抗壓強度(英語:Compressive strength)為指定材料抵抗以同一軸線施加壓力的能力,當壓力超越抗壓強度時,材料會出現脆斷、塑性變形等不可逆的形變。混凝土的抗壓強度可以超過50MPa(百萬帕斯卡),但塑膠容器的抗壓強度可以低於250N。[1]
它與抗拉強度、剪切強度等都是評核材料強度的標準,對結構的設計很有幫助。材料的抗壓強度並不一定與其抗拉強度等相若。陶瓷、混凝土的抗壓強度高於抗拉強度;而複合材料的抗拉強度則傾向高於抗壓強度。金屬的抗壓及抗拉強度較難比較,其在受壓時可能會屈曲、碎裂或被剪切,在拉扯時會持續變幼或在其弱點斷裂。
材料的抗壓強度可以用萬能材料試驗機測量,這種機器小至可放於桌上、大至可產生53MN(百萬牛頓)[2]的力量。測量抗壓強度有一定的方法和條件規限,並以既定的標準記錄。
簡介
當物質受到同一軸線的力而令物質在該軸線上的長度增加,該物為受到拉力,它內裏原子與原子間的距離增加;當物質受到同一軸線的力而令物質在該軸線上的長度減少,該物為受到壓力,它內裏原子與原子間的距離減少。拉力亦使本身屈曲的材料伸直,壓力使材料加大其屈曲的程度。此外,物質會自然產生抗拒形變的力,這是由於固體中的原子有保持距離一致的傾向。
形變(Strain)是材料的長度因應外力的改變:正形變在材料受拉力而增加,負形變在材料受壓力而增加。
在抗壓強度測試中,機器會穩定增加壓力。當材料完全崩壞,機器此時所施與的壓力則與抗壓強度相若。通常崩壞時部分的材料會從側面擴展或碎開。
參考右方的應力形變圖,紅點為該材料的抗壓強度。左下方呈直線,顯示材料在較低應力下遵守胡克定律,形變與應力成簡單比例:。當中E為楊氏模數。在這情況下材料的形變是彈性的,當應力消失,物件會傾向回復原狀。當應力足夠大,開始打破胡克定律,這程度的力為材料的降伏強度。其後應力和形變的關係呈曲線,這形變是塑性的,應力消失後也無法回復原狀。
應用
在工程項目中,工程應力更常被用到。它在現實中與真應力不同。以簡單方程計算的壓力與實際情況會有所出入。在基本的計算,同軸的壓力為:
F為壓力,而A為於材料受壓力面的面積。然而,當材料受壓時,其截面積會因而增加。因此工程應力的定義為壓力除以材料的初始面積:
其工程應變的定義則為:
當中l為目前長度,l0為初始長度。抗壓強度則對應工程應力形變圖的點,算式為:
當中F*為崩壞前的壓力,l*為崩壞前的長度。
此外由於測試時材料的兩端均受壓力,因此其截面積增加時會與機器的表面產生摩擦力,這種摩擦力會消耗一些能量。另外由於摩擦力材料的截面積會變得不平均:其中央會比兩端更大,一種被稱為Barrelling的現象。這些是實驗誤差的可能成因。
混凝土的抗壓強度
在土木工程中,混凝土的抗壓強度是一個主要的工程指標。混凝土分級的標準做法也是根據其抗壓強度來分類。其分級以該混凝土的標準立方體試件或標準圓柱試件作抗壓測試,而測試方法根據不同國家的規定有所不同。以印度為例,混凝土的標準抗壓強度以標準養護條件下第28天的立方體試件(長寬高均為150毫米的正方體)作標準,其典型強度可預計不多於5%的測試結果與之不相符。[5]而設計上其抗壓強度會再除以一個安全系數以作保險,其程度視乎設計的需要。
例子
材料 | Rs [MPa] |
陶瓷 | 500 |
骨骼 | 150 |
混凝土 | 20-80 |
冰 (0°C) | 3 |
保麗龍 | ~1 |
另見
參考
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