材料性质测量的作用学方法及其测量仪器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种材料性质测量的作用学方法及其测量仪器，其属于理论力学、应用力学与实验力学研究领域。它根据作用学，变形不仅与力的大小有关，而且与作用量的大小有关，得出研究变形的基本规律方程式为可通过测量各参数值得出：应力?应变关系一般关系规律、极限应力与应力、实度、虚度之间统一关系规律、材料在一定时限内保持不变形所能抵抗的最大作用量、材料实度和虚度及其变化规律、虚度和实度的取值研究方法。本发明的有益效果是：基于作用学理论，给出了关于材料抗变强度和虚度或实度问题研究的新理论与新公式；利用材料强度与作用应力、材料的实度之间关系新理论和新方法，适用于解决各种材料强度测试、计算和各种材料性质的评价问题。
【专利说明】
材料性质测量的作用学方法及其测量仪器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种材料性质测量的作用学方法及其测量仪器，其属于理论力学、应 用力学与实验力学研究领域。
【背景技术】
[0002] 传统理论力学、应用力学与实验力学对材料性质本质含义存在模糊认识，所以，长 期以来，用于表征力学性质特征的标度值选择始终不够准确。在理论力学、应用力学和实验 力学中，用于表征材料性质的标度值主要是根据胡克定律发展的各种系数和模量。这些系 数或模量往往是不准确的，根本不代表材料性质的客观含义。200多年来，对材料性质参数， 人们始终存在一些错误认识。这种错误认识包括如下几方面：1)、认为表征材料性质的参数 是常数。实际上，材料性质参数都不是常数，都是变数。随着作用量大小和作用环境改变，材 料性质都会相应发生变化。2)、将用于建立力与变形量之间关系的力学等式中使用到的调 整系数如胡克系数、弹性模量等看作是表征材料性质的参数，并认为这些参数是常数。而实 际上，这种参数根本不是表征材料性质的参数，更不是常数，而是包含了一些不相干概念和 关系的一种隐函数。3)、歪曲认识材料性质的客观含义。认为材料的抗变性质就是材料抵抗 力的性质。这种观念持续了很长一段历史时期，直到现在人们还是坚持这种认识。材料性质 的正确定义是:材料在任意作用下表现出来的可变性质或不可变性质。力与作用是两个不 同概念。作用是指自然界中存在的各种相互作用现象，作用现象的量叫作用量。而力仅等于 单位时间或瞬间形成的作用量。因此，力并不能完全代表作用。一般来说，同一种材料，接受 不同作用，其表现出来的可变性质就不同。材料的性质是指材料在接受作用条件下表现出 来的可变化性质或不可变化性质，可变化率大还是小或不可变化率大还是小，并不是联结 力与变形位移之间关系的调整系数。再者，材料在瞬间能够抵抗作用量的大小并不等于材 料在长时间作用条件下能够抵抗作用量的大小。瞬间抵抗作用的能力是抵抗力的能力，长 时间抵抗作用的能力是抵抗作用量的能力。因此，度量材料性质的标度值有必要区分为接 受瞬间作用的度量值和接受长时间作用的度量值。根据作用学研究，度量瞬间作用条件下 的材料性质和度量一段时间材料的性质的标度值都可以用同一个参数(虚度或实度)来表 述，但是，这个参数是变化的。即，瞬间作用条件下材料的虚度或实度是一种确定的数，而在 一段时间作用条件下材料的虚度或实度是有一定变化范围的变数。可见，材料性质的标度 值具有统一性规律，同时还具有可变化性规律。
[0003] 由于上述理论力学和应用力学问题的存在，使得传统材料性质研究与实验测试结 果存在不准确性，并且存在重复测试、耗资大、工作量大、测试设备不科学等问题。传统材料 性质实验测试方法建立在应力-应变理论、曲线分析方法和经验公式基础上，没有合乎客观 规律的理论公式和方法，不仅使实验测试工作复杂化，而且给出来的测试结果数据不正确。 在研究解决问题时，经常涉及不相干概念问题研究，引入无关参数，增加了工作量与研究经 费。就当前材料力学实验装置与实验研究过程而言，也显示出了其不科学性。力学实验装 置，实际上是一种测试仪器。测试仪器首先应该使用方便、测试结果可靠。就像称量物质重 量的称一样，可以非常方便地使用，所测得的结果数据具有普遍规律性和普遍可对比性，是 非常可靠的。而力学试验设备使用不方便，并且，所测得的结果数据常常不具有普遍性意 义，可对比性差，是不可靠的，不能满足应用要求。力学实验数据不能用于科学预测如地震 灾害预测，因为其测试结果得到的参数是各种模量，而不是体现材料可变或不可变特征的 性质参数。
[0004] 最近30多年来，在我国产生了作用学。作用学给出了表达自然发展演化一般规律 的方程组，叫作用对立统一方程组。即
[0005]
[0006] 式中，A叫作用量，A = Ft，F为作用力，t为作用时间;Af叫虚作用量，Af = FfLFf叫虚 作用力;At叫实作用量，AT=FTt，FT叫实作用力;E为虚度;T为实度;To和T t分别叫做初始实度 和终止实度;Eo和Et分别叫做初始虚度和终止虚度;α和β分别叫做实度变化率和虚度变化 率。该方程组在各个领域得到了广泛应用。
[0007] 根据作用学，材料性质概念得到了重新定义，表征材料性质的参数得到了重新确 定，材料性质的实验测试方法得到了重新建立。作用学给材料性质确定了基本定义:在任意 作用条件下，材料表现出来的可变程度为材料的可变性质，称为虚度，记为Ε;在任意作用条 件下，材料表现出来的不可变程度为材料的不可变性质或抗变性质，称为实度，记为Τ。
【发明内容】
[0008] 本发明针对人们难以认识材料性质本质、难以确定和准确测量材料性质指标的不 足，提供一种材料性质测量的作用学方法及其测量仪器。
[0009] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0010] 根据作用学，在材料变形现象中存在两个基本方程，分别叫做变形方程和抗变形 方程。其中，
[0011] 夺形方稈为
[0012]
[0013]式中，X叫变形量，即受作用面的变形位移;F表示作用力;E表示受作用面的可变程 度或称可动程度;m表示作用质量;t表示作用和变形时间。
[0014]抗变方程，又称滞变方程，其数学表达式为
[0015]
[0016] 式中，x叫滞变量，即受作用面的未响应位移、未生成位移;T表示受作用面的不可 改变程度或称不可动程度;其它量的含义同上。
[0017] 由于变形量和滞变量在同时形成，所以，描述受作用面变化的完整方程应该是这 两个方程之合，即
[0018]
[0019]根据作用学，变形不仅与力的大小有关，而且与作用量的大小有关。作用量A与力F 之间的关系式为A = Ft，t表示作用时间。所以，在实验测试中，不仅要测量应力与应变之间 的关系，而且要测量单位受作用面接受的作用量与应变之间的关系。 厂 Ft
[0020]假设作用面积为S，作用力为F，应力为σ = γ ;喃位受作用面接受的作用量 0
应变ε与应力σ、单位面作用量S之间的关系式为
[0021]
[0022]式中，应变ε的量纲为：米/米％应力〇的量纲为：牛顿/米％单位面作用量δ的量纲 为：牛顿秒/米2，S = 〇t;P表示单位作用质量，其量纲为:千克/米2;(P = m/S，m表示作用质 量；）Eo表示实验测试中在作用控制下材料表现出来的可变程度的初始值，即虚度的初始 值;β表示虚度的变化率;To表示实验测试中在作用控制下材料表现出来的不可变程度的初 始值，即实度的初始值;α表示实度变化率;t表示作用时间，也是应变时间；ε〇表示初始应变 量。这个关系式用于研究变形的基本规律。通过一次积分，得材料(或试件）的应变速度为
[0023]
[0024] 通过二次积分，得材料(或试件)的应变加速度为
[0025]
[0026] 在工程或设备或器具或仪器中使用的材料，由于受作用会出现变形破坏现象。当 材料变形到一定程度时就不再能够承担使用任务了。不影响使用范围内的最大变形量被叫 做极限变形量。为了选择能够满足使用需要的合适材料或满足科学预测需要，人们必须通 过实验测试手段来取得材料的性质和强度参数。
[0027] 根据作用学，作用、实作用、虚作用、材料变形、材料的实度、虚度之间存在如下关 系规律：
[0028] a、极限应力与应力、实度、虚度之间的统一关系可用以下方程式来表达：
[0029] 〇max = T〇 = (l-E)〇;
[0030] 式中，〇max表示材料接受的极限应力，其量纲为：牛顿/米2;σ表示实验试验中试件 接受作用应力;T表示实度;E表示虚度。这个统一关系式用于测试、计算极限应力。
[0031] b、应力的积累量(单位面接受的作用量）的极限值δΜΧ、应力、实度、虚度之间的统 一关系可用如下方程式来表达：
[0032] 5max = T5 = T〇t = (I-E) 〇t；
[0033] 式中，Smax又叫极限抗作用强度;t表示受作用时间（使用时间，也是变形时间）。这 个统一关系式用于测试、计算极限抗作用强度。
[0034] c、实度与应力、实应力之间的统一关系可用以下方程来表达：
[0035]
[0036]式中，στ表示实作用应力。实作用应力是指作用应力中用于对试件的物质构成作 用的应力。这个统一关系式用于测试、计算实度。
[0037] d、虚度与应力、虚应力之间的统一关系可用以下方程来表达：
[0038] E =--; σ
[0039] 式中，即表示虚作用应力。虚作用应力是指应力中用于对试件的空间构成作用的 应力。这个统一关系式用于测试、计算虚度。
[0040] e、虚度和实度之间的对立统一关系式：
[0041 ] T+E = l；
[0042]该式用于研究虚度和实度之间的关系规律并推导出研究、测试、计算虚度和实度 的其它方法。
[0043] f、实度变化式：
[0044] 设实度的初始和终止值分别为To和Tt，实度的变化时间为Δ t = tt-to = t，则有实 度的变化率 T - T
[0045] ? =--- ?
[0046] 该式用于研究实度的变化规律。
[0047] g、虚度变化式：
[0048]设虚度的初始和终止值分别为Eo和Et，虚度的变化时间为Δ t = tt-to = t，则有虚 度的变化率
[0049] β = E"' ^ Ei)；
[0050] 该式用于研究虚度的变化规律。
[0051] 实度和虚度的变化率之和等于0。
[0052] 以及该方法所使用的测量仪器，包括底座，在底座上设有计时器和两根支撑杆，在 两根支撑杆之间设有托盘，所述托盘约束于两根支撑杆上且可上下自由滑动;在托盘上方 设有加载砣，下方安装有可拆卸的切割刀。
[0053]与现有技术相比，本发明的有益效果是:基于作用、实作用、虚作用、材料变形、材 料的实度、虚度之间的统一关系理论，给出了关于材料抗变强度和材料虚度或实度问题研 究的新理论与新公式，进而解决实验力学不能获得正确的材料性质参数和抗变强度参数、 经常涉及不相干概念、引入无关参数、做无用功、浪费研究经费等问题;利用材料强度与作 用应力、材料的实度之间关系新理论和新方法，适用于解决各种材料强度测试、计算和各种 材料性质的评价问题，填补了材料性质科学长期没有得到完善的世纪科学问题;测量仪器 给出了方便于应用的材料性质参数的测量，解决了传统力学实验设备使用不方便、传统力 学性质参数不正确的问题。
【附图说明】
[0054] 图1为对向挤-变形实验示意图；
[0055] 图2为试件内部质点接受作用的应力状态示意图；
[0056] 图3为作用环境概念示意图；
[0057]图4为本发明的测量仪器的结构示意图；
[0058]图5为测量仪器的压力试验状态图；
[0059] 图6为测量仪器的切割试验状态图。
[0060] 在图中，1、底座;2、计时器;3、支撑杆;4、托盘;5、切割刀;6、加载砣;7、材料试件。
【具体实施方式】
[0061] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0062] 一、材料性质测量的作用学方法
[0063] 1、应力-应变关系一般关系规律的测量 [0064]根据应力与应变之间的一般关系方程式
[0065]
[0066] 在实际观测或试验测试中测量方程式中的可测得量，这些量为应变ε、作用物质面 密度Ρ、应变时间t、应力 〇，其它一些量是无法直接测量到的，需要通过分析计算来得到。如 果初始虚度等于零，即如果Eo = 0，那么，关系式可简化为
[0067]
[0068] 如果在初始作用时刻前材料不接受作用，也就不变形，所以，ε〇 = 0.在这种情况 下，
[0069]
[0070]通过观测或实验测试，进而通过分析计算，可获得一系列关于材料应变、应力、材 料性质变化率数据，可以完全掌握作用、变形、材料性质变化之间的统一关系规律。
[0071] 2、极限应力与应力、实度、虚度之间统一关系规律的测量
[0072]极限应力与应力和材料性质之间的关系需要采取特殊的测量方法来进行测量。由 于极限应力是指使材料在瞬间或在很短时间内产生某种程度的破坏性变形量的应力，要求 测试工作首先通过测试来确定这种极限应力的大小。这个测试过程一般是采用逐渐加载、 直到达到极限变形破坏为止，从而确定极限应力值。
[0073] 根据作用学，若将极限应力定义为材料不变形所能承受的最大作用应力，那么，极 限应力与应力之间存在函数方程
[0074] 〇max = T〇 = (l-E)〇
[0075] 所确定的统一关系规律。根据这个方程，可以采用一个强度较大的超载作用应力 来测试，然后再确定实度T值或虚度E值，最后将应力值和实度或虚度代入方程O max = To = (I-E )σ进行计算，从而获得极限应力值。
[0076] 虚度和实度都是随作用时间延长、作用量的增大以及受作用物质周围环境的变化 而变化的变数，但特定材料在特定的作用环境条件下其极限应力值是特定的，不因应力的 大小改变而改变。在工程应用中最重要的往往确定极限应力值大大小。当然，材料性质变化 规律的确定也是必要的。
[0077] 3、测量材料在一定时限内保持不变形所能抵抗的最大作用量
[0078] 单位面接受作用量的极限值(极限抗作用强度)Smax是衡量材料在一定时限内保持 不变形所能抵抗的最大作用量的指标。作用应力不能在瞬间或短时间内使材料形成极限变 形时，但当其持续作用到一定长的时间段时，材料就会产生极限变形，不再保持可使用状态 了。这种情况是应力达不到极限值，但应力的积累量达到了极限值。根据方程式S max = TS = T 〇t=(l-E)〇t，极限抗作用强度Smax与应力的积累量δ = (η成正比，与材料的实度T成正比。根 据这个关系规律，用相同的作用应力σ对不同材料进行持续作用，测量其形成极限变形的时 间长短。由于在极限变形形成之前，实度总是等于1，即T = I总是成立，虚度总是等于OjPE =O总是成立，所以，材料的极限抗作用强度为
[0079] Smax = Otmax.
[0080] 式中，Uax表示材料的极限变形时间。
[0081 ] 4、材料实度和虚度及其变化规律的测量
[0082]在特定作用环境、特定作用方式、特定应力作用下，材料的实度和虚度是特定的； 材料在特定作用环境、特定作用方式、特定应力作用下，随着作用时间的延长和材料的变 形，其实度和虚度将相应发生变化；当作用环境、作用方式和作用应力改变时，材料的实度 和虚度相应发生变化。
[0083] i、特定作用下材料实度和虚度的测量
[0084] 在同一作用条件下，不同材料表现出来的实度或虚度不同，根据这个规律，在工程 应用中可以通过实验测试手段来选择合适的材料，在灾害预测研究中可以根据变体的实度 或虚度的不同进行科学预测。
[0085] 材料实度和虚度的测量方法与步骤如下：
[0086] 选择一种特定的作用；用这种特定作用分别对不同材料进行作用;记录作用力、作 用时间、变形量或微变形量;计算应力、实应力、虚应力;计算实度、虚度。实度计算分析的一 般公式为
[0087]
[0088]虚度计算分析的一般公式为 j-r.
[0089] ￡ = - σ
[0090] 由于作用现象和变形现象遵守作用学关于作用对立统一方程组所揭示的规律，所 以，在具体测试研究中可以根据具体情况确定分析计算实度和虚度的具体方法和方程，请 参见专利号为201310012898.X的方明专利给出来的一些方法。
[0091] 材料实度和实度的测量方法举例：
[0092] 实验选择的作用方法是对试件进行对向挤压，如图1所示。在对向挤压作用力F和R 控制下，圆柱形试件被压成圆台形。其中，F是主动作用力;R是被动作用力(阻碍作用量）；主 动作用面面积为S;被动作用面面积是S'，S'=S;受作用面接受的应力为 F
[0093] σ = -: S
[0094] 压缩变形量为Ah;受作用时间也是变形时间为t;请分析计算试件的实度和虚度。 [0095]分析计算：
[0096] 试件接受的应力为σ ·其中，虚应力为〇F = Pa;a为应变加速度，β = ·^ ;P为作 ? dr'- m 用物质面密度，P = y m为作用物体的质量。
[0097] 试件的虚度为Ε_=-^· σ
[0098] 试件的实度为T = I-E ·
[0099] 实际上，变形体内不同质点接受的应力状态是不同的。如图2所示，作用面上第i个 点接受的作用应力递给第j个波前面上的第k个质点的应力分量 〇1>与〇1之间的关系式 为
[0100] Oijk = OiCOsaijk,
[0101] 式中，aijk是之间的夹角。很显然，在波前面j上的第k个质点接受来自作用 面上各个作用应力分量的合量为
[0102]
[0103] 这是为什么试件内部质点的变形位移与受作用面上质点位移大小不同的原因：内 部各处质点接受的应力合量作用面上质点接受的应力不同，其性质表现相应就出现差异。
[0104] ??、材料性质变化率的测量
[0105]虚度和实度是度量材料可变性与不可变性的物理量，并不是存粹度量材料本身特 性的物理量。虚度和实度与材料本身的性质有关，还与作用有关，还受环境制约。这就规定 了材料虚度和实度性质的多变性特征。虚度或实度是一种变化性很强的物理量，对其量值 产生影响的因素非常多。材料本身的密实程度、完好程度、内部结构构造、形状大小、受作用 强度大小和方向、作用方式方法、作用持续时间长短、破坏程度、变形轨迹形态和展布空间 大小、外部空间环境和物质环境，所有这些因素都直接控制虚度和实度的取值指标。正是因 为虚度和实度是具有多变性的物理量，才使得人们不得不对其变化特征与规律进行大量研 究。基于力学，长期以来，人们对材料力学性质进行了大量研究，尽管度量指标不够准确，但 在实验基础上人们对材料在作用下的性质也获取了深刻认识。然而，由于力学对材料受作 用和变化的性质缺乏正确的认识，所以，一直没有找到统一研究材料性质变化规律的正确 方法与测试手段。
[0106] 掌握材料虚度和实度的变化规律，对解决工程问题和科学预测问题都是至关重要 的，为此，本发明进一步阐明材料虚度和实度变化率的测量方法如下：
[0107] ①逐渐加载条件下材料性质变化规律的测量
[0108] 在作用方式和作用环境确定条件下，采用逐渐加载作用方式测试材料虚度和实度 的变化规律。其测试方法与过程:加载应力从σ = 1公斤增加到σ = 2公斤、σ = 3公斤、......，通 过测量每增加1公斤应力时对应产生的应变量、虚应力、实应力、应变时间，进而计算每增加 1公斤应力对应的虚度值和实度值；然后根据虚度变化式P = 和实度变化式 ? = ?来计算获得虚度变化率β和实度变化率α .
[0109] ②作用方式变化条件下材料性质变化规律的测量
[0110] 应力大小不变、作用方式改变下，如由压、切、弯、扭等作用方式的改变，相应的虚 度和实度将发生改变。通过实验测试与计算分析，将掌握各种材料在不同作用方式下的性 质及其变化规律。
[0111] ③作用环境变化条件下材料性质变化规律的测量
[0112] 作用环境是指材料周围的空间和物质环境，如周围空间或物质存在的方位，与受 作用物体关系的密切性质。如图5所示，a、b两个试件同质同形，但a试件直接放在地面上，b 试件下放了两个支撑物体。很显然，这会导致两个试件产生的变形不同：a试件不会形成明 显的弯折变形，但b试件将会形成明显的弯折变形。相应，两个试件的虚度和实度也会出现 差异:两个试件的虚度对应不同。
[0113] 在材料性质变化规律研究中，可以根据需要变换着受作用环境对材料的性质变化 规律进行测试。
[0114]④材料厚度变化与材料性质变化之间关系规律的测定方法
[0115] 材料厚度或材料大小对材料的性质也有影响。例如，一块厚度较大的钢板和一块 较薄的钢板，虽然同质，但其抗弯折性质表现却不同。可变或不可变性质还有另外一层含 义:整体性的变化程度或没变化程度。如果厚度很大，其表面出现的明显变形却是很小的一 个变化率。例如，厚度为60公里的地壳，其地表面出现了 1公里深度的断层，其相对虚度为 馬=1。0·016666667 .如果该断层生成的时间为10年，那么，该处地壳虚度的变化率为 〇()
[0116]
[0117] 可见，虚度的变化率是很小的。如果该处地壳厚度只有10公里，其虚度变化率为
[0118]
[0119] 其虚度变化率就大很多。
[0120] 通过对同质、不同厚度或大小材料进行测试，可以发现其虚度变化率和实度变化 率存在很大差别，并且，不同材料的这种差别也不同。
[0121] 5、虚度和实度的取值研究方法
[0122] 由于虚度和实度具有多变性，并且，在某一作用下，材料的虚度和实度也会出现连 续变化的不同数值，所以，在研究测量材料性质时必须合理选值。选值的基本方法是区分作 用控制下的性质变化和非作用控制下的性质变化。非作用控制下的性质变化一般是指作用 取消后物体的性质变化。
[0123] 为了说清楚非作用控制下的性质变化，下面以弹性振子的为例分析非作用控制下 弹簧性质变化的过程：
[0124] 弹性振子在某一作用触发下运动，弹簧发生变形。当作用取消后，弹性振子保持振 动状态，弹簧仍然保持连续变形状态。
[0125] 假设触发弹簧振子振动的触发作用量由质量是M、运动速度是U的运动物体产生， 其作用量是Ao = MU;弹簧振子的质量是m，M在瞬间冲击m，m在瞬间获得的动量是Atq = mv = ToAo;在m获得动量、改变运动的短暂一瞬间，m立刻对弹簧进行作用，迫使弹簧变形。因此，控 制弹簧变形的作用量是A=A TQ=mV = TQA();弹簧受到作用后，一方面产生弹性变形量X，另一 方面产生弹性阻碍作用量。弹性阻碍作用现象随着作用现象的发生而出现，也随作用现象 的变化而变化。在作用现象发生的初始时刻，即，当t = 0时，弹簧的变形速度(弹性振子的运 动速度)vt = V，阻力R = 0，阻碍作用量為.i = i W/ =_ Q :，控制弹性振子运动的作用量是A=mv， 控制弹簧振子运动的虚作用量是AF=mv，控制弹簧振子运动的实作用量是At = -Ar = O.
[0126] 最初弹簧的变形是在外作用控制下形成的，但在外作用取消后弹簧仍然保持不断 变形的状态。即最初，在外作用支配下，弹簧从〇周期变化到四分子一周期。根据作用学，在 外作用下弹簧的虚度从时间为t = 0周期时的
[0127]
[0128]
[0129]
[0130]
[0131]
[0132]
[0133]
[0134] 当作用取消以后，弹簧仍在变形。当振动时间是f = I时，弹性振子的运动速度 2 是Vt = -v，阻碍作用量4 =-2服，控制弹簧振子运动的作用量是A=mv，控制弹簧振 子运动的虚作用量是Af = mvt = -mv，控制弹簧振子运动的实作用量是At = -Ar = 2mv.因此， 弹簧的虚度是
[0135]
[0136]
[0137]
[0138] 当弹簧振动的时间是i = 时，弹簧振子的运动速度Vt = O，阻碍作用量 4 = i A// = 1，控制弹性振子运动的作用量是A = mv，控制弹性振子运动的虚作用量是Af = mvt = 0，控制弹簧振子运动的实作用量是At = -Ar=mv.因此，弹簧的虚度是
[0139]
[0140]
[0141]
[0142] 当弹簧振动时间是t=l周期时，弹簧振子的运动速度Vt = V，阻碍作用量 為^ = 0，控制弹簧振子运动的作用量是A=mv，控制弹簧振子运动的虚作用量是Af = mvt=mv，控制弹簧振子运动的实作用量是At = -Ar = 0.因此，弹簧的虚度是
[0143]
[0144]
[0145]
[0146] 此时，弹簧振子完成一个振动周期。
[0147] 通过以上分析计算得知，弹性振子在弹性变形过程中有连续变化的虚度值和连续 变化的实度值。那么，试问哪个虚度值是表征弹簧性质的虚度值?哪个实度值是表征弹簧性 质的实度值?对此问题应有明确答案。
[0148] 由于虚度和实度由作用产生，所以，其取值总是要与作用联系。即，弹簧在外作用 控制下产生变形时表现出来的虚度值和实度值才是度量它性质的指标，外作用撤销后弹簧 持续变形中表现出来的虚度和实度不是度量它性质的正确指标。因此，弹簧在特定作用下 的虚度只有一个值，相应的实度值也只有一个。根据作用学，弹簧的虚度可由下式来计算：
[0149]
[0150] 式中，X表示弹性振子在作用控制下产生的最大位移;V表示弹性振子的最大位移 速度;t =周期/4.因此，无论弹性变形还是塑性变形，其取值范围都是从0到1中的数，即实 度的变化区间是T[0，1]，虚度的变化区间是E[1，0].但在振动过程中可以出现虚度从-1到 1、实度从〇到2连续变化的现象，但其虚实度值的多数数据都不能用于做度量材料性质的指 标。
[0151] 二、材料性质测量的作用学方法所使用的测量仪器
[0152] 如图4所示，一种材料性质测量的作用学方法所使用的测量仪器，由底座1、计时器 2、托盘4、加载砣6、支撑杆3和切割刀5构成。其中，计时器2用于计量实验中加载作用的时间 和变形时间；加载作用力由确定的加载砣6的重力确定;时间的变形量现场测试、记录;材料 试件7的虚实度及其变化通过对连续实验获取的数据进行研究分析与计算获得;材料试件7 在瞬间能够抵抗的最大应力通过测试计算获得;材料试件7在一段时间能够承受的最大作 用强度即在出现极限变形以前的作用应力对作用时间的积分量也在试验测试中确定。
[0153] 材料虚度和实度及其变化率与材料强度的测量方法是由自然最基本的统一与对 立统一规律确定的，并不是认为可以创造的方法。自然最基本的统一与对立统一规律是作 用的统一与对立统一规律。由这个基本规律决定，虚实度的测量方法有很多，并不是固定模 式。在解决材料性质测试问题时，一般是根据具体问题的特点来选择合适的测试方法和分 析计算方法。其中，测试方法主要根据被测试材料在使用中的受作用情况来确定。受作用情 况包括受作用力的大小、持续或断续性、作用方式、使用环境等方面。分析计算方法的选择 主要根据已知量获得的方便性。例如，在压缩变形现象中，主动作用力或作用量容易确定， 作用物的质量也容易令其为已知量，变形量容易测得，作用时间也即变形时间可以测得，因 此，可以根据虚度与作用量、虚作用量之间的关系式来计算。即，
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[0155] 其中，虚作用量Af与压缩变形量X、变形时间t之间的关系式为為^ = 虚力Ff与 at X、t之间的关系式为为作用质量;作用量A等于施加的压力F对变形时间t的积 Cii 分之积，即j = i; .如果在实测中能直接测到在作用下产生变形位移质点的位移速度V， Jo 并能确定阻力R值和受作用面积S以及受作用物质面密度Ρ，那么，可以采用以下分析计算步 骤:先计算虚作用量:Af = pSv;再计算作用量:根据作用量等于虚作用量加实作用量、实作 用量等于阻力对时间积分的负值的规律，彳
最后根据式S = f 计算得到虚度E值。实度T值一般根据虚度加实度等于1的规律来求得，即T = I-E.在任何作 用方式和条件下都可以找到合适的分析计算方法，都可以确定相应的虚度和实度值。其中， 实度与之对应的力之积等于对应的抗变能力。一般来说，在超载作用下、超极限变形出现 时，经过分析计算得到的实度与力之积等于极限抗作用力。
[0156] 本发明给出了测试压缩变形和切割变形材料性质的测试仪器，可以方便于工程中 的现场测试使用。为了计算方便，本发明选择了加载砣加载静压作用方式。
[0157] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种材料性质测量的作用学方法，其特征在于，根据作用学，变形不仅与力的大小有 关，而且与作用量的大小有关;假设作用面积为S，作用力为F，应力为单位受作用面 接受的作用量为= ^，则应变ε与应力0、单位面作用量δ之间的关系式为式中，应变ε的量纲为:米/米2;应力。的量纲为：牛顿/米2;单位面作用量δ的量纲为：牛 顿秒/米2，S = cn;P=m/S表示单位作用质量，其量纲为:千克/米2;Ε质示实验测试中在作用 控制下材料表现出来的可变程度的初始值，即虚度的初始值;β表示虚度的变化率;To表示 实验测试中在作用控制下材料表现出来的不可变程度的初始值，即实度的初始值;α表示实 度变化率;t表示作用时间，也是应变时间；ε0表示初始应变量； 根据作用学，作用、实作用、虚作用、材料变形、材料的实度、虚度之间存在如下关系规 律： 曰、极限应力与应力、实度、虚度之间的统一关系式 〇max = T〇= (1-Ε)σ； 式中，表示材料接受的极限应力，其量纲为:牛顿/米表示实验试验中试件接受作 用应力，T表示实度，E表示虚度，该统一关系式用于测试、计算极限应力； b、应力的积累量(单位面接受的作用量）的极限值Smax、应力、实度、虚度之间的统一关 系式 5max = T5 = T〇t= (l-E)〇t； 式中，Smax又叫极限抗作用强度，t表示受作用时间，该统一关系式用于测试、计算极限 抗作用强度； C、实度与应力、实应力之间的统一关系式式中，0T表示实作用应力，是指作用应力中用于对试件的物质构成作用的应力，该统一 关系式用于测试、计算实度； d、 虚度与应力、虚应力之间的统一关系式式中，OF表示虚作用应力，是指应力中用于对试件的空间构成作用的应力，该统一关系 式用于测试、计算虚度； e、 虚度和实度之间的对立统一关系式 T巧=1; 该统一关系式用于研究虚度和实度之间的关系规律并推导出研究、测试、计算虚度和 实度的其它方法； f、 实度变化式 设实度的初始和终止值分别为To和Tt，实度的变化时间为Δ t = tt-to = t，则有实度的变 化率该式用于研究实度的变化规律； g、虚度变化式 设虚度的初始和终止值分别为Eo和Et，虚度的变化时间为Δ t = tt-to = t，则有虚度的变 化率该式用于研究虚度的变化规律； 实度和虚度的变化率之和等于0。2. -种如权利要求1所述的材料性质测量的作用学方法所使用的测量仪器，其特征在 于:包括底座（1)，在底座（1)上设有计时器(2)和两根支撑杆(3)，在两根支撑杆(3)之间设 有托盘(4)，所述托盘(4)约束于两根支撑杆(3)上且可上下自由滑动；在托盘(4)上方设有 加载巧(6)。3. 根据权利要求2所述的测量仪器，其特征在于:在托盘(4)下方安装有可拆卸的切割 刀（5)。
【文档编号】G01N3/14GK105842079SQ201610180620
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】王昌益, 王晓静, 王耀慧
【申请人】王昌益