《土木工程材料》課件-材料的基本力學(xué)性質(zhì)

材料的強(qiáng)度和硬度材料的彈性和塑性材料的脆性與韌性材料的疲勞強(qiáng)度第五節(jié)材料的基本力學(xué)性質(zhì)有關(guān)概念材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在外力作用下所引起的變化的性質(zhì)。

變化包括:材料的變形和破壞。材料的變形指在外力的作用下，材料通過形狀的改變來吸收能量。根據(jù)變形的特點，分為彈性變形和塑性變形。有關(guān)概念材料的破壞指當(dāng)外力超過材料的承受極限時，材料出現(xiàn)斷裂等喪失使用功能的變化。根據(jù)破壞形式的不同，材料可分為脆性材料和韌性材料。在外力作用下，材料抵抗破壞的能力稱為強(qiáng)度。固體材料的強(qiáng)度取決與結(jié)構(gòu)質(zhì)點（原子、分子、離子）之間的相互作用力。

理論強(qiáng)度即克服固體內(nèi)部結(jié)合力而形成兩個新的表面所需要的力或從理論上分析材料所能承受的最大應(yīng)力。材料受外力破壞——拉力、剪力引起，非壓力理論強(qiáng)度＞＞實際強(qiáng)度，對創(chuàng)新材料有重要意義理論強(qiáng)度≈0.1E（鋼材E=2×105MPa，理論強(qiáng)度≈2×104MPa，實際強(qiáng)度400MPa）原因——缺陷所至（晶格錯位、雜質(zhì)、孔隙、微裂縫）一、理論強(qiáng)度二、材料的強(qiáng)度（一）強(qiáng)度有關(guān)概念（二）影響材料強(qiáng)度的因素（三）強(qiáng)度等級（四）比強(qiáng)度（一）強(qiáng)度有關(guān)概念在外力作用下，材料抵抗破壞的能力稱為強(qiáng)度。根據(jù)外力作用方式的不同，有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度（或抗折強(qiáng)度）及抗剪強(qiáng)度等形式。材料的這些強(qiáng)度是通過靜力試驗來測定的，故總稱為靜力強(qiáng)度。材料的靜力強(qiáng)度是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的破壞試驗而測得。a.壓力b.拉力c.彎曲d.剪切混凝土路面磚抗折強(qiáng)度試驗混凝土路面磚抗壓強(qiáng)度試驗材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度由下式計算：（強(qiáng)度試驗錄像）

強(qiáng)度的計算

式中f——材料的抗壓、抗拉或抗剪強(qiáng)度，MPa；

Fmax——材料破壞時的最大荷載，N；

A——受力截面面積，mm2。

對于抗彎強(qiáng)度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當(dāng)外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強(qiáng)度（也稱抗折強(qiáng)度）可用下式計算：

式中fm——抗彎強(qiáng)度，MPa；

Fmax——彎曲破壞時的最大荷載,N；

b，h

——試件橫截面的寬和高,mm。

L——

兩支點間的距離，mm。若在此試件跨距的三分點上加兩個相等的集中荷載，抗彎強(qiáng)度按下式計算：

土木工程常用結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度值范圍見下表，1-4(p15).

不同材料具有不同的強(qiáng)度指標(biāo)特征，應(yīng)用范圍不同。無機(jī)非金屬（脆性）材料（石、混凝土、水泥、磚），抗壓強(qiáng)度較高，評價指標(biāo)亦為抗壓強(qiáng)度，工程中主要利用其抗壓強(qiáng)度（受壓部位-基礎(chǔ)、墻）。鋼材、纖維材料——抗拉強(qiáng)度（各種受力構(gòu)件）混凝土、水泥、磚（根據(jù)使用部位）——抗彎強(qiáng)度

常見土木工程材料的強(qiáng)度/MPa材料抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度

花崗巖100～2505～810～14

普通燒結(jié)磚7.5～30—1.8～4.0

普通混凝土7.5～601～4

—

松木(橫紋)30～5080～12060～100

建筑鋼材235～1600235～1600

內(nèi)因——材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料強(qiáng)度的決定因素如材料的孔隙率愈大（表觀密度愈?。?，則強(qiáng)度愈小。對于同一品種的材料，其強(qiáng)度與孔隙率之間存在近似直線的反比關(guān)系外因——強(qiáng)度還與測試條件和方法等外部因素有關(guān)。（二）影響材料強(qiáng)度的因素

測試條件對強(qiáng)度的影響（補(bǔ)充)1.試件的形狀和尺寸：

2.受力面狀態(tài)3.加荷速度4.試驗環(huán)境的溫度、濕度5試驗樣品、人員和設(shè)備等.1.試件的形狀和尺寸：f圓柱體≈0.83f立方體、f棱柱體=(0.7-0.8)f立方體f小試件＞f大試件

(強(qiáng)度隨尺度增加曲線式下降）原因①環(huán)箍效應(yīng)②缺陷幾率原因

①環(huán)箍效應(yīng)——壓板與試件受壓面產(chǎn)生的磨擦力，對試件的橫向膨脹起著約束作用，這種約束作用稱為“環(huán)箍效應(yīng)”。

“環(huán)箍效應(yīng)”對混凝土抗壓強(qiáng)度有提高作用。離壓板越遠(yuǎn)，“環(huán)箍效應(yīng)”小，在距離試件受壓面約0.866α（α為試件邊長）范圍外這種效應(yīng)消失，這種破壞后的試件形狀如圖所示

原因①環(huán)箍效應(yīng)——

棱柱體（或圓柱體）試件由于高寬比（或長徑比）大，中間區(qū)段已無環(huán)箍效應(yīng)，形成了純壓狀態(tài)，因而其強(qiáng)度低于同截面的立方體試件強(qiáng)度。

立方體試件尺寸較大時，環(huán)箍效應(yīng)的相對作用較小，測得的強(qiáng)度因而偏低。

壓力機(jī)壓板對試塊的約束作用試塊破壞后殘存的棱錐體不受壓板約束時試塊破壞情況(涂油脂）②缺陷幾率——大試件內(nèi)存在的孔隙、裂縫等缺陷的幾率大，降低了材料的強(qiáng)度。混凝土試件尺寸選用表(p219表10-6)

2.受力面狀態(tài)：受力面的平整度，潤滑情況等。試件表面不平或表面涂潤滑劑（f下降50%，直裂破壞）時，所測強(qiáng)度值偏低。3.加荷速度：當(dāng)加荷速度快時，由于變形速度落后于荷載增長的速度，故測得的強(qiáng)度值偏高。（規(guī)定速度測強(qiáng)度、速度控制裝置）

4.試驗環(huán)境的溫度、濕度：溫度高、濕度大時，試件會有體積膨脹，材料內(nèi)部質(zhì)點距離加大，質(zhì)點間的作用力減弱，測得的強(qiáng)度值偏低（試驗溫度對混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果的影響如圖，水泥混凝土氣干試件比飽水試件強(qiáng)度高20-25%）。5試驗樣品、人員和設(shè)備等

試件取樣的代表性（水泥20個以上點、12kg）、試樣的均勻性、試驗結(jié)果的舍取原則（水泥6個數(shù)值）、強(qiáng)度評定的方法、儀器精度（標(biāo)明儀器型號）、操作人員的技術(shù)水平等

材料性質(zhì)的一切試驗結(jié)果都具有條件性，為使結(jié)果具有準(zhǔn)確性、可比性和對實際工程的指導(dǎo)意義，必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)實驗方法進(jìn)行試驗，并要盡量與實際工程接近（100、1000年混凝土）。（三）強(qiáng)度等級（P16第1段）：建筑材料常根據(jù)極限強(qiáng)度的大小，劃分為不同的強(qiáng)度等級或標(biāo)號。如混凝土按抗壓強(qiáng)度劃分為C7.5～C60;水泥按抗壓和抗折強(qiáng)度劃分為32.5～62.5,砂漿按抗壓強(qiáng)度劃分為M2.5～M20六個等級,熱軋鋼筋按屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度劃分四級。

強(qiáng)度和強(qiáng)度等級的區(qū)別與聯(lián)系：區(qū)別：a.定義不同。強(qiáng)度是實測值，強(qiáng)度等級是人為規(guī)定的強(qiáng)度范圍（區(qū)間值）。

b.強(qiáng)度指的是材料的極限值，是唯一的，每一強(qiáng)度等級則包含一系列強(qiáng)度值。聯(lián)系：強(qiáng)度等級的確定以其極限強(qiáng)度值為依據(jù)。將材料劃分為若干等級，對掌握材性、合理選用材料、正確進(jìn)行設(shè)計和控制工程質(zhì)量具有重要意義。

比強(qiáng)度——按單位體積質(zhì)量計算的材料強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比（f/ρo

）。它是評價材料輕質(zhì)高強(qiáng)性的指標(biāo)。在高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)采用比強(qiáng)度較高的材料。輕質(zhì)高強(qiáng)材料，也是建筑材料發(fā)展的主要方向。（四）比強(qiáng)度

幾種主要材料的比強(qiáng)度材料表觀密度/(kg/m3)強(qiáng)度/MPa比強(qiáng)度

低碳鋼78504200.054

普通混凝土2400400.017

（抗壓）松木（順紋抗拉）

5001000.200玻璃鋼20004500.225（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）（玻璃鋼安全帽

）

燒結(jié)普通磚1700100.006

（抗壓）

三、硬度與耐磨性（17頁1.2.4）（一）硬度——材料表面的堅硬程度

1、概念——即材料表面抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力。

2、表示指標(biāo)

金屬材料（如鋼材）等的硬度常用壓入法測定，如布氏硬度法（HB），是以單位壓痕面積上所受的壓力來表示，該值大、硬度大。

陶瓷、石材等材料常用刻劃法（如莫氏硬度）測定。三、硬度與耐磨性3、應(yīng)用——硬度大的材料強(qiáng)度高、耐磨性較強(qiáng)（可用于路面），但不易加工。硬度可用于鑒別礦物類別和間接推算材料的強(qiáng)度（回彈法）。（實驗演示）

莫氏硬度（10級）——1－滑石2－石膏3－方解石4－螢石5－磷石灰6－正長石7－石8－黃玉9－剛玉10－金剛石實驗演示三、硬度與耐磨性（二）耐磨性——材料表面抵抗磨損的能力，用磨損前后單位表面的質(zhì)量損失表示。

N=(m1-m2)/AN:磨損率（g/cm2)m1、m2:磨損前后質(zhì)量（g）A-試件受磨面積cm2

磨損率大——不耐磨。

地面路面材料要求耐磨、硬度大材料

化學(xué)組成為Mg3[Si4O10](OH)2，晶體屬三斜晶系的層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。假六方片狀單晶少見，一般為致密塊狀、葉片狀、纖維狀或放射狀集合體。白色或各種淺色，條痕常為白色，脂肪光澤（塊狀）或珍珠光澤（片狀集合體），半透明。摩氏硬度1，比重2.6-2.8。一組極完全解理，薄片具撓性。有滑感，絕熱及絕緣性強(qiáng)?；嫌捕?石膏莫氏硬度15莫氏硬度66螢石飾品莫氏硬度95.7莫氏硬度199莫氏硬度292.6石英莫氏硬度421.4水晶紫水晶又名黃晶，英文名Topaz，來源于梵文Topus，意為“火”。集合體成粒狀或塊狀。無色透明，或呈淺黃、淺藍(lán)、淺綠和淺紅等色；受長期日光照射后，其色漸退；玻璃光澤。受硫酸作用時，表面會被腐蝕。

斜方晶系斜方雙錐晶類，摩氏硬度8，比重3.52-3.57，一組與柱面垂直的完全解理完全，斷口亞貝殼狀至參差狀，性脆。具有強(qiáng)的熱電性，莫氏硬度611黃玉莫氏硬度904莫氏硬度3915概念——材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性，這種可恢復(fù)的變形稱彈性變形。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，這種不可恢復(fù)的變形稱為塑性變形（動畫演示）。四、材料的彈性和塑性（1.2.2）彈性模量——材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，稱為材料的彈性模量。

彈性模量是衡量材料抵抗變形能力的一個指標(biāo)，彈性模量愈大，材料愈不易變形，彈性模量也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)。實際上，單純的彈性材料是沒有的，大多數(shù)材料在受力不大的情況下表現(xiàn)為彈性，受力超過一定限度后則表現(xiàn)為塑性（如鋼材），混凝土受力時彈性變形和塑性變形則同時產(chǎn)生，可稱之為彈塑性材料。彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，后者為不可逆變形。

當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞，且破壞時無明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性。具有脆性性質(zhì)的材料稱脆性材料。材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時產(chǎn)生一定的變形而不破壞，這種性質(zhì)稱為韌性（沖擊韌性）。具有韌性性質(zhì)的材料稱韌性材料。五、材料的脆性與韌性脆性材料特點：①塑性變形很小②f壓>>f拉（5-50倍）③抵抗沖擊載荷或振動作用的能力較差。無機(jī)非金屬材料多為脆性材料，如燒結(jié)普通磚、混凝土、石材、玻璃、陶瓷等。脆性材料只適合用作承壓構(gòu)件（利用其f壓），不宜單獨用于受力構(gòu)件（復(fù)合用），結(jié)構(gòu)物應(yīng)避免發(fā)生脆性破壞（例-陽臺）。韌性材料特點：①變形大且塑性變形大②f拉≥f壓材料的韌性用沖擊韌性試驗檢驗（大——韌性好）（實驗演示）建筑鋼材、木材、橡膠等都是韌性材料韌性材料可單獨用作受力構(gòu)件。

在建筑工程中，對于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的結(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。

概念——材料受交變荷載反復(fù)多次作用，在最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于其極限強(qiáng)度的情況下突然破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。

疲勞破壞指標(biāo)用疲勞強(qiáng)度（或疲勞極限）表示，指材料試件在交變應(yīng)力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。六、材料的疲勞強(qiáng)度(P109最后一段)

疲勞強(qiáng)度由試驗確定，即在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下（106-108），對應(yīng)的極限應(yīng)力值。鋼材疲勞破壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

應(yīng)力＜疲勞極限，材料或結(jié)構(gòu)在荷載多次重復(fù)作用下不會破壞。

疲勞極限＜＜靜力強(qiáng)度（砼——50-60%f壓，鋼材彎曲疲勞極限為f拉的40%）

疲勞破壞不同于靜力破壞，是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的脆性破壞，危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故（例灌注樁、鉆井、橋、彈簧\水管、疲勞死亡）。設(shè)計承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)時應(yīng)了解材料的疲勞極限"白骨精"七成亞健康"生理年齡"提前衰老10年2009年12月04日15:37