理解材料的不同行為對于設(shè)計的成功至關(guān)重要。概括材料行為的一組描述被稱為材料性質(zhì)。令人驚訝的是，在非常相似的材料中可能存在很大的差異!例如，5052鋁和7075鋁，這兩種特定的鋁合金，至少有87%相同的材料，但7075鋁幾乎強度是5052鋁的三倍!

一、材料密度

密度是一個相當(dāng)直接的性質(zhì)，它是單位體積的重量。這意味著所討論的材料制成的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的物體有多重。通常以磅每立方英寸(lb/in3)或磅每立方英尺(lb/ft3)來表示。一個立方英寸是一個正好一英寸一邊的立方體所占據(jù)的空間(即體積)，類似地，立方英尺是一個一邊一英尺的立方體。

大多數(shù)人都聽過這個謎語："1磅的羽毛和1磅的磚頭哪個重?"密度是在這個謎語中被玩弄的關(guān)系，因為羽毛比磚頭要稀疏得多，因此占用更多的體積(空間)。

從實際角度看，密度及其與重量的關(guān)系使得它在重量重要的情況下至關(guān)重要。任何需要飛行、浮動、移動或?qū)χ亓棵舾械脑O(shè)計都應(yīng)將密度作為材料決策過程的一部分。

舉個例子，考慮普通鋼和6061鋁。6061鋁的屈服強度和極限強度相似，但密度幾乎是3倍，這使得6061鋁具有更高的強度重量比。

密度決定了物體是否浮在水上或下沉。如果一個物體比水密度更大，它會像上面玻璃中的鋼一樣下沉。如果一個物體的密度小于水，它會浮起，就像松木一樣。這兩個物體大小相同，但密度改變了它們與水的相互作用方式。

二、材料強度

在接下來的部分中，我們將定義不同的材料強度限制。然而，首先需要通用地定義材料強度，作為理解以下部分的基礎(chǔ)。材料強度是指結(jié)構(gòu)抵抗負(fù)荷的能力。本質(zhì)上，它是在材料中發(fā)生某種破裂的應(yīng)力水平。應(yīng)力簡單地定義為力與面積(力/面積)，類似于壓力。

舉個應(yīng)力的例子，考慮一個氣球。如果用裸手施加20磅的力到一個氣球上，什么也不會發(fā)生。然而，如果甚至是刀子的刀尖施加了一小部分的力到同一個氣球上，它就會爆炸。手將力分散到較大的面積上，從而降低了壓力。相反，刀子將所有的力集中在一個銳利的點上，使壓力大大增加，因為力只施加在一個非常小的區(qū)域上。這是應(yīng)力對世界產(chǎn)生影響的完美示范。

三、疲勞強度

材料疲勞是一個相當(dāng)復(fù)雜的主題。材料疲勞是零件由于多次加載和卸載零件，換句話說，多次對零件施加力并取力的失敗。每個循環(huán)都會損壞零件，最終零件會失敗。

這的經(jīng)典例子是回形針。如果一根回形針被彎成一根直線，然后反復(fù)折疊，最終它會在反復(fù)彎曲的地方破裂。這種故障模式就是疲勞。就材料性質(zhì)而言，疲勞強度是可以忍受一定數(shù)量循環(huán)的應(yīng)力水平。循環(huán)次數(shù)越多，疲勞強度就越低，直到達到無限壽命的疲勞應(yīng)力值。我們材料頁面上列出的疲勞強度是無限壽命循環(huán)的。以下是有關(guān)2024鋁材料詳情的示例。

考慮到疲勞強度，需要考慮以下因素：設(shè)計需要承受多少個循環(huán)?負(fù)載是否一致，還是波動到更高或更低的負(fù)載水平?負(fù)載是否反向方向，還是始終在同一方向上?所有這些因素都有助于確定設(shè)計的疲勞壽命。

從實際角度看，如果預(yù)計設(shè)計將經(jīng)歷少于1,000個加載周期，那么疲勞就不是太大的問題。拉伸強度(屈服)

屈服強度被定義為在沒有力增加的情況下的拉長。從實際角度來看，這是當(dāng)塑性變形開始發(fā)生時，或部件的形狀發(fā)生永久性改變時。考慮之前概述的同一回形針。如果輕輕將它彎曲并放在紙上，它會彈回到最初的形狀，這是彈性變形，還沒有達到屈服點。將彈性變形視為橡皮筋和它們?nèi)绾紊煺谷缓蠡氐皆瓉淼男螤睢Ｈ欢绻匦吾槺粡澢锰h，它將永久地采取新的形狀，并且不會恢復(fù)到原來的形狀。這種永久性變形是塑性變形，或稱為屈服，與彈性變形相反。

從實際角度來看，屈服通常被認(rèn)為是零件的失敗。大多數(shù)設(shè)計師尋求避免屈服，因為它往往會削弱零件，并將零件設(shè)計成永遠不會經(jīng)歷屈服應(yīng)力水平。

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