1.3　材料的力學(xué)性質(zhì)

材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料在外力作用下的表現(xiàn)，通常以材料在外力作用下的變形性或強(qiáng)度來表示。

對(duì)材料所施加的、使材料發(fā)生變形的力稱為外力或荷載P。

材料受力后發(fā)生變形，單位長度上的變形量稱為應(yīng)變，即ε=ΔL/L。

當(dāng)材料承受外力時(shí)，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。作用在材料單位面積上的力稱為應(yīng)力，即σ=P/A。

1.3.1　材料的強(qiáng)度與比強(qiáng)度

材料在外力（即荷載）作用下抵抗破壞的能力，稱為強(qiáng)度。

當(dāng)材料受外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，若外力增大，則應(yīng)力相應(yīng)加大，直到材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力不足以抵抗所作用的外力時(shí)，材料即發(fā)生破壞。材料破壞時(shí)的荷載稱為破壞荷載或最大荷載，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力就是材料的強(qiáng)度。

（1）材料的強(qiáng)度類型

材料在結(jié)構(gòu)中承受的外力主要有：拉力、壓力、剪力及彎矩等，材料抵抗這些外力破壞的能力，就分別稱為抗拉、抗壓、抗剪和抗彎強(qiáng)度，如圖1.4所示。這些宏觀強(qiáng)度一般通過靜力試驗(yàn)來測(cè)定，故總稱為靜力強(qiáng)度，材料的靜力強(qiáng)度是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的破壞試驗(yàn)測(cè)得的。

①材料的抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度

材料的抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度按式（1.12）計(jì)算：

式中　f——材料的強(qiáng)度，MPa；

F——試件破壞時(shí)的最大荷載，N；

A——試件的受力截面面積，mm2。

抗壓強(qiáng)度是評(píng)定脆性材料強(qiáng)度的基本指標(biāo)，而抗拉強(qiáng)度是評(píng)定塑性材料強(qiáng)度的主要指標(biāo)。

②材料的抗彎強(qiáng)度

材料的抗彎強(qiáng)度與試件的幾何形狀及荷載施加的情況有關(guān)，對(duì)于矩形截面和條形試件，當(dāng)采用二分點(diǎn)試驗(yàn)（圖1.4）（在兩支點(diǎn)的中間作用一個(gè)集中荷載）時(shí)，其抗彎極限強(qiáng)度按式（1.13）計(jì)算：

當(dāng)采用三分點(diǎn)試驗(yàn)（圖1.4）（在跨度的三分點(diǎn)上加兩個(gè)集中荷載）時(shí)，其抗彎極限強(qiáng)度按式（1.14）計(jì)算：

式中　ftm——材料的抗彎極限強(qiáng)度，MPa；

F——試件破壞時(shí)的最大荷載，N；

L——試件兩支點(diǎn)間的距離，mm；

b，h——試件截面的寬度和高度，mm。

（2）影響材料強(qiáng)度的因素

①材料的組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

不同組成的材料具有不同的強(qiáng)度，即使材料的組成相同，也會(huì)因內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造不同而使強(qiáng)度相差較大。材料的孔隙率越大，其強(qiáng)度越低。對(duì)于同一品種的材料，其強(qiáng)度與孔隙率之間存在近似直線的反比關(guān)系，如圖1.5所示。晶體結(jié)構(gòu)的材料，其強(qiáng)度還與晶粒細(xì)度有關(guān)。

石材、磚、混凝土等非勻質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度較高，而抗拉及抗折強(qiáng)度卻很低；鋼材為勻質(zhì)的晶體材料，其抗拉、抗壓強(qiáng)度都很高；木材內(nèi)部為纖維結(jié)構(gòu)，順紋方向的抗拉強(qiáng)度高于橫紋方向的抗拉強(qiáng)度。

②試驗(yàn)條件

試驗(yàn)方面的因素有：試件大小、試件形狀、加荷速度以及試件的平整度等。

同樣形狀而不同尺寸的試件，由于小試件的一些缺陷表現(xiàn)不出來，強(qiáng)度較大試件的高。如混凝土立方體試塊（200mm×200mm×200mm）比標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊（150mm×150mm×150mm）測(cè)得的強(qiáng)度偏低。試件形狀也對(duì)強(qiáng)度有影響，如與立方體混凝土試塊相比，棱柱體試塊（150mm×150mm×300mm）所測(cè)強(qiáng)度比立方體試塊（150mm×150mm×150mm）的低。除了尺寸效應(yīng)外，與所受環(huán)箍效應(yīng)的影響小也有關(guān)。具體分析如下：混凝土為脆性材料，測(cè)抗壓強(qiáng)度時(shí)，在試塊的上、下面上要放兩塊承壓板（鋼板）。試塊受壓時(shí)，混凝土與承壓板之間存在摩擦力，產(chǎn)生作用力與反作用力，但是由于混凝土的彈性模量（E=σ/ε）比鋼板的小，所以受同樣大小的力時(shí)，鋼板的橫向變形小于混凝土的橫向變形，因而鋼板對(duì)混凝土的橫向膨脹起約束作用，這種約束作用稱為“環(huán)箍效應(yīng)”。越接近受壓面，約束作用越大，在距離受壓面大約3a/2的范圍以外，約束作用才消失，所以立方體試件在整個(gè)試塊中都受到約束作用，棱柱體試塊在中間部位未受到約束作用，所以棱柱體試塊（150mm×150mm×300mm）所測(cè)強(qiáng)度比立方體試塊（150mm×150mm×150mm）的低，如圖1.6所示。

因?yàn)闇y(cè)強(qiáng)度時(shí)采用的是破壞性試驗(yàn)，因此從加載到破壞的整個(gè)過程，就涉及施加荷載的速度問題。施加荷載以后，加荷速度應(yīng)該與裂縫擴(kuò)展（變形增長）速度一致，如果加荷速度太快，裂縫擴(kuò)展落后于荷載增長，本來在該級(jí)荷載試件就破壞了，卻由于裂縫擴(kuò)展慢使得試件在下一級(jí)荷載才破壞，導(dǎo)致測(cè)得的強(qiáng)度值偏高。

測(cè)試材料強(qiáng)度時(shí)，試件的平整度對(duì)材料強(qiáng)度也有影響。因此，做試驗(yàn)時(shí)，一定要把表面的水分、砂塵等擦掉，由于成型面不夠平整，試驗(yàn)時(shí)要用試塊的側(cè)面與承壓板接觸。

③材料的含水情況

以木材來說，濕木材由于吸附水多，使木纖維之間的距離變大，內(nèi)聚力降低，造成強(qiáng)度降低。因此，含有水分的材料較干材料的強(qiáng)度低。

④溫度

一般來說，溫度越高，材料的強(qiáng)度越低。比如瀝青加熱后變成黏滯狀的液體，強(qiáng)度明顯降低。

（3）材料的強(qiáng)度等級(jí)

各種材料的強(qiáng)度差別甚大，每種材料按其強(qiáng)度值的大小劃分為若干個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。劃分強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)生產(chǎn)者和使用者均有重要意義，它可以作為生產(chǎn)者控制質(zhì)量的依據(jù)，也有利于使用者掌握材料的性能指標(biāo)以便于合理的選用材料。常用土木工程材料的強(qiáng)度如表1.3所示。

（4）材料的比強(qiáng)度

為了對(duì)不同類材料的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，可采用比強(qiáng)度這一指標(biāo)。比強(qiáng)度等于材料的強(qiáng)度與表觀密度之比，即單位質(zhì)量的材料強(qiáng)度。比強(qiáng)度是用來評(píng)價(jià)材料是否輕質(zhì)高強(qiáng)的一個(gè)指標(biāo)。幾種主要材料的比強(qiáng)度如表1.4所示。木材的比強(qiáng)度比鋼材的大，所以，木材與鋼材相比，木材就是輕質(zhì)高強(qiáng)的材料；而鋼材與混凝土相比，鋼材則是輕質(zhì)高強(qiáng)的材料。

1.3.2　材料的彈性與塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，變形隨即消失并能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)，稱為材料的彈性。這種當(dāng)外力取消后瞬間即可完全消失的變形，稱為彈性變形。這種變形屬于可逆變形，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為材料的彈性模量，按照式（1.15）計(jì)算。在彈性變形范圍內(nèi)，彈性模量為常數(shù)。

式中　σ——材料的應(yīng)力，MPa；

ε——材料的應(yīng)變；

E——材料的彈性模量，MPa。

材料的彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個(gè)指標(biāo)，彈性模量越大，材料越不容易變形，即剛度越好，彈性模量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)取消外力后，不能恢復(fù)變形，仍然保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)，稱為材料的塑性。這種不能恢復(fù)的變形，稱為材料的塑性變形或永久變形。材料的塑性變形為不可逆變形。

實(shí)際上，純的彈性材料是沒有的。一些材料，當(dāng)外力較小時(shí)，僅產(chǎn)生彈性變形；而當(dāng)外力超過一定值后，除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生塑性變形，比如建筑鋼材。在受力時(shí)同時(shí)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，如果取消外力，彈性變形消失，而塑性變形不能消失，這種材料稱為彈塑性材料，如混凝土。彈塑性材料的變形曲線如圖1.7所示。

1.3.3　材料的脆性與韌性

材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞，但破壞時(shí)沒有明顯塑性變形的性質(zhì)，稱為材料的脆性。具有這種性質(zhì)的材料稱為脆性材料。

材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生較大變形而不致破壞的性質(zhì)，稱為材料的韌性或沖擊韌性。

脆性材料受力后變形很小，一變形就破壞，而且進(jìn)行宏觀強(qiáng)度測(cè)定時(shí)，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，只適合用于承壓構(gòu)件。比如混凝土、磚、陶瓷等材料為脆性材料。

與脆性材料相比，韌性材料受力后可以吸收較大的能量，變形較大，但不容易破壞，抗拉強(qiáng)度接近或略高于抗壓強(qiáng)度。因此，韌性材料適合于承受沖擊荷載或振動(dòng)荷載，比如吊車梁、橋梁、鐵軌就應(yīng)采用韌性材料（如鋼材）。

1.3.4　材料的硬度與耐磨性

（1）硬度

硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻畫的能力。土木工程中，為保持建筑物的使用性能或外觀，常要求材料具有一定的硬度。

測(cè)定材料硬度的方法有多種，常用的有刻畫法或壓入法兩種，不同材料測(cè)定硬度的方法不同。刻畫法常用于測(cè)定天然礦物的硬度，用莫氏硬度表示，它是以兩種礦物相互對(duì)刻的方法確定礦物的相對(duì)硬度，并非材料絕對(duì)硬度的等級(jí)。礦物硬度分為十級(jí)，其硬度遞增順序?yàn)榛⑹唷⒎浇馐⑽炇⒘谆沂⒄L石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。鋼材、木材及混凝土等材料的硬度常采用壓入法測(cè)定，例如布氏硬度，布氏硬度以壓痕單位面積上所承受的壓力來表示。

（2）耐磨性

耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性以磨損前后材料單位面積的質(zhì)量損失，即磨損率表示。

材料的磨損率越低，表明該材料的耐磨性越好。一般來說，強(qiáng)度較高且密實(shí)的材料，其硬度較大，耐磨性也較好。材料的耐磨性與材料的組成成分、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、硬度等因素均有關(guān)。土木工程中，某些部位經(jīng)常受到磨損的作用，如路面、地面、踏步、臺(tái)階等，選擇這些部位用材料時(shí)，其耐磨性應(yīng)該滿足工程的使用壽命要求。