机械工程师必须牢记于心的13大材料性能
机械工程师必须牢记于心的13大材料性能
机械工程师在工作中需要掌握多种材料性能，以确保设计和制造的可靠性。本文将详细介绍13大材料性能，重点讲解应力和应变、强度、刚度等基本概念，并通过图表进行直观说明。
应力和应变
在讨论13大材料性能之前，有必要先了解最基本的应力应变曲线。以低碳钢为例，这是一种典型的可延展材料，其拉伸试验的变形和拉力关系曲线如下：
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
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
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
1. 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。
2. 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。