下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
想一想
材料的力学性能是材料力学性质的综合体现，表现为外力作用下材料的宏观性能行为，是确定各种工程设计参数的主要依据。力学性能的评价是依据现行国家（行业）标准，制备符合标准要求的试样，并按规定的试验方法和程序进行测定，以评价材料力学性质的优劣。那么材料的力学性质有哪些？可以通过什么样的性能参数反映出材料本身的特性呢？
强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。当材料承受外力作用时，内部就产生应力，外力逐渐增加，应力也相应加大，直到质点间的作用力不能再承受时，材料即破坏。此时的极限应力值就是材料的强度。
根据外力作用方式的不同（图1.5），材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等参数，其中材料的抗压强度、抗拉强度及抗剪强度可按下式计算。
式中 f ——材料强度，MPa；
F ——破坏时对应的最大荷载，N；
A ——受力截面面积，m m 2 。
材料的抗弯强度与受力情况有关，当外力是作用于构件中央一点的集中荷载，且构件有两个支点、材料截面为矩形时，抗弯强度按下式计算。
式中 f m ——材料抗弯强度，MPa；
F ——材料所受的荷载，N；
L ——两支点间距离，mm；
b ——试件截面宽度，mm；
h ——试件截面高度，mm。
材料的强度与其组成和构造有关。不同种类的材料具有不同的抵抗外力作用的能力，即使为相同种类的材料，由于其内部构造不同，强度也有很大差异。通常孔隙率越大，材料强度越低。
图1.5 材料受力示意
同种材料抵抗不同类型外力作用的能力并不相同，不同结构各个方向的性质也不同，导致材料的强度差异很大。例如砖、石材、混凝土和铸铁等材料的抗压强度较高，而其抗拉及抗弯强度很低，钢材的抗拉、抗压强度都很高，等等。另外，试验条件等因素的不同，会对材料强度的测试结果产生较大影响。常用材料的强度值见表1-3。
表1-3 常用材料的强度值 单位：MPa
大部分土木工程材料，是根据其强度大小划分为若干等级，即材料的强度等级。这对掌握材料性质、合理选用材料、正确进行设计和控制工程质量都是非常重要的。强度是结构材料性能研究的主要内容。
不同强度材料的比较可以采用比强度指标，比强度是指材料强度与其表观密度之比，反映了单位体积质量的材料强度，是评价材料是否为轻质高强的指标。材料比强度越大，就越轻质高强。
【应用案例1-2】 在进行钢材、混凝土等土木工程材料的强度测试时，人们会观测到如下现象：对同一试件，加载速度较快时，所测强度试验数值也较高。请分析原因。
解析： 土木工程材料的强度除了与其组成、结构有关外，还与材料生产工艺因素和试验因素有关，其中试验因素包括加载速度、温度、试件大小和形状、表面状态等。当加载速度过快时，荷载的增长速度大于材料裂缝的扩展速度，测出的数值就会偏高。为此在进行材料强度试验时，通常都会规定材料的加载速度范围。
1．弹性和弹性变形
弹性是指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的性质。这种可完全恢复的变形称为弹性变形，属于可逆变形。弹性变形的变形量与对应的应力大小成正比，其比例系数用弹性模量 E 来表示，按下式计算。
式中 σ ——材料所受的应力，MPa；
ε ——材料在应力 σ 作用下产生的应变，无量纲。
弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的指标之一，是结构设计中的一项重要参数。弹性模量越大，材料在荷载作用下越不易变形。
2．塑性和塑性变形
塑性是指在外力作用下材料产生变形，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸。这种不能恢复的变形称为塑性变形，属于不可逆变形。
实际上，完全的弹性材料或完全的塑性材料在现实中是不存在的。土木工程材料在受到外力作用时，会同时发生弹性变形和塑性变形，有的材料在受力不大的情况下表现为弹性变形，但受力超过一定限值后即表现为塑性变形，如钢材；有的材料在受力后，弹性变形及塑性变形同时产生，如果取消外力，其弹性变形部分可以恢复，而塑性变形部分则不能恢复，如混凝土。
脆性是指材料在外力作用下，断裂前只发生较小的弹性变形而无明显塑性变形即突然破坏的性质。具有这种性质的材料，称为脆性材料。
脆性材料的抗压强度比其抗拉强度往往要高很多倍，这对承受振动作用和抵抗冲击荷载是不利的，这类材料常用在承受静压力作用的工程部位，如基础、墙体、柱等。常见的脆性材料有石材、陶瓷、玻璃、铸铁、砖等。
韧性是指在冲击或振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。材料的韧性是用冲击试验来检验的，因而又称冲击韧性，可用材料受荷载达到破坏时所吸收的能量来表示。低碳钢、木材、沥青混凝土等属于韧性材料。路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构，都要考虑到材料的韧性。
（1）硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻画的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，相关硬度值以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻画法测定其硬度，属于相对硬度，也称莫氏硬度。
一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，不易加工。工程中有时用硬度来间接推算材料的强度，如回弹法用于测定混凝土表面硬度，可以间接推算混凝土强度。
（2）耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，通常用磨损率 K 表示为
式中 m 0 , m 1 ——磨损前后的质量，g；
A ——受损面积，m 2 。
材料的耐磨性与材料的组成结构及强度、硬度有关。在土木工程中，道路路面、工业地面、楼梯踏步等易遭受磨损的部位，选择材料时需考虑其耐磨性。