第二节 材料力学性质

材料的力学性质

一、材料的强度与等级（一）材料的强度材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。根据外力作用形式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等，均以材料受外力破坏时单位面积上所承受的力的大小来表示。材料的力学性质系指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质。混凝土路面砖抗折强度试验1.材料的强度材料的强度是材料在外力作用下抵抗破坏的能力（不破坏时能承受的最大应力）。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗拉、抗压、抗剪、抗弯强度等。抗压抗拉抗剪抗弯（2）抗弯强度（抗折强度）（对于矩形断面和条形断面）单点加荷：

三分点加荷：

L/2L/2第四种受力方式材料在建筑物上所承受的力，主要有拉力、压力、弯曲力及剪应力等。材料抵抗上述外力破坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。大部分建筑材料，根据极限强度的大小，可划分为若干不同的强度等级。材料的强度与材料本身的组成、结构和构造等有很大关系。钢材的抗拉、抗压强度都很高。

材料的强度

抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算：式中：f——材料强度，MPa；

Fmax——材料破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2。抗弯强度的计算：中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，则其抗弯强度用下式计算：式中：fw——材料的弯强度，MPa；Fmax——材料受弯破坏时的最大荷载，N；A——试件受力面积，mm2；L、b、h——两支点的间距，试件横截面的宽及高，mm。

静力强度分类

强度类别举例计算式附注抗压强度fc(MPa)fc=F/AF—破坏荷载(N)A—受荷面积(mm2)l—跨度(mm)b—断面宽度(mm)h—断面高度(mm)抗拉强度ft(MPa)ft=F/A抗剪强度fv(MPa)fv=F/A抗弯强度ftm(MPa)ftm=3Fl/(2bh2)钢材、木材和混凝土的强度比较

比强度fc/ρ0

普通混凝土240029.40.012低碳钢78604150.053松木50034.3(顺纹)0.069材料表观密度ρ0（kg/m3）抗压强度fc（MPa）根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。强度等级强度和强度等级的联系与区别强度等级是人为规定的强度范围强度指的是材料的极限值，是唯一的,是实测值强度等级的确定必须以其极限强度值为依据,每一强度等级则包含一系列强度值用于评价材料是否轻质高强。如C30M10Q235比强度材料的强度与其表观密度的比值（三）材料的比强度比强度是按单位质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。对于不同强度的材料进行比较，可采用比强度这个指标。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，优质的结构材料，必须具有较高的比强度。材料表观密度（g/cm3）强度（MPa）比强度低碳钢78504200.054普通混凝土（抗压）2400400.017松木（顺纹、抗拉）5001000.200玻璃钢20004500.225烧结普通砖（抗压）1700100.0061)材料的组成、结构与构造2)孔隙率与孔隙特征3)试件的形状和尺寸4)加荷速度5)试验环境的温度、湿度6)受力面状态影响材料强度的因素二、材料的弹性与塑性弹性：外力→变形→卸外力→变形完全恢复材料的弹性用弹性模量Ｅ表示塑性：：外力→变形→卸外力→变形不完全恢复弹性材料的变形曲线弹塑性变形塑性变形

软钢的应力—应变曲线砼的应力—应变曲线

完全的弹性材料或塑性材料是很少的。1）有的材料在应力水平较低时，变形特征主要表现为弹性，而应力水平较高时，主要为塑性。例如钢材。图1.2.1低碳钢受拉的应力—应变曲线1、脆性定义：当外力达到一定限度后，材料突然破坏，而破坏时并无明显的塑性变形的性质。

特点：破坏时，变形小；抗压强度高而抗拉、抗折强度低

脆性材料：大部分无机非金属材料均属脆性材料，如天然石材，烧结普通砖、陶瓷、玻璃、普通混凝土砂浆等。三、脆性和韧性2、韧性（冲击韧性）定义：在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。

韧性材料：低碳钢、木材、玻璃钢等。采用冲击试验测定路面、桥梁、吊车梁以及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。（六）硬度和耐磨性

1.硬度

材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。

刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为１０个硬度等级。

四、硬度和耐磨性

1.硬度定义：材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力分类：摩氏硬度（石料、陶瓷等）；

布氏、洛氏硬度（金属材料）。

测定方法：刻划法，回弹法和压入法刻划法：用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶刚玉、金刚石的顺序，分为１０个硬度等级

回弹法：用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度硬度和耐磨性

1.硬度——抵抗外物压入或刻划的能力。可采用：摩氏硬度（石料、陶瓷等）；布氏、洛氏硬度（金属材料）。

特点：硬度高，耐磨性强，但不易加工。

布氏硬度1、试验方法简介hd/2/2F压头试样布氏硬度试验原理试验原理概述：方法：用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。.

试验原理概述：方法：用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。原理：回弹仪的弹击锤被一定的弹力打击在混凝土表面上，其回弹高度（通过回弹仪读得回弹值）与混凝土表面硬度成一定的比例关系。回弹仪2.耐磨性

耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中G------材料的磨耗率，（g/cm2）

m1----材料磨损前的质量，（g）

m2-----材料磨损后的质量，（g）

A------材料试件的受磨面积（cm2）五、材料的耐久性1.概念材料的耐久性是指用于建筑物的材料，在环境的多种因素作用下不变质、不破坏，长久地保持其使用性能的性质。耐久性是材料的一种综合性质，诸如抗冻性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等均属耐久性的范围。此外，材料的强度、抗渗性、耐磨性等也与材料的耐久性有密切关系。2.环境影响因素材料在建筑物使用过程中长期受到周围环境和各种自然因素的破坏作用，一般可分为物理作用、化学作用、机械作用、生物作用等。干湿变化物理作用温度变化冻融变化(寒冷地区)这些作用将使材料发生体积的胀缩，或导致内部裂缝的扩展。时间长久之后即会使材料逐渐破坏。在寒冷地区，冻融变化对材料会起着显著的破坏作用。在高温环境下，经常处于高温状态的建筑物或构筑物，所选用的建筑材料要具有耐热性能。材料的耐久性化学作用包括大气、环境水以及使用条件下酸、碱、盐等液体或有害气体对材料的侵蚀作用。机械作用包括使用荷载的持续作用，交变荷载引起材料疲劳，冲击、磨损、磨耗等。生物作用包括菌类、昆虫等的作用而使材料腐朽、蛀蚀而破坏。材料的耐久性

砖、石料、混凝土等矿物材料，多是由于物理作用而破坏，也可能同时会受到化学作用的破坏。金属材料主要是由于化学作用引起的腐蚀。木材等有机质材料常因生物作用而破坏。沥青材料、高分子材料在阳光、空气和热的作用下，会逐渐老化而使材料变脆或开裂。

材料的耐久性耐久性是一个综合性性能，包括抵抗上述各种因素的长期作用耐久性主要包括：抗渗性抗冻性抗腐蚀性抗碳化性抗侵蚀性抗碱骨料反应耐久性抗渗性抗碳化性抗碱骨料反应性抗腐蚀性抗冻性抗侵蚀性耐久性指标材料的耐久性指标是根据工程所处的环境条件来决定的。主要包括抗渗性、抗冻性、耐化学腐蚀性等。例如：处于冻融环境的工程，所用材料的耐久性以抗冻性指标来表示。处于暴露环境的有机材料，其耐久性以抗老化能力来表示。课堂练习2.材料吸水后，将使材料的强度提高。3.材料的孔隙率越大，吸水率越大。4.某材料的软化系数为0.85，可用于建筑物的底层。5.材料的孔隙率恒定时，孔隙尺寸越小，强度越高。是否是否是否是否是否1.导热系数小的材料适合做保温材料。6.材料的比强度是体现材料哪方面性能的（）7.软化系数是衡量材料什么性能的指标（）8.当材料的润湿角θ为（）时，称为憎水性材料。＞90º≤90º＝0º9.含水率是表示材料（）大小的指标。吸湿性耐水性吸水性抗渗性10.以下哪一项不是冻融破坏的表现（）剥落裂纹密度减小强度降低强度耐久性抗渗性轻质高强AB