强度、刚度、硬度的定义和区别

1 定义

  • 强度——金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力,或材料抵抗破坏的能力。
  • 刚度——金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
  • 硬度——金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

2 强度 (Strength)

按外力作用的性质不同,强度主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等,工程常用的是屈服强度和抗拉强度,这两个强度指标可通过拉伸试验测出,其单位为Pa

常用的强度性能指标有拉伸强度和屈服强度(或屈服点)。铸铁、无机材料没有屈服现象,故只用拉伸强度来衡量其强度性能。高分子材料也采用拉伸强度。

承受弯曲载荷、压缩载荷或扭转载荷时则应分别以材料的弯曲强度、压缩强度及剪切强度来表示材料的强度性能。

实验方法:

  • 拉伸实验——拉伸强度、屈服强度、抗拉强度
  • 三点弯曲实验——抗弯强度
  • 压缩实验——抗压强度

2.1 抗拉、抗压和抗剪强度

抗压强度-tensile strength、抗压强度-compression strength、抗剪强度- Shear strength。

抗压、抗拉、抗剪强度的计算式为:

σ=F/A

式 1

其中:

  • σ = 材料强度,Pa或者N/m2
  • F = 材料破坏时的最大荷载,N;
  • A = 试件的受力面积,m2

3 硬度 (Hardness)

硬度指“固体材料抗拒永久形变的特性”。材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。一般硬度越高,耐磨性越好。由于规定了不同的测试方法,所以有不同的硬度标准。

三种主要的硬度定义方式包括:

  • 刻划硬度(Scratch hardness)
  • 压入硬度(Indentation hardness)
  • 回弹硬度(Rebound hardness,动态硬度dynamic hardness,或绝对硬度)

注意:各种硬度标准的力学含义不同,相互不能直接换算,但可通过试验加以对比。

4 刚度 (Stiffness)

刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度(或称刚性)常用单位变形所需的了或力矩来表示,刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类(即材料的弹性模量)。刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后,会影响机器工作质量的零件尤为重要,如机床的主轴、导轨、丝杠等。

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