首先我们看上图，说说这个表中的13种材料属性。
应力和应变：
我想，在讲这13大特性之前，还是有必要先讲一下最基本的一个，那就是应力应变曲线。
低碳钢是一种典型的延性材料。 在进行拉伸试验时，变形与拉力之间会有如下关系曲线。
图1：伸长率和拉力之间的关系与几何尺寸有关。
图2：应力与应变的关系与几何尺寸无关。应力=力/横截面积，应变=变形/原始长度
图 3：应力和应变面积图。 Aut 之前应变为均匀塑性变形，Aut 之后开始颈缩。
图 4：应力应变阶段图，从左到右经历比例极限、屈服点、抗拉强度和断裂。 从屈服点到抗拉强度的塑性变形也称为应力硬化。 抗拉强度后的变形称为颈缩，因为它是不均匀变形。
图 5：应力应变区域和阶段图。 蓝色区域为弹性变形区域，黄色区域为塑性变形区域。 变形过程依次经历：比例极限A（胡克定律适用于该点之前的变形）、弹性极限B/屈服点、低屈服点C、抗拉强度D和断裂点E。
从图1可以看出，伸长率和拉力的关系与材料的横截面和初始长度有关。
但转换为应力与应变的关系后（图2），曲线就变得与几何尺寸无关了。
应力=力/横截面积，应变=变形/原始长度。
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。
在比例极限点之前的变形中，即在线弹性变形阶段，胡克定律适用，之后胡克定律不适用。
屈服点也称为弹性极限。 材料在屈服点之前的变形可以完全恢复。 超过屈服点后，材料的变形无法恢复。
能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，卸除外力后变形可恢复
图 7：塑性变形。 外力卸载后，变形不能完全恢复。
力量（）：
强度是指材料抵抗永久变形和断裂的能力，即材料失效所需的应力。
其大小与材料本身的性质和应力的形式有关。
根据载荷形式的不同，强度可分为屈服强度（Yield）、拉伸强度（）、压缩强度、剪切强度、疲劳强度、冲击强度等。
对于延性材料，拉伸强度也称为极限强度（=US，或=UTS）。 对于脆性材料，拉伸强度就是材料的断裂强度（稍后我们会讲脆性和延展性）。
工程中最常用的是屈服强度和拉伸强度。
不同的荷载形式
压应力和剪应力
简支梁弯矩应力：中性层两侧拉应力和压应力
简支梁的弯曲和剪应力
不同荷载形式简表
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
无明显屈服现象的材料屈服强度的定义
屈服强度：是材料屈服时的应力，即开始明显塑性变形时的最小应力。 对于高碳钢等无明显屈服的金属材料，规定产生0.2%残余变形的应力值作为屈服强度。 。
大多数金属材料可以通过加工硬化、合金化、热处理等提高其屈服强度，以适应不同的应用。
拉伸强度：它是材料在断裂前能够承受的最大应力。 它是金属从均匀塑性变形向局部集中塑性变形转变的临界值。 也是金属在静拉力条件下的最大承载能力。
对于塑料材料来说，它代表材料对最大均匀塑性变形的抵抗力。 拉伸部件受到最大拉应力之前，变形是均匀的，但超过最大拉应力后，金属开始收缩，即发生集中变形。
对于塑性变形很小或没有塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。
刚性（）：
刚度是指构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形所需的力，一般针对构件或结构。
其尺寸不仅与材料本身的性能如弹性模量有关，还与构件或结构的截面和形状有关。
在应力应变图中，弹性模量是指弹性变形阶段线段的斜率，即引起单位弹性变形所需的应力。 它用于表征材料的刚性。
弹性模量：比例变形阶段E=σ/ε
刚度在数值上等于在该点产生单位位移所需的力。
例如，如果结构的某一部分的刚度为100N/mm，则需要100N的力才能使该部分产生1mm的位移。
刚度是工程实践中经常使用的概念。 它与结构的精度和动力性能密切相关。
例如，机床主轴必须具有足够的刚性，使切削加工时径向力变形最小，从而保证加工尺寸精度、形状精度等。
再比如，悬臂机械臂还需要良好的刚度，以保证末端执行器在拾取和放置材料时不会引入过大的误差，包括静态和动态误差。
提高刚度的措施包括：增大截面尺寸和面积、合理支撑和跨度。 截面形状优化、材料调质热处理等
强度和刚度的区别：
强度和刚度的区别
为了直观地理解强度和刚度的区别，我们以玻璃和弹簧为例，如上图。
玻璃在外力作用下不易变形，但易破碎，因此刚性高但强度低。
弹簧在外力作用下容易变形，但不易损坏，因此强度高但刚性差。
弹性（）：
材料受到外力作用后会发生变形。
其变形可分为弹性变形和塑性变形。
弹性变形的含义是，材料在外力作用下虽然发生变形，但当外力去除时，变形又能恢复。
塑性变形则正好相反：材料在外力作用下发生变形，即使除去外力，变形也不能恢复。
蓝色区域为弹性变形区域，粉色区域为塑性变形区域。
弹性变形示意图，变形可完全恢复
塑性变形示意图。 变形无法完全恢复。
在外力作用下，材料首先发生弹性变形，但当外力超过一定限度时，就会发生塑性变形。
该外力极限对应于应力应变图中的屈服极限。 当载荷引起的应力超过屈服强度时，材料将发生塑性变形。
如果材料弹性好，则极限就大； 如果材料弹性差，则极限会小。
材料在外力作用下不发生塑性变形的能力就是弹性。
可塑性（）：
塑性定义为材料在外部载荷作用下承受一定程度的永久变形而不破裂或破坏的能力。
当材料受到的应力超出其弹性范围时，就会发生塑性变形。
对于金属材料来说，只有在应变小于0.005左右时才会发生弹性变形钢材抗拉强度与抗剪强度的关系，然后才会发生塑性变形，即不能恢复原来形状的变形。 此时，胡克应力应变定律不再有效。
在原子水平上，塑性变形是由滑移引起的，其中位错运动破坏原子键并形成新键。
塑性变形示意图
材料的这种特性在模制、挤压和许多其他热或冷加工工艺中很重要。
塑性通常用伸长率或面积减少率来表示。
该特性通常随着材料温度的升高而增强。
例如，粘土和铅等材料在室温下具有延展性，而钢仅在锻造温度下具有延展性。
低碳钢塑性好，一般采用冲压、拉拔、轧制等方法加工。
为了提高塑性，一般采用退火热处理。
硬度（）：
硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力。
在大多数情况下，局部变形是由机械压痕或磨损引起的。
因此，该性能通常包含多种含义，如材料的抗划伤、抗切割、抗磨损、抗压痕、抗渗透等能力。
直观地理解，硬度是一种金属切割另一种金属的能力。
较硬的金属通常可以切割较软的金属，或者可以在较软的金属表面上形成压痕。
例如，硬度高的刀具可以切削金属材料。
如果材料很硬（淬火后），则需要磨削，因为砂轮的磨料（磨粒）较硬。
为了提高金属材料的硬度，可以采用淬火的方法。 低碳钢需要渗碳淬火（表面硬度），而中碳钢和高碳钢可以直接淬火。
常见的硬度测试方法有四种：
(1)布氏硬度试验
在设定的时间内，用恒定的力将硬质合金球压入试验材料表面，测量压痕直径，将其换算为压痕表面积，然后将力除以压痕面积，即可得到布氏硬度值。 该方法是第一种广泛应用于金属硬度测试的方法，但会留下较大的压痕，且测试时间较长，因此适用于粗糙表面的测量。
布氏硬度测试方法
布氏硬度表达方法
(2)洛氏硬度测试
用锥角120度的金刚石压头或球形压头，以不同的力分阶段压入被测表面，测量压入深度，并以此表示硬度。 压痕越深，硬度越大。 硬度越小。
洛氏硬度测试方法
洛氏硬度测试压头及读数表
洛氏硬度表达方法
(3)维氏硬度试验
与布氏硬度测试方法相同，只是维氏测试压头为夹角为136°的金刚石四棱锥。 通过测量压痕对角线的长度，计算出压痕的表面积，然后将力除以表面积即可得到硬度值。 用于测试更小或更薄的材料。
维氏硬度测试方法
维氏硬度表达方法
(4)努氏硬度测试
其过程与维氏硬度测试相同，但采用菱形压头和显微镜测量系统来测量压痕长度、宽度、深度等信息。 努氏硬度测试适用于载荷小于或等于1kgf的小而薄的零件。
几种硬度测试方法的比较：
几种常用的硬度测试
不同硬度测试总结
几种硬度测试的优缺点
强度与硬度的关系：
对于金属来说，硬度和强度通常是相互关联的。 硬度越高，强度越大。 研究结果表明，对于合金钢，抗拉强度与布氏硬度之间存在如下关系：TS(MPa)=3.45×HB。
硬度与拉伸强度的关系
但它们确实是材料的不同属性。 例如，玻璃的硬度很高，但强度和韧性很低，因此很容易破裂。
此外，硬度并不表征材料对冲击力的响应。 例如，尽管金刚石是最坚硬的材料之一，但如果用大锤敲击它，它很容易破碎。
延展性：
延展性包括延展性（ ）和延展性（ ）。
延展性（）：
是指金属在拉应力作用下改变形状、发生塑性变形而不断裂的能力。
简单来说，拉伸就是将金属拉伸成细丝，比如铜线。
伸长率大于5%的材料称为延性材料，伸长率小于5%的材料称为脆性材料。
在工程实践中，常用的韧性材料有：低碳钢、铜、铝、镍、锌、锡等。
延展性与晶胞结构的关系：面心立方>体心立方>六方密排
可扩展性（）：
是指金属在压应力作用下改变形状并发生塑性变形而不破坏的能力。
压力简单理解。 延展性是指材料在压力作用下被压成薄片而不因热加工或冷加工而断裂的能力。
这种特性使得材料可以被轧制或锤打成薄片。
在工程实践中，常用的可锻材料有铅、低碳钢、熟铁、铜和铝。
影响延展性的因素：延展性取决于材料的晶粒尺寸，延展性取决于晶体结构。
晶粒尺寸越小，由于阻力越大，晶粒位错移动越困难，因此延展性降低，反之亦然。 当晶粒较大时，延展性变得较高。
面心立方晶胞：有 4 个滑移面和 3 个滑移方向。
体心立方晶胞：6 个滑移面和 2 个滑移方向
密排六方晶胞：1 个滑移面和 3 个滑移方向
体心和面心立方晶胞滑移示意图
晶胞结构与延展性的关系
大多数延展性金属也具有延展性。
例如，金和银是两种最具延展性和延展性的金属。
然而，并非所有金属都具有这两种延展性。
例如，黄金具有很强的延展性，这就是为什么它在珠宝中如此受欢迎，并且可以制成各种形状。 但铅和铸铁的延展性较好，但延展性较差。
其他延展性非常好的金属，如金、银、铁、铜、铝、锡和锂。 然而，锑和铋的延展性较差，因为它们的原子在施加压力时不会排列在一起，从而使材料更硬、更脆。
纯度也会影响延展性，因为成分不纯，所以合金的延展性很高。
对于大多数金属来说，延展性随着温度的升高而增加，但铅和锡的情况相反，随着温度的升高而降低。
延展性与延展性的比较
脆性（）：
在外力（如拉力、冲击等）作用下，材料仅发生微小变形，即断裂和破坏。
脆性是与延展性相反的性质。
脆性材料在受到拉伸载荷时会突然断裂，而没有任何明显的伸长。
在载荷行为下伸长率小于 5% 的材料称为脆性材料，如玻璃、铸铁、黄铜和陶瓷。
延性和脆性材料的应力应变图
碳钢等金属材料在低温下很容易脆化，这种现象称为“冷脆”。 在电影中，液氮通常用于冷却金属，然后将其解锁。 这是使用的原理。
另一个非常流行的例子是关于泰坦尼克号沉没原因的猜测：关于沉没原因有很多猜测。 原因之一是冷水对船体的影响。 天气太冷，达到金属从延展性转变为脆性（DBTT）的温度，从而增加金属的脆性，使其更容易受到损坏。
脆性与韧性断裂比较
延性和脆性破坏比较
延性和脆性转变温度曲线
泰坦尼克号的沉没和自由号的解体
延展性是用于建造反应堆部件（例如反应堆容器）的钢材的基本要求。 因此，DBTT 在这些容器的运行中非常重要，其中晶粒的尺寸决定了金属的性能。
例如，较小的晶粒尺寸会增加抗拉强度，但这往往会增加延展性并导致较低的 DBTT。 晶粒尺寸通过反应容器的规格和制造中的热处理来控制。 还可以通过在低碳钢中添加少量某些合金元素（例如镍和锰）来降低 DBTT。
韧性（）：
韧性是指材料在发生实际断裂或损坏之前可以吸收的能量。 它是材料承受弹性和塑性变形的能力。
在应力-应变曲线图中，它是断裂点以下的曲线与横轴所围成的面积。 面积越大，韧性越强。
韧性用面积表示=σε=(F/S0)*(ΔL/L0)=(F*ΔL)/(S0*L0)=W/V=能量/体积
韧性比较：金属>陶瓷>增强聚合物
韧性测试方法：K=mg(Hh)
韧性试样
韧性试样断裂
脆性试样断裂
金属材料在冲击力作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性，也称为冲击强度。
例如，如果突然向一块低碳钢和一块玻璃施加载荷，则低碳钢在发生故障之前会吸收更多的能量，因此低碳钢比玻璃更具延展性。
韧性测试方法是采用摆锤法。 将摆锤置于初始高度H，然后降低，让摆锤撞击样品。 最终可以达到的高度是h。 材料的韧性K可以根据摆锤的能量损失计算出来。 =毫克（Hh）。
一般高强度伴随着高硬度，即材料“脆”，容易发生脆性断裂，不耐冲击。 提高韧性的热处理方法，中碳钢可采用调质处理。 低碳钢渗碳淬火。
弹性能/弹性比功 ()：
为了理解弹性能，我们以弹簧为例。
在弹簧上施加一些载荷会导致其变形并在其中储存一些能量，如果我们移除该载荷，弹簧就会恢复到原来的形状。
因此，弹性能是材料在弹性变形时吸收能量并在卸载时返回能量的能力。
该材料的这种特性对于减震器和弹簧的制造非常重要。
在应力-应变曲线图中钢材抗拉强度与抗剪强度的关系，材料的弹性能用弹性区域下方的面积来表示。
弹性能/弹性比功
若用E表示材料的弹性模量，S0表示材料的弹性极限（胡克定律的极限应力），Ur表示弹性能。
则有如下弹性能计算公式：Ur=S0^2/(2E)。
从该式可以看出，为了提高弹性能，需要提高材料的弹性极限S0。 这就是为什么热处理在制造弹簧时非常重要，因为它可以提高弹性极限，从而提高应变能。
下表列出了一些材料的弹性模量、弹性极限和弹性能。
几种材料的弹性特性
强度、弹性变形、塑性变形、延展性、弹性能和韧性之间的关系：
材料抵抗外力而不破裂的能力称为强度。 强度越高，阻力就越大，比如钢、陶瓷。
材料在外力作用下会发生变形，先是弹性变形，然后是塑性变形，最后断裂。
弹性变形是指物体在外力去除后能恢复到原来的形状。 塑性变形是指物体在外力去除后不能恢复到原来的状态。
如果受到拉伸，尺寸会增大，而受到压缩，尺寸会变小。 整个塑性变形阶段增加的尺寸与原始尺寸的比值为延展性，塑性变形阶段消耗的能量为韧性。
塑性好和延展性好，它们表达的意思是一样的，都是表示材料的塑性变形能力。
可塑性好，能承受较大变形而不断裂，如铜、橡皮泥，但强度不一定高。
弹性好意味着弹性变形能力强，如橡胶、橡皮筋等。
也描述了材料的变形能力，但弹性好，强度不一定高，即它承受的外力不一定大。 例如，橡胶很容易被局部压碎。
材料从抵抗外力到断裂过程中所消耗的能量就是韧性。 这个定义的重点应该是断裂前吸收能量的能力，包括弹性变形阶段和塑性变形阶段的联合能量消耗。 韧性越好，韧性越好。 外力作用到断裂过程消耗的能量越多。
回想一下，延展性是衡量物体断裂前塑性变形的指标，但仅仅因为材料具有延展性并不意味着它就变得坚韧。
因此，韧性是反映材料强度和塑性的综合指标。 韧性好的材料具有较高的强度和较好的塑性，可以认为具有较高的屈服强度和较高的延展性。
因此，韧性的关键是强度和延展性的良好结合。
强（强度）、脆性、延展性和塑性材料的比较
塑料：强度、脆性、延展性、塑料材料的比较
高、中、低碳钢：强度、韧性和延展性的比较
弹性能和韧性含义比较
强度、刚度、韧性之间的区别
弹性能和韧性含义比较
延展性与脆性
弹性和塑性的比较
几种材料的弹性能和韧性
几种材料的参数比较：屈服强度、抗拉强度、弹性模量及价格
从应力应变曲线来看，纵坐标和横坐标都较大时，韧性最好。 纵坐标（应力）增大，表示强度高，横坐标增大，表示塑性好。 因此，可以说，如果一种材料具有良好的强度和塑性，那么它的韧性也一定非常好。
但从材料微观结构的角度来看，同时提高材料的强度和塑性是一个矛盾。 如果你想增加强度，你希望原子之间的结合力尽可能大，但如果你想增加塑性，你不希望原子力太大。 因此，如何同时提高材料的强度和韧性是材料工业始终面临的最大挑战。
蠕变：
当金属部件在高温下长时间承受恒定应力时，它将发生缓慢且永久的变形，称为蠕变。
因此，蠕变是金属在恒定应力作用下发生的缓慢塑性变形，在静应力作用下会发生蠕变并导致失效。 该应力远小于快速加载导致样品失效的应力。
也就是说，即使初始应力很小，但长期暴露在高温下后，材料的抵抗破坏的能力也会下降。
在设计内燃机、锅炉和涡轮机时要考虑到这一特性。
蠕变分为三个阶段。
在第一阶段，材料迅速伸长，但伸长率下降。
在第二阶段，伸长率是恒定的。
第三阶段，伸长率迅速增加，直至材料断裂。
蠕变的三个阶段
蠕变应力应变曲线
温度对蠕变的影响
蠕变图：Rp1/10,000h/400℃=170 N/mm² 表示材料在170 N/mm²应力、400℃温度下10,000小时塑性伸长率为1%。 Rm/10,000h/500°C=74 N/mm² 表示材料在 500°C 的温度下能够承受 74 N/mm² 的应力总共 10,000 小时才破裂。
蠕变率是材料应力值，温度和暴露时间的函数。
在高温下可能会发生相当大的蠕变变形，从而导致机器和结构损伤。
因此，应在热交换器，蒸汽锅炉和加压的高温管道，喷气发动机和其他在高温下运行的负载设备的设计和操作中考虑这种现象。
软金属（铅，锡）可能在室温下蔓延。
在室温下，在屈服点以下的任何压力下，蠕变都可以忽略不计。
但是在高温下，需要在机器和结构设计中考虑蠕变强度。
使用大晶粒的金属可以减少蠕变，因为发生较少的晶界滑动，并且合金通过添加特定合金元素（例如基于钴，镍和铁的元素）可以消除微结构空位，从而避免蠕变。
疲劳（）：
承受交替载荷的零件的工作应力小于屈服极限，但在一定数量的周期后破裂。 这种现象称为疲劳骨折。
当应力小于一定值时，在无限数量的交替载荷下不会损坏材料。 此时的压力称为疲劳强度或疲劳极限。
疲劳损伤是机械零件故障的主要原因之一。
根据统计数据，超过80％的机械零件故障是疲劳损伤，并且在疲劳损害之前没有明显的变形，因此疲劳损害通常会导致重大事故。
因此，对于轴，齿轮，刀片，弹簧等零件，必须选择具有更好疲劳强度的材料以制造。
疲劳测试台
应力周期：σm表示平均应力，σa代表应力振幅，σmin表示最小应力，而σmax表示最大应力。
加载条件：应力比r =σmin/σmax
疲劳周期曲线，NF代表疲劳寿命，σf表示疲劳极限
疲劳曲线
平均压力对疲劳寿命的影响：平均压力越大，寿命越短
以人体为中心的立方材料具有抗疲劳性，而面部中心的立方材料则没有疲劳性抗性。
疲劳断裂应力机制
加工性（）：
可加工性是指可以切割，钻孔，地面，形成等材料等材料的便利性。
具有良好可加工性的材料可以用相对较少的功率和低成本削减，而不会过多消耗工具。
通常硬度，拉伸强度，微观结构，化学成分，工具参数（工具几何参数，材料，生命等），切割参数（切割速度，进料，切割液等），固定方法等都会影响可加工性。
例如，常用的铝材-T6相对较软且易于切割和钻孔。
另一个例子是304不锈钢，该钢在加工过程中粘在工具上，其加工性不如303不锈钢（与303台不锈钢，硫和磷相比）。
一些增加的元素以提高加工性
与硬度相比，合金元素的存在对可加工性的影响要大得多。
例如，少量的硫和铅合金元素（少于0.2％）可以提高可加工性，而无需大幅变化机械性能。 尽管历史上硫和铅一直是最常见的添加剂，但出于环境原因，需要匹匹匹匹配和锡越来越受欢迎。
这些添加剂可以通过润滑工具的切割界面，降低材料的剪切强度或增加切割的脆性来起作用。
此外，粗粒钢的可加工性比细粒钢具有更好的可加工性，因为细粒钢的强度和硬度会更好。
耐热钢和高温合金通常由于低导热性而表现出较差的可加工性，这会在切割区积累热量，并最终降低工具寿命。
以下是一些常用材料的可加工性：
（1）钢
钢中的碳含量极大地影响了其可加工性。
高碳钢很难升级，因为它们很坚固，并且可能含有碳化物，碳化物是钢中存在的碳化物，可以磨损切割工具。
另一方面，温和的钢太麻烦了，因为它们太软并且可以“粘在切割工具上”，从而导致废料堆积和缩短工具寿命。 因此，中等碳钢（碳含量约为0.3％）是最佳切割性能的选择。
铬，钼和其他合金元素通常被添加到钢中以提高强度。 但是，这些元素中的大多数降低了加工性。 如果存在夹杂物（氧化物），则其可加工性将降低。
（2）不锈钢
不锈钢不如普通碳钢可加工，因为它们更难，更粘在切割工具上，并且往往很快就变硬。
稍微硬化钢可以使其粘稠，从而更容易切割。
由于添加了硫和磷，并且易于加工。
（3）铝
柔软的材料（例如铝）通常也更容易机加工，尽管较软的材料倾向于产生碎屑的积聚，从而导致表面效果较差。
为了获得适当的可加工性，可以使用高切割速度，高耙角和高浮雕角度。
铝合金2007、2011和6020具有特别好的可加工性。
（4）热塑性塑料
热塑性塑料很难处理，因为它们的导热率较差。
这会在切割区域积聚热量，减少工具寿命并局部融化塑料。
（5）复合材料
复合材料通常具有最差的加工性，因为它们将塑料树脂的导热率较差与陶瓷的硬磨损抗性相结合。
不锈钢，工具钢和铝合金的可加工性：分数越高，机器就越容易
碳和合金钢的可加工性
塑料的加工性
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