先上图！说说表里13个材料性能，应力应变你知道多少？

先上图，说说这张表里的13个材料性能。

其中部分性能我们会频繁使用到，比如刚度，强度，硬度等。

应力和应变：

图1：伸长量和拉力的关系，跟几何尺寸有关系

图2：应力和应变的关系，跟几何尺寸没有关系。

应力＝力／截面积，应变＝变形量／原长

图3展示了应力应变区域图，其中应变在Aut点之前表现为均匀的塑性变形，而在Aut点之后，则开始出现缩颈现象。

图4展示了应力应变阶段图，图中从左至右，我们依次经历比例极限、屈服点、抗拉强度以及断裂。在屈服点和抗拉强度之间，材料所经历的塑性变形被称为应变硬化，亦即加工硬化。而在抗拉强度之后，由于变形变得不均匀，这一阶段的变形便被称作缩颈。

图5展示了应力应变区域和各个阶段，其中蓝色部分代表弹性变形区，而黄色部分则表示塑性变形区。这一过程包括以下阶段：首先，是比例极限A，此时胡克定律适用于变形前的情形；接着，是弹性极限B或屈服点C；然后是低屈服点C；随后达到抗拉强度D；最后，是断裂点E。

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图6：弹性变形，外力卸载后，变形可以恢复

图7：塑性变形，外力卸载后，变形不能完全恢复

1.强度（Strength）：

不同载荷形式

压应力及剪切应力

简支梁的弯矩应力：中性层两侧分别受拉应力和压应力

简支梁的弯曲及剪切应力

不同载荷形式简表

铝合金的屈服强度，抗拉强度，延展性

不锈钢的屈服强度，抗拉强度，延展性

无明显屈服现象材料的屈服强度定义

2.刚度（Stiffness）：

弹性模量：比例变形阶段E=σ/ε

强度和刚性的区别

3.弹性（Elasticity）：

蓝色区域是弹性变形区域，粉色区域是塑性变形区域

弹性变形示意图，变形可以完全恢复

塑性变形示意图，变形不可以完全恢复

4.可塑性（Plasticity）：

塑性变形示意图

5.硬度（Hardness）：

布氏硬度测试方法

布氏硬度表示方法

（2）洛氏硬度测试

洛氏硬度测试方法

洛氏硬度测试压头和读数表

洛氏硬度表示方法

（3）维氏硬度测试

维氏硬度测试方法

维氏硬度表示方法

（4）努氏硬度测试

几种硬度测试方法对比：

常用的几种硬度测试

不同的硬度测试归纳

几种硬度测试的优缺点

强度和硬度的关系：

硬度和抗拉强度的关系

6.延性（Ductility）：

延性和晶胞结构的关系：面心立方>体心立方>密排六方

7.展性（Malleability）：

面心立方晶胞：有4个滑移面，3个滑移方向

体心立方晶胞：有6个滑移面，2个滑移方向

密排六方晶胞：有1个滑移面，3个滑移方向

体心和面心立方晶胞滑移示意图

晶胞结构和延展性的关系

延性和展性对比

8.脆性（Brittleness）：

延性材料和脆性材料应力应变图

脆性和延性断裂对比

延性和脆性失效对比

延性和脆性转变温度曲线

泰坦尼克号沉没及自由号轮船断裂

9.韧性（Toughness）：

韧性可通过面积来衡量，记作σε，其计算公式为：σε=(F/S0)*(ΔL/L0)，即(F*ΔL)/(S0*L0)，也可以表示为W/V，即能量与体积的比值。

韧性对比：金属>陶瓷>增强聚合物

韧性测试方法：K=mg(H-h)

韧性测试试样

延性试样断裂

脆性试样断裂

在冲击力的作用下，金属材料展现出的抵御破坏的特性被称为冲击韧性，亦称作冲击强度。

若将重量迅速加至一块低碳钢制板材与一块玻璃之上，那么在出现故障之先，低碳钢能够吸收更多的冲击能量，因此相较于玻璃，低碳钢的韧性更为显著。

韧性的测定通常采用摆锤试验法，将摆锤置于起始高度H，随后释放使其撞击样品，最终摆锤所能达到的高度为h，通过计算摆锤能量损失，可得出材料的韧性值K，其计算公式为K=mg(H-h)。《机械工程文萃》公众号，工程师们的充电站！

通常情况下，材料的强度较高时，其硬度也会相应增加，导致材料变得较为脆弱，易于出现脆性断裂，且对冲击的抵抗能力较差。为了提升材料的韧性，可以通过热处理手段来实现，例如对中碳钢进行调质处理，而对低碳钢则采用渗碳淬火工艺。

10.弹性能／弹性比功（Resilience）：

为了了解弹性能，我们以弹簧为例。

对弹簧施加一定的负荷，导致其发生形变并积累部分能量，一旦负荷被去除，弹簧便会恢复到最初的状态。

因此，弹性指的是材料在经历弹性形变过程中所能吸纳的能量，同时，在卸载之后，它又能将这些能量释放出来。

材料的这种特性在制造减震器，以及弹簧时很重要。

应力-应变曲线图中，材料的弹性性能，是通过计算弹性区域下方所围成的面积来体现的。

弹性能/弹性比功

以E代表该材料的弹性模量，S0标识其弹性极限，即胡克定律所规定的最大应力值，而Ur则用来表示该材料的弹性能量。

那么，有如下的弹性能计算公式：Ur＝S0^2/(2E)。

观察此方法可知，若想增强材料的弹性，必须提升其弹性极限S0，正因如此，在弹簧的制造过程中，热处理环节显得尤为关键，这一步骤能有效提升弹性极限，从而进一步提高应变能。

下表列出了一些材料的弹性模量，弹性极限，以及弹性能。

几种材料的弹性能

强度，弹性变形，塑性变形，延展性，弹性能，韧性的关系：

材料在承受外部力量时不易断裂的特性被称为强度，这种强度越高，其抵御外力的能力就越强，比如钢和陶瓷等材料。

在外力的作用下，材料会呈现出变形现象，这一过程首先表现为弹性变形，随后是塑性变形，最终导致断裂。

弹性变形指的是在外力消除后，物体能够恢复至其初始形态；而塑性变形则是指外力去除后，物体无法恢复至初始状态。

在受到拉伸力的影响下，物体的尺寸会相应增大；反之，在受到压缩力的情况下，尺寸则会减小。在整个塑性变形过程中，增大的尺寸与原始尺寸的比率即为延展性；而在这一过程中所消耗的能量，则代表了物体的韧性。

材料具有良好的塑性和延展性，这两者所指代的是相同的概念，即材料在塑性变形方面的能力。

其塑形能力强，故能承受较大程度的形变而不会断裂，例如铜和橡皮泥，然而它们的强度未必出众。

弹性好，就是弹性变形能力强，例如橡胶，橡皮筋等。

这类材料在描述其变形性能时，往往具有较好的弹性，但其强度未必出众，意味着它们所能承受的外力可能并不强烈；以橡胶为例，它就很容易在局部区域发生压坏现象。

在材料从承受外力至断裂的全过程中，所消耗的能量体现为韧性，而这一概念的焦点应聚焦于材料在断裂前所能吸收的能量上，这涵盖了弹性变形阶段以及塑性变形阶段所共同耗费的能量。韧性越强，材料从外力施加至断裂所消耗的能量也就越庞大。

回顾过去，延展性被视为评估部件在断裂前能发生多少塑性变形的标准，然而，仅凭材料具备延展性这一点，并不能确保其具备足够的韧性。

因此，韧性作为衡量材料强度与塑性的综合标准，其优良的材料不仅具备较强的强度，还拥有出色的塑性，这表明它们不仅屈服强度较高，而且延展性也相当出色。

所以，韧性的关键是强度和延展性的良好结合。

强度，脆性，延展性，塑性材料的对比

塑料：强度，脆性，延展性，塑性材料的对比

高中低碳钢：强度，韧性，延展性对比

刚度，强度，韧性之间的区别

弹性能和韧性的含义对比

弹性能和韧性的对比

延性和脆性对比

弹性和可塑性的对比

几种材料的弹性能及韧性

几种材料的参数对比：屈服强度，抗拉强度，弹性模量及价格

在应力-应变曲线的观察中，当纵坐标与横坐标均较大时，材料的韧性表现最为出色。若要提升纵坐标所代表的应力值，则需具备较高的强度；而横坐标的增大则意味着良好的塑性。因此，若一材料同时具备优异的强度和塑性，其韧性也必然十分出色。

然而，在材料的微观结构层面，提升材料的强度与塑性往往存在冲突。为了增强强度，我们期望原子间的相互作用力尽可能强，然而，若要提升塑性，却又不愿原子间的力过强。因此，如何在提升材料强度与塑性的同时取得平衡，成为了材料科学领域持续面临的重大难题。

11.蠕变（Creep）：

蠕变的三个阶段

蠕变应力应变曲线

温度对蠕变的影响

蠕变曲线显示，在170 N/mm2的应力水平及400°C的温度条件下，该材料经过10000小时的持续作用，其塑性变形量达到了1%。在500°C的高温环境中，该材料能够持续承受74 N/mm2的应力，这样的负荷能力可以维持长达10000小时，直至材料发生破裂。

12.疲劳（Fatigue）：

疲劳测试试验台

应力周期中，σm代表的是应力平均值，σa则代表应力的波动范围，σmin指的是应力中的最小值，而σmax则表示应力中的最大值。

加载条件：应力比R=σmin/σmax

疲劳周期曲线，Nf表示疲劳寿命，σf表示疲劳极限

疲劳曲线

平均应力对疲劳寿命的影响：平均应力越大，寿命越小

体心立方材料有耐疲劳性能，面心立方材料没有耐疲劳性能

疲劳断裂应力机理

13.可加工性（Machinability）：

提高可加工性的一些添加元素

（1）钢材

（2）不锈钢

（3）铝

（4）热塑性塑料

（5）复合材料

复合材料的加工性能普遍较差，这主要是因为它们将塑料树脂的低导热性能与陶瓷材料的高硬度和耐磨特性相结合。

不锈钢，工具钢及铝合金的可加工性：分数越大越容易加工

碳钢和合金钢的可加工性