材料的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)試驗的關(guān)系

　　（一）概述

　　一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件的材料內(nèi)部抵抗外力的性能。充分了解材料的力學(xué)性能，對于在結(jié)構(gòu)試驗前或試驗過程中正確估計結(jié)構(gòu)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(jié)果等工作都具有非常重要的意義。

　　在結(jié)構(gòu)試驗中按照結(jié)構(gòu)或構(gòu)件材料性質(zhì)的不同，必須測定相應(yīng)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(xué)研究性的試驗中為了了解材料的荷載變形、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(yīng)力應(yīng)變曲線等有關(guān)數(shù)據(jù)。

　　在測量材料各種力學(xué)性能時，應(yīng)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(jié)構(gòu)抗震研究中，根據(jù)地震荷載作用的特點，在結(jié)構(gòu)上施加周期性反復(fù)荷載，結(jié)構(gòu)將進入非線性階段工作，因此相應(yīng)的材料試驗也須要在周期性反復(fù)荷載下進行，這時鋼材將會出現(xiàn)包辛格效應(yīng)，對于混凝土材料就需要進行應(yīng)力應(yīng)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(xué)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(xué)性能有：①比例極限。應(yīng)力與應(yīng)變保持成正比關(guān)系的應(yīng)力最高限。當應(yīng)力小于或等于比例極限時，應(yīng)力與應(yīng)變滿足胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比。②彈性極限。彈性階段的應(yīng)力最高限。在彈性階段內(nèi)，載荷除去后，變形全部消失。這一階段內(nèi)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(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變均滿足胡克定律。③彈性模量。彈性階段內(nèi)，法應(yīng)力與線應(yīng)變的比例常數(shù)（E）。④剪切彈性模量。彈性階段內(nèi)，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的比例常數(shù)（G）。⑤泊松比。垂直于加載方向的線應(yīng)變與沿加載方向線應(yīng)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(xué)性能有：①屈服強度。材料發(fā)生屈服時的應(yīng)力值。又稱屈服極限。屈服時應(yīng)力不增加但應(yīng)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(chǎn)生一定塑性應(yīng)變量（例如0.2％）時的應(yīng)力值，作為條件屈服強度。應(yīng)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(yīng)力超過屈服強度后，材料由于塑性變形而產(chǎn)生應(yīng)變強化，即增加應(yīng)變需繼續(xù)增加應(yīng)力。這一階段稱為應(yīng)變強化階段。強化階段的應(yīng)力最高限，即為強度極限。應(yīng)力達到強度極限后，試樣會產(chǎn)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(nèi)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(yīng)力值稱為強度極限。某些脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)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(xué)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。