材料的力学性能,主要是指材料在外力(荷载)作用下,有关抵抗破坏和变形的能力的性质。
1.强度
材料可抵抗因外力(荷载)作用而引起破坏的最大能力,即该材料的强度。其值是以材料受力破坏时,单位受力面积上所承受的力表示,其通式可写为:
式中: f ——材料的强度(MPa);
P ——破坏荷载(N);
A ——受荷面积(mm 2 )。
材料在建筑物上所受的外力,主要有拉力、压力、弯曲及剪力等。材料抵抗这些外力破坏的能力,分别称为抗拉、抗压、抗弯和抗剪等强度。这些强度一般是通过静力试验来测定的,因而总称为静力强度。图2-3列出了材料基本强度的分类和测定。
(a)—抗拉强度 (b)—抗压强度 (c)—抗剪强度 (d)—抗弯强度
图2 -3 材料静力强度分类
材料抗拉、抗压和抗剪等强度按公式2.19计算,抗弯(折)强度的计算,按受力情况,截面形状等不同,方法各异。如当跨中受一集中荷载的矩形截面的试件(如图2-3示),其抗弯强度按下式计算:
式中: f m ——抗弯(折)强度(MPa);
F ——受弯时破坏荷载(N);
L ——两支点间的距离(mm);
b 、 h ——材料截面宽度、高度(mm)。
材料的静力强度,实际上只是在特定条件下测定的强度值。试验测出的强度值,除受材料的组成、结构等内在因素的影响外,还与试验条件有密切关系,如试件的形状、尺寸、表面状态、含水率、温度及试验时加荷速度等。为了使试验结果比较准确而且具有互相比较的意义,测定材料强度时,必须严格按照统一的标准试验方法进行。
2.强度等级
大部分建筑材料,根据其极限强度的大小,可划分为若干不同的强度等级。如砂浆按抗压强度分为M5.0~M30等7个强度等级,普通水泥按抗压强度分为32.5~62.5等强度等级。普通混凝土按其立方体抗压强度标准值划分为C7.5、C10、C15、C20、C30等12个强度等级,烧结普通砖分为MU10、MU15、MU20、MU25、MU30等5个强度等级,碳素结构钢按其抗拉强度分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等5个强度等级。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十分重要。
3.比强度
为了对不同的材料强度进行比较,可以采用比强度。比强度是按单位质量计算的材料强度,其值等于材料的强度与其表观密度之比,它是衡量材料轻质高强的一个主要指标。优质结构材料的比强度应高。几种典型材料的强度比较情况见表2-3。
表2 -3 几种典型材料的强度比较
由表2-3数据可知,玻璃钢和木材是轻质高强的高效能材料,而普通混凝土为质量大而强度较低的材料。
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。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。这种变形属于可逆变形,其数值的大小与外力成正比。其比例系数 E ,称为弹性模量。在弹性变形范围内,弹性模量 E 为常数,其值等于应力与应变的比值。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标, E 越大,材料越不易变形。
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。这种不能消失的变形,称为塑性变形(或永久变形)。
左图—完全弹性材料
右图—弹塑性材料(如:混凝土)
图2 -4 材料的应力应变曲线
许多材料受力不大时,仅产生弹性变形;受力超过一定限度后,即产生塑性变形。如建筑钢材,当外力值小于弹性极限时,仅产生弹性变形;若外力大于弹性极限后,则除了弹性变形外,还产生塑性变形。有的材料在受力时,弹性变形和塑性变形同时产生,如果取消外力,则弹性变形可以消失,而其塑性变形则不能消失,称为弹塑性材料。普通混凝土硬化后可看作典型的弹塑性材料。材料的应力应变曲线见图2-4。
在外力作用下,当外力达到一定限度后,材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质,称为脆性。
脆性材料抵抗冲击荷载或震动作用的能力很差。其抗压强度比抗拉强度高得多,如混凝土、玻璃、砖、石、陶瓷等。
在冲击、震动荷载作用下,材料能吸收较大的能量,产生一定的变形而不致被破坏的性能,称为韧性。如建筑钢材、木材等属于韧性较好的材料。建筑工程中,对于要承受冲击荷载和有抗震要求的结构,其所用的材料都要考虑材料的冲击韧性。
硬度是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻画的能力。不同材料的硬度测定方法不同。按刻画法,矿物硬度分为10级(莫氏硬度)。其硬度递增的顺序依次为:滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。木材、混凝土、钢材等的硬度常用钢球压入法测定(布氏硬度HB)。一般来说,硬度大的材料耐磨性较强,但不易加工。耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。建筑工程中,用于道路、地面、踏步等部位的材料,均应考虑其硬度和耐磨性。一般来说,强度较高且密实的材料的硬度较大,耐磨性较好。