理解强度、刚度和硬度的力学特性是机械工程的基础，但这些特性经常被混淆。这些属性是相关的，但它们之间有非常重要的区别:
- 刚度是指一个元素在受到外力作用后恢复其原始形态的趋势。
- 强度测量在元件永久变形或断裂之前可以施加多大的应力。
- 硬度测量材料对表面变形的抵抗能力。对于一些金属，比如钢，硬度和抗拉强度大致成正比(参见ASTM A 370-68钢表)。
对于这篇文章，我们正在做一个基本的更新，看看在识别机械强度与刚度与硬度之间的一些常见的陷阱，这三者之间的技术差异，以及它们在选择中的相关性产品开发材料．
常见陷阱:强度vs.硬度vs.硬度
强度和刚度的区别特别容易混淆。如果一种材料是刚性的，那么它一定足够强大，能够承受很大的负荷，对吗?因此，强度和刚度不是一样的吗?答案是一个响亮的否定!一种材料可以是强而有弹性的，或者是强而有刚性的(参见“直构件的轴向载荷”章节)，但是强度和刚度是两个独立的特性。
让我们分解一下。
由于刚度和强度都与材料的弹性模量(杨氏模量)有关，很容易在材料性能参考手册中查找值，并确定给定材料的强度和/或刚度。弹性模量测量材料的刚度，但强度是模量的函数。抗拉强度和硬度都是金属抗塑性变形的指标。
上面的应力-应变曲线(图1)很好地说明了这一点。应力应变比是弹性模量-刚度，但应力，只有应力，定义了材料的强度。记住，强度测量的是材料在发生永久变形或断裂之前所能承受的应力，而刚度测量的是抗弹性变形的能力。
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理解压力和张力的概念
应力是由外加荷载产生的内力;它作用于机械或结构部件的横截面。应变是物体的形状或大小在施加力时发生的变化。
强度，刚度和硬度的重要定义
以下是一些需要牢记的重要定义:
- 屈服强度用于具有弹性性能的材料。它是材料在发生永久变形之前所能承受的最大拉应力。
- 极限强度指失效前的最大应力。
- 断裂强度为发生全部破坏时所对应的应力值。
- 刚度是组件在施加载荷时如何抵抗弹性变形。
- 硬度为抵抗局部表面变形。
材料的强度可以指屈服强度、极限强度或断裂强度。抗拉强度可以由硬度来计算，而且很方便，因为硬度测试——如洛氏硬度测试——通常做起来简单、便宜且无损。只对试样进行了很小的穿透。对许多金属来说，抗拉强度随硬度的增加而增加
机械性能数据检索
对于特定的材料类型，可以从美国材料测试协会(ASTM)获得机械、热学或电学性能数据，或者咨询您计划购买材料的制造商网站。
并非所有材料都是这样，但对许多金属材料来说，硬度与抗拉强度密切相关。详情请参见ASTM A 370-68表。
一个可靠的在线消息来源是www.MatWeb.com，在那里可以迅速获得准确的数据。
例如:强度与刚度
梁的挠度
下图是受荷载作用的梁的有限元分析(FEA)。梁对荷载的响应是由内部弯曲和剪应力引起的挠度。如果内部应力超过了梁材料的屈服强度，那么你就需要一种具有更高杨氏模量值的材料——换句话说，一种更硬的材料来抵抗变形，同时也要更高的屈服强度来防止永久变形和可能的断裂。
在直杆上的轴向载荷
想象一根绷紧的金属棒，承受某种值的轴向载荷。当金属以100磅/平方英尺的速度断裂时，内部应力使其变形为原始长度的1%。接下来，考虑一些类似于橡胶的杆状聚合物，在受到相同的力的作用下，变形为原来长度的5%，在100磅/平方英尺时断裂。重点:两种材料的强度是一样的，但是金属比聚合物更硬。
热应力
热应力还会影响已经受到某种力的部件的变形响应。在这种情况下，由于构件内部的温度梯度，热应力对作用在构件上的力已经施加的应变产生额外的应变。热应力对材料的强度有影响。计算热应力可以为您的设计选择合适的刚度和强度值，假设温差不够大，不会改变材料的微观性能!
强度和刚度设计的4个最佳实践
以下是在整个设计过程中需要牢记的3个最佳实践:
1.在设计的早期阶段确定重要的组件
在设计的早期阶段，例如构造计算机辅助设计模型，确定哪些组件对您的设计至关重要。确定哪些部件将承受冲击载荷、均匀载荷、集中载荷、恒定载荷等，这样你就能了解组件所需的刚度或强度。如果需要，使用键合图或框图建模来开发复杂动力系统的图形表示，并利用软件对复杂系统进行建模。
2.确定施加在每个分量上的力
计算机械部件的预期应力，以找出哪里可能出现问题或哪里的力可能看起来很大。使用测量技术测量设计如何响应各种输入，并执行数据分析来预测模型的行为。考虑子系统中的蠕变和疲劳变量，并与系统将要暴露的环境相关联。
3.材料选择的最佳实践
金属、陶瓷、聚合物和复合材料是具有特定力学性能的材料类型。陶瓷通常是脆的，这意味着在断裂前几乎没有任何变形;裂纹扩展极快，伴随的塑性变形极小。金属有两种形态:延展性的和脆性的。韧性材料在断裂前会伴随塑性变形，而脆性材料则不会。
韧性金属的断裂过程通常分为几个阶段——聚合物的韧性或脆性行为取决于温度。对于原材料，确定哪些制造工艺可以提供所需的材料特性。材料的测试必须符合ASTM标准;参考工程手册以获得可靠的材料数据。
4.在原型制作之前验证你的设计
使用以下方法进行设计研究CAD软件评估和优化设计的几何形状。采用有限元分析、数值分析;在可行的情况下，进行手工计算，确保在开始制作原型之前，结果是一致的，这样可以节省时间和金钱。与其他工程师协商审查。
主要收获
在整个设计过程中正确地使用和实施刚度、强度和其他机械性能将有助于提高产品的质量，因为这些性能表征了产品的性能材料将响应施加的负载。清楚了解产品的预期用途是选择合适材料性能的关键，这将促进具有成本效益的设计，同时保持安全标准，结构完整性，并实现预期性能。
