强度、刚度与硬度的区别：材料性能解析指南

材料研究的不断进步极大推动了现代制造业的发展。在数控机床加工领域，可加工材料的多样性日益增加，了解材料核心性能及其差异对于充分利用最新技术成果非常重要。

本文聚焦于加工材料的三项核心性能：强度、刚度和硬度。我们将详细解析每项性能的定义，并分享加工中的实践建议。

强度、刚度、硬度：为何重要？

材料性能是材料对外力作用产生响应（形状和形态变化方式）的特性，正是这些性能决定了材料被归类为软、硬、延展等类别。

在CNC加工材料领域，强度、刚度和硬度是重要的三项性能，它们决定了材料在切削工具作用下的表现。事实上，仅凭这三项性能即可判定材料是否属于”难加工”类别。

何谓材料强度？

强度堪称工程应用的首要机械性能，工程师选择材料时首先检查的就是强度参数。简而言之，它决定了材料在外力作用下发生变形的程度——材料越强，变形越小。

为深入解析，我们引入经典的应力-应变曲线。该曲线通过单一图像承载大量信息。虽然初看可能复杂，但我们将逐步分解其关键要素。

首先简要介绍曲线坐标轴代表的量值：

• 应力：单位面积所受的力。外力越大，应力越高；
• 应变：单位长度的变形量。它是材料在应力作用下的响应度量；
• 两者呈直接关系：一方增大，另一方随之增大，反之亦然。

需注意的是，根据受力方式的不同，存在多种应力类型。本文仅讨论拉伸应力，因为它是大多数应用中最常见的载荷形式。

观察应力-应变曲线可见多个特征点和区域，它们代表不同类型的强度，这正是我们接下来的讨论重点。

屈服强度

屈服强度是材料达到屈服点前的强度值。屈服点是应力-应变曲线上材料开始发生塑性变形的临界点。在此点之前，材料发生弹性变形（移除应力后恢复原状）；超过此点后，材料将产生不可恢复的塑性变形。

对于设计工程师而言，屈服强度是最关键的参数，因为大多数产品都不允许出现塑性变形。

极限抗拉强度（UTS）

极限抗拉强度是应力-应变曲线上的另一个关键参数，表示材料所能承受的最大拉伸应力值。该值出现在塑性变形区，代表材料开始趋向断裂的临界点。

从设计角度，若零件预期会发生塑性变形，则需重点考虑该参数。通常建议将工作应力控制在极限抗拉强度以下，以避免过度变形和断裂。

断裂强度

断裂强度指材料完全失效并开始破裂的应力值。这是应力极限点，设计阶段必须避免达到此值。

在加工领域，刀具断裂就是典型案例。当切削工具承受过载时，其切削刃会崩裂失效。

抗压强度

如前所述，材料可能承受多种载荷形式。前述讨论均基于拉伸应力，但多数材料在其他载荷下的表现类似。

抗压强度是材料在压缩载荷下的强度值。其变形规律相同：材料在压缩载荷下先发生弹性变形，随后进入塑性变形阶段，最终在特定应力值下开始破裂。

通常抗压强度高于抗拉强度，因为材料更难被压缩而非拉长。在工程设计中，若零件承受压缩载荷（如液压机、立柱、汽车悬挂系统），则该参数尤为重要。

何谓材料刚度？

刚度是另一项与工程设计和制造密切相关的重要性能。它衡量材料在受力作用下的变形速率，刚度越高的材料变形越小。

参照应力-应变曲线，刚度是应力变化（力）与应变（变形）的比值，即曲线的斜率。计算公式为：

当仅考虑弹性区的刚度时，也称为”弹性模量”。这是适用于弹性变形区的恒定值。

为帮助读者理解刚度概念，我们以胡克定律为例。该定律将刚度定义为弹簧所受外力与伸长量的比值，公式中的k值即为刚度。

如图所示，弹簧伸长量越大，刚度越小。这与我们对”刚度”的日常理解一致。

加工中的刚度 – 刀具偏转案例

将刚度讨论延伸至加工实例。切削工具需承受切削力作用，必须保证足够刚度以避免变形。轻微偏转属正常现象，但过度变形会影响零件公差甚至导致工具断裂。

因此，工程师在选择工具前需预判其偏转是否在允许范围内。以下是简化版的计算流程：

在机床设置中，刀具可视为悬臂梁。为简化模型，假设切削力集中在刀具尖端（如图）。此时刀具（悬臂梁受集中载荷）的刚度计算公式为：

其中E为刀具材料的弹性模量，I为截面惯性矩，L为刀具悬伸长度。

已知刚度、力与变形的关系后，即可通过切削力P计算预期偏转量：

何谓材料硬度？

硬度是衡量材料抵抗局部永久变形的能力，通俗而言即材料抵抗表面变形（如压痕、划痕、磨损）的能力。材料越硬，越难产生划痕。金刚石因硬度极高而被广泛用于切削工具。

在工程设计中，硬度是重要决策依据。例如，只有硬质合金（碳化钨）或聚晶金刚石（PCN）等硬质刀具材料才能加工钛合金等难加工材料，高速钢等较软材料在硬金属加工中会迅速失效。

硬度测量方法

硬度是最具文献记载的材料性能之一，专业人员常将其作为材料质量的快速评价指标。存在多种测试方法和硬度标尺，以下简述主要方法：

多数硬度测试遵循类似标准化流程：使用特定形状和材质的压头，以已知力压入被测材料表面，测量压痕尺寸后计算硬度值。

维氏、布氏和洛氏测试是最常用的方法：

• 维氏硬度测试：使用金字塔形金刚石压头，适用于薄件和小零件，采用较轻压入载荷。
• 布氏硬度测试：使用直径10mm的钢球压头，标准载荷为29.42kN。
• 洛氏硬度测试：具有多种压头、载荷和标尺，采用两步加载法（先预加载，再主加载）。

不同测试对应多种硬度标尺。例如，前述三种测试主要适用于金属，而邵氏硬度计更常用于弹性体和聚合物。

工程师常需在不同标尺间转换读数，转换表是有效的工具（示例如下）。建议常备此类转换表。

常见材料强度、刚度、硬度对比

不同材料的性能差异显著，这正是各种材料具有特定适用场景的原因。了解强度、刚度和硬度的基本概念后，我们对比典型材料的性能差异：

强度 vs 刚度 vs 硬度：核心差异解析

强度、刚度和硬度通常足以判定材料的工程适用性，但这并不意味着其他性能不重要——只是它们在特定场景下才显现关键价值。

这三者之间存在一定的关联性。例如，拉伸强度与硬度常呈正相关，硬度高的材料通常强度也较高。

强度与刚度也存在类似关系：强度高的材料通常刚度更大。这正是我们在刀具偏转案例中优先选择高强材料的原因。

然而，这并非绝对规律。例如玻璃等脆性材料虽然刚度大，但强度低——它们在载荷下几乎不发生变形即进入塑性变形区并断裂。

最佳实践是分别评估这些性能。虽然可基于上述规律进行初步推断，但工程师必须针对具体材料选择验证假设的正确性。

工程设计最佳实践

工程设计是复杂的过程，需要技能、经验和创造力。关注材料性能是其中的重要环节。以下列出专业人员优化设计的标准实践：

理解材料性能

理解材料的强度、刚度和硬度虽属基础要求，但定期重温工程原理有助于巩固基础知识，在设计瓶颈期发挥关键作用。

识别关键组件和几何特征

每个设计都存在易失效部位，可能是主要承重件（如门铰链），也可能是高应力集中的特定特征（如锐角）。提前识别可重点优化这些区域。

安全系数

设计时通常采用安全系数，即使零件承载能力高于额定载荷。例如，额定1吨的滑轮可能设计为1.5吨断裂，此时安全系数为1.5，这是预防意外过载的保险措施。

避免锐角

锐角常导致应力集中，建议使用圆角或倒角。材料选择影响处理方式：硬且强的材料可承受更高应力，无需大圆角；较软材料则需合理圆角设计。

考虑温度影响

温度改变材料性能并引发热胀冷缩。例如高温下塑料会显著软化，因此高温应用几乎完全被金属和复合材料主导。

动态载荷分析

动态载荷是随时间变化的力，不同材料对其抵抗能力各异。某些材料在循环载荷下快速失效，而其他材料可承受数百万次循环。

总结

在加工和设计工程中，材料性能的基本原理对产品的性能、可靠性和安全性具有决定性影响。设计承重组件和选择材料时，强度、刚度和硬度是首要考量因素。

韦克快速成型作为一站式CNC加工服务提供商，提供超过60种金属和塑料材料，为客户项目推荐适配材料以实现最优性能。我们的制造能力（包括CNC机加工、3D打印、快速模具制造和真空复模）与各类材料的强度、刚度和硬度特性完美匹配。

常见问题

强度、刚度、硬度哪个更重要？

三者均重要，但应用场景决定侧重方向。例如，汽车底盘设计中最重要的是强度，因其核心功能是承载。

如何查找材料性能数据？

ASTM等机构为各类材料制定了性能标准，相关参数可在其出版物中查询。多数材料供应商也会提供特定批次材料的规格表。

温度会改变材料性能吗？

材料性能具有温度依赖性。通常，强度、刚度和硬度随温度升高而降低，反之亦然。