材料力學(xué),說說早期材料試驗機(jī)

　進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要掌握材料的力學(xué)性能。歷史上，達(dá)芬奇 (1452-1519) 很可能是利用試驗方法測定材料力學(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，而掛畫的鐵絲時常會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，由此達(dá)芬奇設(shè)計過測量鐵絲斷裂強(qiáng)度的實驗裝置，并開展了相應(yīng)的研究。

　圖 1 達(dá)芬奇與鐵絲強(qiáng)度試驗 [1]

　 100 多年后，伽利略 (1564-1642) 對桿的拉伸強(qiáng)度和梁的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了實驗。他把桿件的斷裂性能稱為“斷裂時的絕對抗力”。對于梁的強(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 [1]

　 不過，達(dá)芬奇和伽利略的試驗只能稱之為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗，還不能稱之為材料強(qiáng)度試驗，他們的試驗結(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，時常出現(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，時常會發(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。當(dāng)時美國《工程雜志》 (Engineering Magazine) 的主編 Van Nostrand 曾描述這一狀況時說（大意）：人們對材料的知識的認(rèn)知目前絕對是經(jīng)驗性的，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)行實驗。

　1800 年前后，人們設(shè)計了許多各式各樣的材料試驗機(jī)。其中較有代表性的是 Eytelwein 設(shè)計的一款材料拉伸試驗機(jī)，如圖 3 所示。該試驗機(jī)采用了杠桿式設(shè)計，為便于固定試樣，試樣設(shè)計為“棒骨”狀，然后利用杠桿原理對材料施加載荷，通過砝碼距離懸掛點的距離，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 的實驗裝置只能測定材料的極限強(qiáng)度，還不能測試材料的屈服極限、彈性模量等指標(biāo)。

　 圖 3 Eytelwein 確定材料拉伸強(qiáng)度的實驗裝置 [2]

　 大約 1833 年，德國應(yīng)用力學(xué)學(xué)家 Franz Joseph Ritter von Gerstner (1756-1832) 設(shè)計出了能同時測量試樣受力與變形的實驗裝置，并給出了力和變形之間的函數(shù)關(guān)系，這在材料力學(xué)性能實驗測定中具有里程碑式的意義。

　 圖 4 Franz Joseph Ritter von Gerstner (1756-1832) [2]

　 Gerstner 的試驗裝置如圖 5 所示，起初用來測定鋼琴線在受拉條件下的力與變形。該實驗裝置將試樣安裝在圖中 mn 處，AB 為一長杠桿，C 為杠桿支點，CA 長 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 點施加的力的大小。m 點在 C 點偏右一點，并在 C 點設(shè)置一個傳動裝置，通過旋轉(zhuǎn)滾子可改變杠桿的傾斜程度，同時帶動鋼琴線被拉緊或放松。當(dāng)扭動旋鈕時，長桿 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 點位移就可以換算出 m 點的位移，進(jìn)而獲得鋼琴線的變形量。

　 圖 5 Gerstner 測量鐵絲拉伸狀態(tài)“力-變形”的實驗裝置 [2]

　 借助于該試驗裝置，Gerstner 開展了一系列的鋼琴線的拉伸試驗，并使用多項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(xiàn) max

　和△l max

　是待定常數(shù)，F(xiàn) 和△l 是試驗中的過程量。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 實驗繪制的“力-變形”曲線 [2]

　Gerstner 對鋼琴線、普通鐵絲、鋼發(fā)條等進(jìn)行了 10 個不同的系列試驗，發(fā)現(xiàn)實驗與計算之間只有很小的偏差。此外，當(dāng) (△l/△l max ) 較小時，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)承受一半的破壞載荷”。

　盡管 Gerstner 的實驗裝置可以同時測定力與變形，但由于他選擇多項式函數(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，人們在法國科學(xué)家 Jean-Victor Poncelet 的《關(guān)于在梅斯中進(jìn)行實驗以研究金屬線中延伸電阻的注意事項》(Note sur les Expériences à Metz pour étudier la résistance de l"extension dans le fils métalliques) 報告中發(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]

　這一時期的試驗機(jī)通常是專用設(shè)備，針對于拉伸、壓縮、彎曲等特定加載方式的試驗機(jī)。第一款通用材料試驗機(jī)出現(xiàn)在 1879 年 3 月（專利號213525），由美籍（挪威移民）工程師 Tinius Olsen (1845-1932) 設(shè)計，該設(shè)備將拉伸，壓縮以及橫向加載集成在一臺設(shè)備中，起名為 “小巨人”(TheLittle Giant)。

　圖 8 Tinius Olsen 和他設(shè)計的通用試驗機(jī) [3]

　“小巨人”采用立式設(shè)計，上下裝有一對抓握夾具把試樣夾緊，利用一組齒輪傳動裝置將試樣進(jìn)行拉伸或壓縮。測試時，固定上橫梁通過框架將力傳遞至下方的稱重臺，可繪制測試結(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)計也大大節(jié)省了空間。此外，作為可選部件，還可以使用電動馬達(dá)在梁上自動移動砝碼以保持平衡，而不需要手動操作。1880 年 4 月 1 日，Olsen 成立了自己的公司 Tinius Olsen & CO. Macninists（現(xiàn)在的 Tinius Olsen Ltd），走上了商業(yè)化道路，而 Olsen 的“小巨人”也被稱為“通用試驗機(jī)的基礎(chǔ)”。

　 參考文獻(xiàn)：

　 [1] 鐵木辛柯. 材料力學(xué)史

　[2] Karl-Eugen Kurrer. On the Relationship betweenConstruction Engineering and Strength of Materials in Gerstner"s "Handbookof Mechanics".

　[3] CELEBRATING TINIUS OLSEN’S 125 YEARS.

　[4] Tinius Olsen: The making of the history ofmaterials testing

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