折變 形范圍內(nèi)允許產(chǎn)生彎折變形的最大程度，稱為彈性彎折虛度的極限值，記為E max.當(dāng)彎折力 超過Fmax、虛度超過Emax時，彎折變形不再可以恢復(fù)了。不能恢復(fù)原狀的彎折變形為塑性彎折 變形。只要在超過彈性極限、產(chǎn)生塑性彎折變形、但仍保持桿狀物體整體性、不出現(xiàn)斷裂破 壞，都產(chǎn)生塑性彎折變形。產(chǎn)生最大塑性彎折變形的力叫彎折變形塑性極限力。當(dāng)彎折應(yīng)力 超過該力時，桿狀物體將出現(xiàn)斷裂破壞。本發(fā)明的測試一般要逐漸加載到超載破壞程度的 作用力。
[0015] i、彎折作用條件下脆性桿狀材料的虛度和實度的測量方法
[0016] 根據(jù)作用學(xué)，桿狀物體上任意受作用點P接受的虛力F、與力K之間的關(guān)系式為F、 iEW'.其中，系數(shù)E'表示材料任意彎折點的可運動程度，叫虛度。該虛度值的測量方法如 下：
[0017] 相麻X琢云奸古班才
[0018]
[0019]測量桿狀物體上任意一點P的變形位移Y或變角即BP與AC兩條直線線段之間的夾 角Θ、變化時間t，獲得P點的位移速度、加速度變量;然后，確定在無任何阻力條件下，式F'= π/ a中的a值將是多大;最后，根據(jù)公式 [0020]
[0021]來求得虛度E'值。式中，a'表示P點的實際位移加速度;a表示P點僅在作用力F'控 制下自由運動、不接受任何阻力條件下的運動加速度。
[0022]據(jù)作用學(xué)，桿狀物體上任意受作用點P接受的實力力FS與力F'之間的關(guān)系式為FS ifF'.其中，系數(shù)f表示材料上任一點P的不可動程度或抗彎程度，叫實度。實度值根據(jù)公 式T'+E' =1來求得，即實度為
[0023]
[0024] 該方法適合研究脆性材料在彎折作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)。脆性材料對力的傳遞規(guī) 律遵守方程，、巧=;&所揭示的作用傳遞規(guī)律。 r r
[0025] ?、抗彎強度的測量方法
[0026] 根據(jù)作用學(xué)，材料的抗彎強度就是指桿狀材料任意點Ρ處質(zhì)量π/抵抗彎折作用力 的極限值。即材料Ρ點的極限抗彎強度的計算公式為
[0027] F7 max = .
[0028] 根據(jù)該公式，逐漸加載，一直加載到桿狀物體出現(xiàn)極限變形為止。當(dāng)極限變形量出 現(xiàn)時的加載力F就等于材料的極限抗彎強度。
[0029]在傳統(tǒng)力學(xué)基礎(chǔ)上也能夠確定材料的最大抗彎折力。但是，力學(xué)不考慮不同作用 點、不同變形點的最大抗彎折力之間的統(tǒng)一與差異。
[0030] 由于物質(zhì)成分相同、但粗細(xì)不同的桿狀物，其抗彎表現(xiàn)不同，所以，為了測試數(shù)據(jù) 具有對比性，必須計算單位橫截面的抗彎能力數(shù)據(jù)。單位橫截面的抗彎能力為
式中，S表示桿狀物體的橫截斷面面積。
[0031] m、彎折變形中桿狀材料彎折材料性質(zhì)差別的研究方法
[0032] 在彎折變形實驗中可以看到許多不同變形狀態(tài)，如圖3中的a、b、c三種變形狀態(tài)有 著明顯差別。這種差別現(xiàn)象的出現(xiàn)關(guān)鍵在于桿狀物上各點處的性質(zhì)存在差別。
[0033] 桿狀物在彎折作用下首先出現(xiàn)破壞性變形的地方往往處在B點附近或其它薄弱點 處。為什么會這樣呢?這個問題可以這樣回答:決定彎折點是否破裂的因素主要有兩個，其 一是作用因素;其二是破裂點的性質(zhì)。當(dāng)控制力K達到了使該點破裂的極限值時，該點就會 出現(xiàn)破裂變形;不該首先出現(xiàn)破裂的點，結(jié)果在測試中首先出現(xiàn)了破裂，說明該點的強度較 小，虛度較大，實度較小。那么，該怎樣認(rèn)識和測量破裂點的性質(zhì)呢？
[0034]如圖4所示，破裂點即突變點的可彎折性質(zhì)即虛度的突然增大，表現(xiàn)為該點保持受 作用體整體性的能力在該點處突然劇烈減小，但位移量并不在該點處增大，而是在P點與C 點之間的各個受作用點的位移距離增大，以P點為中心的彎折角度增大。這說明P點處抗變 力的減小量Λ?·直接傳遞給了這些點。由于破裂點性質(zhì)的變化，使得桿狀物體受作用狀態(tài)發(fā) 生了根本性的改變，桿狀物體上受力點接受的作用力不再能夠按照公式^ = 和 r 斗=^爲(wèi)所揭示的傳遞規(guī)律傳遞給任意點P了，所以，當(dāng)P點破裂時，即當(dāng)圖4中P'點斷裂時， r 桿狀材料的P'與c點之間的各個受作用點接受通過傳遞而來的f :幾乎完全消失，控制這 些點位移的力主要是由F通過桿狀物中P'與C'點之間的物質(zhì)傳遞而來的F'，其它力都不重 要了。要想掌握首先破裂點的位置，必須在實驗中獲得各點性質(zhì)差別的信息。
[0035] 根據(jù)作用學(xué)，可以通過計算相鄰兩點的虛度差或?qū)嵍炔顏碚J(rèn)識它們之間的性質(zhì)差 另IJ。假設(shè)相鄰兩點的虛度分別為E' 1+1，那么，差值Δ fE' 1+1^ I就是度量相鄰兩點的 虛度差異量。如果A 1 = 0,那么，兩點的性質(zhì)沒有差別；如果Δ矣〇,但桿狀物體在作用彎折 控制下生成的任意虛度差等于常數(shù)，即A 1 =常數(shù)，那么，桿狀物在彎折作用下各點的虛度 構(gòu)成均差變化;如果出現(xiàn)了某一個差值明顯大于其它差值，那么，該處是薄弱點，也可能是 強勢點。突變點即斷裂點將出現(xiàn)在這里。
[0036] 據(jù)研究，在實驗中出現(xiàn)的性質(zhì)差別可以通過桿狀材料彎曲曲線上相鄰點的切線之 間的夾角來表現(xiàn)出來。這里將叫做彎曲切線增量角。當(dāng)虛度值均勻變化時，=常數(shù);當(dāng)斷 裂點出現(xiàn)時，9 1值就會突然劇增。在斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)之前，薄弱點或斷裂點的切線增量角也會 大于其它切線增量角。為此，本發(fā)明引入了如下公式來計算桿狀物體上各處虛度的變化量：
[0037]
[0038] 其中，C =常數(shù)，可根據(jù)情況選擇C = 90°、C=180°或C = 360° .脆性材料選擇C = 90° ;可彎性很大的材料選擇C = 360° ;可彎性一般的材料選擇C=180° .
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