1.2　材料的力学性质

材料的力学性质是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力与变形性质，包括材料的强度、弹性和塑性、脆性和冲击韧性、硬度与磨损、磨耗等。

1.2.1　材料的强度和比强度

1.强度

材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力，称为强度。通常以材料在外力作用下失去承载能力时的极限应力来表示，也称为极限强度。

材料抵抗由静荷载产生应力破坏的能力，称为材料的静力强度。它是以材料在静荷载作用下达到破坏时的极限应力值来表示的。

由于外力作用情况不同，材料主要有抗拉、抗压、抗弯、抗剪四种强度。材料的静力强度是通过对材料试件进行破坏试验而测得的，如表1-3所示，列出各种强度测定时，试件的受力情况和各种强度的计算公式。

材料的静力强度主要取决于材料的成分、结构与构造。不同种类的材料，强度不同；同一种材料，受力情况不同时强度也不同。如混凝土、砖、石等脆性材料，抗压强度较高，抗弯强度很低，抗拉强度则更低；而低碳钢、有色金属等塑性材料的抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度则大致相等。同一种材料结构构造不同时，强度也有较大的差异。如孔隙率大的材料，强度往往较低。又如层状材料或纤维状材料会表现出各向强度有较大的差异。细晶结构的材料，强度一般要高于同类粗晶结构材料。

除上述内在因素会影响材料强度外，测定材料强度时的试验条件，如试件尺寸和形状、试验时的加荷速度、试验时的温度与湿度、试件的含水率等也会对试验结果有较大的影响。如测定混凝土强度时，同样条件下，棱柱体试件的抗压强度要小于同样截面尺寸的立方体试件抗压强度。尺寸较小的正方体试件强度要高于尺寸较大的立方体试件强度。

表1-3　静力强度的分类

混凝土立方体试件在压力机上受压时，压力机的上下压板及试件会发生横向变形。压力机的钢质压板的弹性模量约为混凝土弹性模量的5～10倍，而钢的泊松比却只是混凝土的2倍左右。因此，在荷载作用下，压板的横向应变要小于混凝土的横向应变（无约束下的应变）。这样，压力机上下压板与试件间会产生摩擦力，对试件的横向膨胀产生约束，这被称为环箍效应。越接近试件端面，这种约束作用越大，大约距试件端面（a为试件的横向尺寸）的范围以外，约束作用消失。所以，试件破坏后为上下顶接的两个截头棱锥体［见图1-3（a）］。尺寸较大的试件，中间部分受摩擦阻力影响较小，比尺寸小的试件容易破坏。同时，大尺寸试件存在裂缝、孔隙等缺陷的几率较大，故大尺寸试件测得的强度值偏低。棱柱体试件由于高度较大，中间部分几乎不受环箍效应的作用，其抗压强度要低于同样截面尺寸的立方体试件。

如在压力机压板和试件间加润滑剂，环箍效应将大大减小，试件将出现直裂破坏[见图1-3（b）]，测得的强度也较低。

试件受压面上的凹凸不平及缺棱掉角，会引起应力集中使强度测定值降低。一般来说，加荷速度较快时强度的测定值要比加荷速度较慢时强度的测定值高些。所以测定材料强度时，必须严格按照标准规定的方法进行。

图1-3　混凝土立方体试件受压破坏情况

对于以强度为主要指标的材料，通常以材料强度值的高低划分成若干等级，称为强度等级，如水泥、混凝土、砂浆等用强度等级来表示。

2.比强度

比强度是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，是衡量材料轻质高强的一项重要指标。比强度越大，材料轻质高强的性能越好。优质的结构材料，要求具有较高的比强度。轻质高强的材料是未来建筑材料发展的主要方向。

1.2.2　材料的变形

材料在外力作用下，由于质点间平衡位置改变，质点产生相对位移而形状与体积发生变化，称为材料的变形。

1.弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，又能恢复原来形状的性质称为弹性。这种能完全恢复的变形称为弹性变形（或瞬时变形）。

在外力作用下，材料产生变形，当外力取消后，材料不能恢复到原来形状，且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形称为塑性变形（或永久变形）。

实际上，完全的弹性材料是没有的。有些材料当应力不大时表现为弹性，而应力超过某一限度后，即发生塑性变形，如建筑钢材；有些材料受力后，弹性变形与塑性变形同时发生，外力除去后，弹性变形消失，塑性变形不能消失，如混凝土。

2.脆性与冲击韧性

材料在外力作用下达到一定限度产生突然破坏，破坏时无明显塑性变形的性质称为脆性。具有这样性质的材料称为脆性材料，如石料、混凝土、生铁、石膏、陶瓷等。这类材料的抗拉强度远小于抗压强度，不宜承受冲击或振动荷载。

材料在冲击、振动荷载作用下抵抗破坏的性能，称为冲击韧性。冲击韧性以材料冲击破坏时消耗的能量表示。有些材料在破坏前有显著的塑性变形，如低碳钢、有色金属、木材等。这类材料在冲击振动荷载作用下，能吸收较大的能量，有较高的韧性。用于桥梁、路面、吊车梁等受冲击、振动荷载作用的、有抗震要求及负温下工作的结构材料，要求有较高的冲击韧性。

选用材料时要考虑材料的脆性与韧性。

3.徐变

固体材料在恒定外力长期作用下，变形随时间延长而逐渐增大的现象称为徐变。

对于非晶体材料来说，徐变是由于材料在外力作用下内部产生类似液体的黏性流动而造成的。对于晶体材料来说，则由于在切应力作用下材料内部晶格错动和滑移而发生徐变。

1.2.3　材料的硬度、磨损及磨耗

1.硬度

材料抵抗其他较硬物体压入的能力，称为硬度。硬度大的材料耐磨性较好，但不易加工。

一般来说，硬度较大的材料强度也较高，有些材料硬度与强度之间有较好的相互关系。测定硬度的方法简单，而且不破坏被测材料，所以有些材料可以通过测定硬度来推算其强度。

如在测定混凝土结构强度时，可用回弹硬度来推算其强度的近似值。

2.磨损及磨耗

材料受摩擦作用而减少质量和体积的现象称为磨损。材料同时受摩擦和冲击作用而减少质量和体积的现象称为磨耗。地面、路面等经常受摩擦的部位要求材料有较好的抗磨性能。

硬度大、强度高、韧性好、构造均匀致密的材料，抗磨性较好。