1.3　材料的力學性質

材料的力學性質是指材料在外力作用下的表現，通常以材料在外力作用下的變形性或強度來表示。

對材料所施加的、使材料發生變形的力稱為外力或荷載P。

材料受力后發生變形，單位長度上的變形量稱為應變，即ε=ΔL/L。

當材料承受外力時，內部就會產生應力。作用在材料單位面積上的力稱為應力，即σ=P/A。

1.3.1　材料的強度與比強度

材料在外力（即荷載）作用下抵抗破壞的能力，稱為強度。

當材料受外力作用時，其內部產生應力，若外力增大，則應力相應加大，直到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。材料破壞時的荷載稱為破壞荷載或最大荷載，此時對應的應力就是材料的強度。

（1）材料的強度類型

材料在結構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、抗剪和抗彎強度，如圖1.4所示。這些宏觀強度一般通過靜力試驗來測定，故總稱為靜力強度，材料的靜力強度是通過標準試件的破壞試驗測得的。

①材料的抗壓、抗拉及抗剪強度

材料的抗壓、抗拉及抗剪強度按式（1.12）計算：

式中　f——材料的強度，MPa；

F——試件破壞時的最大荷載，N；

A——試件的受力截面面積，mm2。

抗壓強度是評定脆性材料強度的基本指標，而抗拉強度是評定塑性材料強度的主要指標。

②材料的抗彎強度

材料的抗彎強度與試件的幾何形狀及荷載施加的情況有關，對于矩形截面和條形試件，當采用二分點試驗（圖1.4）（在兩支點的中間作用一個集中荷載）時，其抗彎極限強度按式（1.13）計算：

當采用三分點試驗（圖1.4）（在跨度的三分點上加兩個集中荷載）時，其抗彎極限強度按式（1.14）計算：

式中　ftm——材料的抗彎極限強度，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，h——試件截面的寬度和高度，mm。

（2）影響材料強度的因素

①材料的組成、結構和構造

不同組成的材料具有不同的強度，即使材料的組成相同，也會因內部結構和構造不同而使強度相差較大。材料的孔隙率越大，其強度越低。對于同一品種的材料，其強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關系，如圖1.5所示。晶體結構的材料，其強度還與晶粒細度有關。

石材、磚、混凝土等非勻質材料的抗壓強度較高，而抗拉及抗折強度卻很低；鋼材為勻質的晶體材料，其抗拉、抗壓強度都很高；木材內部為纖維結構，順紋方向的抗拉強度高于橫紋方向的抗拉強度。

②試驗條件

試驗方面的因素有：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不出來，強度較大試件的高。如混凝土立方體試塊（200mm×200mm×200mm）比標準立方體試塊（150mm×150mm×150mm）測得的強度偏低。試件形狀也對強度有影響，如與立方體混凝土試塊相比，棱柱體試塊（150mm×150mm×300mm）所測強度比立方體試塊（150mm×150mm×150mm）的低。除了尺寸效應外，與所受環箍效應的影響小也有關。具體分析如下：混凝土為脆性材料，測抗壓強度時，在試塊的上、下面上要放兩塊承壓板（鋼板）。試塊受壓時，混凝土與承壓板之間存在摩擦力，產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，鋼板的橫向變形小于混凝土的橫向變形，因而鋼板對混凝土的橫向膨脹起約束作用，這種約束作用稱為“環箍效應”。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）所測強度比立方體試塊（150mm×150mm×150mm）的低，如圖1.6所示。

因為測強度時采用的是破壞性試驗，因此從加載到破壞的整個過程，就涉及施加荷載的速度問題。施加荷載以后，加荷速度應該與裂縫擴展（變形增長）速度一致，如果加荷速度太快，裂縫擴展落后于荷載增長，本來在該級荷載試件就破壞了，卻由于裂縫擴展慢使得試件在下一級荷載才破壞，導致測得的強度值偏高。

測試材料強度時，試件的平整度對材料強度也有影響。因此，做試驗時，一定要把表面的水分、砂塵等擦掉，由于成型面不夠平整，試驗時要用試塊的側面與承壓板接觸。

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，內聚力降低，造成強度降低。因此，含有水分的材料較干材料的強度低。

④溫度

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

（3）材料的強度等級

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

（4）材料的比強度

為了對不同類材料的強度進行對比，可采用比強度這一指標。比強度等于材料的強度與表觀密度之比，即單位質量的材料強度。比強度是用來評價材料是否輕質高強的一個指標。幾種主要材料的比強度如表1.4所示。木材的比強度比鋼材的大，所以，木材與鋼材相比，木材就是輕質高強的材料；而鋼材與混凝土相比，鋼材則是輕質高強的材料。

1.3.2　材料的彈性與塑性

材料在外力作用下產生變形，當外力取消后，變形隨即消失并能完全恢復原來形狀的性質，稱為材料的彈性。這種當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，應力與應變的比值稱為材料的彈性模量，按照式（1.15）計算。在彈性變形范圍內，彈性模量為常數。

式中　σ——材料的應力，MPa；

ε——材料的應變；

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指標，彈性模量越大，材料越不容易變形，即剛度越好，彈性模量是結構設計中的重要參數。

材料在外力作用下產生變形，當取消外力后，不能恢復變形，仍然保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質，稱為材料的塑性。這種不能恢復的變形，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。

實際上，純的彈性材料是沒有的。一些材料，當外力較小時，僅產生彈性變形；而當外力超過一定值后，除了產生彈性變形外，還產生塑性變形，比如建筑鋼材。在受力時同時產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，當外力達到一定限度后，材料突然破壞，但破壞時沒有明顯塑性變形的性質，稱為材料的脆性。具有這種性質的材料稱為脆性材料。

材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大能量，產生較大變形而不致破壞的性質，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，而且進行宏觀強度測定時，抗壓強度遠遠大于抗拉強度，只適合用于承壓構件。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，抗拉強度接近或略高于抗壓強度。因此，韌性材料適合于承受沖擊荷載或振動荷載，比如吊車梁、橋梁、鐵軌就應采用韌性材料（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，不同材料測定硬度的方法不同。刻畫法常用于測定天然礦物的硬度，用莫氏硬度表示，它是以兩種礦物相互對刻的方法確定礦物的相對硬度，并非材料絕對硬度的等級。礦物硬度分為十級，其硬度遞增順序為滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。鋼材、木材及混凝土等材料的硬度常采用壓入法測定，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，強度較高且密實的材料，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、結構、強度、硬度等因素均有關。土木工程中，某些部位經常受到磨損的作用，如路面、地面、踏步、臺階等，選擇這些部位用材料時，其耐磨性應該滿足工程的使用壽命要求。