强度 vs 刚度 vs 硬度

强度 vs 刚度 vs 硬度

强度、刚度和硬度是机械工程中三个基本但经常被混淆的概念。本文将深入探讨这些属性的差异，帮助读者理解它们在材料选择和产品设计中的重要作用。

关键定义

• 屈服强度：描述表现出弹性行为的材料。这是材料在永久变形之前可以承受的最大拉伸应力。
• 极限强度：失效发生前的最大应力。
• 断裂强度：与发生完全失效时的应力相对应的值。
• 刚度：组件在施加载荷时抵抗弹性变形的方式。
• 硬度：对局部表面变形的抵抗力。

抗拉强度可以根据硬度计算，并且很容易确定，因为硬度测试（例如洛氏硬度测试）易于执行、价格低廉且无损，因为对试样只进行很小的穿透。对于许多金属，抗拉强度随着硬度的增加而增加。

杨氏模量

杨氏模量（又名弹性模量、剪切模量或体积模量）定义了材料在载荷条件下抵抗弹性变形的能力，是法向应力与法向应变的比值。从根本上说，这告诉我们材料拉伸和变形的难易程度。

应力与应变曲线

刚度

刚度是材料在受到力后恢复到其原始形状的能力。强度是指在材料发生塑性变形或断裂之前可以对材料施加多少应力。刚度和弹性模量是相关的：随着弹性模量的增加，材料的刚度也会增加。由于刚度和强度与材料的弹性模量有关，因此您可以在材料属性参考手册中查找弹性模量，以确定给定材料的强度和/或刚度。

材料的刚度可以通过应力-应变曲线的斜率来量化，如下图所示。根据您的应用，需要考虑多种类型的刚度，包括：拉伸/压缩刚度、轴向力比、轴向线性应变 （EA）、扭转刚度、弯曲刚度、梁刚度、弹簧刚度和剪切刚度。一般而言，材料的刚度是使用以下公式计算的：刚度= 力/位移

应力-应变显示非弹性区域

上图所示的杨氏模量应力-应变曲线是以图形方式显示刚度的好方法。应力与应变的比值是弹性模量（刚度），但材料对应力的响应方式，只有应力才能定义材料的强度。

强度

强度衡量材料在发生永久变形或断裂之前可以承受的应力。抗拉强度和硬度都是金属抗塑性变形的指标。根据您的应用，有多种类型的强度值得考虑，包括极限抗拉强度与屈服强度。极限抗拉强度是材料在失效或断裂之前可以承受的最大应力（这是上图中的失效点）。屈服强度是材料在发生塑性变形之前可以承受的最大应力（这是上图中的屈服点）。

硬度

硬度是衡量材料承受塑性变形的能力或材料对尖头工具渗透的抵抗力的指标。在两种材料相互撞击的应用中，这是一个需要考虑的关键特性——较硬的材料会划伤另一种材料或导致其发生塑性变形。硬度取决于延展性、塑性、应变、强度、韧性、粘度和粘弹性。在考虑耐磨性（零件的耐磨性或耐侵蚀性）时，这是一个重要的衡量标准，因为较硬的材料通常具有更高的耐磨性。

硬度测试是通过将带有硬质（通常是金刚石）尖端的探针以设定的力降低到材料上并测量探针（压头）产生的压痕量（塑性变形深度）来完成的。硬度计还通过测量压头留下的压痕大小来操作。

了解应力和应变

应力是由施加的载荷产生的内力;它作用于机械或结构部件的横截面。应变是每当施加力时发生的物体形状或大小的变化（变形）。有两种类型的应变对应于这两种类型的应力：

• 正向应变：垂直于横截面发生的变形;正常应变是由正常应力引起的
• 剪切应变：平行于横截面发生的变形;剪切应变是由剪切应力引起的

轴向载荷、剪切应力、扭转应力和弯曲应力

左上角：引起拉伸或压缩的轴向载荷。右上：杆件内的剪切应力。左下角：围绕圆形横截面的扭转应力。右下：由力矩引起的弯曲应力。

示例：强度与刚度

为了进一步理解力量和刚度之间的区别，让我们回到我们最初是如何或可能被教导力量和刚度的基础知识的。利用以下示例和可下载的计算器作为思维练习，以加深您对刚度与强度概念的理解。

光束偏转

下图是梁承受荷载的有限元分析（FEA）渲染。梁对荷载的响应是由内部弯曲和剪切应力引起的挠度。如果内应力超过梁材料的屈服强度，则需要具有较高杨氏模量值的材料，即具有更高刚度（抗变形）和更高屈服强度（防止永久变形和可能的断裂）的材料。

直杆件的轴向载荷 – 刚度

为了进一步理解刚度，让我们考虑一个受拉的金属棒，承受轴向载荷（弯矩）。当金属在 100 lbf 处断裂时，内应力会导致金属变形 1% 的原始长度。

接下来，考虑一种类似橡胶的棒状聚合物，它受到相同的力，但变形为原始长度的 5%，并在 100 lbf 时断裂。两种材料的强度相同，但金属比聚合物更硬，这意味着在相同的负载条件下，它的偏转较小。这种思维推断是表明随着刚度的增加，给定载荷的变形量减小的好方法。

抗拉强度试验

热应力

热应力还会影响已经受到一定力的部件的变形响应，热应力会影响材料的强度。考虑一个案例，一个施加力的棒材也暴露在温差下，导致杆件内部的温度梯度，从而产生热应力;热应力会给作用在其上的力已经施加的应变引起额外的应变。例如，金属在加热时膨胀，在冷却时收缩，这会对材料施加压力，并且当与负载产生的任何外部施加的应力相结合时，金属将更快地失效。以下是计算热应力的方法：

上式显示了热应力如何取决于杨氏模量或材料的刚度。通过计算热应力，可以深入了解哪些刚度和强度适合您的设计（假设温差不够大，不会改变材料的微观特性）。在本文热交换器材料选择中了解有关使用热属性进行材料选择的更多信息。

主要收获

在设计过程中正确理解和实施刚度、强度和其他机械性能对于构建高质量产品至关重要。清楚地了解产品的预期用途是选择具有成本效益、安全且具有实现所需性能所需的结构完整性的适当材料的关键。在进行材料选择时，请记住以下几点：

1. 机械强度衡量在元件永久变形或断裂之前可以施加多少应力。
2. 机械工程中的刚度是元件在受到力后恢复其原始形状的趋势的指标。如果您正在寻找一种计算悬臂梁刚度的简单方法，请查看我们的面积惯性矩计算器。
3. 硬度衡量材料对表面变形的抵抗力。
4. 杨氏模量量化了材料在载荷条件下抵抗弹性变形的能力。刚性材料具有较高的杨氏模量，并且在承受弹性载荷时能够保持其形状最小。
5. 极限抗拉强度，简称抗拉强度，是材料在压裂前所能承受的最大拉伸载荷。