土木工程材料：1-5材料的基本力學性質(zhì)

1、材料的強度和硬度 材料的彈性和塑性 材料的脆性與韌性材料的疲勞強度第五節(jié) 材料的基本力學性質(zhì)有關概念材料的力學性質(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。有關概念材料的破壞指當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度。一、理論強度 固體材料的強度取決與結構質(zhì)點（原子、分子、離子）之間的相互作用力。 理論強度即克服固體內(nèi)部結合力而形成兩個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力。材料受外力破壞拉力、剪力引起，非壓力理論強度實際強度，對創(chuàng)新材料有重要意義 理論強度0.1E（鋼材E=2105MPa，理論強度2 104MPa ，實際強度400MPa）原因缺陷所至（晶格錯位、雜質(zhì)、孔隙、微裂縫）二、材料的強度（一）強度有關概念（二）影響材料強度的因素（三）強度等級（四）比強度（一）強度有關概念在外力作用下，材料抵抗破壞的能力稱為強度。根據(jù)外力作用方式的不同，有抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度（或抗折強度）及抗剪強度等形式。材料的這些強度是通過靜力試驗來測定的，故總稱為靜力強度。材料的靜力強度是通過標準試件的破壞試驗而測得。a.壓力 b.拉力c.彎曲

3、 d.剪切混凝土路面磚抗折強度試驗混凝土路面磚抗壓強度試驗（強度試驗錄像）強度的計算 材料的抗壓、抗拉、抗剪強度由下式計算： 式中 f 材料的抗壓、抗拉或抗剪強度，MPa； Fmax材料破壞時的最大荷載，N； A受力截面面積，mm2。對于抗彎強度，有兩種計算方式。將抗彎試件放在兩支點上，當外力為作用在試件中心的集中荷載，且試件截面為矩形時，抗彎強度（也稱抗折強度）可用下式計算： 式中fm抗彎強度，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，抗彎強度按下式計算： 土木工程常用結構材料的強度值

4、范圍見下表，1-4(p15). 不同材料具有不同的強度指標特征，應用范圍不同。無機非金屬（脆性）材料（石、混凝土、水泥、磚），抗壓強度較高，評價指標亦為抗壓強度，工程中主要利用其抗壓強度（受壓部位-基礎、墻）。鋼材、纖維材料抗拉強度（各種受力構件）混凝土、水泥、磚（根據(jù)使用部位）抗彎強度 常見土木工程材料的強度/MPa材料 抗壓強度 抗拉強度 抗彎強度 花崗巖 100250 58 1014 普通燒結磚 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）影響材料強度的因素 內(nèi)因 材料的組成與結構

5、是材料強度的決定因素如材料的孔隙率愈 大（表觀密度愈?。?，則強度愈小。對于同一品種的材料，其強度與孔隙率之間存在近似直線的反比關系外因強度還與測試條件和方法等外部因素有關。 測試條件對強度的影響（補充)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 (強度隨尺度增加曲線式下降）原因環(huán)箍效應 缺陷幾率原因 環(huán)箍效應 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”。 “環(huán)箍效應”對混凝土抗壓強度有

6、提高作用。 離壓板越遠，“環(huán)箍效應”小，在距離試件受壓面約0.866（為試件邊長）范圍外這種效應消失，這種破壞后的試件形狀如圖所示 原因 環(huán)箍效應 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，形成了純壓狀態(tài)，因而其強度低于同截面的立方體試件強度。 立方體試件尺寸較大時，環(huán)箍效應的相對作用較小，測得的強度因而偏低。 壓力機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）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，潤滑情況等。試件表面不平或表面

7、涂潤滑劑（f下降50%，直裂破壞）時，所測強度值偏低。3.加荷速度：當加荷速度快時，由于變形速度落后于荷載增長的速度，故測得的強度值偏高。（規(guī)定速度測強度、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，測得的強度值偏低（試驗溫度對混凝土強度測試結果的影響如圖，水泥混凝土氣干試件比飽水試件強度高20-25%）。5試驗樣品、人員和設備等 試件取樣的代表性（水泥20個以上點、12kg）、試樣的均勻性、試驗結果的舍取原則（水泥6個數(shù)值）、強度評定的方法、儀器精度（標明儀器型號）、操作人員的技術水平等 材料性質(zhì)的一切試驗結果都具有

8、條件性，為使結果具有準確性、可比性和對實際工程的指導意義，必須按規(guī)定的標準實驗方法進行試驗，并要盡量與實際工程接近（ 100、1000年混凝土）。（三）強度等級（P16第1段）：建筑材料常根據(jù)極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號。 如混凝土按抗壓強度劃分為 C7.5C60 ;水泥按抗壓和抗折強度劃分為32.5 62.5, 砂漿按抗壓強度劃分為M2.5M20六個等級,熱軋鋼筋按屈服強度和抗拉強度劃分四級。 強度和強度等級的區(qū)別與聯(lián)系：區(qū)別：a.定義不同。強度是實測值，強度等級是人為規(guī)定的強度范圍（區(qū)間值）。 b.強度指的是材料的極限值，是唯一的，每一強度等級則包含一系列強度值。聯(lián)系：強度等

9、級的確定以其極限強度值為依據(jù)。將材料劃分為若干等級，對掌握材性、合理選用材料、正確進行設計和控制工程質(zhì)量具有重要意義。（四）比強度 比強度按單位體積質(zhì)量計算的材料強度，即材料的強度與其表觀密度之比（f / o ）。它是評價材料輕質(zhì)高強性的指標。在高層建筑及大跨度結構工程中應采用比強度較高的材料。輕質(zhì)高強材料，也是建筑材料發(fā)展的主要方向。 幾種主要材料的比強度材料 表觀密度/(kg/m3) 強度/MPa 比強度 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、強塑料）（玻璃鋼安全帽 ） 燒結普通磚 1700 10 0.006 （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 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、應用硬度大的材料強度高、耐磨性較強（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

11、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)/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 化學組成為Mg3Si4O10(OH)2，晶體屬三斜晶系的層狀結構硅酸鹽礦物。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?；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、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，當外力取消后能夠完全恢復原來形狀的性質(zhì)稱為彈性，這種可恢復的變

13、形稱彈性變形。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當外力去除后，有一部分變形不能恢復，這種性質(zhì)稱為材料的塑性，這種不可恢復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)，應力與應變的比值為常數(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，彈性模量愈大，材料愈不易變形，彈性模量也是結構設計的重要參數(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。

14、 當外力達到一定限度后，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：塑性變形很小 f壓f拉（5-50倍） 抵抗沖擊載荷或振動作用的能力較差。無機非金屬材料多為脆性材料，如燒結普通磚、混凝土、石材、玻璃、陶瓷等。脆性材料只適合用作承壓構件（利用其f壓），不宜單獨用于受力構件（復合用），結構物應避免發(fā)生脆性破壞（例-陽臺）。韌性材料特點：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構，如吊車梁、橋梁、路面等所用的材料均應具有較高的韌性。六、材料的疲勞強度(P109最后一段) 概念 材料受交變荷載反復多次作用，在最大應力遠低于其極限強度的情況下突然破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。 疲勞破壞指標用疲勞強度（或疲勞極限）表示，指材料試件在交變應力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。 疲勞強度由試驗確定，即在規(guī)定的應力循環(huán)次數(shù)下（106-108），對應的極限應力值。 鋼材疲勞破壞的應力值隨應力循環(huán)次數(shù)的增加而降低。 應力疲勞極限，材料或結

16、構在荷載多次重復作用下不會破壞。 疲勞極限靜力強度（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，是在低應力狀態(tài)下突然發(fā)生的脆性破壞，危害極大，往往造成災難性的事故（例灌注樁、鉆井、橋、彈簧水管、疲勞死亡）。 設計承受反復荷載的結構時應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群體“生理年齡”超齡趨勢明顯加快，平均超過“自然年齡”10年左右。這是中國醫(yī)師協(xié)會、中國醫(yī)院協(xié)會、北京市健康保障協(xié)會、慈銘體檢等昨天發(fā)布的中國城市白骨精(白領、骨干、精

17、英)健康狀況白皮書披露的。 調(diào)查顯示，北京、上海等十余個大城市白領亞健康比例達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?。欢瞧?、失眠、心理障礙等亞健康問題嚴重，這類疾病的形成除工作緊張、經(jīng)常加班等壓力因素之外，長時間上網(wǎng)、應酬過多、飲食不科學、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，高秀敏因為心臟病突發(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； 張國榮于2003年4月1日傍晚時分，在香港中環(huán)的文華酒店墜樓，享年46歲；紅樓夢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)生部副部長殷大奎在北京論壇“公共衛(wèi)生與和諧社會的建立”：“近5年來，中國科學院和北京大學去世的135名專家和教授，平均年齡僅為53.3歲。北京晨報2005年11月17日，在北京，知識分子平均壽命從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,健康工作50