材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境(溫度、介質(zhì)、濕度)下，承受各種外加載荷(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等)時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。它們是設(shè)計各種工程結(jié)構(gòu)時選用材料的主要依據(jù)。

在工程和材料科學(xué)領(lǐng)域，剛度、強(qiáng)度、硬度、撓度、彈性、韌性、剛性和塑性這些概念至關(guān)重要，它們從不同維度描述了材料及結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。各種工程材料的力學(xué)性能是按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和程序，用相應(yīng)的試驗設(shè)備和儀器測出的。

下面，我們來看看各種力學(xué)特性的定義展現(xiàn)。

1、剛度

? 定義

材料或結(jié)構(gòu)在承受外力作用時，展現(xiàn)出抵抗彈性變形的內(nèi)在能力。這種能力體現(xiàn)了材料保持自身形狀穩(wěn)定的特性。

? 核心指標(biāo)

彈性模量(Young's modulus，E)堪稱關(guān)鍵衡量指標(biāo)，它猶如材料的 “剛度指紋”，是材料固有的抗變形屬性的量化表達(dá)。不同材料的彈性模量差異顯著，直接決定了它們在相同受力條件下的變形程度。

? 公式

從數(shù)學(xué)關(guān)系來看，剛度通過應(yīng)力與應(yīng)變的比值來量化，即剛度=應(yīng)力/應(yīng)變(E=σ/ε)。這一公式為精確計算和分析材料剛度提供了有力工具。

? 舉例

生活中常見的鋼與橡膠，就是剛度對比的典型。當(dāng)施加同樣大小的拉力時，鋼憑借高剛度，幾乎察覺不到變形，而橡膠因其較低的剛度，會被輕易拉長，兩者變形表現(xiàn)截然不同。

2、強(qiáng)度

? 定義

材料所具備的抵抗永久變形或者斷裂的能力，關(guān)乎材料在復(fù)雜受力環(huán)境下的服役可靠性。

? 分類

屈服強(qiáng)度是材料開始發(fā)生塑性變形時所對應(yīng)的應(yīng)力值，它標(biāo)志著材料從彈性階段向塑性階段轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)；抗拉強(qiáng)度則代表材料在斷裂之前能夠承受的最大應(yīng)力，是衡量材料極限承載能力的關(guān)鍵參數(shù)。

? 舉例

建筑領(lǐng)域廣泛使用的鋼筋，因其出色的強(qiáng)度，能夠有效承擔(dān)建筑物的巨大重量，保障結(jié)構(gòu)安全；而普通的粉筆，強(qiáng)度較低，輕輕一掰就會斷裂，無法承受較大外力。

3、硬度

? 定義

專注于材料表面局部區(qū)域抵抗壓入或者劃痕的能力，這一特性對材料的耐磨性和表面完整性具有重要意義。

? 測試方法

為了準(zhǔn)確評估材料硬度，發(fā)展出了多種成熟的測試手段，如布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、維氏硬度(HV)等。每種測試方法都有其適用范圍和特點，可根據(jù)材料類型和實際需求選擇。

? 舉例

自然界中硬度極高的鉆石，能夠輕松劃傷其他材料，展現(xiàn)出強(qiáng)大的表面抵抗能力；反觀橡皮，硬度極低，非常容易被其他物體劃傷，表面極易受損。

4、撓度

? 定義

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外力作用時，會產(chǎn)生彈性變形，而撓度就是對這種變形位移量的直觀度量。

? 關(guān)鍵因素

撓度大小并非孤立決定，它與施加的載荷大小密切相關(guān)，載荷越大，撓度往往越大；同時，材料自身的剛度(E)以及結(jié)構(gòu)的幾何形狀也起著關(guān)鍵作用。合理設(shè)計結(jié)構(gòu)形狀和選擇高剛度材料，能夠有效控制撓度。

? 舉例

日常生活中，木板兩端支撐，當(dāng)人站在木板中間時，木板會向下彎曲，這個彎曲的幅度就是撓度。通過觀察撓度大小，可以直觀判斷結(jié)構(gòu)在當(dāng)前受力下的變形情況。

5、彈性

? 定義

材料所具有的在卸載后能夠完全恢復(fù)到原始形狀的獨(dú)特能力，這一特性使得材料在多次受力循環(huán)中能保持形狀穩(wěn)定。

? 彈性極限

存在一個特定的應(yīng)力值，即彈性極限，它界定了材料能夠完全恢復(fù)變形的最大應(yīng)力范圍。一旦超過這個極限，材料將發(fā)生不可恢復(fù)的變形。

? 舉例

橡皮筋在被拉伸后，只要拉力不超過其彈性極限，松開時就會迅速回彈；常見的彈簧，在受壓后也能恢復(fù)到原來的長度，都是材料彈性的生動體現(xiàn)。

6、韌性

? 定義

材料在發(fā)生斷裂之前吸收能量的能力，這要求材料同時具備一定的強(qiáng)度和良好的塑性，是一種綜合性能指標(biāo)。

? 指標(biāo)

沖擊韌性用于衡量單位體積材料吸收能量的多少，反映了材料在沖擊載荷下的能量吸收能力；斷裂韌性則著重體現(xiàn)材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，對于防止結(jié)構(gòu)因裂紋引發(fā)的突然失效至關(guān)重要。

? 舉例

防彈玻璃憑借其高韌性，在遭受沖擊時能夠吸收大量能量，從而避免碎裂，為人員提供可靠防護(hù)；而陶瓷材料由于韌性較低，在受到?jīng)_擊時往往直接破碎，無法有效吸收能量。

7、剛性

? 定義

剛性描述的是結(jié)構(gòu)整體抵抗變形的能力，它不僅僅取決于材料自身的剛度，結(jié)構(gòu)的幾何形狀，尤其是截面尺寸，對剛性的影響也極為顯著。

? 與剛度的區(qū)別

剛度本質(zhì)上是材料的固有屬性，只與材料自身特性有關(guān)；而剛性側(cè)重于從結(jié)構(gòu)整體角度考量，綜合了材料剛度和結(jié)構(gòu)幾何特征等多方面因素。

? 舉例

假設(shè)鋼梁和鋁梁具有相同的截面尺寸，由于鋼材的剛度較高，鋼梁在抵抗變形方面表現(xiàn)得更為“剛硬”；然而，如果將鋁梁的截面加大，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)幾何形狀，鋁梁也能夠達(dá)到與鋼梁同等的剛性水平。

8、塑性

? 定義

材料在受力超過彈性極限后，能夠發(fā)生永久變形而不發(fā)生斷裂的能力，這一特性為材料的成型加工提供了可能。

? 指標(biāo)

延伸率通過計算材料拉伸后長度變化的百分比，直觀反映材料在拉伸方向上的塑性變形能力；斷面收縮率則從材料拉伸斷裂后斷面面積的變化來衡量塑性，兩者共同構(gòu)成了評估材料塑性的重要指標(biāo)體系。

? 舉例

在金屬加工行業(yè)，利用金屬良好的塑性，通過沖壓工藝將金屬板材加工成各種復(fù)雜形狀的零件；同樣，黏土在捏塑過程中發(fā)生塑性變形，最終能夠保持塑造的形狀，成為各種陶藝作品。

在實際工程應(yīng)用中，這些概念相互交織，共同影響著材料和結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。

例如：

? 航空航天領(lǐng)域

飛行器的機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在保證強(qiáng)度和剛性以承受飛行過程中的各種復(fù)雜載荷的同時，盡可能減輕重量。這就要求選用高強(qiáng)度、低密度且具有合適剛度的材料，如鋁合金等。鋁合金的高強(qiáng)度能夠確保機(jī)身在承受空氣動力、發(fā)動機(jī)推力等外力時不發(fā)生斷裂；其適當(dāng)?shù)膭偠缺ＷC了機(jī)身在飛行過程中不會產(chǎn)生過大的變形，影響飛行性能；而相對較低的密度則有助于減輕飛機(jī)重量，提高燃油效率。同時，為了防止在飛行過程中因外物撞擊等意外情況導(dǎo)致機(jī)身結(jié)構(gòu)損壞，材料還需具備一定的韌性，以吸收沖擊能量，避免裂紋迅速擴(kuò)展引發(fā)災(zāi)難性后果。

? 汽車制造領(lǐng)域

車身框架的設(shè)計要綜合考慮材料的強(qiáng)度、剛度和塑性。高強(qiáng)度鋼材用于關(guān)鍵部位，如車門防撞梁、車身縱梁等，以提高車輛在碰撞時的安全性，抵抗變形和斷裂；車身覆蓋件則多采用具有良好塑性的材料，便于沖壓成型，制造出復(fù)雜的外形；而整個車身結(jié)構(gòu)的剛性設(shè)計要保證車輛在行駛過程中，面對各種路面狀況產(chǎn)生的振動和沖擊，能夠保持穩(wěn)定的幾何形狀，不發(fā)生過度變形，提升駕乘舒適性和操控穩(wěn)定性。

? 土木工程

混凝土的壓縮強(qiáng)度與鋼筋的韌性結(jié)合，確保建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震下的穩(wěn)定性。

? 生物醫(yī)學(xué)

人工關(guān)節(jié)材料的彈性模量需與骨骼接近，避免應(yīng)力屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致的骨吸收問題。

總而言之，力學(xué)特性是材料對外部載荷響應(yīng)的綜合體現(xiàn)，反映其在受力條件下的穩(wěn)定性、耐久性及失效模式。例如，材料的抗拉強(qiáng)度決定其能否承受拉伸載荷而不斷裂，彈性模量則體現(xiàn)其形變恢復(fù)能力。這些特性不僅是材料設(shè)計的理論依據(jù)，也是工程結(jié)構(gòu)安全評估的核心指標(biāo)，直接影響航空航天、建筑橋梁等領(lǐng)域的安全性。