材料特性知識總結

之前對于材料特性這一塊一直沒搞太清楚，這段時間查了些資料，拾他人智慧後，整理些資料供自己後續學習，此文很大一部分參考了此篇文章。

OK，下面就是我對于材料特性的學習整理内容。

一、材料特性種類

常用的材料機械特性主要有以下方面，不包括熱特性、電氣特性等

序号

機械性能

定義

強度

材料承受載荷而不破壞的能力

剛度

材料或結構承受載荷時抵抗彈性變形的能力

彈性

材料在外部載荷去除後，可以恢複原來形狀尺寸的能力

可塑性

材料在外載荷作用下，經受一定程度的永久變形，而不會破裂或破壞的能力

硬度

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力

延性

金屬在拉伸應力作用下，可以改變形狀，發生塑性變形，而不發生斷裂的能力

展性

金屬在壓縮應力作用下，可以改變形狀，發生塑性變形而不破壞的能力

脆性

材料承受載荷僅産生很小的變形即斷裂破壞的性質

韌性

材料在彈性和塑性變形過程中吸收能量的能力

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蠕變

當材料在高溫下，長時間承受恒定應力時，緩慢的産生塑性變形

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疲勞

當材料承受反複或波動的應力時，材料變弱的現象

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可加工性

材料容易切割的能力，與硬度、材料化學成分、熱處理等有關

二、應力應變曲線

應力應變曲線與強度、剛度、韌性等多個特性有千絲萬縷關系，故需要先熟悉應力應變曲線。

具有屈服點的韌性材料的應力-應變曲線圖

三、強度

強度：材料承受載荷而不破壞的能力

材料一般有以下強度分類：

抗拉強度、 抗壓強度、 抗剪強度、 抗彎強度

抗拉強度指的是材料在局部集中塑性變形前承受的最大應力。

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。

對于沒有或隻有很小塑性變形的脆性材料，它反映了材料的斷裂抗力。

材料的抗壓、抗拉、抗剪強度的計算式為：f=F/A

式中：f—材料強度，MPa

F—材料破壞時的最大荷載，N

A—試件的受力面積，

抗彎強度計算式為：f=3FL/（2Bh*h）

式中：f——材料的抗彎(折)強度，MPa；

F—材料破壞時的最大荷載，N

L—試件兩支點間的距離，mm

b—試件截面的寬度，mm

h—試件截面的高度，mm

Yield 屈服強度

是材料發生屈服時的應力，亦即開始産生明顯塑性變形時的最小應力,是材料發生屈服時的應力，亦即開始産生明顯塑性變形時的最小應力

由于脆性材料在受外力拉伸時不會發生明顯的塑性形變現象，因此隻有韌性材料（也即具有延展性）才具有屈服強度

四、剛度、彈性

剛度：材料或結構承受載荷時抵抗彈性變形的能力，是材料或結構彈性變形難易程度的表征

彈性：材料在外部載荷去除後，可以恢複原來形狀尺寸的能力，與撓性相對

剛度分為拉壓剛度（ and ）、剪切剛度（shear ）、扭轉剛度（ )、彎曲剛度（ ）

材料中通常用彈性模量指标衡量材料的剛度，材料彈性模量越大，則材料剛度越大，但結構剛度同時還與結構幾何形狀相關

模量：材料在受力狀态下應力與應變之比，其倒數稱為柔量，公式：E = σ / ε，單位：Pa, 常用吉帕（Gpa）

應力（）：在施加的外力的影響下物體内部産生的内力與截面積的比值，表達公式：σ=F/A（F：外力，A：截面積）單位：帕斯卡（Pa）

應變（）：在施加的外力的影響下物體伸長量ΔL和原長L的比值所表示的伸長率或壓縮率，公式表達為ε=ΔL/L0，無單位，常常乘以100%

彈性模量（ / of ）包括楊氏模量(E)、剪切模量(G)、體積模量(K)等，一般把彈性模量等同于楊氏模量

拉伸模量/楊氏模量（ /Young's /E）：材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系（即符合胡克定律），其比例系數稱為楊氏模量，它用于衡量材料的剛度，表示材料受拉/受壓變形的難易程度

剪切模量（Shear /G）：材料在剪切應力作用下，在彈性變形比例極限範圍内，切應力與切應變的比值。它表示材料剪切變形的難易程度

體積模量/體變模量(Bulk /K)：在P0的壓強下體積為V0，若壓強變化為ΔP，則體積變化為ΔV，則有K=-ΔP/(ΔV/V0) , 被稱為該物體的體積模量，體積模量可描述均質各向同性固體的不可壓縮性

彎曲模量/撓曲模量（ / ）：彎曲應力比上彎曲産生的應變，表示材料在彈性極限内抵抗彎曲變形的能力，塑料物性表中常有此參數，其彎曲模量跟拉伸模量大緻有個1.4-1.5的倍數關系（不固定），根據産品具體受力場景，核查材料對應參數，不确定則建議優先關注拉伸模量

按照應力和應變的方向關系，可以将應力分為正應力σ 和切應力τ，正應力的方向與應變方向平行，而切應力的方向與應變垂直

泊松比：材料受拉伸或壓縮力時,材料橫截面會發生均勻變形,而其橫向正應變與縱向正應變的比率,是一無量綱的物理量，反映材料橫向變形的彈性常數，範圍為-1~0.5。

不可壓縮材料：指在其變形過程中保持體積不變的材料，為一種理想的材料，其泊松比為0.5，空氣的泊松比為0，水的泊松比為0.5，橡膠的泊松比接近0.5

泊松比與彈性模量有以下公式，可以表征固體材料最大拉伸強度與最大剪切強度的比值，且一般而言，高泊松比材料具有高韌性

E=2G（1+v）

E：彈性模量 G:剪切彈性模量 v：泊松比

彈性極限：材料受外力作用，在一定限度内，消除外力，仍能恢複原狀，稱為該材料彈性形變階段。彈性極限即該材料保持彈性形變不産生永久形變時，所能承受的最大的應力

彈性能：材料在發生彈性變形時吸收能量，并在卸載時返回能量的能力，即為材料應力應變曲線中彈性階段下方的面積，對于彈性階段為線性的材料，就是計算屈服點以下的三角形面積。

五、可塑性/延展性

可塑性：材料在外載荷作用下，經受一定程度的永久變形，而不會破裂或破壞的能力

延展性包含延性和展性

延性：金屬在拉伸應力作用下，可以改變形狀，發生塑性變形，而不發生斷裂的能力。

展性：金屬在壓縮應力作用下，可以改變形狀，發生塑性變形而不破壞的能力。

可塑性和延展性均是表示材料的塑性變形能力

可塑性一般使用伸長率和斷面收縮率來評估，斷面收縮率越大、伸長率越大說明材料的塑性越好

伸長率有屈服伸長率和斷裂伸長率兩個指标

斷裂伸長率：材料受外力作用至拉斷時，拉伸後的伸長長度與拉伸前長度的比值稱斷裂伸長率，單位為%

一般而言，斷裂伸長率小于5％的材料被稱為脆性材料，例如玻璃，鑄鐵，黃銅和陶瓷等

斷面收縮率：材料受拉力斷裂時斷面縮小，斷面縮小的面積與原面積之比值叫斷面收縮率，以ψ或Z表示，單位為%

六、韌性/脆性

韌性：材料在實際斷裂或破壞發生之前，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

脆性：材料在外力作用下（如拉伸、沖擊等）僅産生很小的變形即斷裂破壞，且破壞時無明顯塑性變形的性質，與延展性相反

在應力應變曲線圖中，是曲線在斷裂點以下與橫軸圍成的面積，面積越大，韌性越強，韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小

延展性好，指的是材料發生斷裂前，允許發生較大的塑性變形。延展性隻關注塑性變形的大小。

韌性好，指的是材料發生斷裂前，能吸收較多的能量。

韌性的關鍵是強度和延展性的良好結合，不等同于強度或延展性。

一般強度變高，伴随着硬度變高，即材料“發脆”，容易發生脆性斷裂，不耐沖擊

工程構件在斷裂前發生明顯的塑性變形，稱為韌性斷裂；斷裂前不發生或隻有少量宏觀塑性變形，則為脆性斷裂

材料在沖擊力的作用下，抵抗破壞的能力叫沖擊韌性，也叫 （沖擊強度），其為試樣在沖擊破壞過程中所吸收的能量與原始橫截面積之比

韌性的測試方法是用擺錘法，把擺錘放在初始高度H，然後放下讓擺錘敲擊試樣，最後能夠到達的高度為h，由擺錘的能量損失可以計算出材料的韌性

a = W╱(h*d)單位 KJ╱m2

a：沖擊強度、W：沖擊損失能量、h：缺口剩餘寬度、d：樣條厚度

沖擊強度根據試驗設備不同可分為Izod 懸臂梁沖擊強度 和 簡支梁沖擊強度

根據有無缺口又可分為Un- 無缺口沖擊強度 和 Notch 缺口沖擊強度

缺口也有A、B、C三種類型

七、硬度

硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力

可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘餘變形和反破壞的能力

硬度試驗根據其測試方法的不同可分為：

靜壓法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、努氏硬度、顯微硬度、巴氏硬度、韋氏硬度等

劃痕法：莫氏硬度等

回跳法：肖氏硬度、裡氏硬度等

布氏硬度 HB (勃氏硬度/BHN）

布氏硬度的測定原理是用一定大小的試驗力F(N)（通常是以的壓力F，注：1kgf=9.8N，kgf即一千克的力的意思）,把直徑為D（mm）的淬火鋼球或硬質合金球壓入被測金屬的表面

布氏硬度測量法适用于鑄鐵、非鐵合金、各種退火及調質的鋼材，不宜測定太硬、太小、太薄和表面不允許有較大壓痕的試樣或工件。

一般來說，布氏硬度值越小，材料越軟，其壓痕直徑越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其壓痕直徑越小

洛氏硬度 HR

洛氏硬度（HR）測試當被測樣品過小或者布氏硬度（HB）大于450時，就改用洛氏硬度計量

用試驗鋼球能在被測物上砸上痕迹時硬度計表盤上所顯示的數值即為硬度值。洛氏硬度約是布氏硬度的十倍，兩者一般用于金屬材料上。

洛氏硬度包含多種标尺，

HRA HRB HRC HRD HRE HRF HRG HRH HRK HRL HRM HRR HRP HRS HRV HRN HRT HRW HRY等等

最常用的為A\B\C三個标尺，如HRA、HRB、HRC 在同等數值的情況下，對應标尺的硬度由高到低為C、A、B

HRA是用金剛石圓錐壓頭作壓入物，HRA所加負荷為60千克，載荷588 N，頂角120°，适用于很硬或很薄的金屬材料，如硬質合金的硬度指标就是HRA。

HRB是用直徑為1 /16″ (1.588毫米) 的鋼球作壓入物，所加負荷為100千克，載荷980N，适用于較軟的鋼材、鑄鐵及有色金屬材料。

HRC是用金剛石圓錐壓頭作壓入物，HRC所加負荷為150千克，載荷1470N，頂角120°，适用于較硬的鋼材。

HRR和HRM也是洛氏硬度兩種常用标尺，HRR和HRM一般測量軸承合金及其他軟或薄金屬、包括塑料

維氏硬度 HV

用一個相對面間夾角為136度的金剛石正棱錐體壓頭，在規定載荷F作用下壓入被測試樣表面，保持定時間後卸除載荷，測量壓痕對角線長度d，進而計算出壓痕表面積，最後求出壓痕表面積上的平均壓力，即為金屬的維氏硬度值

其适用于較大工件和較深表面層的硬度測定；還有小負荷維氏硬度，它适用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測定；顯微維氏硬度，試驗負荷

努氏硬度 HK（克氏硬度/克努普硬度/努普硬度）

将頂部兩棱之間的a角為172.5°和β角為130°的棱錐體金剛石壓頭用規定的試驗力壓入試樣表面，經一定的保持時間後卸除試驗力。試驗力除以試樣表面的壓痕投影面積之商即為努氏硬度

常被用于測試琺琅、玻璃、人造金剛石、金屬陶瓷及礦物等材料

邵氏硬度 HS（肖氏硬度/邵爾硬度/SHORE）

邵氏硬度一般用于橡膠類材料上

用邵氏硬度計插入被測材料，表盤上的指針通過彈簧與一個刺針相連，用針刺入被測物表面，表盤上所顯示的數值即為硬度值。

其描述方法分A、C、D三種，分别代表不同的硬度範圍，邵氏A硬度計的量程是0-100HA，邵氏D硬度計的量程是0-100HD，HA偏軟，HD偏硬

測量原理完全相同，所不同的是測量針的尺寸不同;A型的針尖直徑為 0.8mm，邵 A型硬度計用來測量軟塑料、橡膠、合成橡膠、氈、皮革;

D型的針尖直徑為 0.2mm，邵D 型硬度計用來測量硬塑料和硬橡膠、硬樹脂、有機玻璃、熱塑性塑膠、印刷闆、纖維等高硬度橡塑材料的硬度測試

C型的測針是一個圓球直徑5mm，邵氏 C型硬度計用來測量泡沫材料和海綿等軟性材料

當使用A型，測定材料硬度值超過95%量程時，則要改用D型，當D型硬度值超過95%量程後，則用布氏或洛氏硬度方法測定，否則精确度不高

裡氏硬度 HL

用規定質量的沖擊體在彈力作用下以一定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度之比計算出的數值

适用于所有金屬,是生産環節檢測的理想之選，适合重型﹑大型或已安裝部件的現場檢測，方便用于難進入或空間有限的檢測場地

莫氏硬度（摩氏硬度）

是指一種物質可以刮傷另一種物質的能力。德國礦物學家摩氏制定的鑒定礦物硬度的标準

不同硬度之間的換算公式：

維氏硬度和努氏硬度之間的換算公式

此公式用我國公布的黑色金屬硬度标準數據進行換算，其HRC誤差基本上在±0.4HRC 範圍内，其最大誤差也僅士0.9HRC，計算的HV誤差最大為±15HV。

根據不同壓頭所受應力σHRC=σHV，通過對洛氏硬度與維氏硬度壓痕深度關系曲線的分析得出公式，本公式與國家标準實驗換算值對照,換算式計算結果與标準實驗值之誤差為±0.1HRC。

本公式使用範圍小，誤差較大，但計算簡便，在對精度要求不高時可以使用。

對布氏壓痕和洛氏壓痕深度關系進行分析，根據壓頭的應力σHRC=σHB得出換算公式，計算結果與國家标準實驗值對照，換算式計算結果與标準實驗值之誤差為±0.1HRC。

此公式誤差偏大，使用範圍偏小，但計算簡便，在對精度要求不高的情況下可以使用。

此公式換算結果與國家标準換算值對照，換算誤差為±2HV

努氏硬度與洛氏硬度的對應曲線類似于抛物線，故由曲線得出近似的換算公式如下，此公式比較精确，可以作為使用參考。

八、蠕變、疲勞、可加工性

蠕變：當材料在高溫下，長時間承受恒定應力時，它将經曆緩慢且永久的變形，稱為蠕變

疲勞：承受交變載荷的零件，工作時的應力小于屈服極限，但是經過一定的周期次數後發生斷裂，這種現象稱為疲勞斷裂

可加工性：指金屬等材料，易于切割，鑽孔，研磨，成形等

蠕變分為三個階段

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。

疲勞強度

是指材料在無限多次交變載荷作用而不會産生破壞的最大應力，稱為疲勞強度或疲勞極限

一般來說，材料的屈服強度越高，疲勞強度也越高

可加工性一般包括以下四個方面：

（1）切削加工性能：反映用切削工具（例如車削、銑削、刨削、磨削等）對金屬材料進行切削加工的難易程度。

（2）可鍛性：反映金屬材料在壓力加工過程中成型的難易程度，例如将材料加熱到一定溫度時其塑性的高低（表現為塑性變形抗力的大小），允許熱壓力加工的溫度範圍大小，熱脹冷縮特性以及與顯微組織、機械性能有關的臨界變形的界限、熱變形時金屬的流動性、導熱性能等。

（3）可鑄性：反映金屬材料熔化澆鑄成為鑄件的難易程度，表現為熔化狀态時的流動性、吸氣性、氧化性、熔點，鑄件顯微組織的均勻性、緻密性，以及冷縮率等。

（4）可焊性：反映金屬材料在局部快速加熱，使結合部位迅速熔化或半熔化（需加壓），從而使結合部位牢固地結合在一起而成為整體的難易程度，表現為熔點、熔化時的吸氣性、氧化性、導熱性、熱脹冷縮特性、塑性以及與接縫部位和附近用材顯微組織的相關性、對機械性能的影響等。

通常硬度，抗拉強度，微觀結構，化學成分，刀具參數（刀具幾何參數，材料，壽命等），切削參數（切削速度，進給量，切削液等），固定方式等都會影響加工性。

而合金元素的存在，對可切削性的影響，遠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，而機械性能沒有明顯變化。雖然從曆史上看，硫和鉛一直是最常見的添加劑，但是由于環境原因，铋和錫越來越受歡迎。