力學性能幫助我們更好的了解建筑材料

    現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應用中的特性和性狀。但目前我們尚未對新開發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用于新領域、新環境和模式的過程中，我們也正在不斷研究、發現與之相關的新的損壞機理。

    對于大多數此類材料的特性，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，從而獲得有關不同特性較為準確的估計數值，如材料強度，硬度，延展性，韌性和回復性。值得注意的是，此類特性之間存在著關聯性，研究人員未將它們視為是單獨、獨立的力學性能。而對于復合材料來說，與其有關的力學性能將更為復雜。

    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。抗拉強度被視為現代建筑業中最重要的力學性能之一，其主要用于定義材料在受張應力作用下的斷裂極限。只有獲取到準確的抗拉強度數值，我們才能設計出在安全邊際內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

    2. 腐蝕對材料結構的影響

    金屬力學性能的本質

    幾乎大多數金屬的特性都能在被廣泛用于建筑和工程行業中的鋼鐵，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）之間發生的反應還是較為容易的。

    有兩種層級因素會影響金屬的在實際應用中的機理，第一種層級是金屬的晶格（大量原子根據一定規律進行排列），第二個層級是晶粒（由大量獨立原子晶格組成的晶體結構），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部的情況發生，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構。這些晶粒有多層面，其形狀、內部結構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構都很小。

    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。

    腐蝕對材料結構的影響

    腐蝕是指由于材料和環境發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（如水或鹽水）的存在而引起的，此類電解質不可避免地存在于海洋環境或水管中。

    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。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象，通常保護層上的某一處微小損壞會產生小孔，小孔處會通過十分復雜的腐蝕機理發生局部的電偶腐蝕。

    要評估均勻腐蝕對材料結構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，再計算鋼構件截面在規定負荷下受到的應力。而要評估局部腐蝕造成的影響則要復雜得多，原因是局部應力場起著影響作用，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，前者指的是某一結構物或構件的屬性，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。研究觀察結果顯示受點蝕影響構件的最大承載能力的損失是受均勻腐蝕影響構件的2.5倍。

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

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

    點蝕除了會對抗拉強度產生影響，與均勻腐蝕相比，其對構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，但在腐蝕、材料延展性減弱和脆性增強三者之間存在著關聯性，在極端情況下，其能導致脆性破壞的發生。此外，由腐蝕引起的橫截面減少和應力集中會大大影響某些構件和整體結構的負荷能力。

    不同種類的腐蝕會對結構部件產生不同影響，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。在發現看似輕微腐蝕的情況時，我們應及時對其進行處理，同時在對易受腐蝕影響的結構物進行設計，建設和維護時，需要格外謹慎小心。

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責任編輯：王元

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