材料性質(zhì)測量的作用學方法及其測量儀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種材料性質(zhì)測量的作用學方法及其測量儀器，其屬于理論力學、應用力學與實驗力學研究領(lǐng)域。它根據(jù)作用學，變形不僅與力的大小有關(guān)，而且與作用量的大小有關(guān)，得出研究變形的基本規(guī)律方程式為可通過測量各參數(shù)值得出：應力?應變關(guān)系一般關(guān)系規(guī)律、極限應力與應力、實度、虛度之間統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律、材料在一定時限內(nèi)保持不變形所能抵抗的最大作用量、材料實度和虛度及其變化規(guī)律、虛度和實度的取值研究方法。本發(fā)明的有益效果是：基于作用學理論，給出了關(guān)于材料抗變強度和虛度或?qū)嵍葐栴}研究的新理論與新公式；利用材料強度與作用應力、材料的實度之間關(guān)系新理論和新方法，適用于解決各種材料強度測試、計算和各種材料性質(zhì)的評價問題。
【專利說明】
材料性質(zhì)測量的作用學方法及其測量儀器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種材料性質(zhì)測量的作用學方法及其測量儀器，其屬于理論力學、應 用力學與實驗力學研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)理論力學、應用力學與實驗力學對材料性質(zhì)本質(zhì)含義存在模糊認識，所以，長 期以來，用于表征力學性質(zhì)特征的標度值選擇始終不夠準確。在理論力學、應用力學和實驗 力學中，用于表征材料性質(zhì)的標度值主要是根據(jù)胡克定律發(fā)展的各種系數(shù)和模量。這些系 數(shù)或模量往往是不準確的，根本不代表材料性質(zhì)的客觀含義。200多年來，對材料性質(zhì)參數(shù)， 人們始終存在一些錯誤認識。這種錯誤認識包括如下幾方面：1)、認為表征材料性質(zhì)的參數(shù) 是常數(shù)。實際上，材料性質(zhì)參數(shù)都不是常數(shù)，都是變數(shù)。隨著作用量大小和作用環(huán)境改變，材 料性質(zhì)都會相應發(fā)生變化。2)、將用于建立力與變形量之間關(guān)系的力學等式中使用到的調(diào) 整系數(shù)如胡克系數(shù)、彈性模量等看作是表征材料性質(zhì)的參數(shù)，并認為這些參數(shù)是常數(shù)。而實 際上，這種參數(shù)根本不是表征材料性質(zhì)的參數(shù)，更不是常數(shù)，而是包含了一些不相干概念和 關(guān)系的一種隱函數(shù)。3)、歪曲認識材料性質(zhì)的客觀含義。認為材料的抗變性質(zhì)就是材料抵抗 力的性質(zhì)。這種觀念持續(xù)了很長一段歷史時期，直到現(xiàn)在人們還是堅持這種認識。材料性質(zhì) 的正確定義是:材料在任意作用下表現(xiàn)出來的可變性質(zhì)或不可變性質(zhì)。力與作用是兩個不 同概念。作用是指自然界中存在的各種相互作用現(xiàn)象，作用現(xiàn)象的量叫作用量。而力僅等于 單位時間或瞬間形成的作用量。因此，力并不能完全代表作用。一般來說，同一種材料，接受 不同作用，其表現(xiàn)出來的可變性質(zhì)就不同。材料的性質(zhì)是指材料在接受作用條件下表現(xiàn)出 來的可變化性質(zhì)或不可變化性質(zhì)，可變化率大還是小或不可變化率大還是小，并不是聯(lián)結(jié) 力與變形位移之間關(guān)系的調(diào)整系數(shù)。再者，材料在瞬間能夠抵抗作用量的大小并不等于材 料在長時間作用條件下能夠抵抗作用量的大小。瞬間抵抗作用的能力是抵抗力的能力，長 時間抵抗作用的能力是抵抗作用量的能力。因此，度量材料性質(zhì)的標度值有必要區(qū)分為接 受瞬間作用的度量值和接受長時間作用的度量值。根據(jù)作用學研究，度量瞬間作用條件下 的材料性質(zhì)和度量一段時間材料的性質(zhì)的標度值都可以用同一個參數(shù)(虛度或?qū)嵍?來表 述，但是，這個參數(shù)是變化的。即，瞬間作用條件下材料的虛度或?qū)嵍仁且环N確定的數(shù)，而在 一段時間作用條件下材料的虛度或?qū)嵍仁怯幸欢ㄗ兓秶淖償?shù)。可見，材料性質(zhì)的標度 值具有統(tǒng)一性規(guī)律，同時還具有可變化性規(guī)律。
[0003] 由于上述理論力學和應用力學問題的存在，使得傳統(tǒng)材料性質(zhì)研究與實驗測試結(jié) 果存在不準確性，并且存在重復測試、耗資大、工作量大、測試設(shè)備不科學等問題。傳統(tǒng)材料 性質(zhì)實驗測試方法建立在應力-應變理論、曲線分析方法和經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上，沒有合乎客觀 規(guī)律的理論公式和方法，不僅使實驗測試工作復雜化，而且給出來的測試結(jié)果數(shù)據(jù)不正確。 在研究解決問題時，經(jīng)常涉及不相干概念問題研究，引入無關(guān)參數(shù)，增加了工作量與研究經(jīng) 費。就當前材料力學實驗裝置與實驗研究過程而言，也顯示出了其不科學性。力學實驗裝 置，實際上是一種測試儀器。測試儀器首先應該使用方便、測試結(jié)果可靠。就像稱量物質(zhì)重 量的稱一樣，可以非常方便地使用，所測得的結(jié)果數(shù)據(jù)具有普遍規(guī)律性和普遍可對比性，是 非?？煽康?。而力學試驗設(shè)備使用不方便，并且，所測得的結(jié)果數(shù)據(jù)常常不具有普遍性意 義，可對比性差，是不可靠的，不能滿足應用要求。力學實驗數(shù)據(jù)不能用于科學預測如地震 災害預測，因為其測試結(jié)果得到的參數(shù)是各種模量，而不是體現(xiàn)材料可變或不可變特征的 性質(zhì)參數(shù)。
[0004] 最近30多年來，在我國產(chǎn)生了作用學。作用學給出了表達自然發(fā)展演化一般規(guī)律 的方程組，叫作用對立統(tǒng)一方程組。即
[0005]
[0006] 式中，A叫作用量，A = Ft，F(xiàn)為作用力，t為作用時間;Af叫虛作用量，Af = FfLFf叫虛 作用力;At叫實作用量，AT=FTt，F(xiàn)T叫實作用力;E為虛度;T為實度;To和T t分別叫做初始實度 和終止實度;Eo和Et分別叫做初始虛度和終止虛度;α和β分別叫做實度變化率和虛度變化 率。該方程組在各個領(lǐng)域得到了廣泛應用。
[0007] 根據(jù)作用學，材料性質(zhì)概念得到了重新定義，表征材料性質(zhì)的參數(shù)得到了重新確 定，材料性質(zhì)的實驗測試方法得到了重新建立。作用學給材料性質(zhì)確定了基本定義:在任意 作用條件下，材料表現(xiàn)出來的可變程度為材料的可變性質(zhì)，稱為虛度，記為Ε;在任意作用條 件下，材料表現(xiàn)出來的不可變程度為材料的不可變性質(zhì)或抗變性質(zhì)，稱為實度，記為Τ。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對人們難以認識材料性質(zhì)本質(zhì)、難以確定和準確測量材料性質(zhì)指標的不 足，提供一種材料性質(zhì)測量的作用學方法及其測量儀器。
[0009] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0010] 根據(jù)作用學，在材料變形現(xiàn)象中存在兩個基本方程，分別叫做變形方程和抗變形 方程。其中，
[0011] 奪形方稈為
[0012]
[0013]式中，X叫變形量，即受作用面的變形位移;F表示作用力;E表示受作用面的可變程 度或稱可動程度;m表示作用質(zhì)量;t表示作用和變形時間。
[0014]抗變方程，又稱滯變方程，其數(shù)學表達式為
[0015]
[0016] 式中，x叫滯變量，即受作用面的未響應位移、未生成位移;T表示受作用面的不可 改變程度或稱不可動程度;其它量的含義同上。
[0017] 由于變形量和滯變量在同時形成，所以，描述受作用面變化的完整方程應該是這 兩個方程之合，即
[0018]
[0019]根據(jù)作用學，變形不僅與力的大小有關(guān)，而且與作用量的大小有關(guān)。作用量A與力F 之間的關(guān)系式為A = Ft，t表示作用時間。所以，在實驗測試中，不僅要測量應力與應變之間 的關(guān)系，而且要測量單位受作用面接受的作用量與應變之間的關(guān)系。 廠 Ft
[0020]假設(shè)作用面積為S，作用力為F，應力為σ = γ ;喃位受作用面接受的作用量 0
應變ε與應力σ、單位面作用量S之間的關(guān)系式為
[0021]
[0022]式中，應變ε的量綱為：米/米％應力〇的量綱為：牛頓/米％單位面作用量δ的量綱 為：牛頓秒/米2，S = 〇t;P表示單位作用質(zhì)量，其量綱為:千克/米2;(P = m/S，m表示作用質(zhì) 量；）Eo表示實驗測試中在作用控制下材料表現(xiàn)出來的可變程度的初始值，即虛度的初始 值;β表示虛度的變化率;To表示實驗測試中在作用控制下材料表現(xiàn)出來的不可變程度的初 始值，即實度的初始值;α表示實度變化率;t表示作用時間，也是應變時間；ε〇表示初始應變 量。這個關(guān)系式用于研究變形的基本規(guī)律。通過一次積分，得材料(或試件）的應變速度為
[0023]
[0024] 通過二次積分，得材料(或試件)的應變加速度為
[0025]
[0026] 在工程或設(shè)備或器具或儀器中使用的材料，由于受作用會出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。當 材料變形到一定程度時就不再能夠承擔使用任務了。不影響使用范圍內(nèi)的最大變形量被叫 做極限變形量。為了選擇能夠滿足使用需要的合適材料或滿足科學預測需要，人們必須通 過實驗測試手段來取得材料的性質(zhì)和強度參數(shù)。
[0027] 根據(jù)作用學，作用、實作用、虛作用、材料變形、材料的實度、虛度之間存在如下關(guān) 系規(guī)律：
[0028] a、極限應力與應力、實度、虛度之間的統(tǒng)一關(guān)系可用以下方程式來表達：
[0029] 〇max = T〇 = (l-E)〇;
[0030] 式中，〇max表示材料接受的極限應力，其量綱為：牛頓/米2;σ表示實驗試驗中試件 接受作用應力;T表示實度;E表示虛度。這個統(tǒng)一關(guān)系式用于測試、計算極限應力。
[0031] b、應力的積累量(單位面接受的作用量）的極限值δΜΧ、應力、實度、虛度之間的統(tǒng) 一關(guān)系可用如下方程式來表達：
[0032] 5max = T5 = T〇t = (I-E) 〇t；
[0033] 式中，Smax又叫極限抗作用強度;t表示受作用時間（使用時間，也是變形時間）。這 個統(tǒng)一關(guān)系式用于測試、計算極限抗作用強度。
[0034] c、實度與應力、實應力之間的統(tǒng)一關(guān)系可用以下方程來表達：
[0035]
[0036]式中，στ表示實作用應力。實作用應力是指作用應力中用于對試件的物質(zhì)構(gòu)成作 用的應力。這個統(tǒng)一關(guān)系式用于測試、計算實度。
[0037] d、虛度與應力、虛應力之間的統(tǒng)一關(guān)系可用以下方程來表達：
[0038] E =--; σ
[0039] 式中，即表示虛作用應力。虛作用應力是指應力中用于對試件的空間構(gòu)成作用的 應力。這個統(tǒng)一關(guān)系式用于測試、計算虛度。
[0040] e、虛度和實度之間的對立統(tǒng)一關(guān)系式：
[0041 ] T+E = l；
[0042]該式用于研究虛度和實度之間的關(guān)系規(guī)律并推導出研究、測試、計算虛度和實度 的其它方法。
[0043] f、實度變化式：
[0044] 設(shè)實度的初始和終止值分別為To和Tt，實度的變化時間為Δ t = tt-to = t，則有實 度的變化率 T - T
[0045] ? =--- ?
[0046] 該式用于研究實度的變化規(guī)律。
[0047] g、虛度變化式：
[0048]設(shè)虛度的初始和終止值分別為Eo和Et，虛度的變化時間為Δ t = tt-to = t，則有虛 度的變化率
[0049] β = E"' ^ Ei)；
[0050] 該式用于研究虛度的變化規(guī)律。
[0051] 實度和虛度的變化率之和等于0。
[0052] 以及該方法所使用的測量儀器，包括底座，在底座上設(shè)有計時器和兩根支撐桿，在 兩根支撐桿之間設(shè)有托盤，所述托盤約束于兩根支撐桿上且可上下自由滑動;在托盤上方 設(shè)有加載砣，下方安裝有可拆卸的切割刀。
[0053]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:基于作用、實作用、虛作用、材料變形、材 料的實度、虛度之間的統(tǒng)一關(guān)系理論，給出了關(guān)于材料抗變強度和材料虛度或?qū)嵍葐栴}研 究的新理論與新公式，進而解決實驗力學不能獲得正確的材料性質(zhì)參數(shù)和抗變強度參數(shù)、 經(jīng)常涉及不相干概念、引入無關(guān)參數(shù)、做無用功、浪費研究經(jīng)費等問題;利用材料強度與作 用應力、材料的實度之間關(guān)系新理論和新方法，適用于解決各種材料強度測試、計算和各種 材料性質(zhì)的評價問題，填補了材料性質(zhì)科學長期沒有得到完善的世紀科學問題;測量儀器 給出了方便于應用的材料性質(zhì)參數(shù)的測量，解決了傳統(tǒng)力學實驗設(shè)備使用不方便、傳統(tǒng)力 學性質(zhì)參數(shù)不正確的問題。
【附圖說明】
[0054] 圖1為對向擠-變形實驗示意圖；
[0055] 圖2為試件內(nèi)部質(zhì)點接受作用的應力狀態(tài)示意圖；
[0056] 圖3為作用環(huán)境概念示意圖；
[0057]圖4為本發(fā)明的測量儀器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖5為測量儀器的壓力試驗狀態(tài)圖；
[0059] 圖6為測量儀器的切割試驗狀態(tài)圖。
[0060] 在圖中，1、底座;2、計時器;3、支撐桿;4、托盤;5、切割刀;6、加載砣;7、材料試件。
【具體實施方式】
[0061] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0062] 一、材料性質(zhì)測量的作用學方法
[0063] 1、應力-應變關(guān)系一般關(guān)系規(guī)律的測量 [0064]根據(jù)應力與應變之間的一般關(guān)系方程式
[0065]
[0066] 在實際觀測或試驗測試中測量方程式中的可測得量，這些量為應變ε、作用物質(zhì)面 密度Ρ、應變時間t、應力 〇，其它一些量是無法直接測量到的，需要通過分析計算來得到。如 果初始虛度等于零，即如果Eo = 0，那么，關(guān)系式可簡化為
[0067]

[0068] 如果在初始作用時刻前材料不接受作用，也就不變形，所以，ε〇 = 0.在這種情況 下，
[0069]
[0070]通過觀測或?qū)嶒灉y試，進而通過分析計算，可獲得一系列關(guān)于材料應變、應力、材 料性質(zhì)變化率數(shù)據(jù)，可以完全掌握作用、變形、材料性質(zhì)變化之間的統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律。
[0071] 2、極限應力與應力、實度、虛度之間統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律的測量
[0072]極限應力與應力和材料性質(zhì)之間的關(guān)系需要采取特殊的測量方法來進行測量。由 于極限應力是指使材料在瞬間或在很短時間內(nèi)產(chǎn)生某種程度的破壞性變形量的應力，要求 測試工作首先通過測試來確定這種極限應力的大小。這個測試過程一般是采用逐漸加載、 直到達到極限變形破壞為止，從而確定極限應力值。
[0073] 根據(jù)作用學，若將極限應力定義為材料不變形所能承受的最大作用應力，那么，極 限應力與應力之間存在函數(shù)方程
[0074] 〇max = T〇 = (l-E)〇
[0075] 所確定的統(tǒng)一關(guān)系規(guī)律。根據(jù)這個方程，可以采用一個強度較大的超載作用應力 來測試，然后再確定實度T值或虛度E值，最后將應力值和實度或虛度代入方程O max = To = (I-E )σ進行計算，從而獲得極限應力值。
[0076] 虛度和實度都是隨作用時間延長、作用量的增大以及受作用物質(zhì)周圍環(huán)境的變化 而變化的變數(shù)，但特定材料在特定的作用環(huán)境條件下其極限應力值是特定的，不因應力的 大小改變而改變。在工程應用中最重要的往往確定極限應力值大大小。當然，材料性質(zhì)變化 規(guī)律的確定也是必要的。
[0077] 3、測量材料在一定時限內(nèi)保持不變形所能抵抗的最大作用量
[0078] 單位面接受作用量的極限值(極限抗作用強度)Smax是衡量材料在一定時限內(nèi)保持 不變形所能抵抗的最大作用量的指標。作用應力不能在瞬間或短時間內(nèi)使材料形成極限變 形時，但當其持續(xù)作用到一定長的時間段時，材料就會產(chǎn)生極限變形，不再保持可使用狀態(tài) 了。這種情況是應力達不到極限值，但應力的積累量達到了極限值。根據(jù)方程式S max = TS = T 〇t=(l-E)〇t，極限抗作用強度Smax與應力的積累量δ = (η成正比，與材料的實度T成正比。根 據(jù)這個關(guān)系規(guī)律，用相同的作用應力σ對不同材料進行持續(xù)作用，測量其形成極限變形的時 間長短。由于在極限變形形成之前，實度總是等于1，即T = I總是成立，虛度總是等于OjPE =O總是成立，所以，材料的極限抗作用強度為
[0079] Smax = Otmax.
[0080] 式中，Uax表示材料的極限變形時間。
[0081 ] 4、材料實度和虛度及其變化規(guī)律的測量
[0082]在特定作用環(huán)境、特定作用方式、特定應力作用下，材料的實度和虛度是特定的； 材料在特定作用環(huán)境、特定作用方式、特定應力作用下，隨著作用時間的延長和材料的變 形，其實度和虛度將相應發(fā)生變化；當作用環(huán)境、作用方式和作用應力改變時，材料的實度 和虛度相應發(fā)生變化。
[0083] i、特定作用下材料實度和虛度的測量
[0084] 在同一作用條件下，不同材料表現(xiàn)出來的實度或虛度不同，根據(jù)這個規(guī)律，在工程 應用中可以通過實驗測試手段來選擇合適的材料，在災害預測研究中可以根據(jù)變體的實度 或虛度的不同進行科學預測。
[0085] 材料實度和虛度的測量方法與步驟如下：
[0086] 選擇一種特定的作用；用這種特定作用分別對不同材料進行作用;記錄作用力、作 用時間、變形量或微變形量;計算應力、實應力、虛應力;計算實度、虛度。實度計算分析的一 般公式為
[0087]
[0088]虛度計算分析的一般公式為 j-r.
[0089] ￡ = - σ
[0090] 由于作用現(xiàn)象和變形現(xiàn)象遵守作用學關(guān)于作用對立統(tǒng)一方程組所揭示的規(guī)律，所 以，在具體測試研究中可以根據(jù)具體情況確定分析計算實度和虛度的具體方法和方程，請 參見專利號為201310012898.X的方明專利給出來的一些方法。
[0091] 材料實度和實度的測量方法舉例：
[0092] 實驗選擇的作用方法是對試件進行對向擠壓，如圖1所示。在對向擠壓作用力F和R 控制下，圓柱形試件被壓成圓臺形。其中，F(xiàn)是主動作用力;R是被動作用力(阻礙作用量）；主 動作用面面積為S;被動作用面面積是S'，S'=S;受作用面接受的應力為 F
[0093] σ = -: S
[0094] 壓縮變形量為Ah;受作用時間也是變形時間為t;請分析計算試件的實度和虛度。 [0095]分析計算：
[0096] 試件接受的應力為σ ·其中，虛應力為〇F = Pa;a為應變加速度，β = ·^ ;P為作 ? dr'- m 用物質(zhì)面密度，P = y m為作用物體的質(zhì)量。
[0097] 試件的虛度為Ε_=-^· σ
[0098] 試件的實度為T = I-E ·
[0099] 實際上，變形體內(nèi)不同質(zhì)點接受的應力狀態(tài)是不同的。如圖2所示，作用面上第i個 點接受的作用應力遞給第j個波前面上的第k個質(zhì)點的應力分量 〇1>與〇1之間的關(guān)系式 為
[0100] Oijk = OiCOsaijk,
[0101] 式中，aijk是之間的夾角。很顯然，在波前面j上的第k個質(zhì)點接受來自作用 面上各個作用應力分量的合量為
[0102]
[0103] 這是為什么試件內(nèi)部質(zhì)點的變形位移與受作用面上質(zhì)點位移大小不同的原因：內(nèi) 部各處質(zhì)點接受的應力合量作用面上質(zhì)點接受的應力不同，其性質(zhì)表現(xiàn)相應就出現(xiàn)差異。
[0104] ??、材料性質(zhì)變化率的測量
[0105]虛度和實度是度量材料可變性與不可變性的物理量，并不是存粹度量材料本身特 性的物理量。虛度和實度與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與作用有關(guān)，還受環(huán)境制約。這就規(guī)定 了材料虛度和實度性質(zhì)的多變性特征。虛度或?qū)嵍仁且环N變化性很強的物理量，對其量值 產(chǎn)生影響的因素非常多。材料本身的密實程度、完好程度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、形狀大小、受作用 強度大小和方向、作用方式方法、作用持續(xù)時間長短、破壞程度、變形軌跡形態(tài)和展布空間 大小、外部空間環(huán)境和物質(zhì)環(huán)境，所有這些因素都直接控制虛度和實度的取值指標。正是因 為虛度和實度是具有多變性的物理量，才使得人們不得不對其變化特征與規(guī)律進行大量研 究?；诹W，長期以來，人們對材料力學性質(zhì)進行了大量研究，盡管度量指標不夠準確，但 在實驗基礎(chǔ)上人們對材料在作用下的性質(zhì)也獲取了深刻認識。然而，由于力學對材料受作 用和變化的性質(zhì)缺乏正確的認識，所以，一直沒有找到統(tǒng)一研究材料性質(zhì)變化規(guī)律的正確 方法與測試手段。
[0106] 掌握材料虛度和實度的變化規(guī)律，對解決工程問題和科學預測問題都是至關(guān)重要 的，為此，本發(fā)明進一步闡明材料虛度和實度變化率的測量方法如下：
[0107] ①逐漸加載條件下材料性質(zhì)變化規(guī)律的測量
[0108] 在作用方式和作用環(huán)境確定條件下，采用逐漸加載作用方式測試材料虛度和實度 的變化規(guī)律。其測試方法與過程:加載應力從σ = 1公斤增加到σ = 2公斤、σ = 3公斤、......，通 過測量每增加1公斤應力時對應產(chǎn)生的應變量、虛應力、實應力、應變時間，進而計算每增加 1公斤應力對應的虛度值和實度值；然后根據(jù)虛度變化式P = 和實度變化式 ? = ?來計算獲得虛度變化率β和實度變化率α .
[0109] ②作用方式變化條件下材料性質(zhì)變化規(guī)律的測量
[0110] 應力大小不變、作用方式改變下，如由壓、切、彎、扭等作用方式的改變，相應的虛 度和實度將發(fā)生改變。通過實驗測試與計算分析，將掌握各種材料在不同作用方式下的性 質(zhì)及其變化規(guī)律。
[0111] ③作用環(huán)境變化條件下材料性質(zhì)變化規(guī)律的測量
[0112] 作用環(huán)境是指材料周圍的空間和物質(zhì)環(huán)境，如周圍空間或物質(zhì)存在的方位，與受 作用物體關(guān)系的密切性質(zhì)。如圖5所示，a、b兩個試件同質(zhì)同形，但a試件直接放在地面上，b 試件下放了兩個支撐物體。很顯然，這會導致兩個試件產(chǎn)生的變形不同：a試件不會形成明 顯的彎折變形，但b試件將會形成明顯的彎折變形。相應，兩個試件的虛度和實度也會出現(xiàn) 差異:兩個試件的虛度對應不同。
[0113] 在材料性質(zhì)變化規(guī)律研究中，可以根據(jù)需要變換著受作用環(huán)境對材料的性質(zhì)變化 規(guī)律進行測試。
[0114]④材料厚度變化與材料性質(zhì)變化之間關(guān)系規(guī)律的測定方法
[0115] 材料厚度或材料大小對材料的性質(zhì)也有影響。例如，一塊厚度較大的鋼板和一塊 較薄的鋼板，雖然同質(zhì)，但其抗彎折性質(zhì)表現(xiàn)卻不同?？勺兓虿豢勺冃再|(zhì)還有另外一層含 義:整體性的變化程度或沒變化程度。如果厚度很大，其表面出現(xiàn)的明顯變形卻是很小的一 個變化率。例如，厚度為60公里的地殼，其地表面出現(xiàn)了 1公里深度的斷層，其相對虛度為 馬=1。0·016666667 .如果該斷層生成的時間為10年，那么，該處地殼虛度的變化率為 〇()
[0116]
[0117] 可見，虛度的變化率是很小的。如果該處地殼厚度只有10公里，其虛度變化率為
[0118]
[0119] 其虛度變化率就大很多。
[0120] 通過對同質(zhì)、不同厚度或大小材料進行測試，可以發(fā)現(xiàn)其虛度變化率和實度變化 率存在很大差別，并且，不同材料的這種差別也不同。
[0121] 5、虛度和實度的取值研究方法
[0122] 由于虛度和實度具有多變性，并且，在某一作用下，材料的虛度和實度也會出現(xiàn)連 續(xù)變化的不同數(shù)值，所以，在研究測量材料性質(zhì)時必須合理選值。選值的基本方法是區(qū)分作 用控制下的性質(zhì)變化和非作用控制下的性質(zhì)變化。非作用控制下的性質(zhì)變化一般是指作用 取消后物體的性質(zhì)變化。
[0123] 為了說清楚非作用控制下的性質(zhì)變化，下面以彈性振子的為例分析非作用控制下 彈簧性質(zhì)變化的過程：
[0124] 彈性振子在某一作用觸發(fā)下運動，彈簧發(fā)生變形。當作用取消后，彈性振子保持振 動狀態(tài)，彈簧仍然保持連續(xù)變形狀態(tài)。
[0125] 假設(shè)觸發(fā)彈簧振子振動的觸發(fā)作用量由質(zhì)量是M、運動速度是U的運動物體產(chǎn)生， 其作用量是Ao = MU;彈簧振子的質(zhì)量是m，M在瞬間沖擊m，m在瞬間獲得的動量是Atq = mv = ToAo;在m獲得動量、改變運動的短暫一瞬間，m立刻對彈簧進行作用，迫使彈簧變形。因此，控 制彈簧變形的作用量是A=A TQ=mV = TQA();彈簧受到作用后，一方面產(chǎn)生彈性變形量X，另一 方面產(chǎn)生彈性阻礙作用量。彈性阻礙作用現(xiàn)象隨著作用現(xiàn)象的發(fā)生而出現(xiàn)，也隨作用現(xiàn)象 的變化而變化。在作用現(xiàn)象發(fā)生的初始時刻，即，當t = 0時，彈簧的變形速度(彈性振子的運 動速度)vt = V，阻力R = 0，阻礙作用量為.i = i W/ =_ Q :，控制彈性振子運動的作用量是A=mv， 控制彈簧振子運動的虛作用量是AF=mv，控制彈簧振子運動的實作用量是At = -Ar = O.
[0126] 最初彈簧的變形是在外作用控制下形成的，但在外作用取消后彈簧仍然保持不斷 變形的狀態(tài)。即最初，在外作用支配下，彈簧從〇周期變化到四分子一周期。根據(jù)作用學，在 外作用下彈簧的虛度從時間為t = 0周期時的
[0127]
[0128]
[0129]
[0130]
[0131]
[0132]
[0133]
[0134] 當作用取消以后，彈簧仍在變形。當振動時間是f = I時，彈性振子的運動速度 2 是Vt = -v，阻礙作用量4 =-2服，控制彈簧振子運動的作用量是A=mv，控制彈簧振 子運動的虛作用量是Af = mvt = -mv，控制彈簧振子運動的實作用量是At = -Ar = 2mv.因此， 彈簧的虛度是
[0135]
[0136]
[0137]
[0138] 當彈簧振動的時間是i = 時，彈簧振子的運動速度Vt = O，阻礙作用量 4 = i A// = 1，控制彈性振子運動的作用量是A = mv，控制彈性振子運動的虛作用量是Af = mvt = 0，控制彈簧振子運動的實作用量是At = -Ar=mv.因此，彈簧的虛度是
[0139]
[0140]
[0141]
[0142] 當彈簧振動時間是t=l周期時，彈簧振子的運動速度Vt = V，阻礙作用量 為^ = 0，控制彈簧振子運動的作用量是A=mv，控制彈簧振子運動的虛作用量是Af = mvt=mv，控制彈簧振子運動的實作用量是At = -Ar = 0.因此，彈簧的虛度是
[0143]
[0144]
[0145]
[0146] 此時，彈簧振子完成一個振動周期。
[0147] 通過以上分析計算得知，彈性振子在彈性變形過程中有連續(xù)變化的虛度值和連續(xù) 變化的實度值。那么，試問哪個虛度值是表征彈簧性質(zhì)的虛度值?哪個實度值是表征彈簧性 質(zhì)的實度值?對此問題應有明確答案。
[0148] 由于虛度和實度由作用產(chǎn)生，所以，其取值總是要與作用聯(lián)系。即，彈簧在外作用 控制下產(chǎn)生變形時表現(xiàn)出來的虛度值和實度值才是度量它性質(zhì)的指標，外作用撤銷后彈簧 持續(xù)變形中表現(xiàn)出來的虛度和實度不是度量它性質(zhì)的正確指標。因此，彈簧在特定作用下 的虛度只有一個值，相應的實度值也只有一個。根據(jù)作用學，彈簧的虛度可由下式來計算：
[0149]
[0150] 式中，X表示彈性振子在作用控制下產(chǎn)生的最大位移;V表示彈性振子的最大位移 速度;t =周期/4.因此，無論彈性變形還是塑性變形，其取值范圍都是從0到1中的數(shù)，即實 度的變化區(qū)間是T[0，1]，虛度的變化區(qū)間是E[1，0].但在振動過程中可以出現(xiàn)虛度從-1到 1、實度從〇到2連續(xù)變化的現(xiàn)象，但其虛實度值的多數(shù)數(shù)據(jù)都不能用于做度量材料性質(zhì)的指 標。
[0151] 二、材料性質(zhì)測量的作用學方法所使用的測量儀器
[0152] 如圖4所示，一種材料性質(zhì)測量的作用學方法所使用的測量儀器，由底座1、計時器 2、托盤4、加載砣6、支撐桿3和切割刀5構(gòu)成。其中，計時器2用于計量實驗中加載作用的時間 和變形時間；加載作用力由確定的加載砣6的重力確定;時間的變形量現(xiàn)場測試、記錄;材料 試件7的虛實度及其變化通過對連續(xù)實驗獲取的數(shù)據(jù)進行研究分析與計算獲得;材料試件7 在瞬間能夠抵抗的最大應力通過測試計算獲得;材料試件7在一段時間能夠承受的最大作 用強度即在出現(xiàn)極限變形以前的作用應力對作用時間的積分量也在試驗測試中確定。
[0153] 材料虛度和實度及其變化率與材料強度的測量方法是由自然最基本的統(tǒng)一與對 立統(tǒng)一規(guī)律確定的，并不是認為可以創(chuàng)造的方法。自然最基本的統(tǒng)一與對立統(tǒng)一規(guī)律是作 用的統(tǒng)一與對立統(tǒng)一規(guī)律。由這個基本規(guī)律決定，虛實度的測量方法有很多，并不是固定模 式。在解決材料性質(zhì)測試問題時，一般是根據(jù)具體問題的特點來選擇合適的測試方法和分 析計算方法。其中，測試方法主要根據(jù)被測試材料在使用中的受作用情況來確定。受作用情 況包括受作用力的大小、持續(xù)或斷續(xù)性、作用方式、使用環(huán)境等方面。分析計算方法的選擇 主要根據(jù)已知量獲得的方便性。例如，在壓縮變形現(xiàn)象中，主動作用力或作用量容易確定， 作用物的質(zhì)量也容易令其為已知量，變形量容易測得，作用時間也即變形時間可以測得，因 此，可以根據(jù)虛度與作用量、虛作用量之間的關(guān)系式來計算。即，
[0154]
[0155] 其中，虛作用量Af與壓縮變形量X、變形時間t之間的關(guān)系式為為^ = 虛力Ff與 at X、t之間的關(guān)系式為為作用質(zhì)量;作用量A等于施加的壓力F對變形時間t的積 Cii 分之積，即j = i; .如果在實測中能直接測到在作用下產(chǎn)生變形位移質(zhì)點的位移速度V， Jo 并能確定阻力R值和受作用面積S以及受作用物質(zhì)面密度Ρ，那么，可以采用以下分析計算步 驟:先計算虛作用量:Af = pSv;再計算作用量:根據(jù)作用量等于虛作用量加實作用量、實作 用量等于阻力對時間積分的負值的規(guī)律，彳
最后根據(jù)式S = f 計算得到虛度E值。實度T值一般根據(jù)虛度加實度等于1的規(guī)律來求得，即T = I-E.在任何作 用方式和條件下都可以找到合適的分析計算方法，都可以確定相應的虛度和實度值。其中， 實度與之對應的力之積等于對應的抗變能力。一般來說，在超載作用下、超極限變形出現(xiàn) 時，經(jīng)過分析計算得到的實度與力之積等于極限抗作用力。
[0156] 本發(fā)明給出了測試壓縮變形和切割變形材料性質(zhì)的測試儀器，可以方便于工程中 的現(xiàn)場測試使用。為了計算方便，本發(fā)明選擇了加載砣加載靜壓作用方式。
[0157] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種材料性質(zhì)測量的作用學方法，其特征在于，根據(jù)作用學，變形不僅與力的大小有 關(guān)，而且與作用量的大小有關(guān);假設(shè)作用面積為S，作用力為F，應力為單位受作用面 接受的作用量為= ^，則應變ε與應力0、單位面作用量δ之間的關(guān)系式為式中，應變ε的量綱為:米/米2;應力。的量綱為：牛頓/米2;單位面作用量δ的量綱為：牛 頓秒/米2，S = cn;P=m/S表示單位作用質(zhì)量，其量綱為:千克/米2;Ε質(zhì)示實驗測試中在作用 控制下材料表現(xiàn)出來的可變程度的初始值，即虛度的初始值;β表示虛度的變化率;To表示 實驗測試中在作用控制下材料表現(xiàn)出來的不可變程度的初始值，即實度的初始值;α表示實 度變化率;t表示作用時間，也是應變時間；ε0表示初始應變量； 根據(jù)作用學，作用、實作用、虛作用、材料變形、材料的實度、虛度之間存在如下關(guān)系規(guī) 律： 曰、極限應力與應力、實度、虛度之間的統(tǒng)一關(guān)系式 〇max = T〇= (1-Ε)σ； 式中，表示材料接受的極限應力，其量綱為:牛頓/米表示實驗試驗中試件接受作 用應力，T表示實度，E表示虛度，該統(tǒng)一關(guān)系式用于測試、計算極限應力； b、應力的積累量(單位面接受的作用量）的極限值Smax、應力、實度、虛度之間的統(tǒng)一關(guān) 系式 5max = T5 = T〇t= (l-E)〇t； 式中，Smax又叫極限抗作用強度，t表示受作用時間，該統(tǒng)一關(guān)系式用于測試、計算極限 抗作用強度； C、實度與應力、實應力之間的統(tǒng)一關(guān)系式式中，0T表示實作用應力，是指作用應力中用于對試件的物質(zhì)構(gòu)成作用的應力，該統(tǒng)一 關(guān)系式用于測試、計算實度； d、 虛度與應力、虛應力之間的統(tǒng)一關(guān)系式式中，OF表示虛作用應力，是指應力中用于對試件的空間構(gòu)成作用的應力，該統(tǒng)一關(guān)系 式用于測試、計算虛度； e、 虛度和實度之間的對立統(tǒng)一關(guān)系式 T巧=1; 該統(tǒng)一關(guān)系式用于研究虛度和實度之間的關(guān)系規(guī)律并推導出研究、測試、計算虛度和 實度的其它方法； f、 實度變化式 設(shè)實度的初始和終止值分別為To和Tt，實度的變化時間為Δ t = tt-to = t，則有實度的變 化率該式用于研究實度的變化規(guī)律； g、虛度變化式 設(shè)虛度的初始和終止值分別為Eo和Et，虛度的變化時間為Δ t = tt-to = t，則有虛度的變 化率該式用于研究虛度的變化規(guī)律； 實度和虛度的變化率之和等于0。2. -種如權(quán)利要求1所述的材料性質(zhì)測量的作用學方法所使用的測量儀器，其特征在 于:包括底座（1)，在底座（1)上設(shè)有計時器(2)和兩根支撐桿(3)，在兩根支撐桿(3)之間設(shè) 有托盤(4)，所述托盤(4)約束于兩根支撐桿(3)上且可上下自由滑動；在托盤(4)上方設(shè)有 加載巧(6)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量儀器，其特征在于:在托盤(4)下方安裝有可拆卸的切割 刀（5)。
【文檔編號】G01N3/14GK105842079SQ201610180620
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】王昌益, 王曉靜, 王耀慧
【申請人】王昌益