第三节 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变形及抵抗破坏的性质。
一、材料的强度和强度等级
1.强度
材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。
强度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。
当材料受外力作用时，其内部产生应力，外力增加，应力相应增大，直至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。材料破坏时的极限应力值就是材料的强度，也称极限强度。材料的强度是通过标准试件的破坏试验而测得的。
根据外力作用形式的不同，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度及抗弯强度等，如图1-2所示。
材料的抗压、抗拉和抗剪强度的计算公式为
图1-2 材料受力作用示意图
（a）抗拉；（b）抗压；（c）抗剪；（d）抗折
式中 f——材料的极限强度（抗压、抗拉或抗剪），N/mm2；
Fmax——试件破坏时的最大荷载，N；
A——试件受力面积，mm2。
材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当其二支点间的中间作用一集中荷载和两个对称集中荷载时，其抗弯极限强度按式（1-15）和式（1-16）计算。
式中 f——材料的抗弯极限强度，N/mm2；
Fmax——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。
材料的强度与其组成及结构有关，即使材料的组成相同，其构造不同，强度也不同。材料的孔隙率愈大，则强度愈低。一般表观密度大的材料，其强度也高。晶体结构的材料，其强度还与晶粒粗细有关，其中细晶粒的强度高。材料的强度还与其含水状态及温度有关，含有水分的材料，其强度较干燥时的低。温度升高时，材料的强度将降低，沥青混凝土尤为明显。
材料的强度与其测试所用的试件形状、尺寸有关，也与试验时加荷速度及试件表面性状有关。相同材料采用小试件测得的强度比大试件的高；加荷速度快者，强度值偏高；试件表面不平或表面涂润滑剂的，所测得强度值偏低。
由此可知，材料的强度是在特定条件下测定的数值。为了使试验结果准确，且具有可比性，在测定材料强度时，必须严格按照规定的标准试验方法进行。
2.强度等级
各种材料的强度差别甚大。建筑材料按其强度值的大小划分为若干个强度等级，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级，硅酸盐水泥按抗压强度和抗折强度分为4个强度等级，普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级等。
建筑材料划分强度等级，对生产者和使用者均有重要意义，它可使生产者在控制质量时有据可依，从而保证产品质量；对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料，正确地进行设计和便于控制工程施工质量。常用建筑材料的强度如表1-3所示。
表1-3 常用建筑材料的强度 单位：MPa
二、弹性与塑性
1.弹性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质，称为弹性。材料的这种当外力取消后瞬间内即可完全消失的变形，称为弹性变形。弹性变形属可逆变形，其数值大小与外力成正比，其比例系数E称为材料的弹性模量，如图1-3所示。材料在弹性变形范围内，弹性模量E为常数，其值等于应力σ与应变ε的比值，即
式中 E——材料的弹性模量，MPa；
σ——材料的应力，MPa；
ε——材料的应变。
弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。E值愈大，材料愈不易变形，亦即刚度好。弹性模量是结构设计时的重要参数。
图1-3 弹性变形图
图1-4 塑性材料的变形曲线
图1-5 弹塑性材料的变形曲线
2.塑性
在外力作用下材料产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状尺寸，并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。塑性变形为不可逆变形，是永久变形。
实际上纯弹性变形的材料是没有的，通常一些材料在受力不大时，仅产生弹性变形；受力超过一定极限后，即产生塑性变形，如图1-4所示。有些材料在受力时，如建筑钢材，当所受外力小于弹性极限时，仅产生弹性变形；而外力大于弹性极限后，则除了弹性变形外，还产生塑性变形。有些材料在受力后，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力取消后，弹性变形会恢复，而塑性变形不能消失，如混凝土。弹塑性材料的变形曲线如图1-5所示，图中ab为可恢复的弹性变形，bO为不可恢复的塑性变形。
三、脆性与韧性
1.脆性
材料在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称脆性材料。
脆性材料抗压强度远大于抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍，抵抗冲击荷载或振动荷载作用的能力很差。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。
2.韧性
材料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破坏，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。冲击韧性指标系指用带缺口的试件做冲击破坏试验时，断口处单位面积所吸收的功。
在土木工程中，对于要求承受冲击荷载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。