学习单元2 材料的力学性质
知识目标
（1）了解材料的强度特征与等级。
（2）掌握抗拉、抗压、抗剪强度计算方法。
（3）掌握材料弹性模量的计算方法。
（4）掌握材料磨损率的计算方法。
技能目标
（1）能够进行抗拉、抗压、抗剪强度计算。
（2）能够进行材料弹性模量的计算。
（3）能够进行材料磨损率的计算。
基础知识
材料的力学性质是指材料在外力作用下，抵抗破坏和变形方面的性质。其对建筑物的正常、安全及有效使用是至关重要的。
一、材料的强度特征
（一）强度
材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。建筑材料受外力作用时，内部就产生应力。外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点结合力不足以抵抗外力时，材料即发生破坏，此时的应力值就是材料的强度，也称为极限强度。
根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯（抗折）强度等，如图1-2所示。
图1-2 材料承受各种外力示意图
☼小提示
材料的强度常通过破坏性试验测定。将试件放在材料试验机上，施加荷载，直至破坏，根据破坏时的荷载，即可计算出材料的强度。
1.抗拉（压、剪）强度
材料承受荷载（拉力、压力、剪力）作用直到破坏时，单位面积上所承受的拉力（压力、剪力）称为抗拉（压、剪）强度。材料的抗拉、抗压、抗剪强度按下式计算。
式中，f为抗拉、抗压、抗剪强度（MPa）；F为材料受拉、压、剪时的破坏荷载（N）；A为材料受力面积（mm2）。
2.抗弯（折）强度
材料的抗弯（折）强度与材料受力情况有关，对于矩形截面试件，若两端支撑，中间承受荷载作用，则其抗弯（折）强度按下式计算。
式中，fm为材料的抗弯（折）强度（MPa）；F为受弯时的破坏荷载（N）；L为两支点间距（mm）；b、h为材料截面宽度、高度（mm）。
另外，强度还有断裂强度、剥离强度等。
断裂强度是指承受荷载时材料抵抗断裂的能力。
剥离强度是指在规定的试验条件下，对标准试件施加荷载，使其承受线应力，且加载的方向与试件表面保持规定角度，胶黏剂单位宽度上所能承受的平均荷载，常用N/m来表示。
☼小提示
材料的强度与其组成及结构有关。相同种类的材料，其组成、结构特征、孔隙率、试件形状、尺寸、表面状态、含水率、温度及试验时的加荷速度等，对材料的强度都有影响。
常用建筑材料的各种强度见表1-4。
表1-4 常用建筑材料的各种强度值 （单位：MPa）
由表1-4可见，不同材料的各种强度是不同的。花岗石、普通混凝土等的抗拉强度比抗压强度甚至小几十倍，因此，这类材料只适于做受压构件（基础、墙体、桩等）。而钢材的抗压强度和抗拉强度相等，所以作为结构材料性能最为优良。
（二）强度等级
对于以强度为主要指标的材料，通常按材料强度值的高低划分成若干等级，称为强度等级。如硅酸盐水泥按7d、28d抗压、抗折强度值划分为42.5、52.5、62.5等强度等级。测定强度的标准试件见表1-5。
☼小提示
强度等级是人为划分的，不连续的。根据强度划分强度等级时，规定的各项指标都合格，才能定为某强度等级，否则就要降低级别。而强度具有客观性和随机性，试验值往往是连续分布的。强度等级与强度间的关系，可简单表述为“强度等级来源于强度，但不等同于强度”。
表1-5 测定强度的标准试件
（三）比强度
比强度是指按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比f/ρ0，其是反映材料轻质高强的力学参数，是衡量材料轻质高强性能的一项重要指标。比强度越大，材料的轻质高强性能越好。在高层建筑及大跨度结构工程中，常采用比强度较高的材料。轻质高强的材料也是未来建筑材料发展的主要方向。几种常用材料的比强度见表1-6，表中数值表明，松木比强度较高，较为轻质高强，而红砖比强度值最小。
表1-6 几种常用材料的比强度
☼小提示
大部分建筑材料根据其极限强度的大小，划分为若干不同的强度等级。砖、石、水泥、混凝土等材料，主要根据其抗压强度划分强度等级。建筑钢材的钢号主要按其抗拉强度划分。将建筑材料划分为若干强度等级，对掌握材料性能，合理选用材料，正确进行设计和控制工程质量，是十分必要的。
材料的强度主要取决于材料成分、结构及构造。不同种类的材料，其强度不同；即使同类材料，由于组成、结构或构造的不同，其强度也有很大差异。疏松及孔隙率较大的材料，其质点间的联系较弱，有效受力面积减小，孔隙附近产生应力集中，故强度低。某些具有层状或纤维状构造的材料在不同方向受力时强度性能也不同，即所谓各向异性。
二、材料的弹性和塑性
弹性和塑性是材料的变形性能，它们主要描述的是材料变形的可恢复特性。
（一）弹性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后能够完全恢复原来形状、尺寸的性质称为弹性。这种能够完全恢复的变形称为弹性变形。材料弹性变形曲线如图1-3所示。
弹性变形大小与其所受外力大小成正比，其比例系数对某理想的弹性材料来说为一常数，这个常数被称为该材料的弹性模量，以符号“E”来表达，其公式为
式中，σ为材料所受的应力（MPa）；ε为在应力σ作用下的应变。
几种常用建筑材料的弹性模量值见表1-7。
图1-3 弹性变形曲线
表1-7 常用建筑材料的弹性模量值E(×104MPa)
☼小提示
弹性模量是反映材料抵抗变形能力的指标。E值越大，表明材料的刚度越大，外力作用下的变形越小。
（二）塑性
在外力作用下材料产生变形，在外力取消后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。这种不能恢复的变形，称为塑性变形。
钢材在弹性极限内接近于完全弹性材料，其他建筑材料多为非完全弹性材料。这种非完全弹性材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，如图1-4所示；外力取消后，弹性变形ab可以消失，而塑性变形Ob不能消失。
实际上，只有单纯的弹性或塑性的材料都是不存在的，各种材料在不同的应力下都会表现出不同的变形性能。
图1-4 塑性变形曲线
三、材料的韧性和脆性
（一）韧性
材料的韧性是指在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大能量，产生一定的变形而不发生突然破坏的性质。材料的韧性值用冲击韧性指标来表示，材料冲击韧性的大小，以标准试件破坏时单位面积或体积所吸收的能量来表示。根据荷载作用的方式不同，有冲击抗压、冲击抗拉及冲击抗弯等。对于用作桥梁、路面、桩、吊车梁、设备基础等有抗震要求的结构，都要考虑材料的冲击韧性。
（二）脆性
材料在外力作用下，直至断裂前只发生弹性变形，不出现明显的塑性变形而突然破坏的性质称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料，如石材、烧结普通砖、混凝土、铸铁、玻璃及陶瓷等。脆性材料的抗压能力很强，其抗压强度比抗拉强度大得多，可达十几倍甚至更高。脆性材料抗冲击及动荷载能力差，故常用于承受静压力作用的建筑部位，如基础、墙体、柱子、墩座等。
混凝土、玻璃、砖、石材、陶瓷等属于脆性材料，它们的抵抗冲击作用能力差，但是抵抗强度较高。图1-5所示为脆性材料的变形曲线。
图1-5 脆性材料的变形曲线
四、材料的硬度和耐磨性
（一）硬度
硬度是材料表面抵抗硬物刻划或压入的能力。测定硬度的方法有很多，常用刻划法、压入法和回弹法。
刻划法常用于测定矿物材料的硬度，即按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石的硬度递增顺序分为10级，通过它们对材料划痕来确定材料的硬度，称为莫氏硬度。
压入法是以一定的压力将一定规格的钢球或金刚石制成的尖端压入试样表面，根据压痕的面积或深度来测定其硬度。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
回弹法用于测定混凝土表面硬度，并可间接推算混凝土的强度，也用于测定陶瓷、砖、砂浆、塑料、橡胶等材料的表面硬度和间接推算其强度。
☼小提示
通常，硬度大的材料耐磨性较强，不易加工。在工程中，常利用材料硬度与强度间的关系，间接测定材料强度。
（二）耐磨性
耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力，耐磨性用磨损率（N）表示，它等于试件在标准试验条件下磨损前后的质量差与试件受磨表面积之商。磨损率（N）可用下式计算。
式中，N为材料的磨损率（g/cm2）；m1、m2为材料磨损前、后的质量（g）；A为试件受磨面积（cm2）。
试件的磨损率表示一定尺寸的试件，在一定压力作用下，在磨损试验机上磨一定次数后，试件每单位面积上的质量损失。
☼小提示
材料的耐磨性与硬度、强度及内部构造有关，材料的硬度越大，则材料的耐磨性越高，材料的磨损率有时用磨损前后的体积损失来表示；材料的耐磨性有时用耐磨次数来表示。地面、路面、楼梯踏步及其他受较强磨损作用的部位，需选用具有较高硬度和耐磨性的材料。