材料研究的不斷進(jìn)步極大推動(dòng)了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床加工領(lǐng)域，可加工材料的多樣性日益增加，了解材料核心性能及其差異對(duì)于充分利用最新技術(shù)成果非常重要。

本文聚焦于加工材料的三項(xiàng)核心性能：強(qiáng)度、剛度和硬度。我們將詳細(xì)解析每項(xiàng)性能的定義，并分享加工中的實(shí)踐建議。

強(qiáng)度、剛度、硬度：為何重要？

材料性能是材料對(duì)外力作用產(chǎn)生響應(yīng)（形狀和形態(tài)變化方式）的特性，正是這些性能決定了材料被歸類為軟、硬、延展等類別。

在CNC加工材料領(lǐng)域，強(qiáng)度、剛度和硬度是重要的三項(xiàng)性能，它們決定了材料在切削工具作用下的表現(xiàn)。事實(shí)上，僅憑這三項(xiàng)性能即可判定材料是否屬于”難加工”類別。

何謂材料強(qiáng)度？

強(qiáng)度堪稱工程應(yīng)用的首要機(jī)械性能，工程師選擇材料時(shí)首先檢查的就是強(qiáng)度參數(shù)。簡(jiǎn)而言之，它決定了材料在外力作用下發(fā)生變形的程度——材料越強(qiáng)，變形越小。

為深入解析，我們引入經(jīng)典的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。該曲線通過(guò)單一圖像承載大量信息。雖然初看可能復(fù)雜，但我們將逐步分解其關(guān)鍵要素。

首先簡(jiǎn)要介紹曲線坐標(biāo)軸代表的量值：

• 應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e所受的力。外力越大，應(yīng)力越高；
• 應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的變形量。它是材料在應(yīng)力作用下的響應(yīng)度量；
• 兩者呈直接關(guān)系：一方增大，另一方隨之增大，反之亦然。

需注意的是，根據(jù)受力方式的不同，存在多種應(yīng)力類型。本文僅討論拉伸應(yīng)力，因?yàn)樗谴蠖鄶?shù)應(yīng)用中最常見的載荷形式。

觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線可見多個(gè)特征點(diǎn)和區(qū)域，它們代表不同類型的強(qiáng)度，這正是我們接下來(lái)的討論重點(diǎn)。

屈服強(qiáng)度

屈服強(qiáng)度是材料達(dá)到屈服點(diǎn)前的強(qiáng)度值。屈服點(diǎn)是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上材料開始發(fā)生塑性變形的臨界點(diǎn)。在此點(diǎn)之前，材料發(fā)生彈性變形（移除應(yīng)力后恢復(fù)原狀）；超過(guò)此點(diǎn)后，材料將產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。

對(duì)于設(shè)計(jì)工程師而言，屈服強(qiáng)度是最關(guān)鍵的參數(shù)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)產(chǎn)品都不允許出現(xiàn)塑性變形。

極限抗拉強(qiáng)度（UTS）

極限抗拉強(qiáng)度是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，表示材料所能承受的最大拉伸應(yīng)力值。該值出現(xiàn)在塑性變形區(qū)，代表材料開始趨向斷裂的臨界點(diǎn)。

從設(shè)計(jì)角度，若零件預(yù)期會(huì)發(fā)生塑性變形，則需重點(diǎn)考慮該參數(shù)。通常建議將工作應(yīng)力控制在極限抗拉強(qiáng)度以下，以避免過(guò)度變形和斷裂。

斷裂強(qiáng)度

斷裂強(qiáng)度指材料完全失效并開始破裂的應(yīng)力值。這是應(yīng)力極限點(diǎn)，設(shè)計(jì)階段必須避免達(dá)到此值。

在加工領(lǐng)域，刀具斷裂就是典型案例。當(dāng)切削工具承受過(guò)載時(shí)，其切削刃會(huì)崩裂失效。

抗壓強(qiáng)度

如前所述，材料可能承受多種載荷形式。前述討論均基于拉伸應(yīng)力，但多數(shù)材料在其他載荷下的表現(xiàn)類似。

抗壓強(qiáng)度是材料在壓縮載荷下的強(qiáng)度值。其變形規(guī)律相同：材料在壓縮載荷下先發(fā)生彈性變形，隨后進(jìn)入塑性變形階段，最終在特定應(yīng)力值下開始破裂。

通常抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，因?yàn)椴牧细y被壓縮而非拉長(zhǎng)。在工程設(shè)計(jì)中，若零件承受壓縮載荷（如液壓機(jī)、立柱、汽車懸掛系統(tǒng)），則該參數(shù)尤為重要。

何謂材料剛度？

剛度是另一項(xiàng)與工程設(shè)計(jì)和制造密切相關(guān)的重要性能。它衡量材料在受力作用下的變形速率，剛度越高的材料變形越小。

參照應(yīng)力-應(yīng)變曲線，剛度是應(yīng)力變化（力）與應(yīng)變（變形）的比值，即曲線的斜率。計(jì)算公式為：

當(dāng)僅考慮彈性區(qū)的剛度時(shí)，也稱為”彈性模量”。這是適用于彈性變形區(qū)的恒定值。

為幫助讀者理解剛度概念，我們以胡克定律為例。該定律將剛度定義為彈簧所受外力與伸長(zhǎng)量的比值，公式中的k值即為剛度。

如圖所示，彈簧伸長(zhǎng)量越大，剛度越小。這與我們對(duì)”剛度”的日常理解一致。

加工中的剛度 – 刀具偏轉(zhuǎn)案例

將剛度討論延伸至加工實(shí)例。切削工具需承受切削力作用，必須保證足夠剛度以避免變形。輕微偏轉(zhuǎn)屬正?，F(xiàn)象，但過(guò)度變形會(huì)影響零件公差甚至導(dǎo)致工具斷裂。

因此，工程師在選擇工具前需預(yù)判其偏轉(zhuǎn)是否在允許范圍內(nèi)。以下是簡(jiǎn)化版的計(jì)算流程：

在機(jī)床設(shè)置中，刀具可視為懸臂梁。為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)切削力集中在刀具尖端（如圖）。此時(shí)刀具（懸臂梁受集中載荷）的剛度計(jì)算公式為：

其中E為刀具材料的彈性模量，I為截面慣性矩，L為刀具懸伸長(zhǎng)度。

已知?jiǎng)偠?、力與變形的關(guān)系后，即可通過(guò)切削力P計(jì)算預(yù)期偏轉(zhuǎn)量：

何謂材料硬度？

硬度是衡量材料抵抗局部永久變形的能力，通俗而言即材料抵抗表面變形（如壓痕、劃痕、磨損）的能力。材料越硬，越難產(chǎn)生劃痕。金剛石因硬度極高而被廣泛用于切削工具。

在工程設(shè)計(jì)中，硬度是重要決策依據(jù)。例如，只有硬質(zhì)合金（碳化鎢）或聚晶金剛石（PCN）等硬質(zhì)刀具材料才能加工鈦合金等難加工材料，高速鋼等較軟材料在硬金屬加工中會(huì)迅速失效。

硬度測(cè)量方法

硬度是最具文獻(xiàn)記載的材料性能之一，專業(yè)人員常將其作為材料質(zhì)量的快速評(píng)價(jià)指標(biāo)。存在多種測(cè)試方法和硬度標(biāo)尺，以下簡(jiǎn)述主要方法：

多數(shù)硬度測(cè)試遵循類似標(biāo)準(zhǔn)化流程：使用特定形狀和材質(zhì)的壓頭，以已知力壓入被測(cè)材料表面，測(cè)量壓痕尺寸后計(jì)算硬度值。

維氏、布氏和洛氏測(cè)試是最常用的方法：

• 維氏硬度測(cè)試：使用金字塔形金剛石壓頭，適用于薄件和小零件，采用較輕壓入載荷。
• 布氏硬度測(cè)試：使用直徑10mm的鋼球壓頭，標(biāo)準(zhǔn)載荷為29.42kN。
• 洛氏硬度測(cè)試：具有多種壓頭、載荷和標(biāo)尺，采用兩步加載法（先預(yù)加載，再主加載）。

不同測(cè)試對(duì)應(yīng)多種硬度標(biāo)尺。例如，前述三種測(cè)試主要適用于金屬，而邵氏硬度計(jì)更常用于彈性體和聚合物。

工程師常需在不同標(biāo)尺間轉(zhuǎn)換讀數(shù)，轉(zhuǎn)換表是有效的工具（示例如下）。建議常備此類轉(zhuǎn)換表。

常見材料強(qiáng)度、剛度、硬度對(duì)比

不同材料的性能差異顯著，這正是各種材料具有特定適用場(chǎng)景的原因。了解強(qiáng)度、剛度和硬度的基本概念后，我們對(duì)比典型材料的性能差異：

強(qiáng)度 vs 剛度 vs 硬度：核心差異解析

強(qiáng)度、剛度和硬度通常足以判定材料的工程適用性，但這并不意味著其他性能不重要——只是它們?cè)谔囟▓?chǎng)景下才顯現(xiàn)關(guān)鍵價(jià)值。

這三者之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。例如，拉伸強(qiáng)度與硬度常呈正相關(guān)，硬度高的材料通常強(qiáng)度也較高。

強(qiáng)度與剛度也存在類似關(guān)系：強(qiáng)度高的材料通常剛度更大。這正是我們?cè)诘毒咂D(zhuǎn)案例中優(yōu)先選擇高強(qiáng)材料的原因。

然而，這并非絕對(duì)規(guī)律。例如玻璃等脆性材料雖然剛度大，但強(qiáng)度低——它們?cè)谳d荷下幾乎不發(fā)生變形即進(jìn)入塑性變形區(qū)并斷裂。

最佳實(shí)踐是分別評(píng)估這些性能。雖然可基于上述規(guī)律進(jìn)行初步推斷，但工程師必須針對(duì)具體材料選擇驗(yàn)證假設(shè)的正確性。

工程設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐

工程設(shè)計(jì)是復(fù)雜的過(guò)程，需要技能、經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造力。關(guān)注材料性能是其中的重要環(huán)節(jié)。以下列出專業(yè)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐：

理解材料性能

理解材料的強(qiáng)度、剛度和硬度雖屬基礎(chǔ)要求，但定期重溫工程原理有助于鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，在設(shè)計(jì)瓶頸期發(fā)揮關(guān)鍵作用。

識(shí)別關(guān)鍵組件和幾何特征

每個(gè)設(shè)計(jì)都存在易失效部位，可能是主要承重件（如門鉸鏈），也可能是高應(yīng)力集中的特定特征（如銳角）。提前識(shí)別可重點(diǎn)優(yōu)化這些區(qū)域。

安全系數(shù)

設(shè)計(jì)時(shí)通常采用安全系數(shù)，即使零件承載能力高于額定載荷。例如，額定1噸的滑輪可能設(shè)計(jì)為1.5噸斷裂，此時(shí)安全系數(shù)為1.5，這是預(yù)防意外過(guò)載的保險(xiǎn)措施。

避免銳角

銳角常導(dǎo)致應(yīng)力集中，建議使用圓角或倒角。材料選擇影響處理方式：硬且強(qiáng)的材料可承受更高應(yīng)力，無(wú)需大圓角；較軟材料則需合理圓角設(shè)計(jì)。

考慮溫度影響

溫度改變材料性能并引發(fā)熱脹冷縮。例如高溫下塑料會(huì)顯著軟化，因此高溫應(yīng)用幾乎完全被金屬和復(fù)合材料主導(dǎo)。

動(dòng)態(tài)載荷分析

動(dòng)態(tài)載荷是隨時(shí)間變化的力，不同材料對(duì)其抵抗能力各異。某些材料在循環(huán)載荷下快速失效，而其他材料可承受數(shù)百萬(wàn)次循環(huán)。

總結(jié)

在加工和設(shè)計(jì)工程中，材料性能的基本原理對(duì)產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性具有決定性影響。設(shè)計(jì)承重組件和選擇材料時(shí)，強(qiáng)度、剛度和硬度是首要考量因素。

韋克快速成型作為一站式CNC加工服務(wù)提供商，提供超過(guò)60種金屬和塑料材料，為客戶項(xiàng)目推薦適配材料以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。我們的制造能力（包括CNC機(jī)加工、3D打印、快速模具制造和真空復(fù)模）與各類材料的強(qiáng)度、剛度和硬度特性完美匹配。

常見問(wèn)題

強(qiáng)度、剛度、硬度哪個(gè)更重要？

三者均重要，但應(yīng)用場(chǎng)景決定側(cè)重方向。例如，汽車底盤設(shè)計(jì)中最重要的是強(qiáng)度，因其核心功能是承載。

如何查找材料性能數(shù)據(jù)？

ASTM等機(jī)構(gòu)為各類材料制定了性能標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)參數(shù)可在其出版物中查詢。多數(shù)材料供應(yīng)商也會(huì)提供特定批次材料的規(guī)格表。

溫度會(huì)改變材料性能嗎？

材料性能具有溫度依賴性。通常，強(qiáng)度、剛度和硬度隨溫度升高而降低，反之亦然。