材料压缩力学性能-建筑力学

(1)低碳钢压缩时的力学性质

金属材料的压缩试件一般采用圆柱形的短试件,试件高度与截面直径的比值为1.5~3。低碳钢压缩时的应力-应变曲线如图5.22所示,同时在图5.22中用虚线表示拉伸时的应力-应变曲线。从图形特点看出,其变形过程可以分成3个阶段:弹性阶段(O—A—B,其中A点应力为比例极限,B点应力为弹性极限)、屈服阶段(B—C,其首次下降之后的最低应力为屈服极限)和强化阶段(C—D)。从试验可知,在屈服阶段后,试件出现了显著的塑性变形,越压越扁,由于上下压板与试件之间的摩擦力约束了试件两端的横向变形,试件被压成鼓形。由于横截面不断增大,要继续产生压缩变形,就要进一步增加压力,试件被压得越来越扁,横截面面积越来越大,抗压能力也不断提高。而计算应力时仍采用原来横截面面积,σ=F/A0,由此得出的σ-ε曲线呈上翘趋势。这说明Q235钢压缩时不存在强度极限。Q235钢压缩时也不存在颈缩现象,因此比拉伸时少了颈缩阶段。

由此图可以看出,在弹性阶段和屈服阶段,低碳钢拉伸与压缩的应力-应变曲线基本重合。因此,低碳钢压缩时的弹性模量Ε、比例极限(或弹性极限)及屈服极限等都与拉伸试验的结果基本相同。

对Q235低碳钢压缩时的一些性能指标,通过拉伸试验也能进行了解,无须再作压缩试验。可将其看作拉压性能相同的材料。

(2)铸铁压缩时的力学性质

铸铁压缩试验的标准试件与低碳钢压缩试验的标准试件相同。将铸铁标准压缩试件,按低碳钢压缩试验同样的方法进行试验。如图5.23所示为铸铁压缩时的应力-应变曲线(图中也大致画出了拉伸时的应力-应变曲线如虚线所示)。铸铁拉、压时的应力-应变曲线均没有明显的屈服阶段,但压缩时塑性变形较明显。铸铁受压破坏时的应力和变形都比受拉破坏时大得多,受压强度极限为受拉强度极限的4~5倍,压缩极限变形比拉伸极限变形高10倍以上,因此铸铁适宜作受压构件。铸铁受压破坏时不同于拉伸时沿横截面,而是沿与轴线约成45°~55°的斜截面破坏(图5.24),意味着铸铁的压缩破坏是斜截面错断剪切破坏,是由于超过了材料的抗剪能力而造成的,这说明铸铁抗剪能力比抗压能力低。

图5.23

图5.24

(3)其他材料的力学性质

图5.25给出了几种塑性材料的σ-ε曲线。可以看出,除了16Mn钢与低碳钢的σ-ε曲线比较相似外,一些材料(如铝合金)没有明显的屈服阶段,但它们的弹性阶段、强化阶段和颈缩阶段都比较明显;另外一些材料(如MnV钢)则只有弹性阶段和强化阶段,没有屈服阶段和颈缩阶段。对于没有屈服阶段的塑性材料,国家标准规定以产生0.2%塑性应变时的应力值作为材料的名义屈服极限,用σ0.2表示(图5.26)。

锰钢等的性质与低碳钢相似。在强度方面:拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限基本相同,应力超过弹性极限后有屈服现象;在变形方面:破坏前有明显预兆,延伸率和截面收缩率都较大等。(www.xing528.com)

混凝土、石材等的性能与铸铁相似。在强度方面:压缩强度大于拉伸强度;在变形方面:破坏是突然的,延伸率较小等。

图5.25

图5.26

混凝土是由水泥、石子、砂子3种材料用水拌和,经过凝固硬化后而成的人工石料。图5.27为混凝土拉、压时的σ-ε曲线,由图可知混凝土的抗压强度为抗拉强度的10倍左右。

混凝土压缩时,其破坏形式与端部摩擦有关。如图5.28(a)所示是立方体试块端部未加润滑剂时的破坏情况。由于两端未加润滑剂,压板与混凝土之间的摩擦力约束了试件两端的变形,因此试件破坏时先自中间部分开始四面向外逐渐剥落形成X状。如图5.28(b)所示情况则为由于加润滑剂后两端摩擦约束力较小,因此沿纵向裂开。两种破坏形式所对应的抗压强度不同,后者破坏荷载较小。工程中统一规定采用两端不加润滑剂的试验结果,来确定材料的抗压强度。

图5.27

图5.28

由于铸铁、混凝土等脆性材料的抗压强度比抗拉强度高,宜用于制作承压构件,如底座、桥墩、基础等。