刚度，强度，硬度，韧性有什么区别？机械工程师必须熟知的13大材料性能

公众号：罗罗日记

今天日记有点长，我们直入主题。

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：

我想，在说这13大性能之前，还是有必要说一下最基本的，也就是应力应变曲线。

低碳钢是典型的可延展材料，做拉伸试验时，会有如下的变形和拉力关系曲线。

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:应力应变区域图，应变在Aut之前是均匀塑性变形，在Aut之后开始出现缩颈

图4：应力应变阶段图，从左到右依次经过比例极限，屈服点，抗拉强度，断裂。 从屈服点到抗拉强度之间的塑性变形又叫应力硬化，抗拉强度之后的变形因为是不均匀变形，所以叫缩颈。

图5：应力应变区域及阶段图，蓝色区域是弹性变形区域，黄色区域是塑性变形区域。 变形过程依次经过：比例极限A（胡克定律适用于此点之前的变形），弹性极限B／屈服点，低屈服点C，抗拉强度D，断裂点E。

从图1可以看到，伸长量和拉力的关系，跟材料的截面和初始长度有关。

但是换算到应力和应变的关系后（图2），曲线就变得和几何尺寸没有关系了。

应力＝力／截面积，应变＝变形量／原长。

从图4和图5可以看出，随着应变的增加，材料依次经过：比例极限，屈服点，抗拉强度，断裂点。

比例极限点之前的变形，即线弹性变形阶段，胡克定律适用，此后胡克定律不适用。

屈服点，也叫弹性极限，材料屈服点之前的变形，可以完全恢复，经过屈服点后，材料的变形不可恢复。

把可以恢复的变形称为弹性变形，不能恢复的变形称为塑性变形。

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

强度（Strength）：

强度是指材料抵抗永久变形和断裂的能力，即材料破坏时所需要的应力。

它的大小与材料本身的性质及受力形式有关。

根据载荷形式的不同，强度可以分为屈服强度（Yield Strength），抗拉强度（Tensile Strength），抗压强度，抗剪强度，疲劳强度，冲击强度等。

对于可延展材料，抗拉强度也叫极限强度（Ultimate Strength＝US，或Ultimate Tensile Strength=UTS），对于脆性材料，抗拉强度就是材料的断裂强度（关于脆性和可延展性，我们在后面聊）。

工程上使用最多的是屈服强度和抗拉强度。

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

屈服强度：是材料发生屈服时的应力，亦即开始产生明显塑性变形时的最小应力，对于无明显屈服的金属材料，例如高碳钢，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服强度。

大多数金属材料都可以通过加工硬化，合金化，热处理等，来提高屈服强度，以适应不同的应用。

抗拉强度：是材料在拉断前承受的最大应力。 是金属由均匀塑性变形，向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。

对于塑性材料，它表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸部件在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形。

对于没有或只有很小塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。

刚度（Stiffness）：

刚度是指某构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的力，一般是针对构件或结构而言的。

它的大小不仅与材料本身的性质，比如弹性模量有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。

在应力－应变图中，弹性模量指的是弹性变形阶段线段的斜率，即引起单位弹性变形所需要的应力，它用来表征材料的刚性。

弹性模量：比例变形阶段E=σ/ε

刚度在数值上等于使该点产生单位位移所需的力。

比如，结构上某处刚度为100N/mm，则使该处产生1mm位移就需要100N的力。

刚度在工程实践中，是经常用到的概念，它和精度，结构的动态性能等息息相关。

例如，机床主轴要有足够的刚度，以便在切削、加工时，径向受力变形极小，从而保证加工尺寸精度、形状精度等。

再比如，悬臂机械手臂，也要求有较好的刚度，这样才能保证末端执行机构在取放物料时，不会引入过大的误差，包括静态和动态误差。

提高刚度的措施有：提高截面尺寸面积，合理的支撑和跨度。 截面形状的优化，材料调质热处理等。

强度和刚性的区别：

强度和刚性的区别

为了形象地理解强度和刚性的区别，举个玻璃和弹簧的例子，如上图。

玻璃在外力作用下，不容易变形，但是容易碎掉，所以它刚性大，但强度低。

弹簧在外力作用下，容易变形，但是不容易破坏，所以它强度高，但是刚性差。

弹性（Elasticity）：

材料受外力之后，会发生变形。

其变形可分为弹性变形和塑性变形。

弹性变形的含义是，虽然在外力作用下材料发生形变，但是当外力除去后，形变可以恢复。

塑性变形则恰恰相反：在外力作用下材料发生形变，即使当外力除去后，形变也无法恢复。

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

在外力作用下，材料首先发生弹性变形，但是当外力超过一定限度后，就会发生塑性变形。

这个外力限度，对应着应力－应变图中的屈服极限，当载荷所引起的应力超过屈服强度，材料就会发生塑性变形。

材料弹性好，这个限度值就大，弹性不好这个限度值就很小。

材料在外力作用下，不发生塑性变形的能力就是弹性。

可塑性（Plasticity）：

可塑性定义为，材料在外载荷作用下，经受一定程度的永久变形，而不会破裂或破坏的能力。

当材料受力超过弹性范围时，就会出现塑性变形。

对于金属材料，仅在小于约0.005的应变下发生弹性变形，此后就会发生塑性变形，即不可恢复原来形状的变形，此时应力－应变的胡克定律不再有效。

在原子水平上，塑性变形是由滑移引起的，其中位错运动破坏了原子键，并形成了新的键。

塑性变形示意图

材料的这种特性，在成型，挤压以及许多其他热加工，或冷加工过程中很重要。

可塑性通常用伸长率，或者断面收缩率来表示。

该性质通常随着材料温度的升高而增加。

比如粘土，铅等材料在室温下具有可塑性，而钢在锻造温度下才有可塑性。

低碳钢可塑性好，一般通过冲压、拉拔、搓滚加工。

提高塑性能力一般是退火热处理。

硬度（Hardness）：硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力。

在大多数情况下，局部变形是由于机械压痕或磨损引起的。

所以，这个性质通常包括很多含义，比如材料抵抗刮擦，切割，磨损，压痕，渗透等的能力。

直观地理解，硬度就是一种金属去切割另一种金属的能力。

更硬的金属，通常可以切更软的金属，或者可以在更软的金属表面做压痕。

例如，刀具硬度高，才能切削金属材料。

如果材料非常硬（淬火后），就需要磨削加工了，因为砂轮的磨料（磨粒）硬度更高。

提高金属材料的硬度，可以用淬火，低碳钢需要渗碳淬火（表面硬），中碳钢、高碳钢可以直接淬火。

常见的硬度测试方法有四种：

（1）布氏硬度测试

在设定的时间内，以恒定的作用力，将硬质合金球压入测试材料的表面，测量压痕直径，换算得到压痕表面积，然后用力除以压痕面积，得到布氏硬度值。 此法是第一个广泛应用于金属硬度测试的方法，但会留下较大压痕，且测试时间长，实用于粗糙表面测量。

布氏硬度测试方法

布氏硬度表示方法

（2）洛氏硬度测试

用锥角为120度的金刚石压头，或球形压头，以不同的力，分阶段性压入被测表面，测量压入深度，并以此来表示硬度的大小，压入越深，表示硬度越小。

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

和布氏硬度测试方法雷同，只不过维氏测试压头，是夹角为136°的金刚石正四棱锥。 通过测量压痕对角线的长度，计算压痕表面积，再用力除以表面积，得到硬度值。 用于较小或较薄的材料测试。

维氏硬度测试方法

维氏硬度表示方法

（4）努氏硬度测试

该过程与维氏硬度测试相同，但使用菱形压头和显微镜测量系统测量压痕长，宽，深等信息。 努氏硬度测试，适用于载荷小于或等于1kgf的小而薄的零件。

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：

对于金属，硬度和强度通常彼此相关，硬度越高，强度越大，有研究结果显示，对于合金钢，抗拉强度和布氏硬度之间有如下的关系：TS(MPa) = 3.45 × HB。

硬度和抗拉强度的关系

但是它们确实是材料的不同属性。 例如，玻璃具有高硬度，但是强度和韧性非常低，所以容易破裂。

另外，硬度并不能表征材料对冲击力的反应。 比如，即使钻石是最坚硬的材料之一，但用大锤砸钻石，还是很容易将其砸碎。

延展性：

延展性包含延性（Ductility）和展性（Malleability）。

延性（Ductility）：

指的是金属在拉伸应力作用下，可以改变形状，发生塑性变形，而不发生断裂的能力。

简单来说，拉伸延展，是指金属可以拉成细线，例如铜线。

伸长率超过5%的材料称为延性材料，小于5％的材料称为脆性材料。

在工程实践中，通常使用的延性材料包括：低碳钢，铜，铝，镍，锌，锡等。

延性和晶胞结构的关系：面心立方>体心立方>密排六方

展性（Malleability）：

指的是金属在压缩应力作用下，可以改变形状，发生塑性变形而不破坏的能力。

压简单理解，延展是材料在施加压力的情况下，被压成薄片，而不会因热或冷加工手段破裂的能力。

这种性质，允许将材料轧制或锤打成薄片。

在工程实践中，通常使用的展性材料是铅，软钢，锻铁，铜和铝。

延展性影响因素：延性取决于材料的晶粒尺寸，展性取决于晶体结构。

较小的晶粒尺寸，因为阻力大，而使晶粒位错运动更困难，所以，延性降低，反之亦然，晶粒较大时，延性变高。

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

大多数延性金属，也具有展性。

例如金和银，是延性和展性最好的两种金属。

但是，并不是所有金属，都展示出两种延展性。

例如，金有很好的延展性，这也是为什么，金在珠宝中很流行，可以做成各种形状。 但是铅和铸铁，展性很好，但是延性很差。

其他有很好延性的金属，比如金，银，铁，铜，铝，锡和锂。 但是，锑和铋展性就差，因为施加压力时，它们的原子不会排列在一起，因此，材料更硬，更脆。

纯度也会影响延展性，因为成分不纯，所以合金有很高的延展性。

大多数金属，随着温度的增加， 延展性也增加，但是铅和锡则刚刚相反，随温度的增加延展性降低。

延性和展性对比

脆性（Brittleness）：

材料在外力作用下（如拉伸、冲击等），仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

脆性是和延展性相反的特性。

脆性材料在承受拉伸载荷时，会突然断裂而不会产生任何明显的伸长率。

负载行为下，伸长率小于5％的材料被称为脆性材料，例如玻璃，铸铁，黄铜和陶瓷等。

延性材料和脆性材料应力应变图

金属材料在低温下容易致脆，即所谓的“冷脆”现象，如碳钢，电影中常见使用液氮冷却金属后开锁，就是应用的这个原理。

另一个很流行的例子，是对泰坦尼克号沉没原因的猜测：有许多推测沉船的原因，其中有一个原因是冷水对船体的影响，天气太冷，达到了金属由延性向脆性过渡的温度Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT)，从而增加了金属的脆性，并使其更易于损坏。

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

延展性是用于建造反应堆部件（例如反应堆容器）的钢的基本要求。 因此，DBTT在这些容器的操作中具有重要意义，在这种情况下，晶粒的尺寸决定了金属的性能。

例如，较小的晶粒尺寸会提高抗拉强度，但这往往会增加延展性并导致DBTT降低。 晶粒大小在反应堆容器的规格和制造中通过热处理来控制。 还可以通过在低碳钢中少量添加某些合金元素（如镍和锰）来降低DBTT。

韧性（Toughness）：

韧性的含义是，材料在实际断裂或破坏发生之前，可以吸收的能量的多少，它是材料承受弹性变形和塑性变形的能力。

在应力应变曲线图中，是曲线在断裂点以下与横轴围成的面积，面积越大，韧性越强。

韧性用面积表示＝σε＝(F/S0)*(ΔL/L0)=(F*ΔL)/(S0*L0)=W/V=能量／体积

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

金属材料在冲击力的作用下，抵抗破坏的能力叫冲击韧性，也叫冲击强度。

例如，如果将负载突然施加到一块低碳钢板和一块玻璃上，那么在发生故障之前，低碳钢将吸收更多的能量，所以低碳钢比玻璃更有韧性。

韧性的测试方法是用摆锤法，把摆锤放在初始高度H，然后放下让摆锤敲击试样，最后能够到达的高度为h，由摆锤的能量损失可以计算出材料的韧性K＝mg(H-h)。

一般地，强度高，伴随着硬度高，即材料“发脆”，容易发生脆性断裂，不耐冲击。 提高韧性的热处理方法，中碳钢可以调质处理。 低碳钢渗碳淬火。

弹性能／弹性比功（Resilience）：

为了了解弹性能，我们以弹簧为例。

在弹簧上施加一些载荷，使其变形并在其中存储一些能量，如果我们移除了该载荷，弹簧就恢复了其原始形状。

所以，弹性能是材料在发生弹性变形时吸收能量，并在卸载时返回能量的能力。

材料的这种特性在制造减震器，以及弹簧时很重要。

在应力－应变曲线图中，材料的弹性能，用弹性区域下方的面积表示。

弹性能/弹性比功

如果用E表示材料的弹性模量，S0表示材料的弹性极限（胡克定律的极限应力）， Ur表示弹性能。

那么，有如下的弹性能计算公式：Ur＝S0^2/(2E)。

通过此式可见，要想提高弹性能，需要提高材料的弹性极限S0，这也是为什么，在制造弹簧的时候，热处理非常重要，因为它可以提高弹性极限，进而提高应变能。

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：

材料抵抗外力不断裂的能力叫强度，强度越高抗力越大，例如钢，陶瓷。

材料在外力作用下，会发生变形，先发生弹性变形，再发生塑性变形，最后断裂。

弹性变形就是去掉外力后，还能恢复到原来形态，塑性变形就是去掉外力后，不能恢复到原来状态。

如果是受拉力作用，尺寸会增大，受压，尺寸会变小，整个塑性变形阶段增大的尺寸，与原来尺寸的比值就是延展性，而塑性变形阶段消耗的能量就是韧性。

塑性好，延性也好，他们表达的是一个意思，都表示材料塑性变形能力。

塑性好，就能承受很大的变形而不断裂，如铜，橡皮泥，但强度不一定高。

弹性好，就是弹性变形能力强，例如橡胶，橡皮筋等。

同样是描述材料变形能力的，但是弹性好，强度也不一定高，即承受的外力不一定很大，比如橡胶很容易在局部压坏。

材料从抵抗外力到断裂过程中，消耗掉的能量就是韧性，该定义的重点应放在断裂前吸收能量的能力上，包括了弹性变形阶段和塑性变形阶段的共同消耗的能量，韧性越好，从外力作用到断裂过程消耗的能量越多。

回想一下，延展性是衡量某些部件在断裂之前发生塑性变形的量度，但是仅仅因为材料具有延展性并不能使其坚韧。

所以，韧性是体现材料强度与塑性的一个综合指标，韧性好的材料，有着较高的强度和较好的的塑性，可以认为是有着较高的屈服强度，同时又有较高的延展性。

所以，韧性的关键是强度和延展性的良好结合。

强壮（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

弹性能和韧性的含义对比

强度，刚度，韧性之间的区别

弹性能和韧性的含义对比

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

从应力-应变曲线上说，纵坐标和横坐标都大的情况下，韧性最好，纵坐标（应力）要想增大，就是要强度高，横坐标增大就是塑性好，因此，可以说如果一个材料的强度和塑性都好，那么它的韧性肯定非常好。

但是从材料微结构上来讲，同时增加材料的强度和塑性是一个矛盾体，要想提高强度，希望原子间的结合力越大越好，但是要想增加塑性，反而不希望原子力太大，因此，如何同时提高材料的强度和韧性，是材料界始终面临的最大挑战。

蠕变（Creep）：

当金属零件在高温下，长时间承受恒定应力时，它将经历缓慢且永久的变形，称为蠕变。

因此，蠕变是金属在恒定应力下的缓慢塑性变形，在静应力下会发生蠕变并导致破坏，此应力远小于通过快速加载而使样品失效的应力。

也就是说，即使初期应力很小，但是在高温下，经过长时间的暴露，材料抵抗破坏的能力下降。

在设计内燃机，锅炉和涡轮机时会考虑此属性。

蠕变分为三个阶段。

第一阶段，材料迅速伸长，但伸长速度降低。

第二阶段，伸长率是恒定的。

第三阶段，伸长率迅速增加，直到材料断裂。

蠕变的三个阶段

蠕变应力应变曲线

温度对蠕变的影响

蠕变图：Rp1/10,000h/400°C＝170 N/mm²表示材料在170 N /mm²的应力，和400°C的温度下，承受10000小时，塑性伸长1％。 Rm/10,000h/500°C＝74 N /mm²意味着该材料在破裂之前，可以在500°C的温度下，承受74 N /mm²的应力共10000小时。

蠕变速率是材料应力值、温度和暴露时间的函数。

在高温下会发生相当大的蠕变变形，从而导致机器和结构损坏。

因此，在高温下工作的热交换器，蒸汽锅炉和加压高温管道，喷气发动机和其他负载设备的设计和操作中，应考虑到这种现象。

软金属（铅，锡）在室温下可能会蠕变。

在室温下，在低于屈服点的任何应力下，蠕变都可以忽略不计。

但在高温下，机器和结构设计中，需要考虑蠕变强度。

使用具有大晶粒的金属可以减少蠕变，因为发生的晶界滑动较少，另外添加特定合金元素的合金，比如基于钴、镍和铁的合金，可以消除微结构空位，从而避免蠕变。

疲劳（Fatigue）：

承受交变载荷的零件，工作时的应力小于屈服极限，但是经过一定的周期次数后发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。

当应力小于某值时，材料在无限多次交变载荷作用下，也不会产生破坏，称这时的压力为疲劳强度或疲劳极限。

疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。

据统计，在机械零件失效中，大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。

所以对于轴、齿轮、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件，要选择疲劳强度较好的材料来制造。

疲劳测试试验台

应力周期：σm表示平均应力，σa表示应力幅，σmin表示最小应力，σmax表示最大应力

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

可加工性（Machinability）：

可加工性是指金属等材料，易于切割，钻孔，研磨，成形等。

具有良好可加工性的材料，可以用相对较小的功率和低成本进行切割，不会过多地消耗刀具。

通常硬度，抗拉强度，微观结构，化学成分，刀具参数（刀具几何参数，材料，寿命等），切削参数（切削速度，进给量，切削液等），固定方式等都会影响加工性。

比如常用的铝材AL6061-T6，比较软，容易切削和钻孔。

再比如304不锈钢，加工时粘刀具，它的加工性就不如303不锈钢（与AISI304相比，AISI303添加了硫和磷）。

提高可加工性的一些添加元素

合金元素的存在，对可切削性的影响，远大于硬度对可切削性的影响。

比如，少量的硫和铅合金元素（小于0.2％），可以改善可切削性，而机械性能没有明显变化。 虽然从历史上看，硫和铅一直是最常见的添加剂，但是由于环境原因，铋和锡越来越受欢迎。

这些添加剂，可以通过润滑刀具的切削界面，降低材料的剪切强度或增加切削的脆性来起作用。

另外，粗晶粒钢比细晶粒钢具有更好的切削加工性，因为细晶粒将具有更好的强度和硬度。

耐热钢和高温合金通常显示出差的可加工性，因为导热系数低，会在切削区域积聚热量，最终会降低刀具寿命。

下面是一些常用材料的可加工性：

（1） 钢材

钢中的碳含量极大地影响了其机械加工性。

高碳钢很难加工，因为它们坚韧并且可能包含碳化物，钢中存在的硬质合金会磨损切削刀具。

另一方面，低碳钢太麻烦了，因为它们太软了，低碳钢会“粘”在切削刀具上，导致废削堆积，缩短了刀具寿命。 因此，中碳钢（碳含量约为0.3％）是最佳切削性能的选择。

铬，钼和其他合金元素通常添加到钢中以提高强度。 但是，大多数这些元素会降低可加工性。 如果存在夹杂物（氧化物），则会降低其切削性。

（2）不锈钢

与普通碳钢相比，不锈钢的可加工性较差，因为它们更坚硬，更粘刀具，并且往往会非常快速地硬化。

稍微硬化钢可以降低其胶粘性，使其更容易切割。

由于添加了硫和磷，AISI303和AISI416更易于加工。

（3）铝

虽然较软的材料往往会形成废屑的堆积，从而导致较差的表面光洁度，但是软材料，比如铝，通常也更容易加工。

为了获得适当的切削性，可以使用高切削速度，高前角和高后角。

铝合金2007、2011和6020具有特别好的切削性。

（4）热塑性塑料

热塑性塑料难于加工，因为它们的导热系数很差。

这会在切削区域中积聚热量，从而降低刀具寿命，并局部熔化塑料。

（5）复合材料

复合材料通常具有最差的可加工性，因为它们结合了塑料树脂的差导热性和陶瓷的坚硬耐磨性。

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

塑料的可加工性

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