【机械设计】机械工程师必须牢记于心的13大材料性能
文章来源：
罗罗日记
中国腐蚀与防护网
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: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变硬化（加工硬化），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。
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。
10.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
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。
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。
12.疲劳（Fatigue）：
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
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
机械工程师必须牢记于心的13大材料性能 (360doc.com)
http://www.360doc.com/content/23/1013/12/83260221_1100037806.shtml
-End-
免责声明：本文系网络转载或改编，仅供学习，交流所用，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删。
