1.2 材料的基本力学性质
材料的力学性质是指材料在外力（荷载）作用下的有关变形性质和抵抗破坏的能力。外力作用于材料，或多或少会引起材料变形，随外力增大，变形也相应增加，直到被破坏。
1.2.1 材料的变形性质
材料在外力作用下或外力发生改变时，都会发生变形。
材料的变形性质是指材料在荷载作用下发生形状及体积变化的有关性质，主要有弹性变形、塑性变形、徐变及应力松弛等。
1.2.1.1 弹性变形与塑性变形
材料在外力作用下产生形状、体积的改变，当外力去掉后，变形可自行消失并能恢复原有形状的性质，称为材料的弹性，这种可恢复的变形即为弹性变形。弹性变形产生的原因是因为材料在外力的作用下，改变了质点间的平衡位置，产生了变形，但此时外力尚未超过质点间最大结合力，外力所做功转变为内能（弹性能）蓄积在材料中；外力去除后，内能释放，质点恢复到原位置，变形消失。
弹性变形是可逆的，其数值大小与外力成正比，其比例系数称为弹性模量E，等于应力σ与应变ε的比值，即
式中 σ——材料的应力，MPa；
ε——材料的应变；
E——材料的弹性模量，MPa。
在弹性变形范围内，弹性模量的值等于应力与应变之比，是一个常数。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，其值越大，材料越不易变形，亦即刚度越好。弹性模量是结构设计时的重要参数。
塑性变形则是指材料在外力的作用下产生变形，但不破坏，在外力去除后，材料不能自行恢复到原来的形状，而保留变形后的形状和尺寸的性质，也称为残余变形或永久变形。
实际上，工程材料具有完全弹性或完全塑性变形是没有的。通常一些材料在外力不大时，仅产生弹性变形，而当外力超过一定限度后，就产生塑性变形，如低碳钢；而也有一些材料受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力去掉后，弹性变形能恢复，而塑性变形则不能恢复，如混凝土。
1.2.1.2 徐变与应力松弛
固体材料在特定外力的长期作用下，变形随时间的延长而逐渐增长的现象，称为徐变。徐变产生的原因：对于非晶体材料，是由于在外力的作用下发生了黏性流动；对于晶体材料，是由于晶格位错运动及晶体的滑移。徐变的发展与材料所受应力大小有关。当应力未超过某一极限值时，徐变的发展会随时间延长而增加，最后导致材料破坏。
材料在荷载作用下，若所产生的变形因受约束而不能发展时，则其应力将随时间延长而逐渐减小，这一现象称为应力松弛。应力松弛是随着荷载作用时间延长，材料内部塑性变形逐渐增大、弹性变形逐渐减小（总变形不变）而造成的。材料所受应力水平越高，应力松弛越大。通常材料所处环境的温度越高、湿度越大时，徐变和应力松弛也越大。一般材料的徐变越大，应力松弛也越大。
1.2.2 材料的强度
1.2.2.1 强度
强度是材料在外力（荷载）的作用下抵抗破坏的能力，由材料试件按规定的试验方法，在静荷载作用下达到破坏时的极限应力值表示。当材料承受外力作用时，内部就产生应力，外力增大时应力也随之增大，当材料不能再承受时，材料即破坏。
材料在建筑物上承受的外力主要有压、拉、弯（折）、剪等四种形式，因此在使用材料时根据外力作用的方式不同，材料的强度分为抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度及抗剪强度，见表1.3。
表1.3 材料的抗压、抗拉、抗剪、抗弯强度计算公式
材料的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度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，即
式中 f——材料的抗压、抗拉、抗剪强度，MPa；
F max——材料破坏时的荷载，N；
A——材料的受力面积，mm2。
材料的抗弯（折）强度与试件的几何外形及荷载施加情况有关。对于矩形截面的条形试件，当其两支点间的中间作用一集中荷载时，其抗弯（折）强度为
式中 ftm——材料的抗弯（折）强度，MPa；
F——材料受弯（折）破坏时的荷载，N；
l——两支点间的距离，mm；
b、h——材料横截面的宽度、高度，mm。
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，必须严格按照国家规定的试验方法标准进行。材料的强度是大多数材料划分等级的依据。
材料的强度除与其本身的组成与结构等内部因素有关外，还与测试条件和方法等外部因素有很大关系。以矿物质材料（如混凝土、石材等）试验为例，外界因素的影响有试件装置情况（端部约束情况）、试件的形状和尺寸、加荷速度、试验环境的温湿度、承压面的平整度等。
同一种材料，随孔隙率及构造特征的不同，强度会有显著差异。材料的强度大小还与材料的成分、结构和构造等内在因素有关，与试件的形状、尺寸、表面状态、含水率、环境温度及加荷速度等外在因素有关。在工程应用中，材料强度的大小及强度等级的划分具有重要的意义，能保证产品的质量，有利于使用者掌握性能指标，合理选用材料，正确设计和控制工程质量。常用建筑材料的强度见表1.4。
表1.4 常用建筑材料的强度 单位：MPa
1.2.2.2 比强度及强度等级
比强度是指材料单位质量的强度，其值等于材料强度与表观密度的比值。现代建筑材料的发展方向之一就是轻质高强，而这就要靠比强度这一指标来评价。比强度越大，则表明材料轻质高强，可用作高层、大跨度工程的结构材料。几种主要材料的强度及比强度见表1.5。
表1.5 钢材、木材和混凝土的强度比较
为了方便设计及对工程材料进行质量评价和选用，对于以力学性质为主要性能指标的材料，通常按材料的极限强度划分为若干不同的强度等级。强度等级越高的材料，所能承受的荷载越大。一般情况下，脆性材料按抗压强度划分强度等级，韧性材料按抗拉强度划分强度等级。
1.2.3 材料的脆性与韧性
在规定的温度、湿度及加荷速度条件下施加外力，当外力达到一定限度，突然破坏且无显著塑性变形的材料称为脆性材料，这种性质称为脆性。脆性材料的抗压强度远大于抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，其抵抗冲击、震动荷载的能力差，所以脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用作受拉构件，只适于用作承压构件。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等。
在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不致破坏的材料称为韧性材料，这种性质称为韧性，如建筑钢材、木材等属于韧性较好的材料。材料的韧性值用冲击韧性指标αk表示。冲击韧性指标是指用带缺口的试件作冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功，即
式中 αk——材料的冲击韧性指标，J/mm2；
Ak——试件破坏时所消耗的功，J；
A——试件受力净截面积，mm2。
韧性材料抗冲击、震动荷载的能力强，在建筑工程中，常用于桥梁、吊车梁等承受冲击荷载的结构和有抗震要求的结构。但是，材料呈现脆性还是韧性，不是固定不变的，可随温湿度、加荷速度及受力情况的不同而改变，如沥青材料在常温及缓慢加荷时呈现韧性，在低温及快速加荷时，则表现为脆性。
1.2.4 材料的硬度、耐磨性
1.2.4.1 硬度
硬度是材料表面能抵抗其他较硬物体压入或刻画的能力。不同材料的硬度测定方法不同，通常采用刻画法、压入法和回弹法三种。刻画法常用于测定天然矿物的硬度。矿物硬度分为10级（莫氏硬度），其递增的顺序为：滑石1；石膏2；方解石3；萤石4；磷灰石5；正长石6；石英7；黄玉8；刚玉9；金刚石10。钢材、木材及混凝土等的硬度常用钢球压入法测定（布氏硬度HB）。回弹法常用于测定混凝土构件表面的硬度，以此推算混凝土的抗压强度。
1.2.4.2 耐磨性
耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料磨损后其体积和质量均会减小，若减小仅因摩擦引起称为磨损，若由摩擦和冲击两种作用引起称为磨耗。材料的硬度越大，则其耐磨性越好，强度越高，但不易机械加工。
材料的耐磨性用磨损率（β）表示，计算式为
式中 β——材料的磨损率，g/cm2；
m 1、m2——材料磨损前、后的质量，g；
A——试件受磨损的面积，cm2。
磨损率越低，表明材料的耐磨性越好。材料的耐磨性与材料的组成成分、结构、强度、硬度等有关。在建筑工程中，对于用作踏步、台阶、地面、路面等的材料，应具有较高的耐磨性。水利工程中，如大坝的溢流面、闸墩和闸底板等部位，经常受到挟沙水流的高速冲刷作用，或受水底挟带石子的冲击而遭到破坏，这些部位均应要求材料具有较高的耐磨性。一般来说，强度较高且密实、韧性好的材料，其硬度较大，耐磨性较好。