2.3　材料的力学性质

材料的力学性质是指材料在外力作用下抵抗破坏和变形能力的性质，它是在选用建筑材料时首要考虑的基本性质。

2.3.1　强度与比强度

（1）强度f

材料在荷载（外力）作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。当材料受到外力作用时，其内部就产生应力，荷载增加，所产生的应力也相应增大，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。材料被破坏时，达到应力极限，这个极限应力值就是材料的强度，又称极限强度。

强度的大小直接反映材料承受荷载能力的大小。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗弯（抗折）强度等，其示意图如图2-3所示。

材料的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度的计算式为：

　　（2-15）

式中　f——材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度，MPa；

F——材料承受的最大荷载，N；

A——材料的受力面积，mm2。

材料的抗弯强度与试件受力情况、截面形状以及支承条件有关。通常是将矩形截面的条形试件放在两个支点上，中间作用一个集中荷载。

材料抗弯强度的计算式为：

　　（2-16）

式中　f——材料的抗弯（抗折）强度，MPa；

F——材料承受的最大荷载，N；

L——材料的长度，mm；

b——材料受力截面的宽度，mm；

h——材料受力截面的高度，mm。

试验测定的强度值除受材料本身的组成、结构、孔隙率大小等内在因素的影响外，还与试验条件如试件形状、尺寸、表面状态、含水率、环境温度及试验时加荷速度等有密切关系。为了使测定的强度值准确且具有可比性，必须按规定的标准试验方法测定材料的强度。

材料的强度等级是按照材料的主要强度指标划分的级别。掌握材料的强度等级，对合理选择材料、控制工程质量是十分重要的。建筑材料常按其强度值的大小划分为若干个等级。烧结普通砖按抗压强度分为以下5个等级：Mu30、Mu25、Mu20、Mu15、Mu10；硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为以下6个等级：42.5、52.5、62.5、42.5R、52.5R、62.5R；普通混凝土按其抗压强度分为以下14个等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80；碳素结构钢按其抗拉强度分为5个等级，如Q235等。

（2）比强度fc

为了对不同的材料强度进行比较，可以采用比强度。比强度是指材料的强度与其体积密度之比，是衡量材料是否轻质高强的一个主要指标。以钢材、木材和混凝土为例，其强度比较见表2-2。

由表2-2中的数值可见，松木的比强度最大，是轻质高强材料；混凝土的比强度最小，是质量大而强度较低的材料。普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的材料，所以努力促进普通混凝土向着轻质高强发展是一项十分重要的工作。

2.3.2　弹性与塑性

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的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形，其值的大小与外力成正比；不能自动恢复原来形状的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形，塑性变形属于永久性变形。

完全弹性材料是没有的。一些材料在受力不大时只产生弹性变形，而当外力达到一定限度后，即可产生塑性变形，如低碳钢。很多材料在受力时，弹性变形和塑性变形会同时产生，如普通混凝土。

（1）弹性指标

材料在弹性范围内，应力与应变的比值σ/ε称为弹性模量E，即：

　　（2-17）

E反映了材料抵抗弹性变形的能力，是材料刚度大小的度量指标。金属材料的E值主要取决于材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它的影响很小。提高零件刚度的主要办法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度升高逐渐降低。

材料的弹性模量E与其密度ρ的比值E/ρ称为比刚度。比刚度大的材料（如铝合金、钛合金、碳纤维增强复合材料）在航空航天工业中得到了广泛应用。

（2）塑性指标

材料的常用塑性指标有延伸率和断面收缩率。延伸率即断后总伸长率，以δ表示，即：

　　（2-18）

式中　I0——标距原长；

I1——断裂后标距长度。

断面收缩率以ψ表示，即：

　　（2-19）

式中　F0——试件原始横截面积；

F1——断口处的横截面积。

同一材料的试样长短不同，测得的δ略有不同。如I0为试样原始直径d0的10倍，则延伸率常记为 δ10（常简写成δ）；如I0为试样原始直径d0的5倍，则延伸率记为δ5。同一种材料，δ5＜δ10，所以对不同材料δ5与δ10不能直接比较。考虑到材料塑性变形时可能有颈缩行为，故ψ能更真实地反映材料的塑性好坏，但ψ、δ均不能直接用于工程计算。

材料具有良好的塑性，能降低应力集中，使应力松弛，吸收冲击能，产生形变强化，提高零件的可靠性，同时有利于压力加工，这对工程应用和材料的加工都具有重大意义。

材料的应力-应变图中亦能反映其韧性（静力韧性）。拉伸曲线与横坐标所包围的面积越大，则材料从变形到断裂过程中所吸收的能量越多，即材料的韧性越好。

（3）黏弹性

理想的弹性材料在加载时（应力不超过材料的弹性极限）立即产生弹性变形，卸载时变形立即消失，应变和应力是同步发生的。但实际工程材料尤其是高分子材料，加载时应变不是立即达到平衡值，卸载时变形也不立即消失，应变总是落后于应力。这种应变滞后于应力的现象称为黏弹性。具有黏弹性的物质，其应变不仅与应力大小有关，而且与加载速度和保持负荷的时间有关。

2.3.3　脆性与韧性

材料受力达到一定程度时发生突然破坏，并无明显塑性变形，材料的这种性质称为脆性。大部分无机非金属材料均属于脆性材料，如天然石料、砖瓦、陶瓷等。脆性材料的显著特点是抗压强度高而抗拉强度、抗折强度低，如混凝土的抗压强度比抗拉强度高10～20倍。

材料在冲击或动力荷载作用下，能吸收较多能量而不被破坏的性能，称为材料的韧性或冲击韧性。其大小以材料破坏时单位面积所消耗的功表示，计算式如下：

　　（2-20）

式中　αk——材料的冲击韧性，J/mm2；

Ak——试件破坏时所消耗的功，J；

A——试件横截面积，mm2。

钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态以及冶炼、加工都有关系。例如，钢材中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。

一般把冲击韧性值高的材料称为韧性材料，低者称为脆性材料。韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，脆性材料则反之。钢材、木材等韧性材料的冲击韧性远高于脆性材料，且不存在抗压强度远高于抗拉强度的特点。所以在建筑工程中常将它们用作受拉或受弯构件。对于承受动力荷载作用的构件，如吊车梁、钢轨、路面等，有时需要考虑材料的韧性指标。

有的材料（如低碳钢）在室温及室温以上处于韧性状态，冲击韧性很高，而低温下冲击韧性急剧下降，即具有延性-脆性转变现象，其特征温度Tk称为韧脆转变温度，如图2-4所示。金属的韧性一般随加载速度的提高、温度的降低以及应力集中程度的加剧而下降。

冲击韧性不可直接用于零件的设计与计算，但可用于判断材料的冷脆倾向和不同材质的材料之间韧性的比较，以及评定材料在一定工作条件下的缺口敏感性。

2.3.4　硬度与耐磨性

2.3.4.1　硬度

硬度是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻划的能力。不同材料的硬度测定方法不同。钢材、木材和混凝土的硬度用钢球压入法测定（布氏硬度），方法是：用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力（F）压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径（L）。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。石材等矿物用刻划法测定（莫氏硬度）。

（1）莫氏硬度

莫氏硬度（Mohs hardness）是表示矿物硬度的一种标准。1824年由德国矿物学家莫斯（Frederich Mohs）首先提出。莫氏硬度是指应用划痕法使棱锥形金刚石针刻划所试验矿物的表面而产生划痕。习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。

莫氏硬度按矿石的软硬程度分为10级，用测得的划痕的深度分为滑石（硬度最小）、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石（硬度最大）10级来表示硬度。

莫氏硬度也用于表示其他固体物料的硬度。各级之间硬度的差异不是均等的，等级之间只表示硬度相对大小。

（2）肖氏硬度

肖氏硬度（Shore hardness）是表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔（Albert F.Shore）首先提出。肖氏硬度是指应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳，撞销是一个具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚石，用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。肖氏硬度计既用于测定黑色金属和有色金属的肖氏硬度，也用于测定橡胶、塑料等的硬度，在橡胶、塑料行业中常称为邵氏硬度。

2.3.4.2　耐磨性

材料的硬度越大，其耐磨性越好，但不易加工。工程中有时也可用硬度来间接推算材料的强度值。

耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素有关。一般来说，材料的强度越高、硬度越大，则其耐磨性也越好。工程中，用作踏步、台阶、地面、路面等部位的材料，应具有较高的耐磨性。

2.3.5　疲劳强度

轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件在工作过程中各点的应力随时间而作周期性变化，即承受交变应力的作用。此时，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服应力，但经过较长时间的工作却可能产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为材料的疲劳。

材料承受的交变应力σ与材料断裂前承受的交变应力的循环次数N（疲劳寿命）之间的关系可用疲劳曲线来表示，如图2-5（a）所示。材料承受的交变应力σ越大，则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限（或称疲劳强度）。对于对称循环交变应力下的弯曲疲劳强度用σ表示，如图2-5（b）所示。实际上，材料不可能做无限次交变负荷试验，对于黑色金属，一般规定将应力循环107周次而不断裂的最大应力作为疲劳极限，有色金属、不锈钢的最大应力循环取108周次。

疲劳断裂属于低应力脆断，断裂应力远低于材料静载下的σb甚至σs，断裂前无明显塑性变形，危险性极大。其断口一般存在裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区3个典型区域。一般而言，钢铁材料σ值约为其σb的一半，钛合金及高强钢的疲劳强度较高，而塑料、陶瓷的疲劳强度则较低。金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有工作条件（温度、介质及负荷类型）、表面状态（粗糙度、应力集中情况、硬化程度等）、材质、残余内应力等。对塑性材料，一般其σb越大，则相应的σ就越高。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度，以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。