土木工程材料：1-5材料的基本力學(xué)性質(zhì)

1、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(diǎn)，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(shí)，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。一、理論強(qiáng)度 固體材料的強(qiáng)度取決與結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)（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(gè)新的表面所需要的力或從理

2、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(shí)際強(qiáng)度，對(duì)創(chuàng)新材料有重要意義 理論強(qiáng)度0.1E（鋼材E=2105MPa，理論強(qiáng)度2 104MPa ，實(shí)際強(qiáng)度400MPa）原因缺陷所至（晶格錯(cuò)位、雜質(zhì)、孔隙、微裂縫）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(jí)（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(yàn)來測(cè)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(yàn)而測(cè)得。a.壓力 b.拉力c.彎曲

3、 d.剪切混凝土路面磚抗折強(qiáng)度試驗(yàn)混凝土路面磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（強(qiáng)度試驗(yàn)錄像）強(qiáng)度的計(jì)算 材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度由下式計(jì)算： 式中 f 材料的抗壓、抗拉或抗剪強(qiáng)度，MPa； Fmax材料破壞時(shí)的最大荷載，N； A受力截面面積，mm2。對(duì)于抗彎強(qiáng)度，有兩種計(jì)算方式。將抗彎試件放在兩支點(diǎn)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(shí)，抗彎強(qiáng)度（也稱抗折強(qiáng)度）可用下式計(jì)算： 式中fm抗彎強(qiáng)度，MPa；Fmax彎曲破壞時(shí)的最大荷載,N；b，h 試件橫截面的寬和高,mm。 L 兩支點(diǎn)間的距離，mm。若在此試件跨距的三分點(diǎn)上加兩個(gè)相等的集中荷載，抗彎強(qiáng)度按下式計(jì)算： 土木工程常用結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度值

4、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(píng)價(jià)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 100250 58 1014 普通燒結(jié)磚 7.530 1.84.0 普通混凝土 7.560 14 松木(橫紋) 3050 80120 60100 建筑鋼材 2351600 2351600 （二）影響材料強(qiáng)度的因素 內(nèi)因 材料的組成與結(jié)構(gòu)

5、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(duì)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(cè)試條件和方法等外部因素有關(guān)。 測(cè)試條件對(duì)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(yàn)環(huán)境的溫度、濕度5試驗(yàn)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）原因環(huán)箍效應(yīng) 缺陷幾率原因 環(huán)箍效應(yīng) 壓板與試件受壓面產(chǎn)生的磨擦力，對(duì)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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有

6、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0.866（為試件邊長(zhǎng)）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 環(huán)箍效應(yīng) 棱柱體（或圓柱體）試件由于高寬比（或長(zhǎng)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(shí)，環(huán)箍效應(yīng)的相對(duì)作用較小，測(cè)得的強(qiáng)度因而偏低。 壓力機(jī)壓板對(duì)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(shí) 試塊破壞情況(涂油脂）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?；炷猎嚰叽邕x用表(p219表10-6) 2.受力面狀態(tài)：受力面的平整度，潤(rùn)滑情況等。試件表面不平或表面

7、涂潤(rùn)滑劑（f下降50%，直裂破壞）時(shí)，所測(cè)強(qiáng)度值偏低。3.加荷速度：當(dāng)加荷速度快時(shí)，由于變形速度落后于荷載增長(zhǎng)的速度，故測(cè)得的強(qiáng)度值偏高。（規(guī)定速度測(cè)強(qiáng)度、速度控制裝置） 4.試驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度：溫度高、濕度大時(shí)，試件會(huì)有體積膨脹，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)距離加大，質(zhì)點(diǎn)間的作用力減弱，測(cè)得的強(qiáng)度值偏低（試驗(yàn)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度測(cè)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(yàn)樣品、人員和設(shè)備等 試件取樣的代表性（水泥20個(gè)以上點(diǎn)、12kg）、試樣的均勻性、試驗(yàn)結(jié)果的舍取原則（水泥6個(gè)數(shù)值）、強(qiáng)度評(píng)定的方法、儀器精度（標(biāo)明儀器型號(hào)）、操作人員的技術(shù)水平等 材料性質(zhì)的一切試驗(yàn)結(jié)果都具有

8、條件性，為使結(jié)果具有準(zhǔn)確性、可比性和對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)意義，必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并要盡量與實(shí)際工程接近（ 100、1000年混凝土）。（三）強(qiáng)度等級(jí)（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(jí)或標(biāo)號(hào)。 如混凝土按抗壓強(qiáng)度劃分為 C7.5C60 ;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M2.5M20六個(gè)等級(jí),熱軋鋼筋按屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度劃分四級(jí)。 強(qiáng)度和強(qiáng)度等級(jí)的區(qū)別與聯(lián)系：區(qū)別：a.定義不同。強(qiáng)度是實(shí)測(cè)值，強(qiáng)度等級(jí)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(jí)則包含一系列強(qiáng)度值。聯(lián)系：強(qiáng)度等

9、級(jí)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(jí)，對(duì)掌握材性、合理選用材料、正確進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制工程質(zhì)量具有重要意義。（四）比強(qiáng)度 比強(qiáng)度按單位體積質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其表觀密度之比（f / o ）。它是評(píng)價(jià)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。 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 7 850 420 0.054 普通混凝土 2 400 40 0.017 （抗壓）松木（順紋抗拉） 500 100 0.200 玻璃鋼 2 000 450 0.225（玻璃纖維增

10、強(qiáng)塑料）（玻璃鋼安全帽 ） 燒結(jié)普通磚 1700 10 0.006 （抗壓） 三、硬度與耐磨性（17頁(yè)1.2.4）（一）硬度材料表面的堅(jiān)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(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)演示） 莫氏硬度（10級(jí)）1滑石 2石膏 3方解石 4 螢石 5磷石灰 6正長(zhǎng)

11、石 7 石8黃玉 9剛玉 10金剛石 實(shí)驗(yàn)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)/A N: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Mg3Si4O10(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

12、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(zhǎng)期日光照射后，其色漸退；玻璃光澤。受硫酸作用時(shí)，表面會(huì)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

13、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(dòng)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(gè)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(jì)的重要參數(shù)。實(shí)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(shí)彈性變形和塑性變形則同時(shí)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。

14、 當(dāng)外力達(dá)到一定限度后，材料突然破壞，且破壞時(shí)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(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)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(diǎn)：塑性變形很小 f壓f拉（5-50倍） 抵抗沖擊載荷或振動(dòng)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(dú)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(yáng)臺(tái)）。韌性材料特點(diǎn)：變形大且塑性變形大 f拉 f壓材料的韌性用沖擊韌

15、性試驗(yàn)檢驗(yàn)（大韌性好）（實(shí)驗(yàn)演示）建筑鋼材、木材、橡膠等都是韌性材料韌性材料可單獨(dú)用作受力構(gòu)件。 在建筑工程中，對(duì)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。六、材料的疲勞強(qiáng)度(P109最后一段) 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。 疲勞強(qiáng)度由試驗(yàn)確定，即在規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下（106-108），對(duì)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)

16、構(gòu)在荷載多次重復(fù)作用下不會(huì)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(jì)承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)時(shí)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來源：北京晚報(bào)因心腦血管和消化系統(tǒng)疾病高發(fā)，35至50歲的高收入中年白領(lǐng)群體“生理年齡”超齡趨勢(shì)明顯加快，平均超過“自然年齡”10年左右。這是中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)、中國(guó)醫(yī)院協(xié)會(huì)、北京市健康保障協(xié)會(huì)、慈銘體檢等昨天發(fā)布的中國(guó)城市白骨精(白領(lǐng)、骨干、精

17、英)健康狀況白皮書披露的。 調(diào)查顯示，北京、上海等十余個(gè)大城市白領(lǐng)亞健康比例達(dá)76%，處于過勞狀態(tài)的接近6成，真正意義上的“健康人”不到3%。精英人群比較突出的健康問題有兩大類：一是屬于代謝紊亂疾??；二是疲勞、失眠、心理障礙等亞健康問題嚴(yán)重，這類疾病的形成除工作緊張、經(jīng)常加班等壓力因素之外，長(zhǎng)時(shí)間上網(wǎng)、應(yīng)酬過多、飲食不科學(xué)、作息無規(guī)律、缺少體育鍛煉以及家庭不和睦、精神壓抑等都是重要因素。 國(guó)臉羅京(1961年5月29日-2009年6月5日癌癥,48歲)， 梅艷芳于2003年12月30因癌癥逝世，終年40歲；2005年8月18日，高秀敏因?yàn)樾呐K病突發(fā)去世，只有46歲； 2007年6月23日侯耀文因突發(fā)心肌梗塞而猝死，59歲； 張國(guó)榮于2003年4月1日傍晚時(shí)分，在香港中環(huán)的文華酒店墜樓，享年46歲；紅樓夢(mèng)中飾演林黛玉的陳曉旭，2007年月日去世，終年歲 2005年11月16日衛(wèi)生部副部長(zhǎng)殷大奎在北京論壇“公共衛(wèi)生與和諧社會(huì)的建立”：“近5年來，中國(guó)科學(xué)院和北京大學(xué)去世的135名專家和教授，平均年齡僅為53.3歲。北京晨報(bào)2005年11月17日，在北京，知識(shí)分子平均壽命從10年前的5859歲降至5354歲，比北京市民平均壽命785歲低了20多歲。醫(yī)學(xué)專家稱這是一種“過勞死”現(xiàn)象，反映出這部分人群在精神和體力上普遍的“過勞”狀態(tài)?！懊刻戾憻?小時(shí),健康工作50