1.3 材料的力学性质
材料的力学性质是指材料在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下的变形性或强度来表示。
对材料所施加的、使材料发生变形的力称为外力或荷载P。
材料受力后发生变形，单位长度上的变形量称为应变，即ε=ΔL/L。
当材料承受外力时，内部就会产生应力。作用在材料单位面积上的力称为应力，即σ=P/A。
1.3.1 材料的强度与比强度
材料在外力（即荷载）作用下抵抗破坏的能力，称为强度。
当材料受外力作用时，其内部产生应力，若外力增大，则应力相应加大，直到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。材料破坏时的荷载称为破坏荷载或最大荷载，此时对应的应力就是材料的强度。
（1）材料的强度类型
材料在结构中承受的外力主要有：拉力、压力、剪力及弯矩等，材料抵抗这些外力破坏的能力，就分别称为抗拉、抗压、抗剪和抗弯强度，如图1.4所示。这些宏观强度一般通过静力试验来测定，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测得的。
①材料的抗压、抗拉及抗剪强度
材料的抗压、抗拉及抗剪强度按式（1.12）计算：
式中 f——材料的强度，MPa；
图1.4 材料受力示意图
F——试件破坏时的最大荷载，N；
A——试件的受力截面面积，mm2。
抗压强度是评定脆性材料强度的基本指标，而抗拉强度是评定塑性材料强度的主要指标。
②材料的抗弯强度
材料的抗弯强度与试件的几何形状及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当采用二分点试验（图1.4）（在两支点的中间作用一个集中荷载）时，其抗弯极限强度按式（1.13）计算：
当采用三分点试验（图1.4）（在跨度的三分点上加两个集中荷载）时，其抗弯极限强度按式（1.14）计算：
式中 ftm——材料的抗弯极限强度，MPa；
F——试件破坏时的最大荷载，N；
L——试件两支点间的距离，mm；
b，h——试件截面的宽度和高度，mm。
（2）影响材料强度的因素
①材料的组成、结构和构造
不同组成的材料具有不同的强度，即使材料的组成相同，也会因内部结构和构造不同而使强度相差较大。材料的孔隙率越大，其强度越低。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，如图1.5所示。晶体结构的材料，其强度还与晶粒细度有关。
图1.5 材料强度与孔隙率的关系
石材、砖、混凝土等非匀质材料的抗压强度较高，而抗拉及抗折强度却很低；钢材为匀质的晶体材料，其抗拉、抗压强度都很高；木材内部为纤维结构，顺纹方向的抗拉强度高于横纹方向的抗拉强度。
②试验条件
试验方面的因素有：试件大小、试件形状、加荷速度以及试件的平整度等。
同样形状而不同尺寸的试件，由于小试件的一些缺陷表现不出来，强度较大试件的高。如混凝土立方体试块（200mm×200mm×200mm）比标准立方体试块（150mm×150mm×150mm）测得的强度偏低。试件形状也对强度有影响，如与立方体混凝土试块相比，棱柱体试块（150mm×150mm×300mm）所测强度比立方体试块（150mm×150mm×150mm）的低。除了尺寸效应外，与所受环箍效应的影响小也有关。具体分析如下：混凝土为脆性材料，测抗压强度时，在试块的上、下面上要放两块承压板（钢板）。试块受压时，混凝土与承压板之间存在摩擦力，产生作用力与反作用力，但是由于混凝土的弹性模量（E=σ/ε）比钢板的小，所以受同样大小的力时，钢板的横向变形小于混凝土的横向变形，因而钢板对混凝土的横向膨胀起约束作用，这种约束作用称为“环箍效应”。越接近受压面，约束作用越大，在距离受压面大约3a/2的范围以外，约束作用才消失，所以立方体试件在整个试块中都受到约束作用，棱柱体试块在中间部位未受到约束作用，所以棱柱体试块（150mm×150mm×300mm）所测强度比立方体试块（150mm×150mm×150mm）的低，如图1.6所示。
图1.6 混凝土试件的破坏状态
因为测强度时采用的是破坏性试验，因此从加载到破坏的整个过程，就涉及施加荷载的速度问题。施加荷载以后，加荷速度应该与裂缝扩展（变形增长）速度一致，如果加荷速度太快，裂缝扩展落后于荷载增长，本来在该级荷载试件就破坏了，却由于裂缝扩展慢使得试件在下一级荷载才破坏，导致测得的强度值偏高。
测试材料强度时，试件的平整度对材料强度也有影响。因此，做试验时，一定要把表面的水分、砂尘等擦掉，由于成型面不够平整，试验时要用试块的侧面与承压板接触。
③材料的含水情况
以木材来说，湿木材由于吸附水多，使木纤维之间的距离变大，内聚力降低，造成强度降低。因此，含有水分的材料较干材料的强度低。
④温度
一般来说，温度越高，材料的强度越低。比如沥青加热后变成黏滞状的液体，强度明显降低。
（3）材料的强度等级
各种材料的强度差别甚大，每种材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级。划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可以作为生产者控制质量的依据，也有利于使用者掌握材料的性能指标以便于合理的选用材料。常用土木工程材料的强度如表1.3所示。
表1.3 常用土木工程材料的强度
（4）材料的比强度
为了对不同类材料的强度进行对比，可采用比强度这一指标。比强度等于材料的强度与表观密度之比，即单位质量的材料强度。比强度是用来评价材料是否轻质高强的一个指标。几种主要材料的比强度如表1.4所示。木材的比强度比钢材的大，所以，木材与钢材相比，木材就是轻质高强的材料；而钢材与混凝土相比，钢材则是轻质高强的材料。
表1.4 几种主要材料的比强度
1.3.2 材料的弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，变形随即消失并能完全恢复原来形状的性质，称为材料的弹性。这种当外力取消后瞬间即可完全消失的变形，称为弹性变形。这种变形属于可逆变形，应力与应变的比值称为材料的弹性模量，按照式（1.15）计算。在弹性变形范围内，弹性模量为常数。
式中 σ——材料的应力，MPa；
ε——材料的应变；
E——材料的弹性模量，MPa。
材料的弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，弹性模量越大，材料越不容易变形，即刚度越好，弹性模量是结构设计中的重要参数。
材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，不能恢复变形，仍然保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为材料的塑性。这种不能恢复的变形，称为材料的塑性变形或永久变形。材料的塑性变形为不可逆变形。
实际上，纯的弹性材料是没有的。一些材料，当外力较小时，仅产生弹性变形；而当外力超过一定值后，除了产生弹性变形外，还产生塑性变形，比如建筑钢材。在受力时同时产生弹性变形和塑性变形，如果取消外力，弹性变形消失，而塑性变形不能消失，这种材料称为弹塑性材料，如混凝土。弹塑性材料的变形曲线如图1.7所示。
图1.7 弹塑性材料的变形曲线
1.3.3 材料的脆性与韧性
材料受外力作用，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，但破坏时没有明显塑性变形的性质，称为材料的脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。
材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生较大变形而不致破坏的性质，称为材料的韧性或冲击韧性。
脆性材料受力后变形很小，一变形就破坏，而且进行宏观强度测定时，抗压强度远远大于抗拉强度，只适合用于承压构件。比如混凝土、砖、陶瓷等材料为脆性材料。
与脆性材料相比，韧性材料受力后可以吸收较大的能量，变形较大，但不容易破坏，抗拉强度接近或略高于抗压强度。因此，韧性材料适合于承受冲击荷载或振动荷载，比如吊车梁、桥梁、铁轨就应采用韧性材料（如钢材）。
1.3.4 材料的硬度与耐磨性
（1）硬度
硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻画的能力。土木工程中，为保持建筑物的使用性能或外观，常要求材料具有一定的硬度。
测定材料硬度的方法有多种，常用的有刻画法或压入法两种，不同材料测定硬度的方法不同。刻画法常用于测定天然矿物的硬度，用莫氏硬度表示，它是以两种矿物相互对刻的方法确定矿物的相对硬度，并非材料绝对硬度的等级。矿物硬度分为十级，其硬度递增顺序为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。钢材、木材及混凝土等材料的硬度常采用压入法测定，例如布氏硬度，布氏硬度以压痕单位面积上所承受的压力来表示。
（2）耐磨性
耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性以磨损前后材料单位面积的质量损失，即磨损率表示。
材料的磨损率越低，表明该材料的耐磨性越好。一般来说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性也较好。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等因素均有关。土木工程中，某些部位经常受到磨损的作用，如路面、地面、踏步、台阶等，选择这些部位用材料时，其耐磨性应该满足工程的使用寿命要求。