剛度,，強(qiáng)度,，硬度，韌性有什么區(qū)別,？機(jī)械工程師必須熟知的13大材料性能

羅羅日記

今天日記有點(diǎn)長,，我們直入主題。

先上圖,，說說這張表里的13個(gè)材料性能,。

其中部分性能我們會頻繁使用到，比如剛度,，強(qiáng)度,，硬度等。

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（由于上傳圖片限制,，大量的圖無法上傳,，如果需要看帶圖的全文,，可以去我公眾號：羅羅日記）

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應(yīng)力和應(yīng)變：

我想，在說這13大性能之前,，還是有必要說一下最基本的,，也就是應(yīng)力應(yīng)變曲線。

低碳鋼是典型的可延展材料，做拉伸試驗(yàn)時(shí)，會有如下的變形和拉力關(guān)系曲線,。

應(yīng)力應(yīng)變階段圖,，從左到右依次經(jīng)過比例極限，屈服點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度，斷裂。從屈服點(diǎn)到抗拉強(qiáng)度之間的塑性變形又叫應(yīng)力硬化,，抗拉強(qiáng)度之后的變形因?yàn)槭遣痪鶆蜃冃危�所以叫縮頸,。

應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域及階段圖,，藍(lán)色區(qū)域是彈性變形區(qū)域，黃色區(qū)域是塑性變形區(qū)域,。變形過程依次經(jīng)過：比例極限A（胡克定律適用于此點(diǎn)之前的變形）,，彈性極限B／屈服點(diǎn)，低屈服點(diǎn)C,，抗拉強(qiáng)度D,，斷裂點(diǎn)E。

從圖可以看到,，隨著應(yīng)變的增加,，材料依次經(jīng)過：比例極限，屈服點(diǎn),，抗拉強(qiáng)度,，斷裂點(diǎn)。

比例極限點(diǎn)之前的變形,，即線彈性變形階段,，胡克定律適用，此后胡克定律不適用,。

屈服點(diǎn),，也叫彈性極限，材料屈服點(diǎn)之前的變形,，可以完全恢復(fù),，經(jīng)過屈服點(diǎn)后，材料的變形不可恢復(fù)。

把可以恢復(fù)的變形稱為彈性變形,，不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形,。

彈性變形，外力卸載后,，變形可以恢復(fù)

塑性變形,，外力卸載后，變形不能完全恢復(fù)

強(qiáng)度（Strength）：

強(qiáng)度是指材料抵抗永久變形和斷裂的能力,，即材料破壞時(shí)所需要的應(yīng)力,。

它的大小與材料本身的性質(zhì)及受力形式有關(guān),。

根據(jù)載荷形式的不同,，強(qiáng)度可以分為屈服強(qiáng)度（Yield Strength），抗拉強(qiáng)度（Tensile Strength）,，抗壓強(qiáng)度,，抗剪強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度,，沖擊強(qiáng)度等,。

對于可延展材料，抗拉強(qiáng)度也叫極限強(qiáng)度（Ultimate Strength＝US,，或Ultimate Tensile Strength=UTS）,，對于脆性材料，抗拉強(qiáng)度就是材料的斷裂強(qiáng)度（關(guān)于脆性和可延展性,，我們在后面聊）,。

工程上使用最多的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

不同載荷形式

壓應(yīng)力及剪切應(yīng)力

簡支梁的彎矩應(yīng)力：中性層兩側(cè)分別受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力

簡支梁的彎曲及剪切應(yīng)力

不同載荷形式簡表

鋁合金的屈服強(qiáng)度,，抗拉強(qiáng)度,，延展性

不銹鋼的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度,，延展性

無明顯屈服現(xiàn)象材料的屈服強(qiáng)度定義

屈服強(qiáng)度：是材料發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力,，亦即開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最小應(yīng)力，對于無明顯屈服的金屬材料,，例如高碳鋼,，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服強(qiáng)度。

大多數(shù)金屬材料都可以通過加工硬化,，合金化,，熱處理等，來提高屈服強(qiáng)度,，以適應(yīng)不同的應(yīng)用,。

抗拉強(qiáng)度：是材料在拉斷前承受的最大應(yīng)力。是金屬由均勻塑性變形，向局部集中塑性變形過渡的臨界值,，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力,。

對于塑性材料，它表征材料最大均勻塑性變形的抗力,，拉伸部件在承受最大拉應(yīng)力之前,，變形是均勻一致的，但超出之后,，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象,，即產(chǎn)生集中變形。

對于沒有或只有很小塑性變形的脆性材料,，它反映了材料的斷裂抗力,。

剛度（Stiffness）：

剛度是指某構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，即引起單位變形時(shí)所需要的力,，一般是針對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)而言的,。

它的大小不僅與材料本身的性質(zhì)，比如彈性模量有關(guān),，而且與構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面和形狀有關(guān),。

在應(yīng)力－應(yīng)變圖中，彈性模量指的是彈性變形階段線段的斜率,，即引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力,，它用來表征材料的剛性。

彈性模量：比例變形階段E=σ/ε

剛度在數(shù)值上等于使該點(diǎn)產(chǎn)生單位位移所需的力,。

比如,，結(jié)構(gòu)上某處剛度為100N/mm，則使該處產(chǎn)生1mm位移就需要100N的力,。

剛度在工程實(shí)踐中,，是經(jīng)常用到的概念，它和精度,，結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能等息息相關(guān),。

例如，機(jī)床主軸要有足夠的剛度,，以便在切削,、加工時(shí)，徑向受力變形極小,，從而保證加工尺寸精度,、形狀精度等。

再比如,，懸臂機(jī)械手臂,，也要求有較好的剛度,，這樣才能保證末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在取放物料時(shí)，不會引入過大的誤差,，包括靜態(tài)和動態(tài)誤差,。

提高剛度的措施有：提高截面尺寸面積，合理的支撐和跨度,。截面形狀的優(yōu)化,，材料調(diào)質(zhì)熱處理等。

強(qiáng)度和剛性的區(qū)別：

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強(qiáng)度和剛性的區(qū)別

為了形象地理解強(qiáng)度和剛性的區(qū)別,，舉個(gè)玻璃和彈簧的例子,，如上圖。

玻璃在外力作用下,，不容易變形,，但是容易碎掉，所以它剛性大,，但強(qiáng)度低,。

彈簧在外力作用下,，容易變形,，但是不容易破壞，所以它強(qiáng)度高,，但是剛性差,。

彈性（Elasticity）：

材料受外力之后，會發(fā)生變形,。

其變形可分為彈性變形和塑性變形,。

彈性變形的含義是，雖然在外力作用下材料發(fā)生形變,，但是當(dāng)外力除去后,，形變可以恢復(fù)。

塑性變形則恰恰相反：在外力作用下材料發(fā)生形變,，即使當(dāng)外力除去后,，形變也無法恢復(fù)。

藍(lán)色區(qū)域是彈性變形區(qū)域,，粉色區(qū)域是塑性變形區(qū)域

彈性變形示意圖,，變形可以完全恢復(fù)

塑性變形示意圖，變形不可以完全恢復(fù)

在外力作用下,，材料首先發(fā)生彈性變形,，但是當(dāng)外力超過一定限度后，就會發(fā)生塑性變形,。

這個(gè)外力限度,，對應(yīng)著應(yīng)力－應(yīng)變圖中的屈服極限,，當(dāng)載荷所引起的應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，材料就會發(fā)生塑性變形,。

材料彈性好,，這個(gè)限度值就大，彈性不好這個(gè)限度值就很小,。

材料在外力作用下,，不發(fā)生塑性變形的能力就是彈性。

可塑性（Plasticity）：

可塑性定義為,，材料在外載荷作用下,，經(jīng)受一定程度的永久變形，而不會破裂或破壞的能力,。

當(dāng)材料受力超過彈性范圍時(shí),，就會出現(xiàn)塑性變形。

對于金屬材料,，僅在小于約0.005的應(yīng)變下發(fā)生彈性變形,，此后就會發(fā)生塑性變形，即不可恢復(fù)原來形狀的變形,，此時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變的胡克定律不再有效,。

在原子水平上，塑性變形是由滑移引起的,，其中位錯(cuò)運(yùn)動破壞了原子鍵,，并形成了新的鍵。

塑性變形示意圖

材料的這種特性,，在成型,，擠壓以及許多其他熱加工，或冷加工過程中很重要,。

可塑性通常用伸長率,，或者斷面收縮率來表示。

該性質(zhì)通常隨著材料溫度的升高而增加,。

比如粘土,，鉛等材料在室溫下具有可塑性，而鋼在鍛造溫度下才有可塑性,。

低碳鋼可塑性好,，一般通過沖壓、拉拔,、搓滾加工,。

提高塑性能力一般是退火熱處理。

硬度（Hardness）：

硬度是材料抵抗局部塑性變形的能力,。

在大多數(shù)情況下,，局部變形是由于機(jī)械壓痕或磨損引起的,。

所以，這個(gè)性質(zhì)通常包括很多含義,，比如材料抵抗刮擦,，切割，磨損,，壓痕,，滲透等的能力。

直觀地理解,，硬度就是一種金屬去切割另一種金屬的能力,。

更硬的金屬，通�,？梢郧懈�軟的金��,，或者可以在更軟的金屬表面做壓痕。

例如,，刀具硬度高,，才能切削金屬材料。

如果材料非常硬（淬火后）,，就需要磨削加工了,，因?yàn)樯拜喌哪チ希�磨粒）硬度更高�?/font>

提高金屬材料的硬度，可以用淬火,，低碳鋼需要滲碳淬火（表面硬）,，中碳鋼,、高碳鋼可以直接淬火,。

常見的硬度測試方法有四種：

（1）布氏硬度測試

在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，以恒定的作用力,，將硬質(zhì)合金球壓入測試材料的表面,，測量壓痕直徑，換算得到壓痕表面積,，然后用力除以壓痕面積,，得到布氏硬度值。此法是第一個(gè)廣泛應(yīng)用于金屬硬度測試的方法,，但會留下較大壓痕,，且測試時(shí)間長，實(shí)用于粗糙表面測量,。

布氏硬度測試方法

布氏硬度表示方法

（2）洛氏硬度測試

用錐角為120度的金剛石壓頭,，或球形壓頭，以不同的力,，分階段性壓入被測表面,，測量壓入深度,，并以此來表示硬度的大小，壓入越深,，表示硬度越小,。

洛氏硬度測試方法

洛氏硬度測試壓頭和讀數(shù)表

洛氏硬度表示方法

（3）維氏硬度測試

和布氏硬度測試方法雷同，只不過維氏測試壓頭,，是夾角為136°的金剛石正四棱錐,。通過測量壓痕對角線的長度，計(jì)算壓痕表面積,，再用力除以表面積,，得到硬度值。用于較小或較薄的材料測試,。

維氏硬度測試方法

維氏硬度表示方法

（4）努氏硬度測試

該過程與維氏硬度測試相同,，但使用菱形壓頭和顯微鏡測量系統(tǒng)測量壓痕長，寬,，深等信息,。努氏硬度測試，適用于載荷小于或等于1kgf的小而薄的零件,。

幾種硬度測試方法對比：

常用的幾種硬度測試

不同的硬度測試歸納

幾種硬度測試的優(yōu)缺點(diǎn)

強(qiáng)度和硬度的關(guān)系：

對于金屬,，硬度和強(qiáng)度通常彼此相關(guān)，硬度越高,，強(qiáng)度越大,，有研究結(jié)果顯示，對于合金鋼,，抗拉強(qiáng)度和布氏硬度之間有如下的關(guān)系：TS(MPa) = 3.45 × HB,。

硬度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

但是它們確實(shí)是材料的不同屬性。例如,，玻璃具有高硬度,，但是強(qiáng)度和韌性非常低，所以容易破裂,。

另外,，硬度并不能表征材料對沖擊力的反應(yīng)。比如,，即使鉆石是最堅(jiān)硬的材料之一,，但用大錘砸鉆石，還是很容易將其砸碎,。

延展性：

延展性包含延性（Ductility）和展性（Malleability）,。

延性（Ductility）：

指的是金屬在拉伸應(yīng)力作用下，可以改變形狀,，發(fā)生塑性變形,，而不發(fā)生斷裂的能力,。

簡單來說，拉伸延展,，是指金屬可以拉成細(xì)線,，例如銅線。

伸長率超過5%的材料稱為延性材料,，小于5％的材料稱為脆性材料,。

在工程實(shí)踐中，通常使用的延性材料包括：低碳鋼,，銅,，鋁，鎳,，鋅,，錫等。

延性和晶胞結(jié)構(gòu)的關(guān)系：面心立方>體心立方>密排六方

展性（Malleability）：

指的是金屬在壓縮應(yīng)力作用下,，可以改變形狀,，發(fā)生塑性變形而不破壞的能力。

壓簡單理解,，延展是材料在施加壓力的情況下,，被壓成薄片，而不會因熱或冷加工手段破裂的能力,。

這種性質(zhì),，允許將材料軋制或錘打成薄片。

在工程實(shí)踐中,，通常使用的展性材料是鉛,，軟鋼，鍛鐵,，銅和鋁,。

延展性影響因素：延性取決于材料的晶粒尺寸，展性取決于晶體結(jié)構(gòu),。

較小的晶粒尺寸，因?yàn)樽枇Υ�,，而使晶粒位錯(cuò)運(yùn)動更困難,，所以，延性降低,，反之亦然,，晶粒較大時(shí)，延性變高,。

面心立方晶胞：有4個(gè)滑移面,，3個(gè)滑移方向

體心立方晶胞：有6個(gè)滑移面,，2個(gè)滑移方向

密排六方晶胞：有1個(gè)滑移面，3個(gè)滑移方向

體心和面心立方晶胞滑移示意圖

晶胞結(jié)構(gòu)和延展性的關(guān)系

大多數(shù)延性金屬,，也具有展性,。

例如金和銀，是延性和展性最好的兩種金屬,。

但是,，并不是所有金屬，都展示出兩種延展性,。

例如,，金有很好的延展性，這也是為什么,，金在珠寶中很流行,，可以做成各種形狀。但是鉛和鑄鐵,，展性很好,，但是延性很差。

其他有很好延性的金屬,，比如金,，銀，鐵,，銅,，鋁，錫和鋰,。但是,，銻和鉍展性就差，因?yàn)槭┘訅毫�時(shí),，它們的原子不會排列在一起,，因此，材料更硬,，更脆,。

純度也會影響延展性，因?yàn)槌煞植患�,，所以合金有很高的延展性�?/font>

大多數(shù)金屬,，隨著溫度的增加， 延展性也增加,，但是鉛和錫則剛剛相反,，隨溫度的增加延展性降低。

延性和展性對比

脆性（Brittleness）：

材料在外力作用下（如拉伸、沖擊等）,，僅產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的性質(zhì),。

脆性是和延展性相反的特性。

脆性材料在承受拉伸載荷時(shí),，會突然斷裂而不會產(chǎn)生任何明顯的伸長率,。

負(fù)載行為下，伸長率小于5％的材料被稱為脆性材料,，例如玻璃,，鑄鐵，黃銅和陶瓷等,。

延性材料和脆性材料應(yīng)力應(yīng)變圖

金屬材料在低溫下容易致脆,，即所謂的“冷脆”現(xiàn)象，如碳鋼,，電影中常見使用液氮冷卻金屬后開鎖,，就是應(yīng)用的這個(gè)原理。

另一個(gè)很流行的例子,，是對泰坦尼克號沉沒原因的猜測：有許多推測沉船的原因,，其中有一個(gè)原因是冷水對船體的影響，天氣太冷,，達(dá)到了金屬由延性向脆性過渡的溫度Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT),，從而增加了金屬的脆性，并使其更易于損壞,。

脆性和延性斷裂對比

延性和脆性失效對比

延性和脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線

泰坦尼克號沉沒及自由號輪船斷裂

延展性是用于建造反應(yīng)堆部件（例如反應(yīng)堆容器）的鋼的基本要求,。因此，DBTT在這些容器的操作中具有重要意義,，在這種情況下,，晶粒的尺寸決定了金屬的性能。

例如,，較小的晶粒尺寸會提高抗拉強(qiáng)度,，但這往往會增加延展性并導(dǎo)致DBTT降低。晶粒大小在反應(yīng)堆容器的規(guī)格和制造中通過熱處理來控制,。還可以通過在低碳鋼中少量添加某些合金元素（如鎳和錳）來降低DBTT,。

韌性（Toughness）：

韌性的含義是，材料在實(shí)際斷裂或破壞發(fā)生之前,，可以吸收的能量的多少,，它是材料承受彈性變形和塑性變形的能力。

在應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中,，是曲線在斷裂點(diǎn)以下與橫軸圍成的面積，面積越大,，韌性越強(qiáng),。

韌性用面積表示＝σε＝(F/S0)*(ΔL/L0)=(F*ΔL)/(S0*L0)=W/V=能量／體積

韌性對比：金屬>陶瓷>增強(qiáng)聚合物

韌性測試方法：K=mg(H-h)

韌性測試試樣

延性試樣斷裂

脆性試樣斷裂

金屬材料在沖擊力的作用下,，抵抗破壞的能力叫沖擊韌性，也叫沖擊強(qiáng)度,。

例如,，如果將負(fù)載突然施加到一塊低碳鋼板和一塊玻璃上，那么在發(fā)生故障之前,，低碳鋼將吸收更多的能量,，所以低碳鋼比玻璃更有韌性。

韌性的測試方法是用擺錘法,，把擺錘放在初始高度H,，然后放下讓擺錘敲擊試樣，最后能夠到達(dá)的高度為h,，由擺錘的能量損失可以計(jì)算出材料的韌性K＝mg(H-h),。

一般地，強(qiáng)度高,，伴隨著硬度高,，即材料“發(fā)脆”，容易發(fā)生脆性斷裂,，不耐沖擊,。提高韌性的熱處理方法，中碳鋼可以調(diào)質(zhì)處理,。低碳鋼滲碳淬火,。

彈性能／彈性比功（Resilience）：

為了了解彈性能，我們以彈簧為例,。

在彈簧上施加一些載荷,，使其變形并在其中存儲一些能量，如果我們移除了該載荷,，彈簧就恢復(fù)了其原始形狀,。

所以，彈性能是材料在發(fā)生彈性變形時(shí)吸收能量,，并在卸載時(shí)返回能量的能力,。

材料的這種特性在制造減震器，以及彈簧時(shí)很重要,。

在應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖中,，材料的彈性能，用彈性區(qū)域下方的面積表示,。

彈性能/彈性比功

如果用E表示材料的彈性模量,，S0表示材料的彈性極限（胡克定律的極限應(yīng)力）， Ur表示彈性能。

那么,，有如下的彈性能計(jì)算公式：Ur＝S0^2/(2E),。

通過此式可見，要想提高彈性能,，需要提高材料的彈性極限S0,，這也是為什么，在制造彈簧的時(shí)候,，熱處理非常重要,，因?yàn)樗�可以提高彈性極限，進(jìn)而提高應(yīng)變能,。

下表列出了一些材料的彈性模量,，彈性極限，以及彈性能,。

幾種材料的彈性能

強(qiáng)度,，彈性變形，塑性變形,，延展性,，彈性能，韌性的關(guān)系：

材料抵抗外力不斷裂的能力叫強(qiáng)度,，強(qiáng)度越高抗力越大,，例如鋼，陶瓷,。

材料在外力作用下,，會發(fā)生變形，先發(fā)生彈性變形,，再發(fā)生塑性變形,，最后斷裂。

彈性變形就是去掉外力后,，還能恢復(fù)到原來形態(tài),，塑性變形就是去掉外力后，不能恢復(fù)到原來狀態(tài),。

如果是受拉力作用,，尺寸會增大，受壓,，尺寸會變小,，整個(gè)塑性變形階段增大的尺寸，與原來尺寸的比值就是延展性,，而塑性變形階段消耗的能量就是韌性,。

塑性好,，延性也好，他們表達(dá)的是一個(gè)意思,，都表示材料塑性變形能力,。

塑性好,，就能承受很大的變形而不斷裂,，如銅，橡皮泥,，但強(qiáng)度不一定高,。

彈性好，就是彈性變形能力強(qiáng),，例如橡膠,，橡皮筋等。

同樣是描述材料變形能力的,，但是彈性好,，強(qiáng)度也不一定高，即承受的外力不一定很大,，比如橡膠很容易在局部壓壞,。

材料從抵抗外力到斷裂過程中，消耗掉的能量就是韌性,，該定義的重點(diǎn)應(yīng)放在斷裂前吸收能量的能力上,，包括了彈性變形階段和塑性變形階段的共同消耗的能量，韌性越好,，從外力作用到斷裂過程消耗的能量越多,。

回想一下，延展性是衡量某些部件在斷裂之前發(fā)生塑性變形的量度,，但是僅僅因?yàn)椴牧暇哂醒诱剐圆⒉荒苁蛊鋱?jiān)韌,。

所以，韌性是體現(xiàn)材料強(qiáng)度與塑性的一個(gè)綜合指標(biāo),，韌性好的材料,，有著較高的強(qiáng)度和較好的的塑性，可以認(rèn)為是有著較高的屈服強(qiáng)度,，同時(shí)又有較高的延展性,。

所以，韌性的關(guān)鍵是強(qiáng)度和延展性的良好結(jié)合,。

強(qiáng)壯（強(qiáng)度）,，脆性，延展性,，塑性材料的對比

塑料：強(qiáng)度,，脆性,，延展性，塑性材料的對比

高中低碳鋼：強(qiáng)度,，韌性,，延展性對比

剛度，強(qiáng)度,，韌性之間的區(qū)別

彈性能和韌性的含義對比

彈性能和韌性的對比

延性和脆性對比

彈性和可塑性的對比

幾種材料的彈性能及韌性

幾種材料的參數(shù)對比：屈服強(qiáng)度,，抗拉強(qiáng)度，彈性模量及價(jià)格

從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上說,，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)都大的情況下,，韌性最好，縱坐標(biāo)（應(yīng)力）要想增大,，就是要強(qiáng)度高,，橫坐標(biāo)增大就是塑性好，因此,，可以說如果一個(gè)材料的強(qiáng)度和塑性都好,，那么它的韌性肯定非常好。

但是從材料微結(jié)構(gòu)上來講,，同時(shí)增加材料的強(qiáng)度和塑性是一個(gè)矛盾體,，要想提高強(qiáng)度，希望原子間的結(jié)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,，如何同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和韌性,，是材料界始終面臨的最大挑戰(zhàn)。

蠕變（Creep）：

當(dāng)金屬零件在高溫下,，長時(shí)間承受恒定應(yīng)力時(shí),，它將經(jīng)歷緩慢且永久的變形，稱為蠕變,。

因此,，蠕變是金屬在恒定應(yīng)力下的緩慢塑性變形，在靜應(yīng)力下會發(fā)生蠕變并導(dǎo)致破壞,，此應(yīng)力遠(yuǎn)小于通過快速加載而使樣品失效的應(yīng)力,。

也就是說，即使初期應(yīng)力很小,，但是在高溫下,，經(jīng)過長時(shí)間的暴露，材料抵抗破壞的能力下降,。

在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī),，鍋爐和渦輪機(jī)時(shí)會考慮此屬性,。

蠕變分為三個(gè)階段。

第一階段,，材料迅速伸長,，但伸長速度降低。

第二階段,，伸長率是恒定的,。

第三階段，伸長率迅速增加,，直到材料斷裂,。

蠕變的三個(gè)階段

蠕變應(yīng)力應(yīng)變曲線

溫度對蠕變的影響

蠕變圖：Rp1/10,000h/400°C＝170 N/mm2表示材料在170 N /mm2的應(yīng)力，和400°C的溫度下,，承受10000小時(shí)，塑性伸長1％,。Rm/10,000h/500°C＝74 N /mm2意味著該材料在破裂之前,，可以在500°C的溫度下，承受74 N /mm2的應(yīng)力共10000小時(shí),。

蠕變速率是材料應(yīng)力值,、溫度和暴露時(shí)間的函數(shù)。

在高溫下會發(fā)生相當(dāng)大的蠕變變形,，從而導(dǎo)致機(jī)器和結(jié)構(gòu)損壞,。

因此，在高溫下工作的熱交換器,，蒸汽鍋爐和加壓高溫管道,，噴氣發(fā)動機(jī)和其他負(fù)載設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作中，應(yīng)考慮到這種現(xiàn)象,。

軟金屬（鉛,，錫）在室溫下可能會蠕變。

在室溫下,，在低于屈服點(diǎn)的任何應(yīng)力下,，蠕變都可以忽略不計(jì)。

但在高溫下,，機(jī)器和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,，需要考慮蠕變強(qiáng)度。

使用具有大晶粒的金屬可以減少蠕變,，因?yàn)榘l(fā)生的晶界滑動較少,，另外添加特定合金元素的合金，比如基于鈷,、鎳和鐵的合金,，可以消除微結(jié)構(gòu)空位,，從而避免蠕變。

疲勞（Fatigue）：

承受交變載荷的零件,，工作時(shí)的應(yīng)力小于屈服極限,，但是經(jīng)過一定的周期次數(shù)后發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂,。

當(dāng)應(yīng)力小于某值時(shí),，材料在無限多次交變載荷作用下，也不會產(chǎn)生破壞,，稱這時(shí)的壓力為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限,。

疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì),，在機(jī)械零件失效中,，大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形,，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故,。

所以對于軸、齒輪,、葉片,、彈簧等承受交變載荷的零件，要選擇疲勞強(qiáng)度較好的材料來制造,。

疲勞測試試驗(yàn)臺

應(yīng)力周期：σm表示平均應(yīng)力,，σa表示應(yīng)力幅，σmin表示最小應(yīng)力,，σmax表示最大應(yīng)力

加載條件：應(yīng)力比R=σmin/σmax

疲勞周期曲線,，Nf表示疲勞壽命，σf表示疲勞極限

疲勞曲線

平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響：平均應(yīng)力越大,，壽命越小

體心立方材料有耐疲勞性能,，面心立方材料沒有耐疲勞性能

疲勞斷裂應(yīng)力機(jī)理

可加工性（Machinability）：

可加工性是指金屬等材料，易于切割,，鉆孔,，研磨，成形等,。

具有良好可加工性的材料,，可以用相對較小的功率和低成本進(jìn)行切割，不會過多地消耗刀具,。

通常硬度,，抗拉強(qiáng)度，微觀結(jié)構(gòu),，化學(xué)成分,，刀具參數(shù)（刀具幾何參數(shù),，材料，壽命等）,，切削參數(shù)（切削速度,，進(jìn)給量，切削液等）,，固定方式等都會影響加工性,。

比如常用的鋁材AL6061-T6，比較軟,，容易切削和鉆孔,。

再比如304不銹鋼，加工時(shí)粘刀具,，它的加工性就不如303不銹鋼（與AISI304相比,，AISI303添加了硫和磷）。

提高可加工性的一些添加元素

合金元素的存在,，對可切削性的影響,，遠(yuǎn)大于硬度對可切削性的影響。

比如,，少量的硫和鉛合金元素（小于0.2％），可以改善可切削性,，而機(jī)械性能沒有明顯變化,。雖然從歷史上看，硫和鉛一直是最常見的添加劑,，但是由于環(huán)境原因,，鉍和錫越來越受歡迎。

這些添加劑,，可以通過潤滑刀具的切削界面,，降低材料的剪切強(qiáng)度或增加切削的脆性來起作用。

另外,，粗晶粒鋼比細(xì)晶粒鋼具有更好的切削加工性,，因?yàn)榧?xì)晶粒將具有更好的強(qiáng)度和硬度。

耐熱鋼和高溫合金通常顯示出差的可加工性,，因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)低,，會在切削區(qū)域積聚熱量，最終會降低刀具壽命,。

下面是一些常用材料的可加工性：

（1） 鋼材

鋼中的碳含量極大地影響了其機(jī)械加工性,。

高碳鋼很難加工，因?yàn)樗鼈儓?jiān)韌并且可能包含碳化物,，鋼中存在的硬質(zhì)合金會磨損切削刀具,。

另一方面,，低碳鋼太麻煩了，因?yàn)樗鼈兲�軟��,，低碳鋼會“粘”在切削刀具上,，�?dǎo)致廢削堆積，縮短了刀具壽命,。因此,，中碳鋼（碳含量約為0.3％）是最佳切削性能的選擇。

鉻,，鉬和其他合金元素通常添加到鋼中以提高強(qiáng)度,。但是，大多數(shù)這些元素會降低可加工性,。如果存在夾雜物（氧化物）,，則會降低其切削性。

（2）不銹鋼

與普通碳鋼相比,，不銹鋼的可加工性較差,，因?yàn)樗鼈兏鼒?jiān)硬，更粘刀具,，并且往往會非�,？焖俚赜不���

稍微硬化鋼可以降低其膠粘性,，使其更容易切割,。

由于添加了硫和磷，AISI303和AISI416更易于加工,。

（3）鋁

雖然較軟的材料往往會形成廢屑的堆積,，從而導(dǎo)致較差的表面光潔度，但是軟材料,，比如鋁,，通常也更容易加工。

為了獲得適當(dāng)?shù)那邢餍�,，可以使用高切削速度,，高前角和高后角�?/font>

鋁合金2007、2011和6020具有特別好的切削性,。

（4）熱塑性塑料

熱塑性塑料難于加工,，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)熱系數(shù)很差。

這會在切削區(qū)域中積聚熱量,，從而降低刀具壽命,，并局部熔化塑料。

（5）復(fù)合材料

復(fù)合材料通常具有最差的可加工性，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了塑料樹脂的差導(dǎo)熱性和陶瓷的堅(jiān)硬耐磨性,。

不銹鋼,，工具鋼及鋁合金的可加工性：分?jǐn)?shù)越大越容易加工

碳鋼和合金鋼的可加工性

塑料的可加工性

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WXB4006

好文章！學(xué)習(xí)了,。

zxflyc

把我丟了n年的東西撿回來了,。好文章

鑫森淼炎垚

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沐公沭陽

系統(tǒng)

遠(yuǎn)行的勇氣

好文章,，圖文并茂,！

加肥貓devil

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xieshuilong24

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