第二节 材料的力学性质
材料的力学性质是指材料受外力作用时的变形行为及抵抗变形和破坏的能力，通常包括强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度、断裂、耐磨性等。它是选用土木工程材料时首要考虑的基本性质。各种工程材料的力学性质是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。表征材料力学性质的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。
一、材料的强度与评定
（一）材料的强度
所有建筑材料必须具有抵抗外部作用力的能力。作用力是具有一定大小和方向的压力或拉力。作用在结构上的荷载可分为恒荷载和活荷载两大类。恒荷载是作用在受力构件上面的不可变动的永久荷载（即物质的质量和力），包括建筑构件和永久设施（例如：锅炉，空调等）的自重。活荷载，也称为可变荷载，是指施加在结构上的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载，包括人群、家具、物料、风、地震和其他变量的负载。此外，按照加载速率的高低，又可将作用在结构上的荷载分为静载和动载两大类。静载是指以较低加载速率作用于结构的荷载，例如拉伸荷载、压缩荷载、剪切荷载等。动载是指以较高加载速率或往复加载方式作用于结构的荷载，例如冲击荷载、爆炸荷载、疲劳荷载等。
材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破坏的能力，称为强度。当材料受外力作用时，其内部就产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。工程上通常采用破坏实验法对材料的强度进行实测，将事先制作的试件安放在材料试验机上，施加外力（荷载）直至破坏，根据试件尺寸和破坏时荷载值计算材料的强度。
材料破坏时的荷载值依赖于试件的尺寸和形状、孔隙率、密度、温湿度以及试件的材料组成。因此，为了将强度作为材料特性之一，必须通过将极限荷载值转换为应力，才能避免试件尺寸和形状对其影响。
根据拉伸、压缩、弯曲、蠕变、疲劳等试验方法的不同，可以得到多种评判材料强度的指标。几种典型强度指标介绍如下：
（1）极限强度。材料在常温下发生断裂时的应力极限值，就是材料的极限强度。根据外力作用形式的不同，材料的极限强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，如图1－2所示。这些强度都是通过静力试验来测定，故又称为静力强度，是通过标准试件的破坏试验而测得。材料的抗压、抗拉和抗剪强度计算公式为
式中 f——材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪）（N／mm2）；
P——试件破坏时的最大荷载（N）；
A——试件受力面积（mm2）。
图1－2 材料受外力作用示意图
材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面的条形试件，当其两支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯极限强度按下式计算：
式中 ftm——材料的抗弯极限强度（N／mm2）；
P——试件破坏时的最大荷载（N）；
l——试件两支点间的距离（mm）；
b、h——分别为试件截面的宽度和高度（mm）。当在试件支点间的三分点处作用两个相等的集中荷载时，则其抗弯强度的计算公式为
式中，各符号意义同上式。
（2）屈服强度。材料在荷载作用下，除发生可恢复的弹性变形之外，还会发生不可恢复的残余变形，卸载后的残余变形称为塑性变形。因此，材料在常温和荷载作用下，刚开始发生塑性变形时所对应的应力，就称为屈服强度，反映其抵抗塑性变形的能力。对于钢材而言，钢材的屈服强度与极限强度相差较大，结构设计规范要求钢材选用时以其屈服强度为设计依据。而对于混凝土等脆性材料，其屈服强度与极限强度非常接近，因此，结构设计规范要求使用其极限强度作为设计依据。
（3）蠕变强度。很多材料在高温下使用时，在恒定的应力作用下，随着时间的增加，材料会缓慢地发生塑性变形，这种现象称为材料的蠕变。材料在高温和荷载长时间作用下，抵抗塑性变形（即蠕变）的抗力指标称为蠕变强度。一般用给定温度下，使试样产生规定蠕变速度对应的应力值表示。
（4）疲劳强度。工程结构或零件在服役过程中可能会承受大小（和方向）发生周期性重复变化的荷载（即交变荷载）作用，在材料内部产生周期往复变化的应力（即交变应力）。这种交变应力会导致材料产生裂纹，裂纹会逐渐发展并连通而导致材料突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。材料的疲劳强度是指材料经过无限多次（或规定次数）重复交变荷载作用而不至于引起疲劳破坏的最大应力。
（二）材料的比强度
对于不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度是按单位体积质量计算的材料强度指标，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，优质结构材料的比强度应高。几种主要材料的比强度见表1－3所示。
由表1－3可知，玻璃钢和木材是轻质高强的高效能材料，而普通混凝土则为质量大而强度较低的材料，所以，努力促进普通混凝土——这一当代最重要的结构材料向轻质、高强方向发展，是一项十分重要而紧迫的工作。
表1－3 几种主要材料的比强度
（三）材料的等级与牌号
各种材料的强度差别甚大。土木工程材料常按其强度值的大小划分为若干个等级或牌号，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为6个强度等级；普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级；碳素结构钢按其抗拉强度分为5个牌号等等。土木工程材料按强度划分等级或牌号，对生产者和使用者均有重要的意义，它可使生产者在生产中控制质量时有据可依，从而达到保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料、正确进行设计和控制工程施工质量。常用土木工程材料的强度见表1－4所示。
表1－4 常用土木工程材料的强度／MPa
二、材料的弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形，弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，这时的比例系数E称为材料的弹性模量。材料在弹性变形范围内，E为常数，其值可用应力（σ）与应变（ε）之比表示，即
各种材料的弹性模量相差很大，通常原子键能高的材料具有高的弹性模量。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。E值愈大，材料愈不易变形，亦即刚度好。弹性模量是结构设计时的重要参数。
材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，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。塑性变形为不可逆变形。材料的塑性指标一般用拉伸试验时材料的延伸率和断面收缩率来评价。延伸率是指试样断裂时的相对伸长，断面收缩率是指试样断裂时横截面的相对收缩率。
实际上纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，表现为弹性变形，而当外力达一定值时，则呈现塑性变形，如低碳钢就是典型的这种材料。另外许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时发生，这种材料当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失。混凝土就是这类弹塑性材料的代表，其变形曲线如图1－3所示。图中ab为可恢复的弹性变形，bo则为不可恢复的塑性变形。
三、材料的脆性与韧性
（一）脆性
图1－3 弹塑性材料的变形曲线
材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，所以脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉部位，只适用于作承压构件。土木工程材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。
（二）韧性
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。它主要取决于材料的强度和变形性能。材料的韧性用冲击韧性指标αk表示。冲击韧性指标系指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功。其计算公式为
式中 αk——材料的冲击韧性指标（J／mm2）；
Ak——试件破坏时所消耗的功（J）；
A——试件受力净截面积（mm2）。
此外，韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度和塑性的综合表现，通常以裂纹萌生和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料的韧性。
在土建工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用的材料，均应具有较高的韧性。
四、材料的断裂
断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一，具体失效形式包括弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。研究断裂的主要目的是如何防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。
断裂，按照断裂前变形量可分为韧性断裂（断裂前发生明显宏观塑性变形，缓慢的撕裂过程，裂纹扩展过程中消耗能量）和脆性断裂（断裂前不发生塑性变形，裂纹扩展速度很快，断裂突然发生）；按照断裂面取向可分为正断（宏观断面垂直于最大主应力方向）和切断（宏观断面平行于最大切应力方向）；按照裂纹扩展路径可分为沿晶断裂（裂纹沿晶粒边界扩展）和穿晶断裂（裂纹在晶粒内部扩展）；按照断裂机制可分为解理断裂、微孔聚合断裂和纯剪切断裂；按照滑移机理可分为单滑移断裂和多滑移（引发）断裂。
理想晶体解理断裂的理论断裂强度可由下式计算：
式中 a0——不受力时原子间平衡间距（10－8 cm）；
γs——比表面能（N·m／m2）；
E——杨氏模量（MPa）。
微观研究发现，在外力作用下，材料内部初始缺陷会形成微裂纹，微裂纹的失稳扩展将导致材料断裂。断裂一般包括两个基本过程：（1）裂纹萌生过程，即在力的作用下生成裂纹核心的过程；（2）裂纹扩展过程，即裂纹的扩张与长大的过程。其中，裂纹扩展又包含两阶段：稳态扩展阶段——裂纹核心扩展到临界尺寸的过程，以及失稳扩展阶段——达到临界尺寸的裂纹快速扩展至断裂的过程。因此，材料的断裂也可用断裂韧性来评价。断裂韧性常用材料裂纹尖端应力场强度因子的临界值来表征。
设外加应力为σ，裂纹尺寸为a，则裂纹尖端应力场强度因子K I与σ，a之间存在如下关系：
式中 y——与裂纹形状等因素有关的量。
当应力逐渐加大或裂纹逐渐扩展时，K I也随之逐渐加大。当K I达到临界值时，裂纹将产生突然的失稳扩展。这个应力场强度因子K I的临界值就是材料的断裂韧性，它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
五、材料的硬度与耐磨性
（一）材料的硬度
硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力，是衡量材料软硬程度的一个性能指标。材料的硬度愈大，则其强度愈高，耐磨性愈好。同时，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。
硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。通常采用的有刻划法、压入法和回弹法。
天然矿物材料的硬度，采用刻划法——莫氏硬度试验进行评价。
金属材料、木材、混凝土和橡胶、塑料的硬度，采用静负荷压入法（钢球压入法）硬度试验进行评价，具体评价标准包括布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、橡胶塑料邵氏硬度（HA，HD）。这些硬度值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。其中，以布氏硬度和洛氏硬度较为常用。布氏硬度应用范围较广，一般用于材料较软的时候，如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁等。洛氏硬度适用于表面高硬度材料（HB＞450）或者过小试样，如热处理后的硬度等。维氏硬度适用于显微镜分析。
回弹法常用于测定混凝土构件表面的硬度，并以此估算混凝土的抗压强度。它包括里氏硬度（HL）、肖氏硬度（HS），其值代表金属弹性变形功的大小。
（二）材料的耐磨性
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。土建工程中常用的无机非金属材料及其制品的耐磨性可按《无机地面材料耐磨性试验方法》（GB／T 12988）规定的钢轮式试验法，或按《混凝土及其制品耐磨性试验方法》（GB／T 16925）规定的滚珠轴承法进行测定。滚珠轴承法的原理是：以滚珠轴承为磨头，通过滚珠在额定负荷下回转滚动时，摩擦湿试件表面，在受磨面上磨成环形磨槽。通过测量磨槽的深度和磨头的研磨转数，计算耐磨度。此法操作简便，数据可靠，适用面广。耐磨度计算公式为
式中 Ia——材料的耐磨度（无量纲）；
R——磨头转数（千转）；
P——磨槽深度（mm）。
材料的耐磨度愈大，表示其耐磨性愈好。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关。在土木建筑工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等的材料，均应具有较高的耐磨性。
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