第二節(jié)　材料的力學(xué)性質(zhì)

材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料受外力作用時(shí)的變形行為及抵抗變形和破壞的能力，通常包括強(qiáng)度、彈性、塑性、脆性、韌性、硬度、斷裂、耐磨性等。它是選用土木工程材料時(shí)首要考慮的基本性質(zhì)。各種工程材料的力學(xué)性質(zhì)是按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和程序，用相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備和儀器測(cè)出的。表征材料力學(xué)性質(zhì)的各種參量同材料的化學(xué)組成、晶體點(diǎn)陣、晶粒大小、外力特性（靜力、動(dòng)力、沖擊力等）、溫度、加工方式等一系列內(nèi)、外因素有關(guān)。

一、材料的強(qiáng)度與評(píng)定

（一）材料的強(qiáng)度

所有建筑材料必須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壓力或拉力。作用在結(jié)構(gòu)上的荷載可分為恒荷載和活荷載兩大類。恒荷載是作用在受力構(gòu)件上面的不可變動(dòng)的永久荷載（即物質(zhì)的質(zhì)量和力），包括建筑構(gòu)件和永久設(shè)施（例如：鍋爐，空調(diào)等）的自重。活荷載，也稱為可變荷載，是指施加在結(jié)構(gòu)上的使用或占用荷載和自然產(chǎn)生的自然荷載，包括人群、家具、物料、風(fēng)、地震和其他變量的負(fù)載。此外，按照加載速率的高低，又可將作用在結(jié)構(gòu)上的荷載分為靜載和動(dòng)載兩大類。靜載是指以較低加載速率作用于結(jié)構(gòu)的荷載，例如拉伸荷載、壓縮荷載、剪切荷載等。動(dòng)載是指以較高加載速率或往復(fù)加載方式作用于結(jié)構(gòu)的荷載，例如沖擊荷載、爆炸荷載、疲勞荷載等。

材料在載荷作用下抵抗塑性變形或破壞的能力，稱為強(qiáng)度。當(dāng)材料受外力作用時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生應(yīng)力，外力增加，應(yīng)力相應(yīng)增大，直至材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力不足以抵抗所作用的外力時(shí)，材料即發(fā)生破壞。工程上通常采用破壞實(shí)驗(yàn)法對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)測(cè)，將事先制作的試件安放在材料試驗(yàn)機(jī)上，施加外力（荷載）直至破壞，根據(jù)試件尺寸和破壞時(shí)荷載值計(jì)算材料的強(qiáng)度。

材料破壞時(shí)的荷載值依賴于試件的尺寸和形狀、孔隙率、密度、溫濕度以及試件的材料組成。因此，為了將強(qiáng)度作為材料特性之一，必須通過將極限荷載值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力，才能避免試件尺寸和形狀對(duì)其影響。

根據(jù)拉伸、壓縮、彎曲、蠕變、疲勞等試驗(yàn)方法的不同，可以得到多種評(píng)判材料強(qiáng)度的指標(biāo)。幾種典型強(qiáng)度指標(biāo)介紹如下：

（1）極限強(qiáng)度。材料在常溫下發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力極限值，就是材料的極限強(qiáng)度。根據(jù)外力作用形式的不同，材料的極限強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度等，如圖1－2所示。這些強(qiáng)度都是通過靜力試驗(yàn)來測(cè)定，故又稱為靜力強(qiáng)度，是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的破壞試驗(yàn)而測(cè)得。材料的抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中　f——材料的極限強(qiáng)度（抗壓、抗拉或抗剪）（N／mm²）；

　P——試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；

　A——試件受力面積（mm²）。

圖1－2　材料受外力作用示意圖

材料的抗彎強(qiáng)度與試件的幾何外形及荷載施加的情況有關(guān)，對(duì)于矩形截面的條形試件，當(dāng)其兩支點(diǎn)間的中間作用一集中荷載時(shí)，其抗彎極限強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中　f_tm——材料的抗彎極限強(qiáng)度（N／mm²）；

　P——試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；

　l——試件兩支點(diǎn)間的距離（mm）；

　b、h——分別為試件截面的寬度和高度（mm）。當(dāng)在試件支點(diǎn)間的三分點(diǎn)處作用兩個(gè)相等的集中荷載時(shí)，則其抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式為

式中，各符號(hào)意義同上式。

（2）屈服強(qiáng)度。材料在荷載作用下，除發(fā)生可恢復(fù)的彈性變形之外，還會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的殘余變形，卸載后的殘余變形稱為塑性變形。因此，材料在常溫和荷載作用下，剛開始發(fā)生塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，就稱為屈服強(qiáng)度，反映其抵抗塑性變形的能力。對(duì)于鋼材而言，鋼材的屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度相差較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求鋼材選用時(shí)以其屈服強(qiáng)度為設(shè)計(jì)依據(jù)。而對(duì)于混凝土等脆性材料，其屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度非常接近，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求使用其極限強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

（3）蠕變強(qiáng)度。很多材料在高溫下使用時(shí)，在恒定的應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增加，材料會(huì)緩慢地發(fā)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為材料的蠕變。材料在高溫和荷載長(zhǎng)時(shí)間作用下，抵抗塑性變形（即蠕變）的抗力指標(biāo)稱為蠕變強(qiáng)度。一般用給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值表示。

（4）疲勞強(qiáng)度。工程結(jié)構(gòu)或零件在服役過程中可能會(huì)承受大?。ê头较颍┌l(fā)生周期性重復(fù)變化的荷載（即交變荷載）作用，在材料內(nèi)部產(chǎn)生周期往復(fù)變化的應(yīng)力（即交變應(yīng)力）。這種交變應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋，裂紋會(huì)逐漸發(fā)展并連通而導(dǎo)致材料突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。材料的疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)過無限多次（或規(guī)定次數(shù)）重復(fù)交變荷載作用而不至于引起疲勞破壞的最大應(yīng)力。

（二）材料的比強(qiáng)度

對(duì)于不同強(qiáng)度的材料進(jìn)行比較，可采用比強(qiáng)度這個(gè)指標(biāo)。比強(qiáng)度是按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度指標(biāo)，其值等于材料強(qiáng)度與其表觀密度之比。比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)，優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的比強(qiáng)度應(yīng)高。幾種主要材料的比強(qiáng)度見表1－3所示。

由表1－3可知，玻璃鋼和木材是輕質(zhì)高強(qiáng)的高效能材料，而普通混凝土則為質(zhì)量大而強(qiáng)度較低的材料，所以，努力促進(jìn)普通混凝土——這一當(dāng)代最重要的結(jié)構(gòu)材料向輕質(zhì)、高強(qiáng)方向發(fā)展，是一項(xiàng)十分重要而緊迫的工作。

表1－3　幾種主要材料的比強(qiáng)度

（三）材料的等級(jí)與牌號(hào)

各種材料的強(qiáng)度差別甚大。土木工程材料常按其強(qiáng)度值的大小劃分為若干個(gè)等級(jí)或牌號(hào)，如燒結(jié)普通磚按抗壓強(qiáng)度分為5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)；硅酸鹽水泥按抗壓和抗折強(qiáng)度分為6個(gè)強(qiáng)度等級(jí)；普通混凝土按其抗壓強(qiáng)度分為12個(gè)強(qiáng)度等級(jí)；碳素結(jié)構(gòu)鋼按其抗拉強(qiáng)度分為5個(gè)牌號(hào)等等。土木工程材料按強(qiáng)度劃分等級(jí)或牌號(hào)，對(duì)生產(chǎn)者和使用者均有重要的意義，它可使生產(chǎn)者在生產(chǎn)中控制質(zhì)量時(shí)有據(jù)可依，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量；對(duì)使用者則有利于掌握材料的性能指標(biāo)，以便于合理選用材料、正確進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制工程施工質(zhì)量。常用土木工程材料的強(qiáng)度見表1－4所示。

表1－4　常用土木工程材料的強(qiáng)度／MPa

二、材料的彈性與塑性

材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料的這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形，彈性變形屬可逆變形，其數(shù)值大小與外力成正比，這時(shí)的比例系數(shù)E稱為材料的彈性模量。材料在彈性變形范圍內(nèi)，E為常數(shù)，其值可用應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）之比表示，即

各種材料的彈性模量相差很大，通常原子鍵能高的材料具有高的彈性模量。彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個(gè)指標(biāo)。E值愈大，材料愈不易變形，亦即剛度好。彈性模量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。

材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，有一部分變形不能恢復(fù)，這種性質(zhì)稱為材料的塑性，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。塑性變形為不可逆變形。材料的塑性指標(biāo)一般用拉伸試驗(yàn)時(shí)材料的延伸率和斷面收縮率來評(píng)價(jià)。延伸率是指試樣斷裂時(shí)的相對(duì)伸長(zhǎng)，斷面收縮率是指試樣斷裂時(shí)橫截面的相對(duì)收縮率。

實(shí)際上純彈性變形的材料是沒有的，通常一些材料在受力不大時(shí)，表現(xiàn)為彈性變形，而當(dāng)外力達(dá)一定值時(shí)，則呈現(xiàn)塑性變形，如低碳鋼就是典型的這種材料。另外許多材料在受力時(shí)，彈性變形和塑性變形同時(shí)發(fā)生，這種材料當(dāng)外力取消后，彈性變形會(huì)恢復(fù)，而塑性變形不能消失。混凝土就是這類彈塑性材料的代表，其變形曲線如圖1－3所示。圖中ab為可恢復(fù)的彈性變形，bo則為不可恢復(fù)的塑性變形。

三、材料的脆性與韌性

（一）脆性

圖1－3　彈塑性材料的變形曲線

材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)一定值時(shí)，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時(shí)無明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性，具有這種性質(zhì)的材料稱脆性材料。脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，可高達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍，所以脆性材料不能承受振動(dòng)和沖擊荷載，也不宜用于受拉部位，只適用于作承壓構(gòu)件。土木工程材料中大部分無機(jī)非金屬材料均為脆性材料，如天然巖石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。

（二）韌性

材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性。它主要取決于材料的強(qiáng)度和變形性能。材料的韌性用沖擊韌性指標(biāo)α_k表示。沖擊韌性指標(biāo)系指用帶缺口的試件做沖擊破壞試驗(yàn)時(shí)，斷口處單位面積所吸收的功。其計(jì)算公式為

式中　α_k——材料的沖擊韌性指標(biāo)（J／mm²）；

　A_k——試件破壞時(shí)所消耗的功（J）；

　A——試件受力凈截面積（mm²）。

此外，韌性是斷裂過程的能量參量，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，通常以裂紋萌生和擴(kuò)展的能量消耗或裂紋擴(kuò)展抗力來標(biāo)示材料的韌性。

在土建工程中，對(duì)于要求承受沖擊荷載和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車梁、橋梁、路面等所用的材料，均應(yīng)具有較高的韌性。

四、材料的斷裂

斷裂是機(jī)械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一，具體失效形式包括彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等。斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會(huì)有不同的斷裂形式。研究斷裂的主要目的是如何防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過程中的安全。

斷裂，按照斷裂前變形量可分為韌性斷裂（斷裂前發(fā)生明顯宏觀塑性變形，緩慢的撕裂過程，裂紋擴(kuò)展過程中消耗能量）和脆性斷裂（斷裂前不發(fā)生塑性變形，裂紋擴(kuò)展速度很快，斷裂突然發(fā)生）；按照斷裂面取向可分為正斷（宏觀斷面垂直于最大主應(yīng)力方向）和切斷（宏觀斷面平行于最大切應(yīng)力方向）；按照裂紋擴(kuò)展路徑可分為沿晶斷裂（裂紋沿晶粒邊界擴(kuò)展）和穿晶斷裂（裂紋在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展）；按照斷裂機(jī)制可分為解理斷裂、微孔聚合斷裂和純剪切斷裂；按照滑移機(jī)理可分為單滑移斷裂和多滑移（引發(fā)）斷裂。

理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度可由下式計(jì)算：

式中　a₀——不受力時(shí)原子間平衡間距（10^－8cm）；

　γ_s——比表面能（N·m／m²）；

　E——楊氏模量（MPa）。

微觀研究發(fā)現(xiàn)，在外力作用下，材料內(nèi)部初始缺陷會(huì)形成微裂紋，微裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展將導(dǎo)致材料斷裂。斷裂一般包括兩個(gè)基本過程：（1）裂紋萌生過程，即在力的作用下生成裂紋核心的過程；（2）裂紋擴(kuò)展過程，即裂紋的擴(kuò)張與長(zhǎng)大的過程。其中，裂紋擴(kuò)展又包含兩階段：穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段——裂紋核心擴(kuò)展到臨界尺寸的過程，以及失穩(wěn)擴(kuò)展階段——達(dá)到臨界尺寸的裂紋快速擴(kuò)展至斷裂的過程。因此，材料的斷裂也可用斷裂韌性來評(píng)價(jià)。斷裂韌性常用材料裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值來表征。

設(shè)外加應(yīng)力為σ，裂紋尺寸為a，則裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K I與σ，a之間存在如下關(guān)系：

式中　y——與裂紋形狀等因素有關(guān)的量。

當(dāng)應(yīng)力逐漸加大或裂紋逐漸擴(kuò)展時(shí)，K I也隨之逐漸加大。當(dāng)K I達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋將產(chǎn)生突然的失穩(wěn)擴(kuò)展。這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K I的臨界值就是材料的斷裂韌性，它反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。

五、材料的硬度與耐磨性

（一）材料的硬度

硬度是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力，是衡量材料軟硬程度的一個(gè)性能指標(biāo)。材料的硬度愈大，則其強(qiáng)度愈高，耐磨性愈好。同時(shí)，硬度不是一個(gè)單純的物理量，而是反映材料的彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等的一種綜合性能指標(biāo)。

硬度試驗(yàn)的方法較多，原理也不相同，測(cè)得的硬度值和含義也不完全一樣。通常采用的有刻劃法、壓入法和回彈法。

天然礦物材料的硬度，采用刻劃法——莫氏硬度試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

金屬材料、木材、混凝土和橡膠、塑料的硬度，采用靜負(fù)荷壓入法（鋼球壓入法）硬度試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）、橡膠塑料邵氏硬度（HA，HD）。這些硬度值表示材料表面抵抗堅(jiān)硬物體壓入的能力。其中，以布氏硬度和洛氏硬度較為常用。布氏硬度應(yīng)用范圍較廣，一般用于材料較軟的時(shí)候，如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵等。洛氏硬度適用于表面高硬度材料（HB＞450）或者過小試樣，如熱處理后的硬度等。維氏硬度適用于顯微鏡分析。

回彈法常用于測(cè)定混凝土構(gòu)件表面的硬度，并以此估算混凝土的抗壓強(qiáng)度。它包括里氏硬度（HL）、肖氏硬度（HS），其值代表金屬彈性變形功的大小。

（二）材料的耐磨性

耐磨性是材料表面抵抗磨損的能力。土建工程中常用的無機(jī)非金屬材料及其制品的耐磨性可按《無機(jī)地面材料耐磨性試驗(yàn)方法》（GB／T　12988）規(guī)定的鋼輪式試驗(yàn)法，或按《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法》（GB／T　16925）規(guī)定的滾珠軸承法進(jìn)行測(cè)定。滾珠軸承法的原理是：以滾珠軸承為磨頭，通過滾珠在額定負(fù)荷下回轉(zhuǎn)滾動(dòng)時(shí)，摩擦濕試件表面，在受磨面上磨成環(huán)形磨槽。通過測(cè)量磨槽的深度和磨頭的研磨轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算耐磨度。此法操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)可靠，適用面廣。耐磨度計(jì)算公式為

式中　I_a——材料的耐磨度（無量綱）；

　R——磨頭轉(zhuǎn)數(shù)（千轉(zhuǎn)）；

　P——磨槽深度（mm）。

材料的耐磨度愈大，表示其耐磨性愈好。材料的耐磨性與材料的組成成分、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、硬度等有關(guān)。在土木建筑工程中，對(duì)于用作踏步、臺(tái)階、地面、路面等的材料，均應(yīng)具有較高的耐磨性。