材料14大关键力学性能全面指南与实例详解

什么是材料力学性能？

材料力学性能定义材料在外力（称载荷）作用下的行为。它们是材料在使用中强度和持久特性的度量，在工具、机械和结构设计中至关重要。

力学性能是结构敏感的，取决于晶体结构及其键合过程，特别是晶体内部或晶界存在的缺陷性质和行为。

以下简要解释最重要、最实用的材料力学性能，确保读者能快速明智地为给定设计选择合适材料。

1. 强度

材料强度是其在外载荷作用下抵抗破坏的能力。材料越强，能承受的载荷越大。因此决定材料无失效承受应力的能力。因强度随载荷类型变化，可分抗拉、抗压、抗剪、抗扭强度。

材料破坏前承受的最大应力称极限强度。材料倾向于其抗拉极限强度。

2. 弹性

弹性是材料力学性能之一，指施加载荷引起的变形在卸载后消失。即材料变形后在应力/载荷移除时恢复原状的能力。弹性是材料的拉伸性能。

比例极限：材料保持应变与应力完美均匀比率的最大应力。虽难测量，但用于精密仪器、弹簧等重要应用。
弹性极限：大多数材料可略超比例极限应力而不产生永久变形。材料不产生永久变形所能承受的最大应力称弹性极限。超出弹性极限，材料原形永久改变。
屈服点：延性材料在特定应力下停止抵抗拉力，即发生流动，载荷无明显增加下产生较大永久变形。此点称屈服点。某些材料呈现明显屈服点，此时屈服应力或屈服强度即此点应力。低碳钢即例。
规定非比例延伸强度/证明应力：多数延性材料渐进屈服，另一屈服应力度量称证明应力。证明应力定义为材料不产生超过微量永久变形所能承受应力，常用0.1%或0.2%原始标距长度为度量。

3. 刚度

材料抵抗弹性变形或挠度的能力称刚度或刚性。载荷下变形微小的材料具有高刚度/刚性。例如钢和铝悬臂梁均能承载所需负载，但铝会"下垂"或挠度更大。即钢梁比铝梁更刚硬或更刚性。

若材料遵循胡克定律（线性应力-应变关系），其刚度由杨氏模量E度量。杨氏模量值越高，材料越刚硬。

拉压应力称刚度模量或弹性模量；剪切称剪切模量/刚度模量，通常为常用材料杨氏模量40%；体积畸变称体积模量。

柔度有时作为刚度反面，但通常指弯曲挠度，也可能暗示塑性范围弯曲应用。

4. 塑性

材料塑性是其在不破裂失效前承受一定程度永久变形的能力。塑性变形仅在弹性范围被超越后发生。

塑性在成形、整形、挤压等冷热加工过程中至关重要。粘土、铅等室温下具塑性，钢在白热状态下具塑性。一般塑性随温度升高增加。

5. 延性

延性是材料力学性能之一，使其能拉拔成细丝。低碳钢是延性材料。伸长率和断面收缩率常作延性经验度量。

6. 韧性/可锻性（材料力学性能）

材料可锻性是其通过冷热加工轧成薄板不开裂的能力。铝、铜、锡、铅、钢等为可锻金属。

注意某些材料可锻且延性。如铅易轧锤成薄板但不能拉拔成丝。虽延性和可锻性常互换使用，但延性视为拉伸性质，可锻性视为压缩性质。

延性和可锻性几乎等同于可加工性或成形性，明确关联塑性变形。

7. 弹性储能/回复性

弹性储能/回复性是材料力学性能，指材料吸收能量并在卸载时释放的能力。若卸载，储存能量完全释放。

弹性极限内材料单位体积可储存的最大能量称证明弹性储能，单位体积证明弹性储能称弹性储能模量。即弹性储能模量定义为将单位体积材料应力至比例极限所需能量。此量表征材料承受冲击振动能力。

8. 韧性

韧性衡量材料断裂失效前吸收能量多少。例：突发载荷分别作用于低碳钢和玻璃，低碳钢失效前吸收更多能量。故低碳钢比玻璃韧性大得多。

材料韧性是其同时承受塑性和弹性变形的能力。因此是极受青睐的品质，用于承受冲击振动的结构和机械零件。锰钢、锻铁、低碳钢等为韧性材料。

材料吸收的功或能量有时称韧性模量。韧性与冲击强度相关，即抗冲击载荷能力。

9. 硬度（材料力学性能）

硬度是与强度密切相关的基本性质。通常定义为材料抵抗划痕、磨损、切削、压痕、穿透的能力。注意金属硬度不直接关联金属淬硬性。

现有多种测定硬度方法：布氏、洛氏、维氏。

10. 淬硬性

淬硬性指淬火工艺可赋予金属（特别是钢）的硬度程度。决定淬火诱导硬度的深度和分布。金属淬硬性通过焦敏试验测定，考察金属中心到表面的硬度分布。焦敏试验（ISO 642:1999）将钢试样（直径25mm、长100mm）加热至奥氏体化温度，一端用标准化水射流淬火。能整体硬化的金属淬硬性更高。