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建筑材料的力学性能,各种材料在经受外力或其他作用的过程中所呈现的变形规律和破坏形态的各种物理力学性质,也称建筑材料的机械性能。
通常以应力、应变或两者所导出的一系列参数来表达,并需要通过各种材料的标准试验方法测定,作为设计和制作各种构件的依据。强度和应力 材料的强度f是材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。某种材料的强度可用这种材料制成的标准试件,在一定的受力状态或工作条件下进行试验来确定。在结构工程中,常用材料的极限强度,即在试验过程中试件截面所能承受的最大应力来表示强度。应力是指由外力、温度变化或其他作用等因素引起的材料内部单位截面面积上的内力。应力沿截面法向的分量称为正应力;沿截面切向的分量称为剪应力。根据外力和其他作用施加方式的不同,材料的强度主要可分为静态强度和动态强度。动态强度中包括抵抗冲击作用的冲击强度和抵抗交变外力或作用的疲劳强度。此外,根据环境温度不同,材料强度还可分为常温强度、高温强度和低温强度等。根据外力或其他作用的效应的不同,材料的强度又可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和抗扭强度。材料的抗拉(或抗压)强度ft(或fe)=F/A,其中F为材料破坏时所承受的最大拉力(或压力);A为材料试件的受力截面面积。材料的抗弯强度fm=M/W,其中M为破坏时最大弯矩;W为破坏截面的抵抗矩。大部分建筑材料根据其力学性能的标准值的大小而划分为不同的强度等级。砖、石、水泥、混凝土、砂浆等材料,根据其抗压强度划分强度等级;建筑钢材则根据其抗拉强度划分强度等级,其计量单位一般采用兆帕(MPa)表示。变形和应变 对各种建筑材料,不仅要对其应力分布情况进行分析,还要研究其变形。材料在承受外力或其他作用过程中,一定产生变形,当变形不超过一定范围时,如撤除该外力或其他作用后,材料的几何形状能恢复原状,材料的这种性能称为弹性。外力或其他作用卸除后即可消失的变形称弹性变形。当卸除该外力或其他作用后,材料变形只能部分复原而残留一部分不能消失的变形时,该残留部分称为塑性变形。具有塑性变形性能的材料,称为塑性材料。材料在外力或其他因素作用下产生的局部相对变形,称为应变,材料中某一微小线段因变形而产生的长度变化量与原来长度的比值,称为线应变,或正应变ε。材料中两个互相垂直的微小线段因变形而产生的夹角的改变,称为角应变,或剪应变у。当材料的剪应变与剪应力呈线性关系时,剪应力与剪应变的比值,称为剪变模量G。在单轴的外力作用下,材料的横向正应变与轴向正应变之比,称为泊松比v。材料的抗拉力学性质 拉伸应力-应变曲线,表示从开始加载直至破坏的拉伸试验全过程中应力与应变的关系。例如低碳钢的拉伸应力-应变曲线(图1),可划分为弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段。①弹性阶段。图中0a段是一条直线,应力与应变呈线性关系,称为比例阶段,与a点相对应的应力,称为比例极限σe在这阶段内,材料变形是弹性的。由实验得知,材料的弹性范围较比例阶段还要大一些,即当应力略微超过比例极限时,尽管应力与应变不再成线性关系,但撤除外力或其他作用后,变形仍能完全消除。由于绝对的弹性范围很难测准,它又与比例阶段相接近,因此在工程中常将比例极限作为弹性极限来处理。在弹性阶段中应力与应变成正比,其比例系数称为弹性模量,用E表示。②屈服阶段。过a点以后,应变较应力增长为快,应力与应变不成正比,到达b点,钢材开始塑流,应力不增加而应变继续增加,bc段称为流幅或屈服阶段,相应于bc段中最低b1点的应力σt称为屈服应力,此时的材料强度为屈服强度ft。有些材料,如高强度钢丝和钢筋、铸铁、铝合金等,在拉伸应力-应变曲线上,没有屈服阶段。通常规定对应于残余应变为0.2%的应力值为条件屈服极限σ0.2(图2)。③强化阶段。当屈服阶段的变形增加到一定的程度(图1中的c点)以后,继续增加外力,则应力曲线上升,变形继续增大,材料进入强化阶段,曲线到达最高点d,相应应力达到最大值σu,此时的材料强度为极限强度fu,又称拉伸极限强度。④颈缩阶段。过了d点以后,试件变形开始集中在某一局部区域,横截面出现显著收缩现象,形成局部颈缩,变形迅速增加,应力随之下降,最后被拉断,曲线下降到达e点。此阶段称为颈缩阶段。若试件原标距为l,将断裂试件拼合后量出拉断后的标距长l1,则可按下式计算其延伸率:对圆形截面试件,规定延伸率应按标距l=10d或l=5d(d为圆形截面试件直径)进行测定。δ值越大,材料的塑性性能越好;δ值小,即材料的变形值小,无明显的塑性变形,这种材料称为脆性材料。通常δ10<5%的材料为脆性材料,如铸铁、石、陶瓷等。脆性材料的抗压强度比抗拉强度要高很多,不宜用于承受振动荷载和冲击荷载。颈缩处的截面收缩率,则为试件断裂横截面积的缩减值占原来横截面积的百分比。材料的抗压力学性质 材料在轴向压力作用下达到破坏前所能承受的最大压应力,称为抗压极限强度。其测定所用的试件形状尺寸应符合标准规定。低碳钢和其他塑性材料的压缩应力-应变曲线(图3a),在弹性阶段和屈服阶段与拉伸时相同,此后逐渐压扁,但外力或其他作用仍可继续增加,测不出材料的与极限应力σu相对应的抗压极限强度,故即采用其与屈服应力σt相对应的屈服强度ft。脆性金属,如铸铁的压缩试验表明,其强度指标只有抗压极限强度fu(图3b)。关于混凝土的抗压强度,中国采用边长为150毫米的立方体试件进行测定,测得的强度称为立方体强度fcu。由于混凝土结构的构件大多为棱柱体或圆柱体,故在具体结构计算中以高度h等于2~4倍边长b的棱柱体试件的抗压强度fpr为依据。在混凝土棱柱体试件压缩应力-应变曲线(图4)中,OA段应力和应变呈线性关系,称为弹性变形区域,AB段为弹塑性和塑性区域,对应于B点的应力为棱柱体的极限强度,作为混凝土结构设计轴压强度指标的参考。混凝土受压进入弹塑性区域内时,其弹性模量随应力的增加而降低,工程上常取(0.4~0.5)σpr时的应力与其应变的比值,作为割线弹性模量。冲击韧性 在冲击、振动荷载作用下,材料在变形过程中能吸收能量的性质称为韧性。它和抗冲击强度有密切关系。一般测定其冲击破坏时单位断裂面上吸收的能量,作为指标。疲劳强度 在规定的荷载作用重复次数和作用变化幅度下,材料所能承受的最大动态应力。其大小与材料性质、应力类型、应力集中程度等因素有关。徐变 又称蠕变,材料在恒定外力作用下,其变形随时间延续而缓慢增加的过程。普通混凝土、玻璃、各种金属和沥青,在持续的外力作用下,都会产生徐变。应力松弛 材料在持续外力作用下,总的变形值保持不变,而由于徐变变形渐增,弹性变形相应渐减,从而使材料内的应力随时间而逐渐降低的过程。 2100433B
钱觉时(JueshiQian),安徽桐城人,1962年生,现为重庆大学教授,材料科学与工程、环境工程专业博士生导师,霍英东教育基金获得者。先后在东南大学、重庆大学、同济大学和美国宾州大学学习。1992...
建筑材料building materials ,在建筑物中使用的材料统称为建筑材料。新型的建筑材料包括的范围很广, 有保温材料、隔热材料、高强度材料、会呼吸的材料等都属于新型材料。建筑材料是土木工程和...
1、含水率表示材料的( C )。A、耐水性 B、吸水性 C、吸湿性 D、抗渗性2、在干燥环境中的混凝土工程,应优先选用(C )。A、火山灰水泥 B、矿渣水泥 C、普通水泥 ...
浅谈加载速度对建筑材料力学性能检测的影响
材料的力学特性是建筑材料和结构设计的重要理论依据之一,本文通过拉伸和弯曲试验研究了加载速度对材料力学特性的影响。试验结果表明加载速度对材料的力学特性有一定的影响,在进行材料的力学试验时需严格按照标准要求的加载速度进行加载。
丛生竹物理力学性能及其对制造竹建筑材料的影响
研究了两种最重要的丛生竹种云南黄竹和龙竹的物理和化学性能。实验结果表明,黄竹的物理性能,如纵横干缩性等优于龙竹,而且黄竹的力学性能如静曲强度、静曲弹性模量及顺纹压缩与剪切强度也比龙竹高。与建筑用木材相比,两种丛生竹的物理力学性能均达到了建筑材料的性能要求。
【学员问题】钢的力学性能解析?
【解答】7.1拉力试验
按标准制备的拉力试样,安装在拉力试验机的夹头内,对试样缓慢施加单轴向拉伸应力,直至试样被拉断为止的试验称作拉力试验。
7.1.1强度
金属材料在外力作用下,抵抗变形和断裂的能力叫强度。强度指标包括:比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等。
7.1.2比例极限
对金属施加拉力,金属存在着力与变形成直线比例的阶段,而这个阶段的最大极限负荷Pp除以试样的原横截面积即为比例极限,用 σ P表示。
7.1.3弹性极限
金属受外力作用发生了变形,外力去掉后,能完全恢复原来的形状,这种变形称为弹性变形。金属能保持弹性变形的最大应力称为 弹性极限,用σe表示。
7.1.4抗拉强度
试样拉伸时,在拉断前所承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力,称作抗拉强度,用σb表示。当材料所受的外应力大于其抗拉 强度时,将会发生断裂。因此σb越高,则表示它能承受愈大的外应力而不致于断裂。
国外标准的结构钢常按抗拉强度来分类,如SS400,其中400即表示σb的最小值为400MPa超高强度钢是指σb≥1373 Mpa的钢。
7.1.5屈强比
屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值(σS/σb)。屈服比值越高,则该材料的强度愈高,屈强比值愈低则塑性愈佳,冲压成形性愈好。如深冲钢板的屈强比值为≤0.65.
弹簧钢一般均在弹性极限范围内服役,受载荷时不允许产生塑性变形,因此要求弹簧钢经淬火、回火后具有尽可能高的弹性极限和 屈强比值(σS/σb≥0.90)此外疲劳寿命与抗拉强度及表面质量往往有很大关连。
7.1.6塑性
金属材料在受力破坏前可以经受永久变形的性能称为塑性。塑性指标通常伸长率和断面收缩率表示。伸长率与断面收缩率越高,则塑性越好。
以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成,供参考,如有问题请及时沟通、指正。
作品目录
绪论
第一篇 金属的力学性能
第一章 静拉伸下的力学性能
第二章 其他静载下的力学性能
第三章 冲击韧性与冷脆转变
第四章 断裂韧性
第五章 疲劳
第六章 蠕变
第七章 应力腐蚀与腐蚀疲劳
……
第二篇 复合材料的力学性能
第九章 复合材料的一般特性、增强机理和分类
第十章 单向复合材料的静态力学性能
第十一章 复合材料层合板的静态力学性能
……
附录
参考资料
《材料的宏微观力学性能实验指导》是国家精品课程、国家“十一五”规划教材《材料的宏微观力学性能》(高等教育出版社出版)的配套实验指导教材。全书共分三部分:基础性实验部分、综合性实验部分和创新性实验部分。全书共45个实验,内容涉及材料的常规力学性能测试,如基本力学性能、硬度、断裂韧性和残余应力;在工程中应用最广的金属材料的力学性能表征,如金属的疲劳、蠕变、疲劳和蠕变的交互作用以及金属材料在环境介质中的力学性能;一些特殊材料如智能材料、薄膜材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料的某些宏微观力学性能的表征;设计了一些采用专门的计算软件来模拟分析材料的宏微观力学性能方面的实验。在每个实验中,对实验原理、实验目的、实验方法与步骤等均有较详细的叙述和较严格的要求。