在為一個(gè)項(xiàng)目或者產(chǎn)品篩選合適的材質(zhì)時(shí)，合理的取舍顯得非常重要，不光是選用這種材料不用哪種材料，更重要的是用材質(zhì)的哪些性能作為依據(jù)。如果你沒有更好的參照，不妨用下面幾個(gè)特性來限定。小小動(dòng)態(tài)圖，又好玩又實(shí)用，快快轉(zhuǎn)給你的小伙伴吧~

強(qiáng)度

材質(zhì)要能經(jīng)得起應(yīng)用場景中受力的考驗(yàn)，不彎、不斷、不碎、不變形。

硬度

較硬的材質(zhì)一般更抗刮擦，耐用，抗撕裂和壓痕。

彈性

材質(zhì)吸收受力、能在不同方向彎曲并且能夠恢復(fù)到原來的狀態(tài)能力。

成型性能

是否方便加工成永久形狀，柿子雖然軟可以隨便捏，但是捏完就完了。另外一個(gè)極端的例子：鉆石硬度太高，也不適合用來加工。

延性

長度方向上的受力變形能力。比如橡皮筋的彈性很好。材料方面熱塑性彈性體一般都具有不錯(cuò)的延性。

抗拉強(qiáng)度

未發(fā)生斷裂或者折斷之前的變形能力。

延展性

未出現(xiàn)裂紋前，材質(zhì)在各個(gè)方向上能夠改變形狀的能力，考驗(yàn)的是材料再次塑形的能力。

韌性

材質(zhì)抗沖擊能力，突然敲打一下，不會斷裂或者破碎 。

導(dǎo)電性能

正常情況下，導(dǎo)電性好的材料導(dǎo)熱性能也不錯(cuò)。

材料的強(qiáng)度指標(biāo)有以下：

1、彈性極限：用來表示材料發(fā)生純彈性變形的最大限度。當(dāng)金屬材料單位橫截面積受到的拉伸外力達(dá)到這一限度以后，材料將發(fā)生彈塑性變形。對應(yīng)于這一限度的應(yīng)力值。

2、屈服極限：用來表示材料抵抗微小塑性變形的能力。屈服極限又分為物理屈服極限和條件屈服極限。

3、強(qiáng)度極限：材料抵抗外力破壞作用的最大能力，稱為材料的強(qiáng)度極限。也就是說，當(dāng)材料橫截面上受到的拉應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，材料就會被拉斷。

為了保證機(jī)械系統(tǒng)或者整個(gè)結(jié)構(gòu)的正常工作，保證其中每個(gè)零部件或者構(gòu)件都能夠正常的工作。工程構(gòu)件安全設(shè)計(jì)的任務(wù)就是保證構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

穩(wěn)定性很好理解，受力作用下保持或者恢復(fù)原來平衡形式的能力。例如承壓的細(xì)桿突然彎曲，薄壁構(gòu)件承重發(fā)生褶皺或者建筑物的立柱失穩(wěn)導(dǎo)致坍塌。

今天主要來講一下對于剛度和強(qiáng)度的理解。

一、強(qiáng)度

定義：構(gòu)件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。

提取關(guān)鍵字，破壞斷裂，顯著變形。

比如說小A把iPad當(dāng)成了體重秤，站上去，iPad屏幕裂了，這就是強(qiáng)度不夠。比如武漢每年的夏天看海時(shí)許多大樹枝被風(fēng)吹斷，這也是強(qiáng)度不夠。

強(qiáng)度是反映材料發(fā)生斷裂等破壞時(shí)的參數(shù)，強(qiáng)度一般有抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度等，就是當(dāng)應(yīng)力達(dá)到多少時(shí)材料發(fā)生破壞的量，強(qiáng)度單位一般是兆帕。

破壞類型

脆性斷裂：在沒有明顯的塑形變形情況下發(fā)生的突然斷裂。如鑄鐵試件在拉伸時(shí)沿橫截面的斷裂和圓截面鑄鐵試件在扭轉(zhuǎn)時(shí)沿斜截面的斷裂。

塑形屈服：材料產(chǎn)生顯著的塑形變形而使構(gòu)件喪失工作能力，如低碳鋼試樣在拉伸或扭轉(zhuǎn)時(shí)都會發(fā)生顯著的塑形變形。

強(qiáng)度理論

最大拉應(yīng)力理論：

只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ?達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力σb，材料就要發(fā)生脆性斷裂。

危險(xiǎn)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：σ?=σb。

所以按第一強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件為：σ?≤[σ] 。

最大拉應(yīng)變理論：

只要最大拉應(yīng)變ε?達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值εu，材料就要發(fā)生脆性斷裂破壞。ε?=σu；

由廣義胡克定律得：ε?=[σ?-ν(σ?+σ?)]/E，所以σ?-ν(σ?+σ?)=σb。

按第二強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件為：σ?-ν(σ?+σ?)≤[σ]。

最大切應(yīng)力理論：

只要最大切應(yīng)力τmax達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限切應(yīng)力τ0，材料就要發(fā)生屈服破壞。τmax=τ0。

依軸向拉伸斜截面上的應(yīng)力公式可知τ0=σs/2（σs——橫截面上的正應(yīng)力）由公式得：τmax=（σ?-σ?）/2。所以破壞條件改寫為σ?-σ?=σs。

按第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：σ?-σ?≤[σ]。

形狀改變比能理論：

只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變比能達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，材料就要發(fā)生屈服破壞。

所以按第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：

sqrt(σ?2+σ?2+σ?2-σ?σ?-σ?σ?-σ?σ?)<[σ]。

二、剛度

定義：指構(gòu)件或者零件在外力作用下，抵御彈性變形或者位移的能力，即彈性變形或者唯一不應(yīng)該超過工程允許的范圍。

剛度是反映結(jié)構(gòu)變形與力的大小關(guān)系的參數(shù)，即結(jié)構(gòu)受多大力產(chǎn)生多少變形的量，簡單說，就是一根彈簧，拉力除以伸長量就是彈簧的剛度。剛度單位一般是N/m。

剛度類型

當(dāng)所作用的載荷是恒定載荷時(shí)稱為靜剛度;為交變載荷時(shí)則稱為動(dòng)剛度。靜剛度主要包括結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。結(jié)構(gòu)剛度即指構(gòu)件自身的剛度，主要有彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

彎曲剛度k按下式計(jì)算：

式中P——靜載荷(N);δ——在載荷方向的彈性變形(μm)。

扭轉(zhuǎn)剛度k按下式計(jì)算：

式中M——作用的扭矩(N·m);L——扭矩作用處到固定端的距離(m);θ——扭轉(zhuǎn)角(°)

三、兩者聯(lián)系

通過對上述關(guān)于強(qiáng)度和剛度的理論理解，相對于剛度，強(qiáng)度的定義針對的是外力作用下的破壞，而破壞類型的分類為塑形屈服及脆性斷裂，由此聯(lián)想到拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖中曲線可分為四個(gè)階段：

I、彈性變形階段；

II、屈服階段；

III、強(qiáng)化階段；

IV、局部頸縮階段。

而剛度的定義是在于抵抗彈性變形，是在第一階段下進(jìn)行的，彈性作用下滿足胡克定律，觀察靜載荷下彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式，類似于胡克定律，可推測剛度的測量僅僅在彈性變形階段進(jìn)行。

在進(jìn)入下一階段后，對于拉伸過程中塑形應(yīng)變火殘余應(yīng)變不會消失，在應(yīng)力應(yīng)變曲線下，應(yīng)力幾乎不變，而應(yīng)變顯著增加，此時(shí)應(yīng)力為屈服極限。且對于材料則進(jìn)入了塑形屈服的破壞階段，在進(jìn)入強(qiáng)化階段后，應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而增加，最后到達(dá)強(qiáng)度極限。由此可見關(guān)于強(qiáng)度的測量是在于材料彈性形變之后而強(qiáng)度極限之前。

綜上，可得出剛度與強(qiáng)度都是在對于零件失效階段的測量值，而剛度可以依靠應(yīng)力來測量，強(qiáng)度可以依靠變形來測量，在應(yīng)變過程中剛度在前一階段而強(qiáng)度在后階段，所以在零件失效的條件測量中，只要滿足了剛度要求，在彈性變形階段就可以抵抗足夠的應(yīng)力，而強(qiáng)度在這樣的前提下也就滿足了零件的要求。

按照這樣的關(guān)系，才會有在實(shí)際的生產(chǎn)中的各類設(shè)計(jì)，例如機(jī)械設(shè)備中的軸，通常是先按強(qiáng)度條件確定軸的尺寸，再按剛度條件進(jìn)行剛度校核。精密機(jī)械對于軸的剛度要求也就因此而設(shè)定得很高，其截面尺寸的設(shè)計(jì)往往由剛度條件控制。

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