材料力学性质—建筑材料

材料的力学性质是指材料在外力作用下抵抗破坏及变形的性质。

0.2.4.1 材料的强度

1. 强度

强度是指材料在外力(荷载)作用下,抵抗破坏的能力。当材料承受外力作用时,内部就会产生应力,外力增大时应力也随之增大,当材料不能再承受时,材料即破坏。

根据外力作用方式不同,材料强度可分抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗折(抗弯)强度等。各种强度的计算公式见表0.4。

表0.4　材料的强度计算公式

材料的强度值与材料的组成、结构等内部因素有关,也与外在因素有关。材料的组成相同,结构不同,强度也不相同。材料的孔隙率越大,强度值越小。材料的强度还与试验条件有关,如试件的尺寸、形状和表面状态、试件的含水率、加荷速度、试验环境的温度、试验设备的精确度等。为了使试验结果比较准确,且具有可比性,国家规定了各种材料强度的标准试验方法。

影响材料强度的因素：材料强度与材料的组成及构造有关,构造越密实、越均匀的材料,强度越高。另外,材料的强度还与材料的含水情况、环境温湿度、试件形状及大小和试验条件等因素有关。

2. 强度等级

为了方便设计及对工程材料进行质量评价,大多数以力学性质为主要性能指标的材料,通常根据其极限强度的大小划分成若干不同的等级,称为材料的强度等级。脆性材料主要根据其抗压强度来划分,如水泥、混凝土等；塑性材料和韧性材料主根据其抗拉强度来划分,如钢材等。强度等级的划分对掌握材料性能和正确选用材料具有重要意义。

3. 比强度

比强度是按单位体积的质量计算的材料强度,其值等于材料强度与其表观密度之比。是衡量材料是否轻质高强的指标。

当不同强度的材料进行比较时,可采用比强度这一指标进行比较。结构材料在建筑工程中主要承受结构荷载,对于多数结构物来说,相当一部分的承载能力用于抵抗其本身或其上部结构材料的自重荷载,只有剩余部分的承载能力才能用于抵抗外荷载。为此,提高材料的承载能力,不仅应提高材料的强度,还应减轻其本身的自重,即应提高材料的比强度。

比强度越大的材料其轻质高强的性能越好,选用比强度大的材料对增加建筑高度、减轻结构自重、降低工程造价等具有重大意义。几种主要材料的比强度值见表0.5。

表0.5　几种主要材料的比强度值

0.2.4.2　弹性和塑性

1. 弹性

弹性是指材料在外力作用下产生变形,外力取消后变形能完全恢复的性质。这种变形称为弹性变形。

弹性变形的大小与外力成正比,其比例系数在一定范围内为一常数,称为弹性模量,用符号E 表示,按式(0.19)计算：

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式中　ε——材料的应变；

σ——材料的应力,MPa；

E——材料的弹性模量,MPa。

弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标,E 值越大,表明材料抵抗变形的能力越强,材料越不容易变形。

2. 塑性

塑性是指材料在外力作用下产生变形,除去外力后仍保持变形后的形状和尺寸,并且不产生裂缝的性质。这种变形称为塑性变形。

单纯的弹性材料是没有的。有的材料受力不大时产生弹性变形,受力超过一定限度后即产生塑性变形,如低碳钢。有的材料在受力时,弹性变形和塑性变形同时产生,当去掉外力后,弹性变形消失,而塑性变形不能消失,如混凝土。

0.2.4.3　脆性和韧性

1. 脆性

脆性是指外力作用于材料并达到一定限度后,材料无明显塑性变形而发生突然破坏的性质。脆性材料塑性变形很小,抗压强度较高,抗冲击能力、抗振动能力、抗拉及抗折能力差。多数无机非金属材料均属于脆性材料,如天然石材、烧结普通砖、混凝土等。

2. 韧性

韧性是指在冲击或震动荷载作用下,材料能吸收较大能量,同时产生较大变形,而不发生突然破坏的性质。韧性材料的特点是塑性变形大,抗拉、抗压强度较高,如建筑钢材、木材等。对于承受冲击震动荷载的路面、桥梁、吊车梁等结构,应选用具有较高韧性的材料。

0.2.4.4　硬度和耐磨性

硬度是指材料表面的坚硬程度,是材料抵抗其他硬物体压入或刻画的能力。硬度大的材料耐磨性较强、强度较高,但不易加工。

耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。磨损是材料受外界物质的摩擦作用而减小质量和体积的现象。材料耐磨性用磨损率N 来表示,按式(0.20)计算：

式中　N——材料的磨损率,g/cm2；

m1——试件磨损前的质量,g；

m2——试件磨损后的质量,g；

A——试件受磨损面积,cm2。

磨损率越低,表示材料的耐磨性越好。材料的耐磨性与材料的组成、结构及强度、硬度等有关。工程中用于地面、踏步、台阶、路面等处的材料,应适当考虑硬度和耐磨性。