2.2 材料的力學性質

2.2.1 強度與比強度

1．強度

強度是指材料在外力作用下，抵抗破壞的能力。當材料承受外力作用時，其內部就產生應力，隨著外力的增加，內部應力也相應增大。直至材料不能夠再承受時，材料即發生破壞，此時材料所承受的極限應力值就是材料的強度，又稱為極限強度。

根據材料所受外力的不同，材料強度有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度及抗剪強度等，如圖2.2所示。材料的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度，按下式計算：

式中 f——材料強度，MPa；

F——材料破壞時最大荷載，N；

A——材料受力截面面積，mm2。

材料的抗彎強度與加荷方式有關，當材料截面為矩形，外力是作用于構件兩支點中點的集中荷載時，抗彎強度按下式計算：

式中 fm——材料的抗彎強度，MPa；

F——材料破壞時最大荷載，N；

l——兩支點的間距，mm；

b、h——試件截面寬度和高度，mm。

材料的強度與其組成、構造等因素有關。不同種類的材料具有不同的抵抗外力的特點，如混凝土、石材、磚、砂漿和鑄鐵等，具有較高的抗壓強度，而其抗拉強度和抗彎強度較低，常用于結構承壓部位；木材的強度則具有方向性，順紋方向的強度與橫紋方向的強度不同，順紋方向的抗拉強度大于橫紋方向的抗拉強度，故用于梁、屋架等時，應按順紋方向；鋼材的抗拉強度、抗壓強度都較高，多用于承受各種外力的結構。即使是同類材料當其內部構造不同時，強度也有較大差異。致密度越高的材料，強度越高，即材料的孔隙率越大，其強度越低。同種材料，材料的強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關系，如圖2.3所示。

材料的強度與其含水狀態及溫度也有關，含有水分的材料強度較其干燥時的強度低。通常溫度高時，材料的強度將降低，如瀝青混凝土尤為明顯。

此外，材料的強度還與其測試條件及方法等外部因素有關。如同種材料，采用小試件測得的強度較大試件高；加荷速度快者，強度值偏高；表面涂潤滑劑時，所測得的強度值低。

因此，材料的強度是在特定條件下測定的結果。為了使試驗數據準確，并且具有可比性，測定材料強度時，必須嚴格按照統一的試驗標準進行。

材料的強度是大多數結構材料劃分等級的依據。根據其強度的大小，將其劃分為若干不同的強度等級，對于掌握材料的性能，合理選用材料，正確進行設計和控制工程質量，是非常重要的。

常用建筑材料的強度值見表2.3。

建筑材料常根據其強度的大小劃分為若干個強度等級。如混凝土、砂漿、磚、水泥等按抗壓強度劃分強度等級，而建筑鋼材是按抗拉強度劃分強度等級。將建筑材料劃分為若干個強度等級，對掌握材料性能、合理選用材料、正確進行設計和控制工程質量都是非常重要的。

2．比強度

比強度是指按單位體積質量計算的材料強度，其值等于材料的強度與其表觀密度之比。比強度是衡量材料輕質高強性能的重要指標，材料比強度越大，越輕質高強。在高層建筑及大跨度結構工程中，要求材料不僅要有較高的強度，而且要盡量減輕自重，即要求材料具有較高的比強度。輕質高強的材料，是未來建筑材料發展的主要方向。常用建筑材料的比強度值見表2.4。

2.2.2 彈性與塑性

1．彈性

彈性是指材料在外力作用下產生變形，在取消外力后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質。這種可完全恢復的變形，稱為彈性變形，具有這種性質的材料稱為彈性材料。彈性材料受力時的變形曲線如圖2.4所示。

由圖2.4可見，彈性材料的變形曲線是一條閉合曲線，即彈性變形屬于可逆變形，其數值大小與其所受應力的大小成正比，其比例系數稱為材料的彈性模量，用符號E表示。材料在彈性變形范圍內，E為常數，按下式計算：

式中 E——材料的彈性模量，MPa；

σ——材料的應力，MPa；

ε——材料的應變。

彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個指標，E值越大，表明材料越不易變形，即剛度越好。彈性模量是進行結構設計時的重要參數。

2．塑性

塑性是指材料在外力作用下產生變形，在取消外力后，材料仍保持變形后的形狀和尺寸的性質。這種不能恢復的變形稱為塑性變形（或永久變形），塑性材料的變形曲線如圖2.5所示。

實際上，完全的彈性材料或完全的塑性材料是不存在的，大多數材料的變形既有彈性變形，也有塑性變形。如鋼材，在受力不大時，僅產生彈性變形，當受力超過一定限度之后，則出現了塑性變形。另外，有的材料，受力后彈性變形和塑性變形同時產生，當取消外力后，彈性變形可以恢復（如圖2.6 ab段），而塑性變形則不能恢復（如圖2.60 b段），這類材料稱為彈塑性材料，如混凝土。

2.2.3 脆性與韌性

1．脆性

脆性是指材料在外力作用達到一定限度后，突然破壞且破壞時無明顯塑性變形的性質。具有這種性質的材料稱為脆性材料，如磚、混凝土、石材、陶瓷、玻璃等。脆性材料的變形曲線如圖2.7所示。脆性材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，抵抗沖擊荷載和振動作用的能力差，因此，不宜用于承受沖擊和振動的場合。

2．韌性

韌性是指材料在沖擊或振動荷載作用下，材料能吸收較大的能量，產生一定的變形而不致破壞的性質。具有這種性質的材料稱為韌性材料，如低碳鋼、木材、橡膠、瀝青等。韌性材料的特點是塑性變形大，受力時產生的抗拉強度接近或高于抗壓強度。在建筑工程中，對于要求承受沖擊荷載和有抗震要求的結構，如橋梁、吊車梁等所用的材料，均應具有較高的韌性。

2.2.4 硬度與耐磨性

1．硬度

硬度是指材料表面抵抗其他硬物壓入或刻劃的能力。測定硬度的方法有多種，通常采用的有壓入法、刻劃法和回彈法三種。

壓入法常用于測定鋼材、木材及混凝土等韌性材料。壓入法是以一定的壓力將一定規格的鋼球或金剛石制成的尖端壓入試樣的表面，根據壓痕的面積或深度來測定其硬度。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

刻劃法常用于測定天然礦物的硬度，天然礦物材料的硬度按刻劃法分為10級，由軟到硬依次為滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。通過測定它們對材料的劃痕來確定所測材料的硬度，稱為莫氏硬度。

回彈法常用于測定混凝土構件表面的硬度，并以此估算混凝土的抗壓強度，也可用于測定陶瓷、砂漿、磚、塑料、橡膠等材料的表面硬度和間接推算其強度。

一般來說，硬度較大的材料耐磨性較強，但不易加工。

2．耐磨性

耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。耐磨性用磨損率表示，按下式計算：

式中 N——材料的磨損率，g/cm2；

m1——試件磨損前的質量，g；

m2——試件磨損后的質量，g；

A——試件受磨損的面積，cm 2。

材料的耐磨率越低，表示材料的耐磨性越好。材料的耐磨性與材料的組成成分、結構、強度、硬度等因素有關。材料的結構致密、硬度較大、韌性較高時，其抵抗磨損的能力較強。硬度較大的材料耐磨性較強，但不易加工。在建筑工程中，用于道路、地面、踏步等易受磨損的部位，應考慮使用耐磨性好的材料。