任务1.4　材料的力学性质

材料在外力作用下抵抗破坏和产生变形的性质，称为材料的力学性质。

1.4.1　材料的强度

材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。

1.4.1.1　理论强度

从材料的微观结构进行分析，材料的质点间（离子、原子）都存在相互间的吸引力与排斥力，并与质点间的距离有关。设两质点间的距离为S，材料处于自然状态时两质间的距离为S0（称为平衡距离），则当S＝S0时，吸引力与排斥力相等，合力f＝0；当材料受压，两质点间距离缩短（S＜S0）时，排斥力和吸引力均增大，但排斥力增长幅度较大，排斥力使材料具有抵抗压缩的能力（抗压强度）；反之，当材料受拉时，两质点间距离增大（S＞S0）时，排斥力和吸引力均减小，但排斥力减小幅度较大，吸引力使材料具有抵抗拉伸的能力（抗拉强度）。当拉力继续增大，S达到某一值，吸引力与排斥力的合力达到最大时，此时材料的强度即为材料的理论抗拉极限强度。

1.4.1.2　实际强度

由于实际材料的结构及构造往往存在许多缺陷，如晶体缺陷、裂缝，特别是材料内部的细小裂缝，受力时在其边缘出现应力集中，使材料的实际强度远小于其理论强度。

1.静力强度

材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度等，均以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示。材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验测得，必须严格按照国家规定的标准试验方法进行。大部分材料以强度作为划分材料等级的主要依据。表1.5列出了材料的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度的计算公式。

2.材料的等级

大部分建筑材料根据其极限强度的标准值，可划分为若干不同的强度等级。如：

（1）烧结普通砖按抗压强度分为6个等级：MU30、MU25、MU20、MU15、MU10、MU7.5。

（2）硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为4个等级：32.5、42.5、52.5、62.5。

（3）混凝土按其抗压强度分为14个等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。

（4）碳素结构钢按抗拉（屈服）强度分为5个等级：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。

建筑材料按强度划分为若干个强度等级，对生产者和使用者均有重要的意义，它可使生产者在生产中控制产品质量时有依据，从而确保产品的质量；对使用者而言，则有利于掌握材料的性能指标，便于合理选用材料、正确进行设计和控制工程施工质量。常用建筑材料的强度见表1.6。

3.材料的比强度

比强度是按单位体积质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。对于不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。几种主要材料的比强度见表1.7。

由表1.7可知，低碳钢和木材是轻质高强的高效能材料，而普通混凝土为质量大而强度较低的材料，所以努力促进普通混凝土这一当代最重要的结构材料向轻质、高强方向发展，是一项十分重要的工作。

4.影响材料强度的因素

材料的组成和结构是决定材料强度的内在因素。材料强度除受内在因素的影响外，还受到外在因素的影响，外在因素主要包括材料的表观密度、孔隙率、含水率、环境温度等。

试件强度还与试件形状、大小和试验条件密切相关。受试件与承压板表面摩擦的影响，棱柱体形状等长试件的抗压强度较立方体等短试件的抗压强度低；大试件由于材料内部缺陷出现几率增大，强度比小试件低；表面凹凸不平的试件受力面受力不均，强度也会降低；试件的含水率增大，环境湿度升高，都会使材料强度降低；由于材料破坏是其变形达到极限变形而破坏，而应变的发展总是滞后于应力发展，故加荷速度越快，所测得的强度值也越高。为使材料试验结果具有可比性，材料试验应严格按国家有关试验规程的规定进行。

1.4.1.3　其他强度

1.材料的脆性与冲击韧性

材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。

脆性材料抵抗冲击荷载或振动荷载作用的能力很差，其抗压强度远大于抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍。所以，脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用作受拉构件，只适于用作承压构件。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。

材料抵抗冲击或振动荷载作用而不破坏的能力，称为冲击韧性。材料的韧性大小用冲击韧性指标αk表示，以标准试件破坏时消耗于试件单位面积上的功表示。其计算公式为：

韧性大的材料能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏，抗震性能好，如建筑钢材、木材等。在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、桩等，其所用的材料均应具有较高的韧性。

2.硬度

硬度是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。不同材料的硬度测定方法不同，通常采用的有刻划法和压入法两种。刻划法常用于测定天然矿物的硬度。矿物硬度分为10级（莫氏硬度），其递增的顺序为：滑石1级；石膏2级；方解石3级；萤石4级；磷灰石5级；正长石6级；石英7级；黄玉8级；刚玉9级；金刚石10级。钢材、木材及混凝土等的硬度常用钢球压入法测定（布氏硬度HB）。

硬度与强度有关，硬度较大的材料，其强度也较高。因此，有些材料因条件所限，不能直接测强度时，可间接用硬度推算其强度值。如测定混凝土强度时，可采用回弹硬度值推算其强度，而不必进行破坏试验。材料的硬度越大，其耐磨性越好，但不易加工。

3.耐磨性

耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率K表示，其计算公式为：

材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关。一般来说，强度高、硬度大、构造均匀、致密、表面光滑的材料，耐磨性高。

水工建筑物中用于溢流坝面、输水隧洞、溢洪道等部位的材料，经常受高速挟砂水流的冲刷作用，因此应采用耐磨性高的材料，建筑工程中用作踏步、台阶、地面、路面等的材料也应具有较高的耐磨性。

1.4.2　变形

1.4.2.1　弹性变形

材料在外力作用下产生变形（形状、体积发生改变），当外力去除后，材料变形即消失并能完全恢复原来形状的性质，称为弹性，这种变形称为弹性变形。弹性变形是由于外力改变了材料内部质点间的平衡位置，当外力尚未超过一定限度时，外力做功仅能改变质点间的位置而转变成内能暂时储存，当外力去除后，内能释放，使质点恢复至原有平衡位置，变形消失。

弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数E称为材料的弹性模量。材料在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，其值等于应力σ与应变ε的比值，即：

弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。E值越大，材料越不易变形，亦即刚度好。弹性模量是结构设计时的重要参数。

1.4.2.2　塑性变形

材料在外力作用下产生变形（形状、体积发生改变），如果取消外力，仍保持变形后的形状尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形是由于作用于材料的外力超过一定限度时，造成材料内部结构发生破坏，外力做功并未转变为内能，而是消耗于部分结构的破坏，因而塑性变形是不可逆的，属永久变形。

实际上纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，仅产生弹性变形；受力超过一定极限后，即产生塑性变形。有些材料在受力时，如建筑钢材，当所受外力小于弹性极限时，仅产生弹性变形；而外力大于弹性极限后，则除了弹性变形外，还产生塑性变形。有些材料在受力后，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失，这种材料称为弹塑性材料，如混凝土。

弹塑性材料的变形曲线见图1.6，图中ab为可恢复的弹性变形，bo为不可恢复的塑性变形。

根据材料在破坏前塑性变形是否显著，将材料分为塑性材料和脆性材料两类。塑性材料是指在破坏前有显著变形的材料，如低碳钢、有色金属及沥青等。在破坏前无明显变形的材料称为脆性材料，如石料、混凝土、砖瓦及生铁等。脆性材料的抗拉强度远小于抗压强度，常用于受压构件。

1.4.2.3　徐变与应力松弛

固体材料在恒定外力长期作用下，变形随时间的延续而逐渐增大的现象，称为徐变。

徐变开始增长很快，以后渐慢。若总变形不变，其中塑性变形随时间延续逐渐增大，弹性变形逐渐减小，因而引起材料中弹性应力随时间的延续而逐渐降低的现象，称为应力松弛。

产生徐变与应力松弛的原因，对于晶体材料，是由于长期荷载作用下产生晶格错动和滑移；非晶体材料则是由于黏性物质产生流动的结果。

徐变与应力松弛除与材料本身的性质有关外，还与材料所受外力的大小有关。当应力未超过某一限值时，徐变会随时间延长逐渐减小，最后停止发展；当应力超过某一极限值时，徐变会随时间延长而逐渐加大，直至材料破坏。徐变与应力松弛还与温度有关，一般情况下，温度越高，则其徐变越大，如金属材料、沥青材料等在较高温度下，将会产生显著徐变。