一文读懂材料的强度，刚度，塑性和硬度的区别与联系

有些同学对于材料的刚度，强度，硬度没有深刻区别和理解，这篇文章我们就探讨一下材料的静态力学性能，从刚度，强度，硬度，还有塑性四个方面开展论述：

刚度：（stiffness）：

刚度是指材料对于弹性变形的抗力，用弹性模量或者杨氏模量来表征，材料的刚度越大，杨氏模量越大，其公式是：

常见材料的杨氏模量如下图：

上图从左到依次为金属，高分子材料（包括塑料，橡胶等），陶瓷材料，复合材料（玻璃纤维增强复合材料GFRP，碳钎维增强复合材料CFRP，木聚合板Plywood等）

强度（strength）：

就是材料抵抗破坏的能力，更具体的说，是材料在静力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度和材料的应力密不可分。工程材料的强度一般分为两种，一种是抗拉强度，一种是屈服强度。

首先，屈服强度用如下公式表示：

其中Fs表示产生屈服时材料受到的载荷或者力，S0表示材料的原始截面积。单位是和压强的单位一模一样的，为Pa,Mpa或者Gpa，不再赘述。值得注意的是，我们研究强度的时候，一般都是截取一个截面做分析。

其次，抗拉强度（这里我们不讨论抗压强度），的公式为：

其中Fb表示产生破坏时候（具体对于受拉力测试的材料来说就是拉断的时候）材料受到的载荷或者力，S0表示材料的原始截面积。单位是和压强的单位一模一样的，为Pa,Mpa或者Gpa，不再赘述。

塑性（Plasticity）：

塑性就是材料产生塑性变形而不被破坏的能力，主要用两个物理量来表征，分别是伸长率和断面收缩率，其公式分别为：

伸长率：

其中L1是材料拉断前的标距（标定长度），L0是材料原始的标距（标定长度），显然单位为1，或者没有单位。

断面收缩率：

其中，其中S1是材料拉断前的截面积，S0是材料原始的截面积，显然单位仍然为1，或者没有单位。

如下图，材料拉伸实验中的断裂形式一般有两种，一种是塑性断裂，如下图，这就意味着，此种材料的塑性较好。此种材料也可以被称作塑性材料。

另外一种为脆性断裂。如下图，我们可以清楚的看到，这里的断面收缩率几乎为0。我们把这种叫做脆性材料。

值得一提的是，脆性材料和塑性材料有不同的应力应变曲线。下面是不同材料的应力应变曲线。我们可以看出，脆性材料是没有屈服阶段的。

硬度：（Hardness）

硬度是衡量材料软硬程度的指标，表示材料在表面局部体积内抵抗变形，特别是塑性变形，划痕，或者压痕的能力叫做硬度。

硬度的测量方法一共有三种，分别是：压痕法，回调法，和刻痕法。

硬度的表示方式常见的也有三种，分别为：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度等。

最后我们来辨别一下，硬度，刚度和强度。生活中我们口头上有时候说某件东西的硬度的时候，其实应该是在讨论它的刚度或者强度。而在工程实际问题中，硬度主要指的是表面硬度。而强度和破坏或者断裂相关，刚度和变形相关。

下一篇我们将分别详细介绍常见材料的硬度以及它们之间的相互转化。

此篇完。