《土木工程材料》课件-材料的基本力学性质

材料的强度和硬度材料的弹性和塑性材料的脆性与韧性材料的疲劳强度第五节材料的基本力学性质有关概念材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。

变化包括:材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。有关概念材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。根据破坏形式的不同，材料可分为脆性材料和韧性材料。在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。固体材料的强度取决与结构质点（原子、分子、离子）之间的相互作用力。

理论强度即克服固体内部结合力而形成两个新的表面所需要的力或从理论上分析材料所能承受的最大应力。材料受外力破坏——拉力、剪力引起，非压力理论强度＞＞实际强度，对创新材料有重要意义理论强度≈0.1E（钢材E=2×105MPa，理论强度≈2×104MPa，实际强度400MPa）原因——缺陷所至（晶格错位、杂质、孔隙、微裂缝）一、理论强度二、材料的强度（一）强度有关概念（二）影响材料强度的因素（三）强度等级（四）比强度（一）强度有关概念在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为强度。根据外力作用方式的不同，有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度（或抗折强度）及抗剪强度等形式。材料的这些强度是通过静力试验来测定的，故总称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。a.压力b.拉力c.弯曲d.剪切混凝土路面砖抗折强度试验混凝土路面砖抗压强度试验材料的抗压、抗拉、抗剪强度由下式计算：（强度试验录像）

强度的计算

式中f——材料的抗压、抗拉或抗剪强度，MPa；

Fmax——材料破坏时的最大荷载，N；

A——受力截面面积，mm2。

对于抗弯强度，有两种计算方式。将抗弯试件放在两支点上，当外力为作用在试件中心的集中荷载，且试件截面为矩形时，抗弯强度（也称抗折强度）可用下式计算：

式中fm——抗弯强度，MPa；

Fmax——弯曲破坏时的最大荷载,N；

b，h

——试件横截面的宽和高,mm。

L——

两支点间的距离，mm。若在此试件跨距的三分点上加两个相等的集中荷载，抗弯强度按下式计算：

土木工程常用结构材料的强度值范围见下表，1-4(p15).

不同材料具有不同的强度指标特征，应用范围不同。无机非金属（脆性）材料（石、混凝土、水泥、砖），抗压强度较高，评价指标亦为抗压强度，工程中主要利用其抗压强度（受压部位-基础、墙）。钢材、纤维材料——抗拉强度（各种受力构件）混凝土、水泥、砖（根据使用部位）——抗弯强度

常见土木工程材料的强度/MPa材料抗压强度抗拉强度抗弯强度

花岗岩100～2505～810～14

普通烧结砖7.5～30—1.8～4.0

普通混凝土7.5～601～4

—

松木(横纹)30～5080～12060～100

建筑钢材235～1600235～1600

内因——材料的组成与结构是材料强度的决定因素如材料的孔隙率愈大（表观密度愈小），则强度愈小。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系外因——强度还与测试条件和方法等外部因素有关。（二）影响材料强度的因素

测试条件对强度的影响（补充)1.试件的形状和尺寸：

2.受力面状态3.加荷速度4.试验环境的温度、湿度5试验样品、人员和设备等.1.试件的形状和尺寸：f圆柱体≈0.83f立方体、f棱柱体=(0.7-0.8)f立方体f小试件＞f大试件

(强度随尺度增加曲线式下降）原因①环箍效应②缺陷几率原因

①环箍效应——压板与试件受压面产生的磨擦力，对试件的横向膨胀起着约束作用，这种约束作用称为“环箍效应”。

“环箍效应”对混凝土抗压强度有提高作用。离压板越远，“环箍效应”小，在距离试件受压面约0.866α（α为试件边长）范围外这种效应消失，这种破坏后的试件形状如图所示

原因①环箍效应——

棱柱体（或圆柱体）试件由于高宽比（或长径比）大，中间区段已无环箍效应，形成了纯压状态，因而其强度低于同截面的立方体试件强度。

立方体试件尺寸较大时，环箍效应的相对作用较小，测得的强度因而偏低。

压力机压板对试块的约束作用试块破坏后残存的棱锥体不受压板约束时试块破坏情况(涂油脂）②缺陷几率——大试件内存在的孔隙、裂缝等缺陷的几率大，降低了材料的强度。混凝土试件尺寸选用表(p219表10-6)

2.受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试件表面不平或表面涂润滑剂（f下降50%，直裂破坏）时，所测强度值偏低。3.加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增长的速度，故测得的强度值偏高。（规定速度测强度、速度控制装置）

4.试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试件会有体积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间的作用力减弱，测得的强度值偏低（试验温度对混凝土强度测试结果的影响如图，水泥混凝土气干试件比饱水试件强度高20-25%）。5试验样品、人员和设备等

试件取样的代表性（水泥20个以上点、12kg）、试样的均匀性、试验结果的舍取原则（水泥6个数值）、强度评定的方法、仪器精度（标明仪器型号）、操作人员的技术水平等

材料性质的一切试验结果都具有条件性，为使结果具有准确性、可比性和对实际工程的指导意义，必须按规定的标准实验方法进行试验，并要尽量与实际工程接近（100、1000年混凝土）。（三）强度等级（P16第1段）：建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。如混凝土按抗压强度划分为C7.5～C60;水泥按抗压和抗折强度划分为32.5～62.5,砂浆按抗压强度划分为M2.5～M20六个等级,热轧钢筋按屈服强度和抗拉强度划分四级。

强度和强度等级的区别与联系：区别：a.定义不同。强度是实测值，强度等级是人为规定的强度范围（区间值）。

b.强度指的是材料的极限值，是唯一的，每一强度等级则包含一系列强度值。联系：强度等级的确定以其极限强度值为依据。将材料划分为若干等级，对掌握材性、合理选用材料、正确进行设计和控制工程质量具有重要意义。

比强度——按单位体积质量计算的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比（f/ρo

）。它是评价材料轻质高强性的指标。在高层建筑及大跨度结构工程中应采用比强度较高的材料。轻质高强材料，也是建筑材料发展的主要方向。（四）比强度

几种主要材料的比强度材料表观密度/(kg/m3)强度/MPa比强度

低碳钢78504200.054

普通混凝土2400400.017

（抗压）松木（顺纹抗拉）

5001000.200玻璃钢20004500.225（玻璃纤维增强塑料）（玻璃钢安全帽

）

烧结普通砖1700100.006

（抗压）

三、硬度与耐磨性（17页1.2.4）（一）硬度——材料表面的坚硬程度

1、概念——即材料表面抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。

2、表示指标

金属材料（如钢材）等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法（HB），是以单位压痕面积上所受的压力来表示，该值大、硬度大。

陶瓷、石材等材料常用刻划法（如莫氏硬度）测定。三、硬度与耐磨性3、应用——硬度大的材料强度高、耐磨性较强（可用于路面），但不易加工。硬度可用于鉴别矿物类别和间接推算材料的强度（回弹法）。（实验演示）

莫氏硬度（10级）——1－滑石2－石膏3－方解石4－萤石5－磷石灰6－正长石7－石8－黄玉9－刚玉10－金刚石实验演示三、硬度与耐磨性（二）耐磨性——材料表面抵抗磨损的能力，用磨损前后单位表面的质量损失表示。

N=(m1-m2)/AN:磨损率（g/cm2)m1、m2:磨损前后质量（g）A-试件受磨面积cm2

磨损率大——不耐磨。

地面路面材料要求耐磨、硬度大材料

化学组成为Mg3[Si4O10](OH)2，晶体属三斜晶系的层状结构硅酸盐矿物。假六方片状单晶少见，一般为致密块状、叶片状、纤维状或放射状集合体。白色或各种浅色，条痕常为白色，脂肪光泽（块状）或珍珠光泽（片状集合体），半透明。摩氏硬度1，比重2.6-2.8。一组极完全解理，薄片具挠性。有滑感，绝热及绝缘性强。滑石莫氏硬度1石膏莫氏硬度15莫氏硬度66萤石饰品莫氏硬度95.7莫氏硬度199莫氏硬度292.6石英莫氏硬度421.4水晶紫水晶又名黄晶，英文名Topaz，来源于梵文Topus，意为“火”。集合体成粒状或块状。无色透明，或呈浅黄、浅蓝、浅绿和浅红等色；受长期日光照射后，其色渐退；玻璃光泽。受硫酸作用时，表面会被腐蚀。

斜方晶系斜方双锥晶类，摩氏硬度8，比重3.52-3.57，一组与柱面垂直的完全解理完全，断口亚贝壳状至参差状，性脆。具有强的热电性，莫氏硬度611黄玉莫氏硬度904莫氏硬度3915概念——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，这种可恢复的变形称弹性变形。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，这种不可恢复的变形称为塑性变形（动画演示）。四、材料的弹性和塑性（1.2.2）弹性模量——材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值为常数，称为材料的弹性模量。

弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，弹性模量愈大，材料愈不易变形，弹性模量也是结构设计的重要参数。实际上，单纯的弹性材料是没有的，大多数材料在受力不大的情况下表现为弹性，受力超过一定限度后则表现为塑性（如钢材），混凝土受力时弹性变形和塑性变形则同时产生，可称之为弹塑性材料。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。

当外力达到一定限度后，材料突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有脆性性质的材料称脆性材料。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生一定的变形而不破坏，这种性质称为韧性（冲击韧性）。具有韧性性质的材料称韧性材料。五、材料的脆性与韧性脆性材料特点：①塑性变形很小②f压>>f拉（5-50倍）③抵抗冲击载荷或振动作用的能力较差。无机非金属材料多为脆性材料，如烧结普通砖、混凝土、石材、玻璃、陶瓷等。脆性材料只适合用作承压构件（利用其f压），不宜单独用于受力构件（复合用），结构物应避免发生脆性破坏（例-阳台）。韧性材料特点：①变形大且塑性变形大②f拉≥f压材料的韧性用冲击韧性试验检验（大——韧性好）（实验演示）建筑钢材、木材、橡胶等都是韧性材料韧性材料可单独用作受力构件。

在建筑工程中，对于要求承受冲击载荷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。

概念——材料受交变荷载反复多次作用，在最大应力远低于其极限强度的情况下突然破坏的现象,称为疲劳破坏。

疲劳破坏指标用疲劳强度（或疲劳极限）表示，指材料试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。六、材料的疲劳强度(P109最后一段)

疲劳强度由试验确定，即在规定的应力循环次数下（106-108），对应的极限应力值。钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。

应力＜疲劳极限，材料或结构在荷载多次重复作用下不会破坏。

疲劳极限＜＜静力强度（砼——50-60%f压，钢材弯曲疲劳极限为f拉的40%）

疲劳破坏不同于静力破坏，是在低应力状态下突然发生的脆性破坏，危害极大，往往造成灾难性的事故（例灌注桩、钻井、桥、弹簧\水管、疲劳死亡）。设计承受反复荷载的结构时应了解材料的疲劳极限"白骨精"七成亚健康"生理年龄"提前衰老10年2009年12月04日15:37