张力与压缩力对金属的影响

金属的强度在设计产品或结构架构中起着重要作用。金属的强度有不同的元素，包括抗拉强度、屈服强度、硬度和密度。张力与压缩力会影响金属在失效前可以承受的应力或压力大小，这就是为什么根据所需的应用确定哪种材料的强度最有效的原因。

张力与压缩力：快速指南

下面，我们简要介绍金属中的拉力和压力，分解它们的工作原理以及它们对各种金属的影响。

金属中的拉力

每当金属拉伸时，它就会受到拉力。在数学上，拉伸应力等于力/面积。金属所能承受的最大应力代表了它的抗拉强度。

抗拉强度又可以分为两部分：

• 屈服强度： 当金属受到外部拉伸载荷时，会发生弹性和塑性变形。屈服强度表示金属在拉力移除后可以恢复其原始形状的拉力。
• 极限抗拉强度： 超过屈服点，金属将继续表现出塑性变形，直到发生颈缩之前的某个点。这个极限被称为极限抗拉强度。简而言之，它代表了金属在不分成两部分的情况下可以承受的最大应力。

金属中的压缩力

压缩力代表金属在不断裂的情况下可以承受的最大压缩或压力。与原始尺寸相比，长度有所减少。

有六种不同类型的压缩破坏模式：

1. 屈曲： 在轴向载荷下突然侧向改变形状
2. 剪切： 沿施力方向滑动失效
3. 双桶： 无外带高棱柱体压缩过程中两桶的形成
4. 桶装： 圆柱外凸面的生成
5. 均匀压缩： 接触面不存在摩擦
6. 压缩不稳定性： 因金属加工软化而失效

一种被广泛接受的确定抗压强度的试验是莫氏硬度试验。

不同金属在拉力与压力下

抗压强度和抗拉强度的最大值因金属而异。一些金属在张力下表现出优异的抗拉强度，而一些金属擅长处理最大压缩力。因此，比较两种金属在拉力和压力下需要首先确认金属的应用；只有这样才能轻松将其与其他金属进行比较。

下图比较了不同金属的强度、硬度、密度：

钢比铝具有更高的抗拉强度和屈服强度；但是，铝重量轻，并且比钢具有更好的耐腐蚀性。因此，在考虑应用需求时，研究参数非常重要。

此外，金属可以具有高抗拉强度和低抗压强度，反之亦然。比如铸铁的抗压强度大于抗拉强度，低碳钢则相反。

铸铁等脆性材料含有大量空隙。在抗拉强度下，这些空隙充当凹口，导致裂纹在材料中大量传播。但在压力作用下，这些空隙会闭合，消除任何裂纹扩展的可能性。

另一方面，在延展性材料中，在载荷作用下形成的裂纹很容易闭合，而不会在材料中传播。结果，它们在拉伸和压缩方面同样强大；但是，它们往往会在剪切应力下失效。

了解材料强度的重要性

在工程设计中，抗压强度和抗拉强度是金属非常重要的特性。在任何工程设计中，主要目标是保持塑性变形尽可能小。在这方面，杨氏模量（记为E）可以被认为是选择过程中的一个关键参数。

杨氏模量是计算材料在纵向拉伸或压缩下变形程度的另一种方法。它被定义为纵向应力和应变之间的比率。杨氏模量越高，材料越硬，给定载荷下的弹性变形越小。

现在，例如，如果我们用杨氏模量低的金属建造房屋，它在压缩载荷下会偏斜很多；更硬的金属会产生更理想的响应。

现代的撑杆就是一个很好的例子。为了最大限度地提高运动员的表现，撑杆应由轻质材料制成，但还应在撑杆弯曲时存储弹性应变。因此，这些灯杆由玻璃纤维 (E =15 GPa) 或玻璃纤维和碳纤维的混合物 (E =500 GPa) 制成。

一些最常用金属的杨氏模量如下所示：

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