2.2 材料的力学性质

2.2.1 强度与比强度

1．强度

强度是指材料在外力作用下，抵抗破坏的能力。当材料承受外力作用时，其内部就产生应力，随着外力的增加，内部应力也相应增大。直至材料不能够再承受时，材料即发生破坏，此时材料所承受的极限应力值就是材料的强度，又称为极限强度。

根据材料所受外力的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，如图2.2所示。材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度，按下式计算：

式中 f——材料强度，MPa；

F——材料破坏时最大荷载，N；

A——材料受力截面面积，mm2。

材料的抗弯强度与加荷方式有关，当材料截面为矩形，外力是作用于构件两支点中点的集中荷载时，抗弯强度按下式计算：

式中 fm——材料的抗弯强度，MPa；

F——材料破坏时最大荷载，N；

l——两支点的间距，mm；

b、h——试件截面宽度和高度，mm。

材料的强度与其组成、构造等因素有关。不同种类的材料具有不同的抵抗外力的特点，如混凝土、石材、砖、砂浆和铸铁等，具有较高的抗压强度，而其抗拉强度和抗弯强度较低，常用于结构承压部位；木材的强度则具有方向性，顺纹方向的强度与横纹方向的强度不同，顺纹方向的抗拉强度大于横纹方向的抗拉强度，故用于梁、屋架等时，应按顺纹方向；钢材的抗拉强度、抗压强度都较高，多用于承受各种外力的结构。即使是同类材料当其内部构造不同时，强度也有较大差异。致密度越高的材料，强度越高，即材料的孔隙率越大，其强度越低。同种材料，材料的强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系，如图2.3所示。

材料的强度与其含水状态及温度也有关，含有水分的材料强度较其干燥时的强度低。通常温度高时，材料的强度将降低，如沥青混凝土尤为明显。

此外，材料的强度还与其测试条件及方法等外部因素有关。如同种材料，采用小试件测得的强度较大试件高；加荷速度快者，强度值偏高；表面涂润滑剂时，所测得的强度值低。

因此，材料的强度是在特定条件下测定的结果。为了使试验数据准确，并且具有可比性，测定材料强度时，必须严格按照统一的试验标准进行。

材料的强度是大多数结构材料划分等级的依据。根据其强度的大小，将其划分为若干不同的强度等级，对于掌握材料的性能，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量，是非常重要的。

常用建筑材料的强度值见表2.3。

建筑材料常根据其强度的大小划分为若干个强度等级。如混凝土、砂浆、砖、水泥等按抗压强度划分强度等级，而建筑钢材是按抗拉强度划分强度等级。将建筑材料划分为若干个强度等级，对掌握材料性能、合理选用材料、正确进行设计和控制工程质量都是非常重要的。

2．比强度

比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，其值等于材料的强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，材料比强度越大，越轻质高强。在高层建筑及大跨度结构工程中，要求材料不仅要有较高的强度，而且要尽量减轻自重，即要求材料具有较高的比强度。轻质高强的材料，是未来建筑材料发展的主要方向。常用建筑材料的比强度值见表2.4。

2.2.2 弹性与塑性

1．弹性

弹性是指材料在外力作用下产生变形，在取消外力后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。这种可完全恢复的变形，称为弹性变形，具有这种性质的材料称为弹性材料。弹性材料受力时的变形曲线如图2.4所示。

由图2.4可见，弹性材料的变形曲线是一条闭合曲线，即弹性变形属于可逆变形，其数值大小与其所受应力的大小成正比，其比例系数称为材料的弹性模量，用符号E表示。材料在弹性变形范围内，E为常数，按下式计算：

式中 E——材料的弹性模量，MPa；

σ——材料的应力，MPa；

ε——材料的应变。

弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，E值越大，表明材料越不易变形，即刚度越好。弹性模量是进行结构设计时的重要参数。

2．塑性

塑性是指材料在外力作用下产生变形，在取消外力后，材料仍保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形），塑性材料的变形曲线如图2.5所示。

实际上，完全的弹性材料或完全的塑性材料是不存在的，大多数材料的变形既有弹性变形，也有塑性变形。如钢材，在受力不大时，仅产生弹性变形，当受力超过一定限度之后，则出现了塑性变形。另外，有的材料，受力后弹性变形和塑性变形同时产生，当取消外力后，弹性变形可以恢复（如图2.6 ab段），而塑性变形则不能恢复（如图2.60 b段），这类材料称为弹塑性材料，如混凝土。

2.2.3 脆性与韧性

1．脆性

脆性是指材料在外力作用达到一定限度后，突然破坏且破坏时无明显塑性变形的性质。具有这种性质的材料称为脆性材料，如砖、混凝土、石材、陶瓷、玻璃等。脆性材料的变形曲线如图2.7所示。脆性材料的抗压强度远大于抗拉强度，抵抗冲击荷载和振动作用的能力差，因此，不宜用于承受冲击和振动的场合。

2．韧性

韧性是指材料在冲击或振动荷载作用下，材料能吸收较大的能量，产生一定的变形而不致破坏的性质。具有这种性质的材料称为韧性材料，如低碳钢、木材、橡胶、沥青等。韧性材料的特点是塑性变形大，受力时产生的抗拉强度接近或高于抗压强度。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，如桥梁、吊车梁等所用的材料，均应具有较高的韧性。

2.2.4 硬度与耐磨性

1．硬度

硬度是指材料表面抵抗其他硬物压入或刻划的能力。测定硬度的方法有多种，通常采用的有压入法、刻划法和回弹法三种。

压入法常用于测定钢材、木材及混凝土等韧性材料。压入法是以一定的压力将一定规格的钢球或金刚石制成的尖端压入试样的表面，根据压痕的面积或深度来测定其硬度。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

刻划法常用于测定天然矿物的硬度，天然矿物材料的硬度按刻划法分为10级，由软到硬依次为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。通过测定它们对材料的划痕来确定所测材料的硬度，称为莫氏硬度。

回弹法常用于测定混凝土构件表面的硬度，并以此估算混凝土的抗压强度，也可用于测定陶瓷、砂浆、砖、塑料、橡胶等材料的表面硬度和间接推算其强度。

一般来说，硬度较大的材料耐磨性较强，但不易加工。

2．耐磨性

耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。耐磨性用磨损率表示，按下式计算：

式中 N——材料的磨损率，g/cm2；

m1——试件磨损前的质量，g；

m2——试件磨损后的质量，g；

A——试件受磨损的面积，cm 2。

材料的耐磨率越低，表示材料的耐磨性越好。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关。材料的结构致密、硬度较大、韧性较高时，其抵抗磨损的能力较强。硬度较大的材料耐磨性较强，但不易加工。在建筑工程中，用于道路、地面、踏步等易受磨损的部位，应考虑使用耐磨性好的材料。