材料的力学性质

11.2材料的力学性质材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形及抵抗破坏的性质。变形破坏弹性变形塑性变形脆性材料韧性材料强度（2）抗弯强度（抗折强度Bendingstrength）223bhFLf单点加荷：三分点加荷：不同材料，强度等级有不同的划分方法，具体划分在各章分讲2bhFLfL/2L/2•建筑材料常根据极限强度的大小，划分为不同的强度等级或标号。如混凝土按抗压强度划分为C7.5～C60水泥按抗压和抗拉强度划分为325#~725#砂浆按抗压强度划分为M2.5～M20六个等级热轧钢筋按屈服强度划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级比强度比强度材料的强度与其表观密度的比值（f/ρo），它是评价材料是否轻质高强的指标。几种材料的强度比较材料表观密度(kg/m3)强度f(MPa)比强度（f/ρo）低碳钢78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025二、材料的比强度衡量材料轻质高强的一个指标，材料的强度与其表观密度之比，即：比强度•比强度－材料的强度与其表观密度的比值（fc/ρo）。用于评价材料轻质高强几种材料的强度比较材料表观密度(kg/m3)强度fc(MPa)比强度（fc/ρo）低碳钢78604150.053松木50034.30.059混凝土2400600.025碳纤维四、材料的脆性与韧性脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。2.韧性－在冲击、震动荷载的作用下，能吸收较大能量而不破坏的性质称为韧性。如钢材、木材、纤维等。1.脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等处所用的材料须有较好的韧性。五、硬度和耐磨性测定方法：刻划法、回弹法、压入法。1.硬度－指材料表面的坚硬程度，是抵抗其他物体刻划、压入其表面的能力。五、硬度和耐磨性2.耐磨性－材料表面抵抗磨损的能力。用磨损率表示。12mmNA磨损率m1－－试件磨损前的质量（g）；m2－－试件磨损后的质量（g）；A－－试件受磨面积（cm2）。第三节材料的耐久性第三节材料的耐久性一、概念二、提高耐久性的措施•减轻介质对材料的破坏作用•提高材料密实度•对材料进行憎水或防腐处理•在材料表面设置保护层材料的力学性质1.材料的强度材料的强度是材料在应力作用下抵抗破坏的能力。–根据外力作用方式的不同，材料强度有:抗压、抗拉、抗剪、抗弯（抗折）强度等。FFFFFFlFl/2bh抗压抗拉抗剪抗弯劈裂拉伸测试2.3力学性质：2.3.1材料的强度和强度等级1，材料的强度材料的强度是指材料在外力作用下不破坏时所能承受的最大应力；2bh2PL3f2，材料的强度等级•强度等级的定义：大多数建筑材料根据其极限强度的大小，把材料划分为若干不同的等级，称为材料的强度等级；•材料强度等级划分的标准：a)脆性材料主要根据其抗压强度来划分强度等级，如混凝土、水泥、粘土砖等；例：混凝土的强度等级划分为9级：C15，C20~C55;b)韧性材料主要根据其抗拉强度来划分强度等级，如钢材等；如钢材分为Q195,215,235,255,275等；•强度等级—土木工程材料常根据其极限强度值的大小，人为划分的若干“强度等级”。不同材料的强度等级的确定及表示方法不一样。例如：HRB335钢筋的意思含义是：HotrolledRibbedBars热轧带肋钢筋，屈服强度是335MPa。混凝土被分为14个强度等级，C15、C20、C25、……C80。分级的根据是：按标准方法制作和养护（温度20℃±2℃，相对湿度95%以上）的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。砌筑砂浆的强度用强度等级表示。砂浆强度等级是以边长为7.07cm的立方体试件，在标准养护条件下（温度20℃±2℃，相对湿度水泥砂浆＞90%，混合砂浆60%到80%。），用标准试验方法测得养护28d龄期的抗压强度值。砌筑砂浆有M2.5、M5、M7.5、M10、M15、M20等六个等级。•比强度—用于衡量材料轻质高强性能的重要指标，等于材料强度与材料的表观密度之比2、材料的强度等级•强度等级的定义：大多数建筑材料根据其极限强度的大小，把材料划分为若干不同的等级，称为材料的强度等级；•材料强度等级划分的标准：a)脆性材料主要根据其抗压强度来划分强度等级，如混凝土、水泥、粘土砖等；例：混凝土的强度等级划分为16级C15...C80;b)韧性材料主要根据其抗拉强度来划分强度等级，如钢材等；低碳钢的σ～ε曲线=P/AL/L=bpsABCD低碳钢受拉时应力-应变曲线0分段的弹性变形和塑性变形应力应变低碳钢拉伸时的应力-应变图四个阶段：弹性阶段（OA），屈服阶段（AB），强化阶段（BC），颈缩阶段（CD）。（1）力学概念•荷载(Load）轴向荷载Axialload剪切荷载ShearLoad•应力(Stress)•应变(Strain)AFσ轴向荷载—荷载作用力方向与支撑材料承载面垂直：-拉伸荷载:使材料从末端开始拉长的荷载-压缩荷载:使材料从末端开始压短的荷载剪切荷载:荷载作用力方向与承载面相切应力——单位面积上的荷载应变—荷载作用下材料伸长或压缩与其原始长度之比(单位变形)oLeεoLLe（2）应力－应变曲线(stress-straincurves)钢材拉伸的应力－应变曲线Strain()(e/Lo)41235弹性阶段塑性阶段应变硬化断裂极限拉伸强度UTS弹性区斜率=弹性模量屈服强度塑性区极限拉伸强度应变硬化断裂颈缩屈服强度yεEσεσE12yεεσE断裂强度F1.4.2强度与比强度•强度—材料抵抗荷载作用下的变形，保持原有形状(不发生形变)或抵抗破坏的性能量度•根据荷载种类与作用方向，强度有：抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度•工程设计所涉及的材料强度。•强度等级—根据其极限强度值的大小，人为划分的若干“强度等级”抗压强度测试直接拉伸测试劈裂拉伸测试四点弯曲试验弹性极限强度：材料应力~应变曲线上的弹性区最大应力极限强度:材料应力~应变曲线上的最大应力破坏(断裂)强度:材料破坏(断裂)时的强度ofba变形荷载0Aab—弹性变形弹塑性材料的变形曲线ob—塑性变形1.4.4脆性和韧性(BrittlenessandDuctility)•脆性材料在外力作用下，不发生明显变形而突然破坏的性能。特点：应力—应变曲线下的面积很小。具有这种性质的材料称为脆性材料，石材、水泥混凝土、砂浆、玻璃和陶瓷•韧性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受较大的变形而不至于破坏的性能。特点：应力—应变曲线下的面积较大，这个面积就是破坏前吸收的总能量。有较高的抗拉和抗压等强度。具有这种性质的材料称为韧性材料，钢材和木材。•对于脆性材料，极限强度与破坏强度是一致的。•对于韧性材料，极限强度高于破坏（断裂）强度。材料韧性的测量•材料韧性用韧度(Toughness)来量度•韧度—材料吸收能量的能力。•韧度有两种测试计算方法：计算应力~应变曲线下的积分面积—单位面积吸收的能量带缺口试件的冲击试验—冲击强度测量抗拉性能是钢筋的最主要性能，因为钢筋在大多数情况下是作为抗拉材料来使用的。应力和应变的关系反映了钢材的主要力学特征。低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段（OA），屈服阶段（AB），强化阶段（BC），颈缩阶段（CD）。（1）弹性阶段。在弹性阶段OA段，此时如卸去拉力，试件能恢复原状，此阶段的变形为弹性变形，应力与应变成正比，具比值即为钢材的弹性模量。与A点对应的应力称为弹性极限。（2）屈服阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，应力的增长滞后于应变的增加，并产生塑性变形，屈服下限B下所对应的应力称为屈服强度或屈服点。设计时一般以屈服点作为强度取值的依据。（3）强化阶段。在钢材屈服到一定程度后，由于内部晶格扭曲、晶粒破碎等原因，组织了塑性变形的进一步发展，钢材的抵抗外力的能力又重新提高。对应最高点C的应力称为抗拉强度，为钢材所承受的最大拉应力。（4）颈缩阶段。C点过后，塑性变形急剧增加，产生颈缩现象而断裂。2.3.3材料的脆性和韧性•1，脆性：是指材料在外力作用下，直到破坏前无明显的塑性变形而发生突然破坏的性质，称为脆性，如玻璃、混凝土、水泥等；•2，韧性：是指材料在冲击或震动荷载的作用下，能吸收较大能量，并产生较大变形而不发生破坏的性质，称为韧性，如钢材、木材、橡胶等；问题：脆性材料和塑性材料的主要区别是什么？低碳钢的σ～ε曲线=P/AL/L=bpsABCD低碳钢受拉时应力-应变曲线0分段的弹性变形和塑性变形混凝土的σ～ε曲线同时进行的弹性变形和塑性变形（1）脆性材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，材料的这种性质称为脆性。脆性材料的另一特点是抗压强度高而抗拉、抗折强度低。在工程中使用时，应注意发挥这类材料的特性。（2）韧性材料在外力作用下，能吸收大量的能量，并能承受较大的变形而不至于破坏的性能，称为韧性。在土建工程中，有抗冲击和抗震要求的结构，所使用的材料应具有较好的韧性。3.脆性和韧性4.硬度和耐磨性（1）硬度–材料的硬度是材料表面的坚硬程度，是抵抗其它硬物刻划、压入其表面的能力。通常用刻划法，回弹法和压入法测定材料的硬度。–刻划法用于天然矿物硬度的划分，按滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄晶、刚玉、金刚石的顺序，分为10个硬度等级。–回弹法用于测定混凝土表面硬度，并间接推算混凝土的强度；也用于测定陶瓷、砖。砂浆、塑料、橡胶、金属等的表面硬度并间接推算其强度。–压入法可用于金属硬度的评定。（2)耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性用磨耗率表示，计算公式如下：式中：G——材料的磨耗率，（g/cm2）；m1——材料磨损前的质量，（g）；m2——材料磨损后的质量，（g）；A——材料试件的受磨面积（cm2）。AmmG21311.2材料的力学性质1.2.1强度1.2.2弹性与塑性1.2.3韧性与脆性1.2.4硬度及耐磨性321.2.1强度在外力作用下，材料抵抗破坏的能力外力内部质点结合力极限变形外力内部质点结合力极限破坏从本质上来说，材料的强度应是其内部质点间结合力的表现！外力在材料内部产生的极限应力，称为材料的强度331.2.1强度•引入比强度的意义比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标优质的结构材料，必须具有较高的比强度玻璃钢木材低碳钢普通混凝土普通混凝土是表观密度大而比强度相对较低的材料，所以努力促进普通混凝土向轻质、高强发展是一项十分重要的工作！341.2.2弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后变形不能完全恢复到原始形状的性质称为塑性什么是塑性和塑性变形？材料的这种不可恢复的变形称为塑性变形351.2.2弹性与塑性例如：低碳钢受拉时应力—应变图361.2.2弹性与塑性许多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，这种材料当外力取消后，弹性变形即可恢复，而塑性变形不能消失例如：混凝土371.2.3韧性与脆性当外力达到一定值时，材料突然破坏，而无明显的塑性变形的性质称为脆性在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，同时产生较大变形而不破坏的性质称为韧性脆性材料韧性材料381.2.3韧性与脆性脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，可高达数倍甚至数十倍脆性材料抵抗冲击荷载或振动作用的能力很差，只适合用作承压构件大部分无机非金属材料均为脆性材料天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土391.2.3韧性与脆性冲击韧性指标是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能量工程中，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，应具有较高的韧性。2.23、材料的脆性与韧性1.脆性－在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗冲击或震动荷载的能力很差。2.韧性－在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。如钢