什么是建筑材料的力学性能?

[拼音]：jianzhu cailiao de lixue xingneng

[外文]：mechanical properties of building material

各种材料在经受外力或其他作用的过程中所呈现的变形规律和破坏形态的各种物理力学性质，也称建筑材料的机械性能。通常以应力、应变或两者所导出的一系列参数来表达，并需要通过各种材料的标准试验方法测定，作为设计和制作各种构件的依据。

材料的强度f是材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。某种材料的强度可用这种材料制成的标准试件，在一定的受力状态或工作条件下进行试验来确定。在结构工程中，常用材料的极限强度，即在试验过程中试件截面所能承受的最大应力来表示强度。应力是指由外力、温度变化或其他作用等因素引起的材料内部单位截面面积上的内力。应力沿截面法向的分量称为正应力；沿截面切向的分量称为剪应力。

根据外力和其他作用施加方式的不同，材料的强度主要可分为静态强度和动态强度。动态强度中包括抵抗冲击作用的冲击强度和抵抗交变外力或作用的疲劳强度。此外，根据环境温度不同，材料强度还可分为常温强度、高温强度和低温强度等。

根据外力或其他作用的效应的不同，材料的强度又可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗弯强度和抗扭强度。

材料的抗拉(或抗压)强度 ft(或fe)＝F


/A，其中F


为材料破坏时所承受的最大拉力(或压力);A为材料试件的受力截面面积。材料的抗弯强度fm＝M


/W，其中M


为破坏时最大弯矩；W为破坏截面的抵抗矩。

大部分建筑材料根据其力学性能的标准值的大小而划分为不同的强度等级。砖、石、水泥、混凝土、砂浆等材料，根据其抗压强度划分强度等级；建筑钢材则根据其抗拉强度划分强度等级，其计量单位一般采用兆帕(MPa)表示。

对各种建筑材料，不仅要对其应力分布情况进行分析，还要研究其变形。材料在承受外力或其他作用过程中，一定产生变形，当变形不超过一定范围时，如撤除该外力或其他作用后，材料的几何形状能恢复原状，材料的这种性能称为d性。外力或其他作用卸除后即可消失的变形称d性变形。当卸除该外力或其他作用后，材料变形只能部分复原而残留一部分不能消失的变形时，该残留部分称为塑性变形。具有塑性变形性能的材料，称为塑性材料。

材料在外力或其他因素作用下产生的局部相对变形，称为应变，材料中某一微小线段因变形而产生的长度变化量与原来长度的比值，称为线应变，或正应变ε。材料中两个互相垂直的微小线段因变形而产生的夹角的改变，称为角应变，或剪应变у。当材料的剪应变与剪应力呈线性关系时，剪应力与剪应变的比值，称为剪变模量G。在单轴的外力作用下，材料的横向正应变与轴向正应变之比，称为泊松比v。

材料的抗拉力学性质 拉伸应力-应变曲线，表示从开始加载直至破坏的拉伸试验全过程中应力与应变的关系。例如低碳钢的拉伸应力-应变曲线（图1），可划分为d性、屈服、强化和颈缩四个阶段。

（1）d性阶段。图中0a段是一条直线，应力与应变呈线性关系，称为比例阶段，与a点相对应的应力，称为比例极限σe在这阶段内，材料变形是d性的。由实验得知，材料的d性范围较比例阶段还要大一些，即当应力略微超过比例极限时，尽管应力与应变不再成线性关系，但撤除外力或其他作用后，变形仍能完全消除。由于绝对的d性范围很难测准，它又与比例阶段相接近，因此在工程中常将比例极限作为d性极限来处理。在d性阶段中应力与应变成正比，其比例系数称为d性模量，用E表示。

（2）屈服阶段。过a点以后，应变较应力增长为快，应力与应变不成正比，到达b点，钢材开始塑流，应力不增加而应变继续增加，bc段称为流幅或屈服阶段，相应于bc段中最低b1点的应力σt称为屈服应力，此时的材料强度为屈服强度ft。

有些材料，如高强度钢丝和钢筋、铸铁、铝合金等，在拉伸应力-应变曲线上，没有屈服阶段。通常规定对应于残余应变为0.2％的应力值为条件屈服极限σ0.2(图2)。

（3）强化阶段。当屈服阶段的变形增加到一定的程度（图1中的c点）以后，继续增加外力，则应力曲线上升，变形继续增大，材料进入强化阶段，曲线到达最高点d，相应应力达到最大值σu，此时的材料强度为极限强度fu，又称拉伸极限强度。

（4）颈缩阶段。过了d点以后，试件变形开始集中在某一局部区域，横截面出现显著收缩现象，形成局部颈缩，变形迅速增加，应力随之下降，最后被拉断，曲线下降到达e点。此阶段称为颈缩阶段。若试件原标距为l，将断裂试件拼合后量出拉断后的标距长l1，则可按下式计算其延伸率：

对圆形截面试件，规定延伸率应按标距 l＝10d或l＝5d（d为圆形截面试件直径）进行测定。δ值越大，材料的塑性性能越好；δ值小，即材料的变形值小，无明显的塑性变形，这种材料称为脆性材料。通常δ10＜5％的材料为脆性材料，如铸铁、石、陶瓷等。脆性材料的抗压强度比抗拉强度要高很多，不宜用于承受振动荷载和冲击荷载。

颈缩处的截面收缩率，则为试件断裂横截面积的缩减值占原来横截面积的百分比。

材料在轴向压力作用下达到破坏前所能承受的最大压应力，称为抗压极限强度。其测定所用的试件形状尺寸应符合标准规定。

低碳钢和其他塑性材料的压缩应力-应变曲线(图3a)，在d性阶段和屈服阶段与拉伸时相同，此后逐渐压扁，但外力或其他作用仍可继续增加，测不出材料的与极限应力σu相对应的抗压极限强度，故即采用其与屈服应力σt相对应的屈服强度ft。脆性金属，如铸铁的压缩试验表明，其强度指标只有抗压极限强度fu（图3b）。

关于混凝土的抗压强度，中国采用边长为150毫米的立方体试件进行测定，测得的强度称为立方体强度fcu。由于混凝土结构的构件大多为棱柱体或圆柱体，故在具体结构计算中以高度h等于2～4倍边长b的棱柱体试件的抗压强度fpr为依据。在混凝土棱柱体试件压缩应力-应变曲线(图4)中，OA段应力和应变呈线性关系，称为d性变形区域，AB段为d塑性和塑性区域，对应于B点的应力为棱柱体的极限强度，作为混凝土结构设计轴压强度指标的参考。

混凝土受压进入d塑性区域内时，其d性模量随应力的增加而降低，工程上常取(0.4～0.5)σpr时的应力与其应变的比值，作为割线d性模量。

在冲击、振动荷载作用下，材料在变形过程中能吸收能量的性质称为韧性。它和抗冲击强度有密切关系。一般测定其冲击破坏时单位断裂面上吸收的能量，作为指标。

在规定的荷载作用重复次数和作用变化幅度下，材料所能承受的最大动态应力。其大小与材料性质、应力类型、应力集中程度等因素有关。

又称蠕变，材料在恒定外力作用下，其变形随时间延续而缓慢增加的过程。普通混凝土、玻璃、各种金属和沥青，在持续的外力作用下，都会产生徐变。

材料在持续外力作用下，总的变形值保持不变，而由于徐变变形渐增，d性变形相应渐减，从而使材料内的应力随时间而逐渐降低的过程。