弹性形变与外力的关系

二、材料的力学性质

材料的力学性质，是指材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力和变形的有关性质。

1．强度

材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力，称为强度。

材料在建筑物上所受的外力，主要有拉力、压力、弯曲及剪力等。材料抵抗这些外力破坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗弯和抗剪等强度。材料承受各种外力示意见图1－2。

图1－2　材料承受各种外力示意图

（a）抗拉；（b）抗压；（c）抗弯；（d）抗剪

材料抗拉、抗压、抗剪强度可按下式计算：

式中　f——抗拉、抗压、抗剪强度（MPa）；

　　　F——材料受拉、压、剪破坏时的荷载（N）；

　　　A——材料的受力面积（mm²）。

材料的抗弯强度（也称抗折强度）与材料受力情况有关。试验时将试件放在两支点上，中间作用一集中荷载，对矩形截面试件，抗弯强度可按下式计算：

式中　f_m——抗弯强度（MPa）；

　　　F——受弯时破坏荷载（N）；

　　　L——两支点间的距离（mm）；

　　　b、h——材料截面宽度、高度（mm）。

材料的强度和它的成分、构造有关。不同种类的材料，有不同抵抗外力的能力。同一种材料随其孔隙率及构造特征不同，强度也有较大差异。一般情况下，表观密度愈小，孔隙率愈大，愈疏松的材料，强度愈低。

强度是材料主要技术性能之一。不同材料或同种材料的强度，可按规定的标准试验方法通过试验确定。材料可根据其强度值的大小分为若干标号或等级。

图1－3　材料的弹性变形

2．弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性。能够完全恢复的变形，称为弹性变形（又称瞬时变形），见图1－3。

材料在外力作用下产生变形，如果取消外力，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质称为塑性。这种不能恢复的变形，称为塑性变形（永久变形）。

材料的弹性变形与塑性变形曲线如图1－4所示。图中OA段为弹性变形，AB段为塑性变形。应该指出，单纯的弹性材料是没有的。有的材料在荷载不大的情况下，外力与变形成正比，产生弹性变形，荷载超过一定限度后，接着出现塑性变形。常用建筑钢材（软钢）就属于这种情况。也有的材料在受力后，弹性变形与塑性变形同时产生，去掉荷载后，弹性变形可以恢复，而其塑性变形则不能恢复。混凝土材料受力后的变形就属于这种情况（图1－5）。

图1－4　材料的弹性与塑性变形

Oa—弹性变形；ab—塑性变形

图1－5　材料弹塑性变形曲线

材料的弹性与塑性除与材料本身的成分有关外，还与外界条件有关。例如材料在一定温度和一定外力条件下属于弹性，但当改变其条件时，也可能变为塑性性质。

建筑工程中常用材料性能见表1－11。

表1－11　几种常用材料性质的比较表