强度、刚度、硬度、挠度、延伸率、断面收缩率、弹性、韧性、刚性和塑性的区别

材料的力学性能是指材料在外力（如载荷、温度变化等）作用下表现出的变形和破坏特性。这些性能是材料设计和工程应用中的核心参数，直接影响材料的使用寿命、安全性和可靠性。

材料的性能特质大概包含强度、刚度、硬度、挠度、延伸率、弹性、韧性、刚性和塑性等，本文通过介绍每一项的定义、特点、应用场景及核心区别。

01 强度/Strength

• 定义：强度是指构件抵抗破坏的能力，或材料抵抗永久变形或断裂的能力。

低碳钢的应力-应变曲线

• 性能参数：

屈服强度（Yield Strength）：对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限。通常就把下屈服极限称为屈服强度。

上图δc为材料的屈服强度。

抗拉强度（Tensile Strength）：表示材料对最大均匀塑性变形的抗力，材料在拉伸破坏之前能承受的最大应力。

上图δe为材料的抗拉强度。

材料强度是材料科学和工程中的核心概念，指材料在受力时抵抗破坏（如断裂、变形等）的能力。其应用几乎渗透到所有工业和科技领域。主要包含： 建筑工程、机械制造、航空航天、汽车工业、电子工业、医疗器械等领域。

02 刚度/Stiffness

• 定义：刚度是材料或结构在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
• 性能参数：刚度越高，材料在相同外力下的变形越小。刚度与材料的弹性模量密切相关，弹性模量（如杨氏模量E）是材料本身的属性，反映其内在抗变形能力。

弹性模量：弹性模量定义为应力与应变的比值。

弹性模量是材料科学和工程设计中不可或缺的参数，直接决定了材料在受力时的变形特性。理解不同模量的含义及应用场景，有助于合理选材并优化结构设计。

• 类型：刚度根据变形模式可分为拉伸刚度、弯曲刚度、剪切刚度、扭转刚度。

刚度是确保工程结构功能与安全的关键属性。不足的刚度会导致过大变形，影响精度或引发失效。设计时需综合材料选择与几何优化，平衡刚度与其他性能（如强度、重量）。理解刚度与强度的区别，有助于合理选材，提升设计可靠性。

03 硬度/Hardness

• 定义：材料表面抵抗局部压入或划痕的能力。
• 类型：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV）。
• 特点：硬度高通常耐磨性好（如钻石硬度极高），但与强度无直接对应关系。
• 物理意义：硬度反映材料表面对外力作用的抵抗能力，尤其在接触应力下的表现。高硬度材料通常耐磨性强，但可能伴随脆性增加。硬度测试在材料选择、质量控制及工艺优化中至关重要。

硬度是材料综合性能的体现，需结合具体应用场景选择合适的测试方法。理解硬度与材料成分、工艺及性能的关系，有助于优化材料设计与工程应用。例如，选择齿轮材料时需平衡高硬度与抗疲劳性，而橡胶密封件则需通过邵氏硬度确保弹性。

04 挠度/Deflection

• 定义：挠度（Deflection）指结构构件（如梁、板、柱等）在外力（荷载）作用下发生的弹性位移。例如，桥梁在车辆经过时会向下弯曲，这种弯曲的垂直位移即为挠度。
• 计算公式：

挠度计算取决于荷载类型、边界条件（支承方式）及材料特性。

简支梁受集中荷载：

• 影响因素：

荷载大小：荷载越大，挠度越大。

材料性质：弹性模量 𝐸E 高的材料（如钢）挠度更小。

截面特性：截面惯性矩 𝐼I 越大（如增加梁的高度），挠度越小。

支承条件：两端固定的梁比简支梁挠度小。

跨度：跨度 𝐿L 增加会显著增大挠度（与 𝐿3L3 或 𝐿4L4 成正比）。

• 物理意义：挠度反映了结构的刚度：刚度越大，抵抗变形的能力越强，挠度越小。

过大的挠度可能导致：结构功能失效（如机床主轴变形影响精度）；非结构构件损坏（如墙体开裂）；使用者不适（如楼板晃动明显）。

05 延伸率/Elongation

• 定义：延伸率指材料在拉伸断裂后，标距部分的伸长量与原标距长度的百分比，计算公式为：

其中，L₀为原始标距长度，L_f为断裂后标距长度。

• 特点：

标距依赖性：延伸率受试样标距长度影响。例如，短标距试样的延伸率通常高于长标距试样（如5倍直径与10倍直径试样）。

变形类型：包含均匀变形和局部颈缩变形，颈缩现象在塑性材料中显著。

• 应用：反映材料整体延展性，适用于评估材料在均匀变形阶段的塑性能力。

06  断面收缩率/Reduction of Area

• 定义：断面收缩率指材料断裂后，横截面积减少量与原面积的百分比，计算公式为：

其中，A₀为原始横截面积，A_f为断裂后最小横截面积。

• 特点：

标距无关性：仅关注断裂处局部变形，不受试样标距长度影响。

测量难点：需精确测量断裂后不规则截面积，可能对脆性材料（如铸铁）不敏感。

• 应用：反映材料局部塑性变形能力，尤其在颈缩阶段的性能。

07 泊松比/Poisson’s ratio

• 定义：泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值；也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数 。
• 公式：杆件受拉伸或压缩载荷，应力不超过比例极限时，横向应变 ε′ 与轴向应变 ε 之比的绝对值是一个常数，可表示为：

由于横向应变与纵向应变符号相反（如拉伸时纵向伸长、横向收缩），公式中引入负号使泊松比为正值。

• 物理意义

泊松比反映了材料在受力时的多维变形特性：

ν ≈ 0.5：材料近似不可压缩（如橡胶），体积几乎不变（横向收缩显著）。

ν ≈ 0：材料在拉伸/压缩时横向几乎不变形（如软木塞）。

ν < 0（拉胀材料）：拉伸时横向膨胀，具有特殊结构（如蜂窝材料），应用于减震、吸能等领域。

08 弹性/Elasticity

• 定义：材料在卸载后恢复原始形状的能力。ab段为弹性段。

• 核心指标：弹性极限（材料能完全恢复的最大应力）。
• 特点：弹性变形可逆（如橡皮筋拉伸后回弹）。

09 韧性/Toughness

• 定义：材料在断裂前吸收能量的能力（需兼具强度与塑性）。
• 核心指标：冲击韧性（单位体积吸收的能量）、断裂韧性（抗裂纹扩展能力）。
• 特点：韧性好的材料抗冲击（如防弹玻璃），脆性材料（如陶瓷）反之。
• 应用：安全头盔、防撞结构需高韧性。

10 刚性/Rigidity

• 定义：结构整体抵抗变形的能力，结合材料刚度和几何形状（如截面尺寸）。
• 特点：与刚度不同，刚性强调结构的综合抗变形能力（如铝梁加粗截面可提升刚性）。
• 应用：建筑框架需高刚性以维持整体稳定性。

11 塑性/Plasticity

• 定义：材料在超过弹性极限后发生永久变形而不断裂的能力。
• 核心指标：延伸率（拉伸后长度变化百分比）、断面收缩率。
• 特点：塑性变形不可逆（如金属冲压成型）。
• 应用：金属加工（锻造、冲压）依赖塑性