力學性能幫助我們更好的了解建筑材料

    現(xiàn)代建筑材料中有許多明確的力學性能，可以幫助我們了解它們在建筑行業(yè)應(yīng)用中的特性和性狀。但目前我們尚未對新開發(fā)出來的材料的性狀擁有全面的了解，與此同時在這些材料被應(yīng)用于新領(lǐng)域、新環(huán)境和模式的過程中，我們也正在不斷研究、發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的新的損壞機理。

    對于大多數(shù)此類材料的特性，我們通常在微觀層面對其進行解釋，但想要真正了解它們的特性，我們需要從宏觀層面進行研究，即通過大量測試和實際應(yīng)用。

    研究人員一般采用標準試樣和測試儀器來對其進行測試，從而獲得有關(guān)不同特性較為準確的估計數(shù)值，如材料強度，硬度，延展性，韌性和回復(fù)性。值得注意的是，此類特性之間存在著關(guān)聯(lián)性，研究人員未將它們視為是單獨、獨立的力學性能。而對于復(fù)合材料來說，與其有關(guān)的力學性能將更為復(fù)雜。

    研究人員所最早定義的材料特性之一就是材料的強度，其包含兩類，即抗壓強度和抗拉強度。抗拉強度被視為現(xiàn)代建筑業(yè)中最重要的力學性能之一，其主要用于定義材料在受張應(yīng)力作用下的斷裂極限。只有獲取到準確的抗拉強度數(shù)值，我們才能設(shè)計出在安全邊際內(nèi)具有高可靠性的建筑物。

    為了確定腐蝕是如何影響抗拉強度， 我們需要觀察以下兩個方面：

    1. 力學性能的本質(zhì)

    2. 腐蝕對材料結(jié)構(gòu)的影響

    金屬力學性能的本質(zhì)

    幾乎大多數(shù)金屬的特性都能在被廣泛用于建筑和工程行業(yè)中的鋼鐵，鋁合金和其他金屬身上觀察到，因此想要了解它們各自的機理以及與其他典型金屬（如建筑鋼）之間發(fā)生的反應(yīng)還是較為容易的。

    有兩種層級因素會影響金屬的在實際應(yīng)用中的機理，第一種層級是金屬的晶格（大量原子根據(jù)一定規(guī)律進行排列），第二個層級是晶粒（由大量獨立原子晶格組成的晶體結(jié)構(gòu)），此類晶粒的大小各異，通常小至只能用顯微鏡進行觀測。

    我們沒有必要花費大量時間對該問題的原子層級進行探討，因為這些晶格中存在著各種不完美的缺陷。時常會有原子缺失、原子被其他原子替代或是原子存在于晶格內(nèi)部的情況發(fā)生，此類情況均會對金屬的特性造成各種不同的巨大影響。實際上，正是此類不完美的情況使得我們能通過合金化，機械加工和熱處理的方式來改變影響某些金屬的特性。

    想要研究和記錄金屬中的每一個晶格并根據(jù)它們來確定金屬的特性是幾乎不可能的。因此，研究人員更適合在晶粒層級來研究金屬的微觀結(jié)構(gòu)。這些晶粒有多層面，其形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大小可能各不相同，這些因素都會在某種程度上影響金屬材料的力學性能。通常情況下，晶粒們越小，其構(gòu)成金屬的力學性能越佳，這也是為什么高強度鋼鐵的微觀結(jié)構(gòu)都很小。

    抗拉強度的定義是材料在靜拉伸條件下的最大承載能力。取決于材料種類，材料有不同形式的斷裂，如塑性變形和脆性破壞。

    腐蝕對材料結(jié)構(gòu)的影響

    腐蝕是指由于材料和環(huán)境發(fā)生作用而對材料造成的化學或電化學降解。鋼鐵所遭受的腐蝕一般都是由于氧氣和電解質(zhì)（如水或鹽水）的存在而引起的，此類電解質(zhì)不可避免地存在于海洋環(huán)境或水管中。

    理論上，我們可以使用犧牲陽極和鈍化處理來減少或完全避免腐蝕帶來的影響，但遺憾的是在現(xiàn)實中，其他各種如溫度，變載荷，振動和微生物活性等因素都會大大削弱此類腐蝕防護方式的效果。此外，腐蝕對裂紋擴展的影響十分巨大。

    腐蝕對力學性能的影響會在平時最為常見的均勻腐蝕和點蝕上有所顯現(xiàn)。均勻腐蝕，正如其名稱一樣，指的是材料存在問題部分的表面遭到腐蝕均勻蔓延的影響。點蝕是一種高度的局部腐蝕現(xiàn)象，通常保護層上的某一處微小損壞會產(chǎn)生小孔，小孔處會通過十分復(fù)雜的腐蝕機理發(fā)生局部的電偶腐蝕。

    要評估均勻腐蝕對材料結(jié)構(gòu)強度的影響十分簡單，先確定受腐蝕影響的面板或梁所損失的厚度和重量，再計算鋼構(gòu)件截面在規(guī)定負荷下受到的應(yīng)力。而要評估局部腐蝕造成的影響則要復(fù)雜得多，原因是局部應(yīng)力場起著影響作用，能夠直接影響材料本身的抗拉強度。

    由Nakai, Matsushita和Yamamoto三位研究人員對一艘服役14年的散貨船的艙內(nèi)肋骨進行的實例研究很好地論證了以上觀點。

    被腐蝕層的厚度影響著公稱抗拉強度和總延伸率的損失量。當某一構(gòu)件的厚度由于腐蝕影響而減少時，抗拉強度也會逐漸減少，同時極限延伸率也會快速降低。公稱抗拉強度和極限抗拉強度并不相同，前者指的是某一結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件的屬性，后者指的是某一材料的屬性。在這里，公稱抗拉強度具體指的是原始橫截面上的極限承載力。研究觀察結(jié)果顯示受點蝕影響構(gòu)件的最大承載能力的損失是受均勻腐蝕影響構(gòu)件的2.5倍。

    通過觀察小型試件，我們發(fā)現(xiàn)使用材料的極限承載力可以預(yù)測極限拉伸載荷，即橫截面乘以極限卡拉強度。

    在使用寬型試件（平板）時，應(yīng)力集中會引起由點蝕產(chǎn)生的較大孔洞附近發(fā)生局部塑性變形和局部斷裂的情況，這表明寬型試件發(fā)生斷裂的應(yīng)力閾值要小于小型試件。

    點蝕除了會對抗拉強度產(chǎn)生影響，與均勻腐蝕相比，其對構(gòu)件屈曲強度造成的不利影響要更大。

    抗拉強度，延展性及脆性

    盡管腐蝕對材料的極限抗拉強度有著邊際效應(yīng)，但在腐蝕、材料延展性減弱和脆性增強三者之間存在著關(guān)聯(lián)性，在極端情況下，其能導(dǎo)致脆性破壞的發(fā)生。此外，由腐蝕引起的橫截面減少和應(yīng)力集中會大大影響某些構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的負荷能力。

    不同種類的腐蝕會對結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生不同影響，這使得研究人員只能通過對不同的個案進行研究來觀察這些影響，因此極大地減緩了研究的效率和進度。在發(fā)現(xiàn)看似輕微腐蝕的情況時，我們應(yīng)及時對其進行處理，同時在對易受腐蝕影響的結(jié)構(gòu)物進行設(shè)計，建設(shè)和維護時，需要格外謹慎小心。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護網(wǎng)http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護網(wǎng)官方 QQ群：140808414