一文读懂材料机械（力学）性能的各种概念和指标

材料机械性能的各类指标和概念

弹性 (Elasticity)

• • 定义：弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料能恢复到原来的形状和尺寸的能力。

• • 物理意义：弹性反映了材料抵抗变形的能力，是材料在弹性限度内的变形行为。

• • 弹性模量（Young’s Modulus, E）：描述材料在弹性范围内的应力与应变的比值，单位为帕斯卡（Pa）。

• • 泊松比（Poisson’s Ratio, ν）：描述材料在一个方向受拉伸（或压缩）时，垂直方向的收缩（或膨胀）与拉伸（或压缩）的比值。

• • 剪切模量（Shear Modulus, G）：描述材料在剪切力作用下发生剪切变形的能力，单位为帕斯卡（Pa）。

塑性 (Plasticity)

• • 定义：塑性是指材料在外力作用下发生永久变形，外力去除后，变形不能恢复的性质。

• • 物理意义：塑性反映了材料在超出弹性限度后的变形能力，是金属加工和成型的重要特性。

• • 屈服强度（Yield Strength, σy）：材料开始发生塑性变形的应力，单位为帕斯卡（Pa）。

• • 延展率（Elongation）：材料在拉伸试验中，从开始变形到断裂时，标距长度增加的百分比。

• • 断面收缩率（Reduction of Area）：材料在拉伸试验中，从开始变形到断裂时，断面面积减小的百分比。

硬度 (Hardness)

• • 定义：硬度是材料抵抗局部变形，特别是抵抗压入或刮擦变形的能力。

• • 物理意义：硬度测量方法多种多样，包括布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）和努氏硬度（HK），反映了材料在不同加载条件下的变形阻力。

• • 布氏硬度试验（Brinell Hardness Test, HB）：用一定直径的硬质球体压入材料表面，测量压痕直径来计算硬度。

• • 洛氏硬度试验（Rockwell Hardness Test, HR）：用锥形金刚石或硬质钢球压入材料表面，通过压入深度计算硬度。

• • 维氏硬度试验（Vickers Hardness Test, HV）：用四棱锥形金刚石压头压入材料表面，通过压痕对角线长度计算硬度。

强度 (Strength)

• • 定义：强度是指材料抵抗外力作用下发生变形或断裂的能力。

• • 物理意义：强度反映了材料在不同加载模式下的极限承载能力，包括拉伸强度、压缩强度和剪切强度等。

• • 极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）：材料在拉伸试验中，承受的应力值，单位为帕斯卡（Pa）。

• • 压缩强度（Compressive Strength）：材料在压缩试验中，承受的应力值，单位为帕斯卡（Pa）。

• • 剪切强度（Shear Strength）：材料在剪切试验中，承受的应力值，单位为帕斯卡（Pa）。

断裂力学 (Fracture Mechanics)

• • 定义：断裂力学研究材料在裂纹存在情况下的破坏行为，特别是裂纹扩展的条件和速率。

• • 物理意义：断裂力学用于预测材料在含有裂纹时的承载能力和寿命，是安全设计的重要依据。

• • 断裂韧性（Fracture Toughness, K_IC）：描述材料抵抗裂纹扩展的能力，单位为MPa√m。

• • 疲劳裂纹扩展速率（Fatigue Crack Growth Rate, da/dN）：描述材料在循环载荷作用下，裂纹扩展的速率。

渗透与扩散 (Permeation and Diffusion)

• • 定义：渗透和扩散描述了气体或液体通过材料的运动过程。

• • 物理意义：渗透和扩散性能影响材料在化工、能源等领域的应用，决定了材料的屏蔽和过滤效果。

• • 渗透率（Permeability）：描述气体或液体通过材料的速度，单位为m²。

• • 扩散系数（Diffusion Coefficient, D）：描述分子在材料中的扩散速度，单位为m²/s。