材料力學(xué),說說早期材料試驗(yàn)機(jī)

1、材料力學(xué),說說早期材料試驗(yàn)機(jī) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要掌握材料的力學(xué)性能。歷史上，達(dá)芬奇 (1452-1519) 很可能是利用試驗(yàn)方法測(cè)定材料力學(xué)性能的第一人。作為畫家，在他完成的作品之后通常要懸掛起來供人們欣賞，而掛畫的鐵絲時(shí)常會(huì)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，由此達(dá)芬奇設(shè)計(jì)過測(cè)量鐵絲斷裂強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置，并開展了相應(yīng)的研究。 圖 1 達(dá)芬奇與鐵絲強(qiáng)度試驗(yàn) 1 100 多年后，伽利略 (1564-1642) 對(duì)桿的拉伸強(qiáng)度和梁的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他把桿件的斷裂性能稱為"斷裂時(shí)的絕對(duì)抗力'。對(duì)于梁的強(qiáng)度，找到了梁寬度與高度影響梁強(qiáng)度的正確答案。 圖 2 伽利略和他的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度試驗(yàn) 1 不

2、過，達(dá)芬奇和伽利略的試驗(yàn)只能稱之為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，還不能稱之為材料強(qiáng)度試驗(yàn)，他們的試驗(yàn)結(jié)果很強(qiáng)的依賴于結(jié)構(gòu)形式。 到了 19 世紀(jì)上半葉，鏈?zhǔn)綉宜鳂蛟跉W美國(guó)家興起，然而，由于缺乏橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)、以及材料性能方面的知識(shí)，時(shí)常出現(xiàn)橋梁倒塌事故。此外，工業(yè)革命的到來使得鍋爐成了工業(yè)生產(chǎn)中的常見設(shè)備，然而，鍋爐爆炸事故卻如同家常便飯，時(shí)常會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的爆炸事故。1850 年位于曼哈頓的一家機(jī)械車間發(fā)生鍋爐爆炸，共造成 60 多人喪生。人們迫切的需要掌握各種材料的力學(xué)性能，工程師們時(shí)常抱怨缺乏安全可靠的材料性能參數(shù)而難以進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)美國(guó)工程雜志 (engineering magazine) 的主編 v

3、an nostrand 曾描述這一狀況時(shí)說（大意）：人們對(duì)材料的知識(shí)的認(rèn)知目前絕對(duì)是經(jīng)驗(yàn)性的，在使用新材料或舊材料以新形式使用之前，唯一安全的方法是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 1800 年前后，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多各式各樣的材料試驗(yàn)機(jī)。其中較有代表性的是 eytelwein 設(shè)計(jì)的一款材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，如圖 3 所示。該試驗(yàn)機(jī)采用了杠桿式設(shè)計(jì)，為便于固定試樣，試樣設(shè)計(jì)為"棒骨'狀，然后利用杠桿原理對(duì)材料施加載荷，通過砝碼距離懸掛點(diǎn)的距離，可以輕松的換算出施加在試樣 hk 上的載荷大小。理論上，只要杠桿有足夠的大，就可以提供足夠大的拉力。不過 eytelwein 的實(shí)驗(yàn)裝置只能測(cè)定材料的極限強(qiáng)度，還不

4、能測(cè)試材料的屈服極限、彈性模量等指標(biāo)。 圖 3 eytelwein 確定材料拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置 2 大約 1833 年，德國(guó)應(yīng)用力學(xué)學(xué)家 franz joseph ritter von gerstner (1756-1832) 設(shè)計(jì)出了能同時(shí)測(cè)量試樣受力與變形的實(shí)驗(yàn)裝置，并給出了力和變形之間的函數(shù)關(guān)系，這在材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)定中具有里程碑式的意義。 圖 4 franz joseph ritter von gerstner (1756-1832) 2 gerstner 的試驗(yàn)裝置如圖 5 所示，起初用來測(cè)定鋼琴線在受拉條件下的力與變形。該實(shí)驗(yàn)裝置將試樣安裝在圖中 mn 處，ab 為一長(zhǎng)杠桿，c

5、為杠桿支點(diǎn)，ca 長(zhǎng) 4.73m，cb 桿加配重后可保持杠桿平衡，h 為配重，通過h 的位置可換算出 m 點(diǎn)施加的力的大小。m 點(diǎn)在 c 點(diǎn)偏右一點(diǎn)，并在 c 點(diǎn)設(shè)置一個(gè)傳動(dòng)裝置，通過旋轉(zhuǎn)滾子可改變杠桿的傾斜程度，同時(shí)帶動(dòng)鋼琴線被拉緊或放松。當(dāng)扭動(dòng)旋鈕時(shí)，長(zhǎng)桿 ma 發(fā)生上下傾斜，m 處很小的位移在 a 端被放大（該裝置可放大到 54 倍），ad 為豎直放置的標(biāo)有刻度的標(biāo)尺，讀出 a 點(diǎn)位移就可以換算出 m 點(diǎn)的位移，進(jìn)而獲得鋼琴線的變形量。 圖 5 gerstner 測(cè)量鐵絲拉伸狀態(tài)"力-變形'的實(shí)驗(yàn)裝置 2 借助于該試驗(yàn)裝置，gerstner 開展了一系列的鋼琴線的拉伸試

6、驗(yàn)，并使用多項(xiàng)式方法得出了鐵線的拋物線形和無量綱力變形定律。 上式中，f max 和l max 是待定常數(shù)，f 和l 是試驗(yàn)中的過程量。根據(jù)上式，可以繪制出力-變形曲線，如圖 6 所示。 圖 6 依據(jù) gerstner 實(shí)驗(yàn)繪制的"力-變形'曲線 2 gerstner 對(duì)鋼琴線、普通鐵絲、鋼發(fā)條等進(jìn)行了 10 個(gè)不同的系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算之間只有很小的偏差。此外，當(dāng) (l/l max ) 較小時(shí)，上式將可以認(rèn)為滿足線性關(guān)系，并區(qū)分了材料的彈性變形和塑性變形，以及加工硬化現(xiàn)象。他曾建議橋梁工程師們應(yīng)用加工硬化來提高鏈條強(qiáng)度，而不是"為獲得足夠的安全性，鐵桿僅應(yīng)承受

7、一半的破壞載荷'。 盡管 gerstner 的實(shí)驗(yàn)裝置可以同時(shí)測(cè)定力與變形，但由于他選擇多項(xiàng)式函數(shù)式（上式）來描述力與變形的關(guān)系，還不足以清晰的區(qū)分屈服強(qiáng)度。有關(guān)屈服強(qiáng)度，人們?cè)诜▏?guó)科學(xué)家 jean-victor poncelet 的關(guān)于在梅斯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以研究金屬線中延伸電阻的注意事項(xiàng)(note sur les expriences metz pour tudier la rsistance de l"extension dans le fils mtalliques) 報(bào)告中發(fā)現(xiàn)了一張鐵材料的力與變形曲線，如圖 7 所示，圖中不僅清楚地展示了胡克定律的范圍和屈服強(qiáng)度，而且寫

8、出了彈性模量，只是沒有標(biāo)注出尺寸。 圖 7 jean-victor poncelet 教授和他講稿中有關(guān)鐵材料的力與變形曲線 2 這一時(shí)期的試驗(yàn)機(jī)通常是專用設(shè)備，針對(duì)于拉伸、壓縮、彎曲等特定加載方式的試驗(yàn)機(jī)。第一款通用材料試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)在 1879 年 3 月（專利號(hào)213525），由美籍（挪威移民）工程師 tinius olsen (1845-1932) 設(shè)計(jì)，該設(shè)備將拉伸，壓縮以及橫向加載集成在一臺(tái)設(shè)備中，起名為 "小巨人'(thelittle giant)。 圖 8 tinius olsen 和他設(shè)計(jì)的通用試驗(yàn)機(jī) 3 "小巨人'采用立式設(shè)計(jì)，上下裝有一對(duì)抓握夾具把試樣夾緊，利用一組齒輪傳動(dòng)裝置將試樣進(jìn)行拉伸或壓縮。測(cè)試時(shí)，固定上橫梁通過框架將力傳遞至下方的稱重臺(tái)，可繪制測(cè)試結(jié)果的圖形記錄。olsen 精心改進(jìn)了裝置系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)，使施加在試樣上的力為可控的力，稱重桿的設(shè)計(jì)也大大節(jié)省了空間。此外，作為可選部件，還可以使用電動(dòng)馬達(dá)在梁上自動(dòng)移動(dòng)砝碼以保持平衡，而不需要手動(dòng)操作。188