延展性和脆性材料

想象一下，您是第一个发明汽车或回形针的人。您会选择什么样的材料来生产它们？当酒杯从你手中滑落时，你最害怕的是什么？ 当您享用威化棒时，您希望它是松脆的还是有嚼劲的？

材料因其性质和特性而被用于不同的行业和领域。对于工程师来说，了解材料在负载下的表现对于设计和分析非常重要。

• 以车轮碰撞为例，材料的变形会不断增大，直到汽车的整个前部被压缩到最小。材料的强度不是突然丧失而是逐渐丧失。我们称这样的材料为延展性(ductile)材料。 大多数金属材料在负载下都具有这种行为。
• 酒杯碎成无数小块，材料内部没有发生太大变形。我们将具有这种行为的材料称为脆性(brittle)材料

• 大多数金属材料属于延展性材料的范畴。以车辆碰撞为例，铝是汽车结构的常见材料。其他金属，如钢、铜和各种合金都是延展性材料。
• 脆性材料包括玻璃、陶瓷等。任何你害怕掉在地上因为会破碎的东西都是脆性的。

延展性材料

金属广泛应用于我们的生活和技术中。从远古到今天，它们是人类文明崛起的一部分。如今，几乎所有行业都可以找到金属。人们仍在寻找更轻、更高强度的金属或具有特殊功能的金属。

为什么金属在机械世界中得到广泛应用：

• 高强度(Hight Strength)
• 延展性：无突然失效(Ducutility)
• 接近同质性(Near Homogeneity)
• 各向同性(Isotropic)
• 易于成型(Easy to form)
• 焊接性(Weldablity)

材料塑性

金属材料在负载下具有相似的行为模式。下面是金属材料在单轴拉伸试验中的典型一维应力应变曲线。

1. 最初，应力和应变之间的关系几乎是线性的，可以用胡克定律来描述。
2. 当达到某一点时，这种线性关系就不再存在了。切线开始改变。
3. 沿着曲线，切向刚度减小，这意味着在相同的载荷下，材料会变形更多。
4. 如果我们移除载荷，部分应变将无法恢复。 
5. 这种材料行为称为塑性(Plasticity)

可塑性是由剪切应力（偏应力）引起的原子平面之间的滑移引起的。这种位错运动本质上是晶体结构中的原子重新排列自身以产生新的邻居。我们不会在原子层面关注材料，我们对可塑性的宏观行为更感兴趣。

塑性行为的一个重要特征是它是不可恢复的（unrecoverable）。如果我们将材料加载到塑性范围并移除载荷，该材料将无法恢复其初始构型。

• 在 A 点，立方体处于其原始形状。
• 施加载荷后，立方体拉伸至 B 点，成为矩形。
• 现在如果释放载荷，材料将恢复到C点。部分变形无法恢复，称为残余变形。