材料的力學(xué)性能與結構試驗的關(guān)系

　　（一）概述

　　一個(gè)結構或構件的受力和變形特點(diǎn)，除受荷載等外界因素影響外，還要取決于組成這個(gè)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(xué)性能，對于在結構試驗前或試驗過(guò)程中正確估計結構的承載能力和實(shí)際工作狀況，以及在試驗后整理試驗數據，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(zhì)的不同，必須測定相應的一些最基本的數據，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(xué)研究性的試驗中為了了解材料的荷載變形、應力應變關(guān)系，需要測定材料的彈性模量，有時(shí)根據試驗研究的要求，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(xiàn)等有關(guān)數據。

　　在測量材料各種力學(xué)性能時(shí)，應該按照國家標準或部頒標準所規定的標準試驗方法進(jìn)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定的統一標準。

　　在建筑結構抗震研究中，根據地震荷載作用的特點(diǎn)，在結構上施加周期性反復荷載，結構將進(jìn)入非線(xiàn)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(jìn)行，這時(shí)鋼材將會(huì )出現包辛格效應，對于混凝土材料就需要進(jìn)行應力應變曲線(xiàn)全過(guò)程的測定，特別要測定曲線(xiàn)的下降段部分。

　　材料力學(xué)性能

　　對于韌性材料，有彈性和塑性?xún)蓚�(gè)階段。彈性階段的力學(xué)性能有：①比例極限。應力與應變保持成正比關(guān)系的應力最高限。當應力小于或等于比例極限時(shí)，應力與應變滿(mǎn)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(chēng)為彈性變形。絕大多數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(mǎn)足胡克定律。③彈性模量。彈性階段內，法應力與線(xiàn)應變的比例常數（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（G）。⑤泊松比。垂直于加載方向的線(xiàn)應變與沿加載方向線(xiàn)應變之比（ν）。上述3種彈性常數之間滿(mǎn)足G＝E／2（1＋v）。塑性階段的力學(xué)性能有：①屈服強度。材料發(fā)生屈服時(shí)的應力值。又稱(chēng)屈服極限。屈服時(shí)應力不增加但應變會(huì )繼續增加。②條件屈服強度。某些無(wú)明顯屈服階段的材料，規定產(chǎn)生一定塑性應變量（例如0.2％）時(shí)的應力值，作為條件屈服強度。應力超過(guò)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(chēng)為永久變形或塑性變形。③強化與強度極限。應力超過(guò)屈服強度后，材料由于塑性變形而產(chǎn)生應變強化，即增加應變需繼續增加應力。這一階段稱(chēng)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(huì )產(chǎn)生局部收縮變形，稱(chēng)為頸縮。④延伸率（δ）與截面收縮率（ψ）。試樣拉斷后長(cháng)度與橫截面積的改變量與加載前比值的百分數，即δ＝（lb－l0）／l0×100％，ψ＝（A0－Ab）／A0×100％。式中l0、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(cháng)度和斷口處的最小橫截面積。

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

　　壓縮時(shí)，大多數工程韌性材料具有與拉伸時(shí)相同的屈服強度與彈性模量，但不存在強度極限。大多數脆性材料，壓縮時(shí)的力學(xué)性能與拉伸時(shí)有較大差異。例如鑄鐵壓縮時(shí)會(huì )表現出明顯的韌性，試樣破壞時(shí)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(shí)高4～5倍。