理解材料力学性能：强度、硬度、韧性、脆性

 

在结构工程中，当我们为一个项目或者产品筛选合适的材料时，如何取舍显得非常重要，选用这种材料，不用那种材料，都要依据材料的力学性能作为依据，本文就带大家认识基本的材料力学性能：强度、硬度、韧性、脆性。

知识学习以概念为起点的，概念是最小的知识单位。理解一件事情，一门学科，就要理解很多基本概念。因此，学习材料的力学性能，我们要先把相关的核心概念理解清楚，这个概念表述的是什么。有了这个起点，后面的就容易很多了。

为了更好地帮助大家理解这些力学性能，下面小编选取了日常工作或生活中常见的10个动图场景做为参照，进一步描述了它们的基本特征，快快传给你的朋友们互相学习吧。

材质要能经得起应用场景中受力的考验，不弯、不断、不碎、不变形。

较硬的材质一般更抗刮擦，耐用，抗撕裂和压痕。

刚度好的材料不容易发生形变。

柔度大，变形就大，构件的稳定性就差。

疲劳度高的材料质量好，使用时间更长。

材质的抗拉伸、抗冲击能力，韧性越好，发生脆性断裂的可能性越小。

与韧性相反，脆性越大，材料在出现很小的形变时就会损坏。

材质吸收受力、能在不同方向弯曲并且能够恢复到原来的状态能力。

长度方向上的受力变形能力，对于抗震结构，宜采用延性性能好的材料。

了解了基本概念和特征之后要明白它们之间的联系和区别，以便于深刻理解材料或构件的性质，更好地将它们应用到实际的生产生活中。

首先不一样材料的特长是不一样的，一般情况下，材料学中的陶瓷硬度高，金属强度高，高分子塑性好等等，这些都是因为他们的材料结构（从微观到介观）不同。

强度指的是，材料最大能够承受多大力。塑性指的是材料最大可以变形的百分比。比如说有一根钢条，如果它可以承受最大的力是100Mpa，即它的强度是100Mpa。在受力100Mpa情况下，它变形了20%就断了，那么它的塑性就是20%。

工业上，典型的需要高强度高塑性的场合，就是汽车的结构件。一方面，我们希望它能承受更多的力，另外一方面，我们又希望汽车发生碰撞的时候，结构件能够有很大程度的变形，从而吸能，保护乘客安全。比如说，我们希望汽车的结构件可以承受2000Mpa的压力，同时最大可以变形60%而不发生断裂。（吸收的能量=结构件的受力x结构件的变形程度），事实上这就是韧性。韧性指的就是材料在变形当中吸收的能量，通常我们用拉伸实验图中，曲线下面的积分来代表，也就是面积。如下图所示）

一般来说，材料的强度和塑性不可兼得，二者犹如一个硬币的两面：强度的提高通常会导致塑性的降低。研究表明，金属材料的塑性变形通常是由位错滑移实现的。加工硬化过程中，金属发生塑性变形，晶粒滑移，出现位错的缠结，使得晶粒拉长、破碎和纤维化，阻止其进一步变形，进而失效断裂。

弹性很简单，在撤销外力后变形能够完全恢复；塑性是指材料发生了塑性变形，撤销外力后变形不能完全恢复，有残余的塑性变形。例如，评价钢材的塑性用伸长率指标，钢材试件在拉断后，弹性变形会恢复，而残余的是塑性变形，所以伸长率就能用来评价钢材的塑性变形能力。

延性是指结构或构件在达到我们所认为的破坏状态后还能继续承载直到达到极限承载力，脆性是指结构或构件没有任何征兆的破坏。所以，脆性破坏比延性破坏严重。

首先三者都是衡量变形程度的概念。刚度是弹性阶段的荷载/位移的值，就是EI，衡量软硬程度；延性和塑性是非弹性阶段的变形，延性系数可以定量计算，塑性是一个定性的概念。

材料从抵抗外力到断裂过程中消耗的能量就是韧性，包括弹性变形段和塑性变形段共同消耗的能量。同时增加强度和塑性对韧性的提高作用最大，但是增加强度和增加塑性是一个矛盾的事情。

韧性指的是材料从受力到断裂的过程所吸收的能量，使材料发生断裂消耗的能量越大，韧性越好。消耗能量意味着体系外要对材料做功，则表示需要有力和位移(形变)。承受应力的能力用强度来表征，形变的能力用塑性来表征。所以韧性好的材料具有好的塑性。韧性和塑性的区别在于材料发生变形时候是否考虑所承受的外加应力。