2.3 材料的力學性質
2.3.1 材料的強度與強度等級
1.材料的強度
材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強度。材料在外力作用下，內部就產生應力，隨著外力的增加，應力也相應增大，直到材料內部質點間的結合力不能抵抗這種應力時，材料即破壞，此時的極限應力就是材料的強度。
根據外力作用方式的不同，材料強度有抗拉、抗壓、抗彎（抗折）、抗剪強度等。材料的這些強度是通過靜力試驗來測定的，因此總稱為靜力強度。材料的靜力強度是按照標準方法，進行破壞性試驗測得的。
材料的受力狀態如圖2.2所示。
圖2.2 材料的受力狀態
（a）抗壓；（b）抗拉；（c）抗彎；（d）抗剪
材料的抗拉、抗壓、抗剪強度，可按式（2.18）計算，即
式中 f——材料的強度，MPa；
F——試件破壞時的最大荷載，N；
A——試件受力面積，mm2。
材料的抗彎強度與材料的受力狀態、截面形狀等有關。對矩形截面的條形試件，在兩端支承，中間作用一集中荷載時，其抗彎強度可按式（2.19）計算，即
式中 f——材料的抗彎強度，MPa；
F——試件破壞時的最大荷載，N；
L——試件兩支點間的距離，mm；
b——試件截面的寬度，mm；
h——試件截面的高度，mm。
當在3分點上加兩個集中荷載時，其抗彎強度可按式（2.20）計算，即
式中 f——材料的抗彎強度，MPa；
F——試件破壞時的最大荷載，N；
L——試件兩支點間的距離，mm；
b——試件截面的寬度，mm；
h——試件截面的高度，mm。
材料的強度與其組成、結構與構造有關。材料的組成相同，結構不同，強度也就不相同。材料的孔隙率越大，則強度越小。材料的強度還與試驗條件有關，如試件的尺寸、形狀和表面狀態、試件的含水率、加荷速度、試驗環境的溫度、試驗設備的精確度及試驗操作人員的技術水平等。為了使試驗結果比較準確，而且具有可比性，國家規定了各種材料強度的標準試驗方法。在測定材料強度時，必須嚴格按照規定的標準方法進行。
2.強度等級
大多數建筑材料根據其極限強度的大小，劃分成若干不同的等級，稱為材料的強度等級或標號。脆性材料主要根據其抗壓強度來劃分，如燒結普通黏土磚、石、水泥、混凝土等；塑性材料和韌性材料主要根據其抗拉強度來劃分，如鋼材等。劃分材料強度等級，對掌握材料性能和正確選用材料具有重要意義。
3.比強度
材料的強度與其表觀密度的比值，稱為比強度。它是衡量材料輕質高強性能的一項重要指標。普通混凝土、低碳鋼、松木（順紋）的比強度分別為0.012、0.053、0.069。比強度越大，則材料的輕質高強性能越好。選用比強度大的材料或者提高材料的比強度，對增加建筑物高度、減輕結構自重、降低工程造價等具有重大意義。
2.3.2 材料的彈性和塑性
1.彈性
材料在外力作用下產生變形，當去掉外力后，能完全恢復到原來形狀的性質，稱為彈性。這種完全能恢復的變形，稱為彈性變形。材料在彈性變形范圍內，其應力（σ）與應變（ε）的比值（E）是一個常數，這個比值稱為材料的彈性模量，即E=σ/ε。彈性模量E是衡量材料抵抗變形能力的一個指標，E越大，則材料越不易變形。低碳鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；混凝土的彈性模量與其強度等級有關，強度等級越高，彈性模量越大。通常，混凝土的強度等級為C15～C80時，其彈性模量約為（2.20～3.80）×104MPa。
2.塑性
材料在外力作用下產生變形，當去掉外力后，仍保持變形后的形狀和尺寸的性質，稱為塑性。這種不能恢復的永久變形，稱為塑性變形。
在建筑材料中，沒有純彈性材料。一部分材料在受力不大的情況下，只產生彈性變形，當外力超過一定限度后，便產生塑性變形，如低碳鋼。有的材料在受力時，彈性變形和塑性變形同時產生，當去掉外力后，彈性變形消失，而塑性變形不能消失，如混凝土。
2.3.3 材料的脆性和韌性
1.脆性
材料在外力作用下，直到破壞前并無明顯的塑性變形而發生突然破壞的性質，稱為脆性。脆性材料的特點是塑性變形很小，抵抗沖擊、振動荷載的能力差，抗壓強度較高，抗拉強度較低。大部分無機非金屬材料屬于脆性材料。
2.韌性
材料在沖擊或震動荷載的作用下，能吸收較大能量，并產生較大變形而不發生破壞的性質，稱為韌性，又稱為沖擊韌性。韌性材料的特點是塑性變形大，抗拉、抗壓強度都較高。建筑鋼材、木材、橡膠等屬于韌性材料。對于承受沖擊震動荷載的路面、橋梁、吊車梁等結構，應選用具有較高韌性的材料。
2.3.4 材料的硬度和耐磨性
1.硬度
硬度是指材料表面抵抗較硬物體壓入或刻劃的能力。不同材料的硬度采用不同的測定方法。鋼材、木材和混凝土等材料的硬度常采用壓入法測定，如布氏硬度（HB）是以單位面積壓痕上所受到的壓力來表示。天然礦物的硬度常采用刻劃法測定，礦物硬度分為10級，其硬度遞增的順序為滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。材料的硬度越大，則其耐磨性越好，加工越困難。
2.耐磨性
耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。材料的耐磨性用磨損率來表示，可按式（2.21）計算，即
式中 N——材料的磨損率，g/cm2；
m 1——材料磨損前的質量，g；
m 2——材料磨損后的質量，g；
A——試件受磨面積，cm2。