★ 本指南概述了您必须了解的10种材料特性。它们是什么，为什么有用？在哪里可以找到必要的信息？
★ 材料特性使我们可以洞察材料在特定条件下的机械性能。了解基础知识是选择正确材料的关键。
★ 材料特性对于确保正确的设计至关重要。通过阅读本文，您会发现基础非常简单。
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对于刚开始学习工程的学生来说，“材料特性”的含义可能并不十分清楚。在工程学中，我们认为材料特性是可以用来描述材料的描述性属性。
例如，当你拿到一块钢筋时，可以用几种材料特性来描述它，这有助于我们准确地确定它是什么类型的钢，以及如何使用它。
一种特性可能是钢的硬度。如果太硬，就很难加工，可能需要退火。如果它太软，它可能需要回火到一个较硬的状态才能使用作为最终产品。这样，材料的硬度就可以回答有关钢筋的一些重要问题。
钢筋的刚度也是有用的，这是另一种材料性质。
事实上，有许多我们可能感兴趣的材料性能，这取决于我们计划如何使用钢筋。
以下是机械设计工程师最重要的10个材料属性列表。如果您熟悉这些属性，它们的含义以及如何找到它们，那么在确定用于设计的材料时将是一个好的开始。除了对每个属性的简要说明之外，还将进行举例说明，说明如何在特定应用中使用它来在两种材料之间进行选择。
硬度（hardness）
硬度 是最常用的材料特性之一，可以应用于任何固体材料。它是指材料承受其表面刮擦或凹陷的能力。显然，较硬的材料更难刮擦或凹陷。
有几种标准的硬度标尺和测试方法可以使用。最常见的测量仪器是洛氏，维氏 和布氏硬度标尺。 一种材料可能被称为45 Rc（洛氏硬度C标尺）。硬度是使用校准机器测量的，该机器会测量在材料样本中施加小凹痕所需的力。
虽然某些材料自然会比其他材料硬(例如，钢总是比铝硬)，但许多材料的硬度可以通过热处理或加工硬化来增加或减少。
硬度对于设计工程师来说是非常有用的。
例如，工程师通常会为像锤子这样的东西指定一个最小硬度，以确保在正常情况下使用时不容易刮伤或凹痕。然而，对稍后加工的不锈钢部件进行退火可能是更优的选择，这样可以确保它对将要使用的切削工具来说不是太硬。
刚度（stiffness）
刚度是另一个常见属性，是指材料抵抗变形的趋势。高刚度的零件将在载荷下保持其形状，而低刚度的零件将更可能弯曲。一种常见的度量是给定材料的弹性模量。弹性模量越高，则刚度越高。
例如，考虑桥梁梁必须保持其形状下的大负荷。设计工程师会想为梁指定一种具有高弹性模量的材料，以确保它不会在预期负载下发生偏转。
热膨胀系数
当热膨胀成为一个问题时，重要的是要考虑到所涉及材料的热膨胀系数 （也称为CTE）。该属性描述了零件尺寸随温度变化而变化的程度。CTE越高，随着温度每升高一度，材料膨胀的速度就越快。
例如，这在发动机等高温应用中尤为重要，在高温应用中，必须将组件设计为在发动机的整个工作温度下（而不是在寒冷条件下）运行并装配在一起。当将具有多个组件的子组件一起加热（例如在钎焊炉中）时，还应考虑异种材料的CTE以及在每个组件上导致的应力增加。
导热系数
另一个重要的热特性是导热系数，它指定了材料导热的难易程度。导热系数通常以W / mk（瓦特/米·开尔文，国际标准单位）为单位，或BTU / hr-ft-degF（BTU /小时-英尺-华氏度 ）。
例如，在设计散热器和绝缘组件时，这是有用的属性。具有较高导热系数的材料更适合散热器，因为它们易于吸收热量，而具有较低导热率的材料则可以制成更好的绝热体。
剪切强度
剪切强度是材料在剪切载荷下抵抗破坏的能力。剪切载荷是在两个相反方向上的滑动载荷，在数值上等于剪切面上的切向应力值，即剪切面上形成的剪切力与破坏面积之比。就像剪刀如何剪纸或钣金剪切如何切割金属一样。
当设计承受剪切载荷的零件时，或者更常见的是选择在某些制造过程中仍能承受的材料时，这一点很重要。
例如，如果要对钣金零件进行液压成形，那么选择一种在过程中不会撕裂的材料就很重要，因为会施加较大的剪切载荷。为此，设计工程师会选择具有高剪切强度的材料（通常是韧性较小的材料）。
拉伸强度
承受拉伸载荷的组件（将从两端拉出的组件）必须具有较高的拉伸强度（通常称为极限拉伸强度或UTS）。这是一种非常常用的特性，它是在标准拉伸试验中确定的，其中将样品拉出直至破裂，然后测量载荷。
有些零件在载荷作用下会突然断裂而不会变形，而另一些零件在最终破裂之前会表现出较大的塑性变形。失效的类型在很大程度上取决于材料的延展性。
在所有类型的应用中，拉伸强度是一个因素，包括旋转的涡轮部件，由于旋转速度和部件的重量大，旋转涡轮部件旋转迅速并且承受沉重的拉伸载荷。
拉伸强度测试
抗压强度
抗压强度是零件抵抗压缩力的能力。抗压强度低的零件在受压时会弯曲并断裂。通常，为给定的材料创建一条应力-应变曲线，以显示给定数量的压应力将产生多少应变。
在设计复合组件时，抗压强度通常可能是一个很大的因素。例如，碳纤维具有非常高的拉伸强度，但是在压缩下容易弯曲。因此，重要的是要小心压缩将压缩的零件，并注意某些材料的方向性影响。
屈服强度
当受到压力时，大多数材料开始会弹性变形，这意味着一旦压力消除，它们就会迅速恢复到原来的形状。然而，在某一点上，它们将开始塑性变形，这意味着如果应力被移除，它们将不会恢复到原来的形状。材料开始塑性变形的这一点称为屈服强度。
这是设计中的临界点，它决定了设计在哪个点失败。如果一个平台的设计承受500磅的载荷，但屈服于450磅，这个设计是有缺陷的，平台将会有发生意外的风险。
许多材料(包括大多数金属)的屈服强度可以通过加工硬化、合金化和热处理来改变，对关键部件通常有严格的取样要求，以确保材料在使用中不会意外屈服。
表面粗糙度
许多制造工艺对零件的表面有独特的影响。例如，砂型铸造工艺可能会留下粗糙的砂纸表面，而珩磨操作可能会留下光滑如玻璃的表面。为了控制这一点，工程图纸上经常要求表面粗糙度。
指定表面粗糙度限制也有助于控制磨损、摩擦、表面裂纹和工件被涂覆的能力等。一般来说，粗糙度是用轮廓仪测量的，轮廓仪是一种沿着零件表面拖动的工具。
虽然有许多表面粗糙度参数在使用中，与一些行业特定的标准，最常见的是Ra（美国表面粗糙度标准），这是一个给定区域的抽样值的平均值。根据你的设计的粗糙度要求，你将需要选择能够满足要求的相应制造工艺。可以参考机械设计手册，可以找到关于常见制造工艺的常见表面处理的指南。
熔点
最后，在设计高温应用时，值得考虑的是材料的熔点，即材料从固体转变为液体的温度。重要的是要确保你的材料在使用或生产期间(例如，在炉钎焊期间)不要接近熔点。
压力会对材料的熔点产生影响，压力越高，材料的熔点就越高。
在哪里可以找到材料属性的信息
大多数材料制造商公布其产品的数据，其中包括所有相关的材料属性。你可以在他们的网站上找到这些信息，或者向你的销售索取。另一个很好的参考资料是机械手册，里面有很多有用的信息，关于材料，它们的性能，以及它们在不同制造过程中的反应。
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