第三节 材料的基本力学性质
材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形及抵抗破坏的性质。一、材料的强度和强度等级
（一）强度
材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。
强度以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示。
当材料受外力作用时，其内部产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质
点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时的极限应力值就是材料的强度，也称极限强度。材料的强度是通过标准试件的破坏试验测得的。
根据外力作用形式的不同，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度及抗弯强度等，如图12所示。
图12 材料受力作用示意图
（a）抗拉；（b）抗压；（c）抗剪；（d）抗折
材料的抗压、抗拉和抗剪强度的计算公式为：
f=Fmax
A
（1 14）
式中 f———材料的极限强度，N/mm2；
Fmax———试件破坏时的最大荷载，N；
A———试件受力面积，mm2。
材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当其两支点间的中间作用一集中荷载和两个对称集中荷载时，其抗弯极限强度按式
（115）和式（116）计算：
f=32Fbmhax2L（单点集中荷载）
（1 15）
f=Fbhmax2L（两点集中荷载）
（1 16）
式中 f———材料的抗弯极限强度，N/mm2；
Fmax———试件破坏时的最大荷载，N；
L———试件两支点间的距离，mm；
b、h———试件截面的宽度和高度，mm。
材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不同。材料的孔隙率愈大，则强度愈低。一般表观密度大的材料，其强度也高。晶体结构的材料，其强度还与晶粒粗细有关，其中细晶粒的强度高。材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。温度升高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。
材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面性状有关。相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高；加荷速度快者，强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。
由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值。为了使试验结果准确，且具有可
比性，在测定材料强度时，必须严格按照规定的标准试验方法进行。
（二）强度等级
各种材料的强度差别甚大。建筑材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为4个强度等级，普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级等。
建筑材料划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可使生产者在控制质量时有据可依，从而保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和便于控制工程施工质量。常用建筑材料的强度见表13。
表1 3
常用建筑材料的强度
单位：MPa
（三）比强度
为了对不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度反映材料单位体积质量的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标。优质的结构材料，必须具有较高的比强度。几种主要材料的比强度见表14。
表1 4
几种主要材料的比强度
由表14中比强度数据可知，玻璃钢和木材是轻质高强的材料，它们的比强度大于低碳钢，而低碳钢的比强度大于普通混凝土。普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的材料，所以普通混凝土向轻质、高强发展是其发展趋势。
二、弹性与塑性（一）弹性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。材料的这种当外力取消后瞬间内即可完全消失的变形，称为弹性变形。弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数E称为材料的弹性模量，如图13所示。材料在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，其值等于应力σ与应
变ε的比值，即
E=
σε
（1 17）
式中 E———材料的弹性模量，MPa；
σ———材料的应力，MPa；
ε———材料的应变。
弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。E值愈大，材料愈不易变形，亦即刚度好。弹性模量是结构设计时的重要参数。
图13 弹性变形图 图14 塑性材料的变形曲线 图15 弹塑性材料的变形曲线
（二）塑性
在外力作用下材料产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形为不可逆变形，是永久变形。
实际上纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，仅产生弹性变形；受力超过一定极限后，即产生塑性变形（图14）。有些材料在受力时，如建筑钢材，当所受外力小于弹性极限时，仅产生弹性变形；而外力大于弹性极限后，则除了弹性变形外，还产生塑性变形。有些材料在受力后，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失，如混凝土。弹塑性材料的变形曲线如图15所示，图中ab为可恢复的弹性变形，bO为不可恢复的塑性变形。
三、脆性与韧性（一）脆性
材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称脆性材料。
脆性材料抗压强度远大于抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，抵抗冲击荷载或振动荷载作用的能力很差。所以脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用作受拉构件，只适于用作承压构件。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。
（二）韧性
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不被破坏，这种性质称为韧性。如建筑钢材、木材等属于韧性较好的材料。
材料的韧性值用冲击韧性指标αK表示。冲击韧性指标是指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功。其计算公式为：
αK=AK
A
（1 18）
式中 αK———材料的冲击韧性指标，J/mm2；
AK———试件破坏时所消耗的功，J；
A———试件受力净截面积，mm2。
在土木工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。
四、材料的硬度与耐磨性（一）硬度
硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。
测定材料硬度的方法有多种，不同材料其硬度的测定方法不同，常用的有刻划法和压入法两种。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，按刻划法矿物硬度分为10级（莫氏硬度），其硬度递增顺序为滑石1级、石膏2级、方解石3级、萤石4级、磷灰石5级、正长石6级、石英7级、黄玉8级、刚玉9级、金刚石10级。钢材、木材及混凝土等材料的硬度常用压入法测定，例如布氏硬度（布氏硬度值是以压痕单位面积上所受压力来表
示）。
一般材料的硬度愈大，则其耐磨性愈好。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度。
（二）耐磨性
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨损率（B）表示，其计算公式为：
B=m1-m2
A
（1 19）
式中 B———材料的磨损率，g/cm2；
m1、m2———材料磨损前、后的质量，g；
A———试件受磨损的面积，cm2。
材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关。在建筑工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等的材料，应具有较高的耐磨性。水利工程中的输水涵洞闸门等受流水冲刷的部位，对耐磨性要求更高。一般来说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好。