材料14大关键力学性能实用指南

什么是材料性能？

材料性能是某种材料的强度性能，即不依赖材料数量的物理属性。这些定量属性可作为对比不同材料优劣的指标，辅助材料选择。

性能可为常数，也可为一个或多个自变量(如温度)的函数。材料性能常随测量方向不同而变化，称各向异性。关联不同物理现象的材料性能在给定工作范围常呈线性(或近似线性)，建模为线性函数可显著简化描述性能的本构微分方程。描述相关材料性能的方程常用于预测系统属性。性能通过标准化试验方法测定，许多方法由用户社区记录并通过互联网发布(见ASTM International)。

材料力学性能清单

以下常见力学与物理性能描述可供产品设计师选材参考：

• 导电性
• 耐腐蚀性
• 密度
• 延展性/可锻性
• 弹性/刚度
• 断裂韧性
• 硬度
• 塑性
• 疲劳强度
• 剪切强度
• 抗拉强度
• 屈服强度
• 韧性
• 耐磨性

展开定义：

1. 导电性

热导率衡量单位时间、单位横截面积、单位长度下通过材料的热量。低热导材料可作绝缘体，高热导材料可作散热器。高热导金属适用换热器、制冷；低热导材料用于高温应用，但高温部件常需高热导，故理解环境至关重要。电导率同理，衡量已知截面和长度材料传输电量。

2. 耐腐蚀性

描述材料抵抗大气、湿气或其他介质自然化学/电化学攻击的能力。腐蚀形式多样：点蚀、电偶反应、应力腐蚀、脱选、晶间腐蚀等。可用最大穿透深度(密耳/年)线性外推表达。部分材料本征耐蚀，其他受益于镀层/涂层。许多耐蚀金属家族并非绝对安全，仍受特定运行环境影响。

3. 密度

常用lb/in³或g/cm³表示，描述单位体积合金质量。决定特定尺寸部件重量。航空航天、汽车等轻量化关键领域极重要。工程师寻找低密度合金时须权衡比强度。如高密度钢若强度远超低密度材料，可薄壁设计以少料补偿高密度。

4. 延展性/可锻性

延展性指材料塑性变形(拉伸)而不断裂、卸载后保持新形状的能力，即拉成金属丝的能力。常用拉伸试验测定：断前伸长率或截面收缩率。拉伸试验也可测杨氏模量(弹性模量)，重要应力/应变比用于设计计算。抗裂性使延展材料适合轧制/拉拔等工艺。冷加工倾向降低金属延展性。可锻性描述金属压力/压应力下成形不破裂能力，高可锻性材料耐受更高压力不破。

5. 弹性、刚度

弹性指变形力移除后材料恢复原尺寸形状倾向。与塑性(形变不可逆)相反。刚度常用杨氏模量衡量：应力(施加力)与应变(变形)关系。模量越高——即应力增大导致变形比例减小——材料越刚性。玻璃为高模量刚性材料，橡胶为低刚度/低模量材料。承载需刚性应用的重要设计考量。

6. 断裂韧性

冲击阻力衡量材料承受冲击能力。短时碰撞效应通常大于长时弱力。应用含高冲击风险时须考虑冲击阻力。某些金属静载可接受但动态载荷或碰撞下失效。实验室常用夏比冲击试验：加重摆锤冲击加工V型缺口试样对面。

7. 硬度

定义为材料抵抗永久压痕(塑性变形)能力。通常越硬越耐磨耐变形。硬度也指材料局部表面刚度或抗划伤、磨损、切削能力。测试方法：布氏、洛氏、维氏，用钢球、金刚石等压头测量压痕深度面积。

8. 塑性

弹性相反面，描述固体材料受成形力保持新形状倾向。允许材料弯曲/加工成永久新形状的质量。材料在屈服点从弹性行为转为塑性。

9. 强度——疲劳

疲劳导致在重复/波动应力(如载荷/卸载)下断裂，最大值小于材料抗拉强度。高应力加速失效，应力与失效循环数相关。疲劳极限指给定循环数下材料承受最大应力。疲劳寿命固定载荷测量失效前承受循环数。疲劳强度是设计循环载荷部件的重要考量。

10. 强度——剪切

螺栓、梁等应用中应力方向与大小同等重要时的考量。方向力导致金属内部结构颗粒级滑移产生剪切。

11. 强度——抗拉

最常用金属性能指标之一。抗拉/极限强度指金属截面断裂前承受载荷。实验中金属弹性变形区伸长卸载恢复；达永久/塑性变形点(屈服点)保持伸长形状；极限点载荷导致最终断裂。此指标区分脆性与延展材料。单位：N/mm²(MPa)或psi。

12. 强度——屈服

概念测量似抗拉强度。屈服强度描述材料受载不再恢复原位形状的临界点，变形从弹性转塑性。设计计算含屈服点以理解载荷下尺寸完整性极限。单位同抗拉强度。

13. 韧性

类似冲击阻力用夏比冲击试验测定。表示材料在给定温度吸收冲击不断裂能力。冲击阻力随温度降低常下降，材料变脆。铁素体合金常规定夏比值：应用存在低温可能(海上石油平台、输油管线)或瞬时载荷考量(军用/航空弹道容器)。

14. 耐磨性

衡量材料抵抗两材料相互摩擦效应能力。形式多样：粘着、磨粒、划伤、沟槽、咬合等。硬度不同时较软金属先显现效应，管理此现象属设计一环。甚至轧制因异物存在也引起磨粒磨损。可用给定载荷下磨粒循环数的质量损失量度。

其他力学性能

• 脆性：受应力断裂粉碎无显著变形能力；塑性相反。例：玻璃、混凝土、铸铁、陶瓷
• 体积模量：压力与体积压缩比(GPa)或无限小压力增量与相对体积减少比
• 恢复系数：碰撞后两物体最终相对速度与初始相对速度比。范围0-1，1为完全弹性碰撞
• 抗压强度：压缩失效前最大应力(MPa)
• 蠕变：物体随时间缓慢渐进变形。应力超屈服点时卸载应变不完全消失，残留塑性变形称蠕变。高温下蠕变应变显著
• 耐久性：耐磨损、压力、损坏能力
• 疲劳极限：重复载荷下最大承受应力(MPa)
• 柔韧性：响应外力弯曲变形能力；柔顺性；刚度互补
• 弯曲模量
• 抗弯强度：失效前最大弯曲应力(MPa)
• 摩擦系数：法向力转化为接触面阻力比
• 质量扩散率：一物质扩散穿过另一物质能力
• 泊松比：横向应变与轴向应变比(无量纲)
• 弹性储能/回弹性：弹性变形时吸收能量能力(MPa)；强度与弹性结合
• 滑移：材料粒子因位错运动发生塑性变形倾向。晶体常见
• 比模量：单位体积模量(MPa/m³)
• 比强度：单位密度强度(Nm/kg)
• 比重：单位体积重量(N/m³)
• 刚度：抵抗外力变形能力；刚性；柔韧性互补
• 表面粗糙度：实表面法向量偏离理想形式偏差
• 抗拉强度：失效前最大抗拉应力(MPa)
• 粘度：流体抗拉伸/剪切应力渐进变形阻力；稠度
• 杨氏模量：线性应力与线性应变比(MPa)

声学性能

• 声学吸收
• 声速
• 声反射
• 声传递
• 三阶弹性(声弹效应)

原子性能

• 原子质量：适用所有元素。原子质量单位测量的元素原子平均质量
• 原子序数：仅适用纯元素
• 原子量：适用给定元素特定同位素或混合同位素

化学性能

• 耐腐蚀性
• 吸湿性
• pH值
• 反应性
• 比内表面积
• 表面能
• 表面张力

电学性能

• 电容
• 介电常数
• 介电强度
• 电阻率与电导率
• 电极化率
• 电热热系数
• 电致伸缩
• 磁电极化率
• 能斯特系数(热电效应)
• 介电率
• 压电常数
• 热释电性
• 塞贝克系数

磁学性能

• 居里温度
• 抗磁性
• 霍尔系数
• 磁滞
• 磁致伸缩
• 磁热热系数
• 磁热电功率(磁塞贝克效应系数)
• 磁阻
• 磁导率
• 压磁性
• 热磁系数
• 自旋霍尔效应

制造性能

• 铸造性：从材料获得优质铸件的容易程度
• 切削加工性评级
• 切削速度与进给量

光学性能

• 吸光度：化学物质衰减光强程度
• 双折射
• 颜色
• 电光效应
• 发光度
• 光学活性
• 光弹性
• 感光性
• 反射率
• 折射率
• 散射
• 透射率

辐射学性能

• 中子截面
• 比活度
• 半衰期

热学性能

• 二元相图
• 沸点
• 热膨胀系数
• 临界温度
• 居里点
• 韧脆转变温度
• 发射率
• 共晶点
• 易燃性
• 闪点
• 玻璃化转变温度
• 汽化热
• 反演温度
• 熔点
• 热导率
• 热扩散率
• 热膨胀
• 三相点
• 蒸气压
• 比热容

常见问题

材料七大性能？

物理性能：密度、熔点、热导率、电导率(电阻率)、热膨胀、耐腐蚀性。

材料性能解释及例子？

物理性能指不改变材料成分可观测/测量属性。例：颜色、硬度、气味、冰点/熔点/沸点。化学性能通过观察化学反应发现。

材料三大性能？

材料四性能：质量、韧性、硬度、可锻性。材料按紧密度自然存在。材料三常见状态：固液气。

材料十大性能？

导电性、耐腐蚀性、密度、延展性/可锻性、弹性/刚度、断裂韧性、硬度、塑性。

材料四大类？

金属、聚合物、陶瓷、复合材料。

所有材料共同性能？

广泛考虑的通用力学性能：刚度、韧性、强度、延展性、硬度、冲击阻力。材料力学性能非常数，随热/加载率等条件持续变化。

材料两大主要性能？

重要性能：物理性能(光泽、颜色、尺寸形状、密度、弹性热导率、熔点)、化学性能(化学成分、结构等)、力学性能。

材料术语中什么是性能？

科学中性能指描述材料/物质的任何特征。例：硬度、颜色、形状。弹性是橡胶性能，即橡胶有弹性。

材料分类及两性能？

材料构成物体的物质。广义术语。按性能分类。具有硬度、强度、刚度、热导率、热容、渗透率、磁性等性能。

金属材料五性能？

金属有光泽、可锻、延展、良好导热导电。

结构材料性能？

承载材料称结构材料。承载关键性能：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、硬度、延展性、断裂韧性、疲劳、蠕变抗力。

我了解材料什么？

材料构成物体的物质/混合物。纯/不纯、生/非生物。可按物理化学性能、地质来源、生物功能分类。

材料性能如何关联用途？

物体与材料不同。不同材料不同性能。材料性能决定特定用途适用性。关键性能定义如吸水性、柔韧性。

分类材料分组性能？

按光泽、软硬、透明度、溶解度、浮沉、磁性、导热导电分组。按光泽分光泽/无光泽材料。

分类材料五大基础性能？

外观、软硬、溶解度、透明/半透明/不透明、水中重量。

如何按性能分类材料？

固体材料便利分三基类：金属、陶瓷、聚合物。基于化学成分和原子结构，大多数材料落入某一类，虽有中间体。

功能性材料性能？

具备电子、磁、光、压电优良性能用于能量收集存储、存储通讯设备的材料称功能材料。

物体性能？

物体基本性能为其四部分名称(名称、类型、实例、版本)识别项，含所有者、状态、平台、发布版本。

如何向儿童解释材料？

材料是任何有名字的物质。如：粉笔、纸、木、铁、空气、水、粘土、塑料、橡胶、石头、皮革、蜡。万物由材料构成。做事需选最佳材料。

材料分类六年级？

木纸无光泽，玻璃铁有光泽。玻璃透明、纸半透明、木铁不透明。木铁硬、纸玻璃软。

什么材料性能能导电？

金属一般良导体，易通电。不易导电称绝缘体。大多数非金属(塑料、木、橡胶)为绝缘体。

材料功能？

同制造、工程、财务同等重要。合格材料供应是制造标准产品基础。避免浪费控制生产成本。物料管理对一切事业必需。