材料的力學性能與結構試驗的關系

　　（一）概述

　　一個結構或構件的受力和變形特點，除受荷載等外界因素影響外，還要取決于組成這個結構或構件的材料內部抵抗外力的性能。充分了解材料的力學性能，對于在結構試驗前或試驗過程中正確估計結構的承載能力和實際工作狀況，以及在試驗后整理試驗數(shù)據(jù)，處理試驗結果等工作都具有非常重要的意義。

　　在結構試驗中按照結構或構件材料性質的不同，必須測定相應的一些最基本的數(shù)據(jù)，如混凝土的抗壓強度、鋼材的屈服強度和抗拉極限強度、磚石砌體的抗壓強度等。在科學研究性的試驗中為了了解材料的荷載變形、應力應變關系，需要測定材料的彈性模量，有時根據(jù)試驗研究的要求，尚須測定混凝土材料的抗拉強度以及各種材料的應力應變曲線等有關數(shù)據(jù)。

　　在測量材料各種力學性能時，應該按照國家標準或部頒標準所規(guī)定的標準試驗方法進行，對于試件的形狀、尺寸、加工工藝及試驗加載、測量方法等都要符合規(guī)定的統(tǒng)一標準。

　　在建筑結構抗震研究中，根據(jù)地震荷載作用的特點，在結構上施加周期性反復荷載，結構將進入非線性階段工作，因此相應的材料試驗也須要在周期性反復荷載下進行，這時鋼材將會出現(xiàn)包辛格效應，對于混凝土材料就需要進行應力應變曲線全過程的測定，特別要測定曲線的下降段部分。

　　材料力學性能

　　對于韌性材料，有彈性和塑性兩個階段。彈性階段的力學性能有：①比例極限。應力與應變保持成正比關系的應力最高限。當應力小于或等于比例極限時，應力與應變滿足胡克定律，即應力與應變成正比。②彈性極限。彈性階段的應力最高限。在彈性階段內，載荷除去后，變形全部消失。這一階段內的變形稱為彈性變形。絕大多數(shù)工程材料的比例極限與彈性極限極為接近，因而可近似認為在全部彈性階段內應力和應變均滿足胡克定律。③彈性模量。彈性階段內，法應力與線應變的比例常數(shù)（E）。④剪切彈性模量。彈性階段內，剪應力與剪應變的比例常數(shù)（G）。⑤泊松比。垂直于加載方向的線應變與沿加載方向線應變之比（ν）。上述3種彈性常數(shù)之間滿足G＝E／2（1＋v）。塑性階段的力學性能有：①屈服強度。材料發(fā)生屈服時的應力值。又稱屈服極限。屈服時應力不增加但應變會繼續(xù)增加。②條件屈服強度。某些無明顯屈服階段的材料，規(guī)定產生一定塑性應變量（例如0.2％）時的應力值，作為條件屈服強度。應力超過屈服強度后再卸載，彈性變形將全部消失，但仍殘留部分不可消失的變形，稱為永久變形或塑性變形。③強化與強度極限。應力超過屈服強度后，材料由于塑性變形而產生應變強化，即增加應變需繼續(xù)增加應力。這一階段稱為應變強化階段。強化階段的應力最高限，即為強度極限。應力達到強度極限后，試樣會產生局部收縮變形，稱為頸縮。④延伸率（δ）與截面收縮率（ψ）。試樣拉斷后長度與橫截面積的改變量與加載前比值的百分數(shù)，即δ＝（lb－l0）／l0×100％，ψ＝（A0－Ab）／A0×100％。式中l(wèi)0、A0分別為試樣的標距和標距內的面積；lb、Ab分別為拉斷后的標距長度和斷口處的最小橫截面積。

　　對于脆性材料（δ≤5％），沒有明顯的屈服與塑性變形階段，試樣在變形很小時即被拉斷，這時的應力值稱為強度極限。某些脆性材料的應力-應變曲線上也無明顯的直線階段，這時，胡克定律是近似的。彈性模量由應力-應變曲線的割線的斜率確定。

　　壓縮時，大多數(shù)工程韌性材料具有與拉伸時相同的屈服強度與彈性模量，但不存在強度極限。大多數(shù)脆性材料，壓縮時的力學性能與拉伸時有較大差異。例如鑄鐵壓縮時會表現(xiàn)出明顯的韌性，試樣破壞時有明顯的塑性變形，斷口沿約45°斜面剪斷，而不是沿橫截面斷裂；強度極限比拉伸時高4～5倍。