材料的力学性能与结构试验的关系

　　（一）概述

　　一个结构或构件的受力和变形特点，除受荷载等外界因素影响外，还要取决于组成这个结构或构件的材料内部抵抗外力的性能。充分了解材料的力学性能，对于在结构试验前或试验过程中正确估计结构的承载能力和实际工作状况，以及在试验后整理试验数据，处理试验结果等工作都具有非常重要的意义。

　　在结构试验中按照结构或构件材料性质的不同，必须测定相应的一些最基本的数据，如混凝土的抗压强度、钢材的屈服强度和抗拉极限强度、砖石砌体的抗压强度等。在科学研究性的试验中为了了解材料的荷载变形、应力应变关系，需要测定材料的弹性模量，有时根据试验研究的要求，尚须测定混凝土材料的抗拉强度以及各种材料的应力应变曲线等有关数据。

　　在测量材料各种力学性能时，应该按照国家标准或部颁标准所规定的标准试验方法进行，对于试件的形状、尺寸、加工工艺及试验加载、测量方法等都要符合规定的统一标准。

　　在建筑结构抗震研究中，根据地震荷载作用的特点，在结构上施加周期性反复荷载，结构将进入非线性阶段工作，因此相应的材料试验也须要在周期性反复荷载下进行，这时钢材将会出现包辛格效应，对于混凝土材料就需要进行应力应变曲线全过程的测定，特别要测定曲线的下降段部分。

　　材料力学性能

　　对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有：①比例极限。应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。②弹性极限。弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段内的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。③弹性模量。弹性阶段内，法应力与线应变的比例常数（E）。④剪切弹性模量。弹性阶段内，剪应力与剪应变的比例常数（G）。⑤泊松比。垂直于加载方向的线应变与沿加载方向线应变之比（ν）。上述3种弹性常数之间满足G＝E／2（1＋v）。塑性阶段的力学性能有：①屈服强度。材料发生屈服时的应力值。又称屈服极限。屈服时应力不增加但应变会继续增加。②条件屈服强度。某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量（例如0.2％）时的应力值，作为条件屈服强度。应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可消失的变形，称为永久变形或塑性变形。③强化与强度极限。应力超过屈服强度后，材料由于塑性变形而产生应变强化，即增加应变需继续增加应力。这一阶段称为应变强化阶段。强化阶段的应力最高限，即为强度极限。应力达到强度极限后，试样会产生局部收缩变形，称为颈缩。④延伸率（δ）与截面收缩率（ψ）。试样拉断后长度与横截面积的改变量与加载前比值的百分数，即δ＝（lb－l0）／l0×100％，ψ＝（A0－Ab）／A0×100％。式中l0、A0分别为试样的标距和标距内的面积；lb、Ab分别为拉断后的标距长度和断口处的最小横截面积。

　　对于脆性材料（δ≤5％），没有明显的屈服与塑性变形阶段，试样在变形很小时即被拉断，这时的应力值称为强度极限。某些脆性材料的应力-应变曲线上也无明显的直线阶段，这时，胡克定律是近似的。弹性模量由应力-应变曲线的割线的斜率确定。

　　压缩时，大多数工程韧性材料具有与拉伸时相同的屈服强度与弹性模量，但不存在强度极限。大多数脆性材料，压缩时的力学性能与拉伸时有较大差异。例如铸铁压缩时会表现出明显的韧性，试样破坏时有明显的塑性变形，断口沿约45°斜面剪断，而不是沿横截面断裂；强度极限比拉伸时高4～5倍。