一种材料抗弯性质的测量方法及其测试仪器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种材料抗弯性质的测量方法及其测试仪器，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的抗弯性质缺乏足够的认识，目前，度 量抗弯性质的参数选择是根据传统力学的强度理论将抗弯强度作为衡量材料抗弯性质的 指标。实际上，抗弯性质有多种指标，如抗弯程度、可弯程度、瞬间抗弯能力、长时间抗弯能 力都是度量材料抗弯性质的指标。最主要的是，根据传统理论没办法预测材料在什么情况 下会弯曲到什么程度。因此，传统抗弯理论与测试方法都是不完善的。
[0003] 具体来说，在传统理论力学、应用力学、实验力学基础上，能够通过实验来确定材 料的抗弯强度，即能确定抵抗瞬间作用量的极限值，也就是在保持一定变形限度范围内能 够抵抗最大作用力的极限值。但是，由于缺乏作用量概念，同时缺乏度量材料抗弯性质的正 确标度概念，难以通过实验确定材料抵抗作用量的极限值，难以确定材料抗弯或可弯程度 标度值，即难以确定弯折变形中材料的虚度和实度。所以，传统抗弯理论与测试方法存在一 定缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明针对传统抗弯研究理论与测试方法存在的缺陷，提供一种根据作用学研究 理论而研究的材料抗弯性质的测量方法及其测试仪器。
[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0006] 弯折是一类特别的作用方式，其变形表现是特殊的，其相应的性质特征与其它作 用方式下表现出来的性质特征也有很大区别。在弯折变形现象中，弯折变形量或变形速度 与变形点的位置有关。如图1所示，作用力F作用在杆状物体一端的C点上;A点只受约束作 用，其约束力即阻力为办;B点也只是接受一种被动的约束阻力，其值为R 2;在B点与C点之间， 杆状物上任意点P接受的不平衡弯折作用驱动力通过传递获得，其值为P = 在B点与C r 点之间，杆状物上的任意点P接受的来自阻力仏的传递量为A = 在B点与A点之间，任 r 一点P也受两个力，其值分别为< =一&和= .同时，由杆状物体本身性质决定生成 r r 的一种力，叫抗弯折力，记为f.p点处的抗弯折力用f表示。除了以上力以外，p点还接受一 种通过传递而得到的一对能够互相抵消的平衡力，其大小分别为μ =>夂和 好" =/^-广二4(厂+ /?|)，这两个力的和总是等于零，即，=1^2+1^=0总是成立。驱使？点 r 形成弯折位移的动力主要由K、IT dPf共同产生。根据作用学，P点在弯折作用控制下遵守 两个基本方程：
[0007] ①不平衡运动方程
[0008]
[0009]式中，F、表示P点接受的虚作用力;E'表示P点在弯折变形中表现出来的虚度，BP 可弯折程度;F'表示P点接受的弯折作用驱动力;f表示杆状物体自身产生的抵抗弯曲变形 的一种阻力;π/表示P点处杆状物体的受作用和位移质量;a'表示π/的位移加速度;F、使π/ 产生位移动量。
[0010]②克抗作用方程
[0011]
[0012] 式中，FS表示Ρ点接受的实作用力；f表示Ρ点在弯折变形中表现出来的实度，ΒΡ 不可弯折程度;K T用于克服抗弯阻力，与f抗衡。
[0013] 正因为接受的这种特殊的作用状态，才造就了杆状物体变形的特殊性和其性质的 特殊性。在作用控制下，杆状物体上除了有约束的A点和B点保持原位不变外，其它点都在这 个不平衡作用控制下形成变形位移，但各个不同点的变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值不变，作用点位置C改变了，r值相应改变，杆状物体的弯曲变形状 态将发生改变。所以，弯曲试验必须考虑作用点与变形之间的关系。
[0014] 当作用力很小时，杆状物体不发生弯曲变形;稍大些时只产生可恢复的弯曲变形； 当作用力大到一定程度时，材料产生不可恢复的永久变形即塑性变形;再大将会产生破裂 或断裂变形。在测试中一般要逐渐加载到破裂或断裂变形为止。如果杆状物在作用下产生 的弯折变形是可以恢复的，即应力消除后，弯折变形随即消失，那么，就说弯折变形是弹性 弯折变形。弹性弯折变形的极限值叫弯折变形的弹性极限，记为 Xmax;产生弯折变形弹性极 限的力叫弯折变形弹性极限力，记为Fmax;产生弯折变形弹性极限值时的虚度是弹性弯折变 形范围内允许产生弯折变形的最大程度，称为弹性弯折虚度的极限值，记为E max.当弯折力 超过Fmax、虚度超过Emax时，弯折变形不再可以恢复了。不能恢复原状的弯折变形为塑性弯折 变形。只要在超过弹性极限、产生塑性弯折变形、但仍保持杆状物体整体性、不出现断裂破 坏，都产生塑性弯折变形。产生最大塑性弯折变形的力叫弯折变形塑性极限力。当弯折应力 超过该力时，杆状物体将出现断裂破坏。本发明的测试一般要逐渐加载到超载破坏程度的 作用力。
[0015] i、弯折作用条件下脆性杆状材料的虚度和实度的测量方法
[0016] 根据作用学，杆状物体上任意受作用点P接受的虚力F、与力K之间的关系式为F、 iEW'.其中，系数E'表示材料任意弯折点的可运动程度，叫虚度。该虚度值的测量方法如 下：
[0017] 相麻X琢云奸古班才
[0018]
[0019]测量杆状物体上任意一点P的变形位移Y或变角即BP与AC两条直线线段之间的夹 角Θ、变化时间t，获得P点的位移速度、加速度变量;然后，确定在无任何阻力条件下，式F'= π/ a中的a值将是多大;最后，根据公式 [0020]
[0021]来求得虚度E'值。式中，a'表示P点的实际位移加速度;a表示P点仅在作用力F'控 制下自由运动、不接受任何阻力条件下的运动加速度。
[0022]据作用学，杆状物体上任意受作用点P接受的实力力FS与力F'之间的关系式为FS ifF'.其中，系数f表示材料上任一点P的不可动程度或抗弯程度，叫实度。实度值根据公 式T'+E' =1来求得，即实度为
[0023]
[0024] 该方法适合研究脆性材料在弯折作用下表现出来的性质。脆性材料对力的传递规 律遵守方程，、巧=;&所揭示的作用传递规律。 r r
[0025] ?、抗弯强度的测量方法
[0026] 根据作用学，材料的抗弯强度就是指杆状材料任意点Ρ处质量π/抵抗弯折作用力 的极限值。即材料Ρ点的极限抗弯强度的计算公式为
[0027] F7 max = .
[0028] 根据该公式，逐渐加载，一直加载到杆状物体出现极限变形为止。当极限变形量出 现时的加载力F就等于材料的极限抗弯强度。
[0029]在传统力学基础上也能够确定材料的最大抗弯折力。但是，力学不考虑不同作用 点、不同变形点的最大抗弯折力之间的统一与差异。
[0030] 由于物质成分相同、但粗细不同的杆状物，其抗弯表现不同，所以，为了测试数据 具有对比性，必须计算单位横截面的抗弯能力数据。单位横截面的抗弯能力为
式中，S表示杆状物体的横截断面面积。
[0031] m、弯折变形中杆状材料弯折材料性质差别的研究方法
[0032] 在弯折变形实验中可以看到许多不同变形状态，如图3中的a、b、c三种变形状态有 着明显差别。这种差别现象的出现关键在于杆状物上各点处的性质存在差别。
[0033] 杆状物在弯折作用下首先出现破坏性变形的地方往往处在B点附近或其它薄弱点 处。为什么会这样呢?这个问题可以这样回答:决定弯折点是否破裂的因素主要有两个，其 一是作用因素;其二是破裂点的性质。当控制力K达到了使该点破裂的极限值时，该点就会 出现破裂变形;不该首先出现破裂的点，结果在测试中首先出现了破裂，说明该点的强度较 小，虚度较大，实度较小。那么，该怎样认识和测量破裂点的性质呢？
[0034]如图4所示，破裂点即突变点的可弯折性质即虚度的突然增大，表现为该点保持受 作用体整体性的能力在该点处突然剧烈减小，但位移量并不在该点处增大，而是在P点与C 点之间的各个受作用点的位移距离增大，以P点为中心的弯折角度增大。这说明P点处抗变 力的减小量Λ?·直接传递给了这些点。由于破裂点性质的变化，使得杆状物体受作用状态发 生了根本性的改变，杆状物体上受力点接受的作用力不再能够按照公式^ = 和 r 斗=^爲所揭示的传递规律传递给任意点P了，所以，当P点破裂时，即当图4中P'点断裂时， r 杆状材料的P'与c点之间的各个受作用点接受通过传递而来的f :几乎完全消失，控制这 些点位移的力主要是由F通过杆状物中P'与C'点之间的物质传递而来的F'，其它力都不重 要了。要想掌握首先破裂点的位置，必须在实验中获得各点性质差别的信息。
[0035] 根据作用学，可以通过计算相邻两点的虚度差或实度差来认识它们之间的性质差 另IJ。假设相邻两点的虚度分别为E' 1+1，那么，差值Δ fE' 1+1^ I就是度量相邻两点的 虚度差异量。如果A 1 = 0,那么，两点的性质没有差别；如果Δ矣〇,但杆状物体在作用弯折 控制下生成的任意虚度差等于常数，即A 1 =常数，那么，杆状物在弯折作用下各点的虚度 构成均差变化;如果出现了某一个差值明显大于其它差值，那么，该处是薄弱点，也可能是 强势点。突变点即断裂点将出现在这里。
[0036] 据研究，在实验中出现的性质差别可以通过杆状材料弯曲曲线上相邻点的切线之 间的夹角来表现出来。这里将叫做弯曲切线增量角。当虚度值均匀变化时，=常数;当断 裂点出现时，9 1值就会突然剧增。在断裂现象出现之前，薄弱点或断裂点的切线增量角也会 大于其它切线增量角。为此，本发明引入了如下公式来计算杆状物体上各处虚度的变化量：
[0037]
[0038] 其中，C =常数，可根据情况选择C = 90°、C=180°或C = 360° .脆性材料选择C = 90° ;可弯性很大的材料选择C = 360° ;可弯性一般的材料选择C=180° .
[