建築材料的力學性能，各種材料在經受外力或其他作用的過程中所呈現的變形規律和破壞形態的各種物理力學性質，也稱建築材料的機械性能。
基本介紹
- 中文名：建築材料的力學性能
- 釋義：各種材料在經受外力或其他作用的過程中所呈現的變形規律和破壞形態的各種物理力學性質
通常以應力、應變或兩者所導出的一系列參數來表達，並需要通過各種材料的標準試驗方法測定，作為設計和製作各種構件的依據。強度和應力 材料的強度f是材料在經受外力或其他作用時抵抗破壞的能力。某種材料的強度可用這種材料製成的標準試件，在一定的受力狀態或工作條件下進行試驗來確定。在結構工程中，常用材料的極限強度，即在試驗過程中試件截面所能承受的最大應力來表示強度。應力是指由外力、溫度變化或其他作用等因素引起的材料內部單位截面面積上的內力。應力沿截面法向的分量稱為正應力；沿截面切向的分量稱為剪應力。根據外力和其他作用施加方式的不同，材料的強度主要可分為靜態強度和動態強度。動態強度中包括抵抗衝擊作用的衝擊強度和抵抗交變外力或作用的疲勞強度。此外，根據環境溫度不同，材料強度還可分為常溫強度、高溫強度和低溫強度等。根據外力或其他作用的效應的不同，材料的強度又可分為抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗彎強度和抗扭強度。材料的抗拉(或抗壓)強度ft(或fe)＝F/A，其中F為材料破壞時所承受的最大拉力(或壓力)；A為材料試件的受力截面面積。材料的抗彎強度fm＝M/W，其中M為破壞時最大彎矩；W為破壞截面的抵抗矩。大部分建築材料根據其力學性能的標準值的大小而劃分為不同的強度等級。磚、石、水泥、混凝土、砂漿等材料，根據其抗壓強度劃分強度等級；建築鋼材則根據其抗拉強度劃分強度等級，其計量單位一般採用兆帕(MPa)表示。變形和應變 對各種建築材料，不僅要對其應力分布情況進行分析，還要研究其變形。材料在承受外力或其他作用過程中，一定產生變形，當變形不超過一定範圍時，如撤除該外力或其他作用後，材料的幾何形狀能恢復原狀，材料的這種性能稱為彈性。外力或其他作用卸除後即可消失的變形稱彈性變形。當卸除該外力或其他作用後，材料變形只能部分復原而殘留一部分不能消失的變形時，該殘留部分稱為塑性變形。具有塑性變形性能的材料，稱為塑性材料。材料在外力或其他因素作用下產生的局部相對變形，稱為應變，材料中某一微小線段因變形而產生的長度變化量與原來長度的比值，稱為線應變，或正應變ε。材料中兩個互相垂直的微小線段因變形而產生的夾角的改變，稱為角應變，或剪應變у。當材料的剪應變與剪應力呈線性關係時，剪應力與剪應變的比值，稱為剪變模量G。在單軸的外力作用下，材料的橫向正應變與軸向正應變之比，稱為泊松比v。材料的抗拉力學性質 拉伸應力-應變曲線，表示從開始載入直至破壞的拉伸試驗全過程中應力與應變的關係。例如低碳鋼的拉伸應力-應變曲線（圖1），可劃分為彈性、屈服、強化和頸縮四個階段。①彈性階段。圖中0a段是一條直線，應力與應變呈線性關係，稱為比例階段，與a點相對應的應力，稱為比例極限σe在這階段內，材料變形是彈性的。由實驗得知，材料的彈性範圍較比例階段還要大一些，即當應力略微超過比例極限時，儘管應力與應變不再成線性關係，但撤除外力或其他作用後，變形仍能完全消除。由於絕對的彈性範圍很難測準，它又與比例階段相接近，因此在工程中常將比例極限作為彈性極限來處理。在彈性階段中應力與應變成正比，其比例係數稱為彈性模量，用E表示。②屈服階段。過a點以後，應變較應力增長為快，應力與應變不成正比，到達b點，鋼材開始塑流，應力不增加而應變繼續增加，bc段稱為流幅或屈服階段，相應於bc段中最低b1點的應力σt稱為屈服應力，此時的材料強度為屈服強度ft。有些材料，如高強度鋼絲和鋼筋、鑄鐵、鋁合金等，在拉伸應力-應變曲線上，沒有屈服階段。通常規定對應於殘餘應變為0.2％的應力值為條件屈服極限σ0.2（圖2）。③強化階段。當屈服階段的變形增加到一定的程度（圖1中的c點）以後，繼續增加外力，則應力曲線上升，變形繼續增大，材料進入強化階段，曲線到達最高點d，相應應力達到最大值σu，此時的材料強度為極限強度fu，又稱拉伸極限強度。④頸縮階段。過了d點以後，試件變形開始集中在某一局部區域，橫截面出現顯著收縮現象，形成局部頸縮，變形迅速增加，應力隨之下降，最後被拉斷，曲線下降到達e點。此階段稱為頸縮階段。若試件原標距為l，將斷裂試件拼合後量出拉斷後的標距長l1，則可按下式計算其延伸率：對圓形截面試件，規定延伸率應按標距l＝10d或l＝5d（d為圓形截面試件直徑）進行測定。δ值越大，材料的塑性性能越好；δ值小，即材料的變形值小，無明顯的塑性變形，這種材料稱為脆性材料。通常δ10＜5％的材料為脆性材料，如鑄鐵、石、陶瓷等。脆性材料的抗壓強度比抗拉強度要高很多，不宜用於承受振動荷載和衝擊荷載。頸縮處的截面收縮率，則為試件斷裂橫截面積的縮減值占原來橫截面積的百分比。材料的抗壓力學性質 材料在軸向壓力作用下達到破壞前所能承受的最大壓應力，稱為抗壓極限強度。其測定所用的試件形狀尺寸應符合標準規定。低碳鋼和其他塑性材料的壓縮應力-應變曲線(圖3a)，在彈性階段和屈服階段與拉伸時相同，此後逐漸壓扁，但外力或其他作用仍可繼續增加，測不出材料的與極限應力σu相對應的抗壓極限強度，故即採用其與屈服應力σt相對應的屈服強度ft。脆性金屬，如鑄鐵的壓縮試驗表明，其強度指標只有抗壓極限強度fu（圖3b）。關於混凝土的抗壓強度，中國採用邊長為150毫米的立方體試件進行測定，測得的強度稱為立方體強度fcu。由於混凝土結構的構件大多為稜柱體或圓柱體，故在具體結構計算中以高度h等於2～4倍邊長b的稜柱體試件的抗壓強度fpr為依據。在混凝土稜柱體試件壓縮應力-應變曲線(圖4)中，OA段應力和應變呈線性關係，稱為彈性變形區域，AB段為彈塑性和塑性區域，對應於B點的應力為稜柱體的極限強度，作為混凝土結構設計軸壓強度指標的參考。混凝土受壓進入彈塑性區域內時，其彈性模量隨應力的增加而降低，工程上常取(0.4～0.5)σpr時的應力與其應變的比值，作為割線彈性模量。衝擊韌性 在衝擊、振動荷載作用下，材料在變形過程中能吸收能量的性質稱為韌性。它和抗衝擊強度有密切關係。一般測定其衝擊破壞時單位斷裂面上吸收的能量，作為指標。疲勞強度 在規定的荷載作用重複次數和作用變化幅度下，材料所能承受的最大動態應力。其大小與材料性質、應力類型、應力集中程度等因素有關。徐變 又稱蠕變，材料在恆定外力作用下，其變形隨時間延續而緩慢增加的過程。普通混凝土、玻璃、各種金屬和瀝青，在持續的外力作用下，都會產生徐變。應力鬆弛 材料在持續外力作用下，總的變形值保持不變，而由於徐變變形漸增，彈性變形相應漸減，從而使材料內的應力隨時間而逐漸降低的過程。
