力学性能帮助我们更好的了解建筑材料

    现代建筑材料中有许多明确的力学性能，可以帮助我们了解它们在建筑行业应用中的特性和性状。但目前我们尚未对新开发出来的材料的性状拥有全面的了解，与此同时在这些材料被应用于新领域、新环境和模式的过程中，我们也正在不断研究、发现与之相关的新的损坏机理。

    对于大多数此类材料的特性，我们通常在微观层面对其进行解释，但想要真正了解它们的特性，我们需要从宏观层面进行研究，即通过大量测试和实际应用。

    研究人员一般采用标准试样和测试仪器来对其进行测试，从而获得有关不同特性较为准确的估计数值，如材料强度，硬度，延展性，韧性和回复性。值得注意的是，此类特性之间存在着关联性，研究人员未将它们视为是单独、独立的力学性能。而对于复合材料来说，与其有关的力学性能将更为复杂。

    研究人员所最早定义的材料特性之一就是材料的强度，其包含两类，即抗压强度和抗拉强度。抗拉强度被视为现代建筑业中最重要的力学性能之一，其主要用于定义材料在受张应力作用下的断裂极限。只有获取到准确的抗拉强度数值，我们才能设计出在安全边际内具有高可靠性的建筑物。

    为了确定腐蚀是如何影响抗拉强度， 我们需要观察以下两个方面：

    1. 力学性能的本质

    2. 腐蚀对材料结构的影响

    金属力学性能的本质

    几乎大多数金属的特性都能在被广泛用于建筑和工程行业中的钢铁，铝合金和其他金属身上观察到，因此想要了解它们各自的机理以及与其他典型金属（如建筑钢）之间发生的反应还是较为容易的。

    有两种层级因素会影响金属的在实际应用中的机理，第一种层级是金属的晶格（大量原子根据一定规律进行排列），第二个层级是晶粒（由大量独立原子晶格组成的晶体结构），此类晶粒的大小各异，通常小至只能用显微镜进行观测。

    我们没有必要花费大量时间对该问题的原子层级进行探讨，因为这些晶格中存在着各种不完美的缺陷。时常会有原子缺失、原子被其他原子替代或是原子存在于晶格内部的情况发生，此类情况均会对金属的特性造成各种不同的巨大影响。实际上，正是此类不完美的情况使得我们能通过合金化，机械加工和热处理的方式来改变影响某些金属的特性。

    想要研究和记录金属中的每一个晶格并根据它们来确定金属的特性是几乎不可能的。因此，研究人员更适合在晶粒层级来研究金属的微观结构。这些晶粒有多层面，其形状、内部结构和大小可能各不相同，这些因素都会在某种程度上影响金属材料的力学性能。通常情况下，晶粒们越小，其构成金属的力学性能越佳，这也是为什么高强度钢铁的微观结构都很小。

    抗拉强度的定义是材料在静拉伸条件下的最大承载能力。取决于材料种类，材料有不同形式的断裂，如塑性变形和脆性破坏。

    腐蚀对材料结构的影响

    腐蚀是指由于材料和环境发生作用而对材料造成的化学或电化学降解。钢铁所遭受的腐蚀一般都是由于氧气和电解质（如水或盐水）的存在而引起的，此类电解质不可避免地存在于海洋环境或水管中。

    理论上，我们可以使用牺牲阳极和钝化处理来减少或完全避免腐蚀带来的影响，但遗憾的是在现实中，其他各种如温度，变载荷，振动和微生物活性等因素都会大大削弱此类腐蚀防护方式的效果。此外，腐蚀对裂纹扩展的影响十分巨大。

    腐蚀对力学性能的影响会在平时最为常见的均匀腐蚀和点蚀上有所显现。均匀腐蚀，正如其名称一样，指的是材料存在问题部分的表面遭到腐蚀均匀蔓延的影响。点蚀是一种高度的局部腐蚀现象，通常保护层上的某一处微小损坏会产生小孔，小孔处会通过十分复杂的腐蚀机理发生局部的电偶腐蚀。

    要评估均匀腐蚀对材料结构强度的影响十分简单，先确定受腐蚀影响的面板或梁所损失的厚度和重量，再计算钢构件截面在规定负荷下受到的应力。而要评估局部腐蚀造成的影响则要复杂得多，原因是局部应力场起着影响作用，能够直接影响材料本身的抗拉强度。

    由Nakai, Matsushita和Yamamoto三位研究人员对一艘服役14年的散货船的舱内肋骨进行的实例研究很好地论证了以上观点。

    被腐蚀层的厚度影响着公称抗拉强度和总延伸率的损失量。当某一构件的厚度由于腐蚀影响而减少时，抗拉强度也会逐渐减少，同时极限延伸率也会快速降低。公称抗拉强度和极限抗拉强度并不相同，前者指的是某一结构物或构件的属性，后者指的是某一材料的属性。在这里，公称抗拉强度具体指的是原始横截面上的极限承载力。研究观察结果显示受点蚀影响构件的最大承载能力的损失是受均匀腐蚀影响构件的2.5倍。

    通过观察小型试件，我们发现使用材料的极限承载力可以预测极限拉伸载荷，即横截面乘以极限卡拉强度。

    在使用宽型试件（平板）时，应力集中会引起由点蚀产生的较大孔洞附近发生局部塑性变形和局部断裂的情况，这表明宽型试件发生断裂的应力阈值要小于小型试件。

    点蚀除了会对抗拉强度产生影响，与均匀腐蚀相比，其对构件屈曲强度造成的不利影响要更大。

    抗拉强度，延展性及脆性

    尽管腐蚀对材料的极限抗拉强度有着边际效应，但在腐蚀、材料延展性减弱和脆性增强三者之间存在着关联性，在极端情况下，其能导致脆性破坏的发生。此外，由腐蚀引起的横截面减少和应力集中会大大影响某些构件和整体结构的负荷能力。

    不同种类的腐蚀会对结构部件产生不同影响，这使得研究人员只能通过对不同的个案进行研究来观察这些影响，因此极大地减缓了研究的效率和进度。在发现看似轻微腐蚀的情况时，我们应及时对其进行处理，同时在对易受腐蚀影响的结构物进行设计，建设和维护时，需要格外谨慎小心。

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责任编辑：王元

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