2.3　材料的力學性質

材料的力學性質是指材料在外力作用下抵抗破壞和變形能力的性質，它是在選用建筑材料時首要考慮的基本性質。

2.3.1　強度與比強度

（1）強度f

材料在荷載（外力）作用下抵抗破壞的能力稱為材料的強度。當材料受到外力作用時，其內部就產生應力，荷載增加，所產生的應力也相應增大，直至材料內部質點間結合力不足以抵抗所作用的外力時，材料即發生破壞。材料被破壞時，達到應力極限，這個極限應力值就是材料的強度，又稱極限強度。

強度的大小直接反映材料承受荷載能力的大小。根據外力作用方式的不同，材料強度有抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度和抗彎（抗折）強度等，其示意圖如圖2-3所示。

材料的抗拉強度、抗壓強度和抗剪強度的計算式為：

　　（2-15）

式中　f——材料的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度，MPa；

F——材料承受的最大荷載，N；

A——材料的受力面積，mm2。

材料的抗彎強度與試件受力情況、截面形狀以及支承條件有關。通常是將矩形截面的條形試件放在兩個支點上，中間作用一個集中荷載。

材料抗彎強度的計算式為：

　　（2-16）

式中　f——材料的抗彎（抗折）強度，MPa；

F——材料承受的最大荷載，N；

L——材料的長度，mm；

b——材料受力截面的寬度，mm；

h——材料受力截面的高度，mm。

試驗測定的強度值除受材料本身的組成、結構、孔隙率大小等內在因素的影響外，還與試驗條件如試件形狀、尺寸、表面狀態、含水率、環境溫度及試驗時加荷速度等有密切關系。為了使測定的強度值準確且具有可比性，必須按規定的標準試驗方法測定材料的強度。

材料的強度等級是按照材料的主要強度指標劃分的級別。掌握材料的強度等級，對合理選擇材料、控制工程質量是十分重要的。建筑材料常按其強度值的大小劃分為若干個等級。燒結普通磚按抗壓強度分為以下5個等級：Mu30、Mu25、Mu20、Mu15、Mu10；硅酸鹽水泥按抗壓強度和抗折強度分為以下6個等級：42.5、52.5、62.5、42.5R、52.5R、62.5R；普通混凝土按其抗壓強度分為以下14個等級：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80；碳素結構鋼按其抗拉強度分為5個等級，如Q235等。

（2）比強度fc

為了對不同的材料強度進行比較，可以采用比強度。比強度是指材料的強度與其體積密度之比，是衡量材料是否輕質高強的一個主要指標。以鋼材、木材和混凝土為例，其強度比較見表2-2。

由表2-2中的數值可見，松木的比強度最大，是輕質高強材料；混凝土的比強度最小，是質量大而強度較低的材料。普通混凝土是表觀密度大而比強度相對較低的材料，所以努力促進普通混凝土向著輕質高強發展是一項十分重要的工作。

2.3.2　彈性與塑性

材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，能夠完全恢復原來形狀的性質稱為彈性，這種變形稱為彈性變形，其值的大小與外力成正比；不能自動恢復原來形狀的性質稱為塑性，這種不能恢復的變形稱為塑性變形，塑性變形屬于永久性變形。

完全彈性材料是沒有的。一些材料在受力不大時只產生彈性變形，而當外力達到一定限度后，即可產生塑性變形，如低碳鋼。很多材料在受力時，彈性變形和塑性變形會同時產生，如普通混凝土。

（1）彈性指標

材料在彈性范圍內，應力與應變的比值σ/ε稱為彈性模量E，即：

　　（2-17）

E反映了材料抵抗彈性變形的能力，是材料剛度大小的度量指標。金屬材料的E值主要取決于材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它的影響很小。提高零件剛度的主要辦法是增加橫截面積或改變截面形狀。金屬的E值隨溫度升高逐漸降低。

材料的彈性模量E與其密度ρ的比值E/ρ稱為比剛度。比剛度大的材料（如鋁合金、鈦合金、碳纖維增強復合材料）在航空航天工業中得到了廣泛應用。

（2）塑性指標

材料的常用塑性指標有延伸率和斷面收縮率。延伸率即斷后總伸長率，以δ表示，即：

　　（2-18）

式中　I0——標距原長；

I1——斷裂后標距長度。

斷面收縮率以ψ表示，即：

　　（2-19）

式中　F0——試件原始橫截面積；

F1——斷口處的橫截面積。

同一材料的試樣長短不同，測得的δ略有不同。如I0為試樣原始直徑d0的10倍，則延伸率常記為 δ10（常簡寫成δ）；如I0為試樣原始直徑d0的5倍，則延伸率記為δ5。同一種材料，δ5＜δ10，所以對不同材料δ5與δ10不能直接比較。考慮到材料塑性變形時可能有頸縮行為，故ψ能更真實地反映材料的塑性好壞，但ψ、δ均不能直接用于工程計算。

材料具有良好的塑性，能降低應力集中，使應力松弛，吸收沖擊能，產生形變強化，提高零件的可靠性，同時有利于壓力加工，這對工程應用和材料的加工都具有重大意義。

材料的應力-應變圖中亦能反映其韌性（靜力韌性）。拉伸曲線與橫坐標所包圍的面積越大，則材料從變形到斷裂過程中所吸收的能量越多，即材料的韌性越好。

（3）黏彈性

理想的彈性材料在加載時（應力不超過材料的彈性極限）立即產生彈性變形，卸載時變形立即消失，應變和應力是同步發生的。但實際工程材料尤其是高分子材料，加載時應變不是立即達到平衡值，卸載時變形也不立即消失，應變總是落后于應力。這種應變滯后于應力的現象稱為黏彈性。具有黏彈性的物質，其應變不僅與應力大小有關，而且與加載速度和保持負荷的時間有關。

2.3.3　脆性與韌性

材料受力達到一定程度時發生突然破壞，并無明顯塑性變形，材料的這種性質稱為脆性。大部分無機非金屬材料均屬于脆性材料，如天然石料、磚瓦、陶瓷等。脆性材料的顯著特點是抗壓強度高而抗拉強度、抗折強度低，如混凝土的抗壓強度比抗拉強度高10～20倍。

材料在沖擊或動力荷載作用下，能吸收較多能量而不被破壞的性能，稱為材料的韌性或沖擊韌性。其大小以材料破壞時單位面積所消耗的功表示，計算式如下：

　　（2-20）

式中　αk——材料的沖擊韌性，J/mm2；

Ak——試件破壞時所消耗的功，J；

A——試件橫截面積，mm2。

鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學成分、組織狀態以及冶煉、加工都有關系。例如，鋼材中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規律是：開始下降緩和，當達到一定溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性，這種性質稱為鋼材的冷脆性。

一般把沖擊韌性值高的材料稱為韌性材料，低者稱為脆性材料。韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，脆性材料則反之。鋼材、木材等韌性材料的沖擊韌性遠高于脆性材料，且不存在抗壓強度遠高于抗拉強度的特點。所以在建筑工程中常將它們用作受拉或受彎構件。對于承受動力荷載作用的構件，如吊車梁、鋼軌、路面等，有時需要考慮材料的韌性指標。

有的材料（如低碳鋼）在室溫及室溫以上處于韌性狀態，沖擊韌性很高，而低溫下沖擊韌性急劇下降，即具有延性-脆性轉變現象，其特征溫度Tk稱為韌脆轉變溫度，如圖2-4所示。金屬的韌性一般隨加載速度的提高、溫度的降低以及應力集中程度的加劇而下降。

沖擊韌性不可直接用于零件的設計與計算，但可用于判斷材料的冷脆傾向和不同材質的材料之間韌性的比較，以及評定材料在一定工作條件下的缺口敏感性。

2.3.4　硬度與耐磨性

2.3.4.1　硬度

硬度是材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力。不同材料的硬度測定方法不同。鋼材、木材和混凝土的硬度用鋼球壓入法測定（布氏硬度），方法是：用一定直徑的鋼球或硬質合金球，以規定的試驗力（F）壓入試樣表面，經規定保持時間后卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑（L）。布氏硬度值是以試驗力除以壓痕球形表面積所得的商。以HBS（鋼球）表示，單位為N/mm2（MPa）。石材等礦物用刻劃法測定（莫氏硬度）。

（1）莫氏硬度

莫氏硬度（Mohs hardness）是表示礦物硬度的一種標準。1824年由德國礦物學家莫斯（Frederich Mohs）首先提出。莫氏硬度是指應用劃痕法使棱錐形金剛石針刻劃所試驗礦物的表面而產生劃痕。習慣上礦物學或寶石學上都是用莫氏硬度。

莫氏硬度按礦石的軟硬程度分為10級，用測得的劃痕的深度分為滑石（硬度最小）、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石（硬度最大）10級來表示硬度。

莫氏硬度也用于表示其他固體物料的硬度。各級之間硬度的差異不是均等的，等級之間只表示硬度相對大小。

（2）肖氏硬度

肖氏硬度（Shore hardness）是表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾（Albert F.Shore）首先提出。肖氏硬度是指應用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳，撞銷是一個具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛石，用測得的撞銷回跳的高度來表示硬度。肖氏硬度計既用于測定黑色金屬和有色金屬的肖氏硬度，也用于測定橡膠、塑料等的硬度，在橡膠、塑料行業中常稱為邵氏硬度。

2.3.4.2　耐磨性

材料的硬度越大，其耐磨性越好，但不易加工。工程中有時也可用硬度來間接推算材料的強度值。

耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。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。一般來說，材料的強度越高、硬度越大，則其耐磨性也越好。工程中，用作踏步、臺階、地面、路面等部位的材料，應具有較高的耐磨性。

2.3.5　疲勞強度

軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零件在工作過程中各點的應力隨時間而作周期性變化，即承受交變應力的作用。此時，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服應力，但經過較長時間的工作卻可能產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程，稱為材料的疲勞。

材料承受的交變應力σ與材料斷裂前承受的交變應力的循環次數N（疲勞壽命）之間的關系可用疲勞曲線來表示，如圖2-5（a）所示。材料承受的交變應力σ越大，則斷裂時應力循環次數N越少。當應力低于一定值時，試樣可以經受無限周期循環而不破壞，此應力值稱為材料的疲勞極限（或稱疲勞強度）。對于對稱循環交變應力下的彎曲疲勞強度用σ表示，如圖2-5（b）所示。實際上，材料不可能做無限次交變負荷試驗，對于黑色金屬，一般規定將應力循環107周次而不斷裂的最大應力作為疲勞極限，有色金屬、不銹鋼的最大應力循環取108周次。

疲勞斷裂屬于低應力脆斷，斷裂應力遠低于材料靜載下的σb甚至σs，斷裂前無明顯塑性變形，危險性極大。其斷口一般存在裂紋源、裂紋擴展區和最后斷裂區3個典型區域。一般而言，鋼鐵材料σ值約為其σb的一半，鈦合金及高強鋼的疲勞強度較高，而塑料、陶瓷的疲勞強度則較低。金屬的疲勞極限受到很多因素的影響，主要有工作條件（溫度、介質及負荷類型）、表面狀態（粗糙度、應力集中情況、硬化程度等）、材質、殘余內應力等。對塑性材料，一般其σb越大，則相應的σ就越高。改善零件的結構形狀、降低零件表面粗糙度，以及采取各種表面強化的方法，都能提高零件的疲勞極限。