抗拉强度、屈服强度和剪切强度：区别与应用指南

工程师在确定和选择产品强度时，往往会在产品设计中不知不觉地犯错。有时，产品会因剪切失效而失效，而人们却大多只关注抗拉强度和屈服强度。 在产品开发过程中，由于不同材料在强度设计上的不足，可能会导致失效。例如，超过屈服强度会导致塑料外壳变形，而螺纹嵌件则可能因剪切强度不足而失效。 同样地，一旦金属支架达到其抗拉强度，就会发生断裂。这些实例表明，不同材料具有不同类型的强度，这一点在产品设计和开发过程中必须予以考虑。但这三种性能之间是否存在明显的区别？本指南将详细介绍每种性能，说明它们之间的差异，并探讨其测量和测试方法。.

抗拉强度、屈服强度和剪切强度是什么？

由于这些术语之间存在密切关联，大多数人很可能对其产生误解。事实上，物理学、力学和工程学领域以外的人有时甚至认为它们是同一个概念。然而，这些术语描述的是不同的失效机制。让我们来深入探讨每个术语。.

什么是抗拉强度？

抗拉强度是工业应用中不可忽视的机械性能之一。该性能对用于制造各类产品的不同材料的安全性和性能具有至关重要的影响。.

这一特性在日常活动中可见一斑。例如，起重机可以利用一根细钢丝绳吊起重物，而钢丝绳却不会断裂。这是因为钢丝绳具有非常高的抗拉强度。假设负载超过了钢丝绳的抗拉强度，钢丝绳就会断裂，从而导致人员伤亡。.

定义与单位

抗拉强度是指材料在断裂或破裂前所能承受的最大应力。其计算方法是将最大拉力除以试样的初始横截面积。其原理在于：当材料中的应力增大时，其原子之间的键会受到拉伸，最终断裂。.

当材料受到应变时，便会表现出弹性。当应变消除时，材料会恢复到原来的形状。然而，如果应变持续作用，材料就会进入塑性区域。 在此区域内，材料的内部原子或分子结构会发生永久滑移（在晶体金属中由位错运动驱动，在聚合物中由分子链解缠驱动），材料便无法恢复到原来的形状。 ^[1].

抗拉强度以兆帕（N/mm²）为单位。下表总结了其他相关单位。.

1MPa≈145Psi

1Ksi=6.895 MPa

抗拉强度计算公式

抗拉强度（S) 由以下公式给出：;

S = F / A

其中，F 为施加的拉力，单位为 N 或 lbf；A 为试样的原始横截面积（mm²、m² 或 in²）。. 

材料在受载过程中达到的最大抗拉强度称为极限抗拉强度（UTS）。一旦达到并超过极限抗拉强度，材料就会开始颈缩。随着载荷的增加，颈缩速度会加快，直至材料断裂。极限抗拉强度由以下公式给出：,

UTS=F_最大/A₀

地点 F_最大 是指材料在失效前所能承受的最大力，且 A₀ 是指加载前的原始横截面积。.

拉伸强度的测定

您可以通过使用万能试验机（UTM）进行拉伸试验来测量抗拉强度。万能试验机有时也被称为拉伸试验机。.

该过程首先从制备标准试样开始。对于塑料，将材料模压成“狗骨头”形试样；而对于金属，则通过机械加工制成圆柱形试样。在进行机械加工之前，需测量原始横截面积 A0。.

制备完成后，将试样夹持在拉伸试验机上。让机器以受控速度拉伸试样。在机器持续拉伸试样的过程中，您需不断记录数据，包括力值及相应的伸长量。 通过观察仪器生成的应力-应变曲线，可以分析材料的力学行为。随后可按照上文公式计算出抗拉强度（S）。.

什么是屈服强度？

屈服强度和抗拉强度是相关的术语。对于延性材料而言，材料在达到极限抗拉强度之前会先达到其屈服强度。然而，脆性材料通常在发生任何显著屈变之前就会发生断裂。.

屈服强度是指材料从弹性行为（可逆变形）转变为塑性行为（永久变形）时的应力阈值。其单位为兆帕（MPa）。. 

例如，当你慢慢拉扯回形针的两端时。起初，回形针会稍微拉长。当你停止拉扯时，回形针会弹回原位。当你继续用力拉扯并松开时，回形针却无法恢复到原位。此时，我们说回形针达到了其屈服强度。 从技术角度讲，处于这种状态的回形针被认为是在未断裂的情况下发生了永久变形。.

屈服强度的测量

在了解测定屈服强度的方法之前，必须先理解计算屈服强度的相关术语。其中一个术语是应力（σ）。这是材料单位面积所受力的量。其计算公式为：,

σ = F/A,

其中 F 表示施加的力，A 表示横截面积。当最大力作用于非常狭窄的表面面积时，该处会产生最大应力。.

第二个术语是应变（ε）。它是指材料相对于其原始尺寸的伸长或压缩能力。其表达式为：,

ε = ΔL/L₀,

 其中 ΔL 表示长度的变化量，L₀ 表示初始长度。.

杨氏模量（E）反映了材料的刚度。E值越高，说明材料在受力时变形越小，例如钢与橡胶相比。其计算公式为

E = σ/ε

在达到屈服点之前，材料在胡克定律下其应力-应变关系将保持线性行为；屈服点正是外加应力永久性地克服了维持材料晶格处于弹性状态的原子间力的确切阈值。 ^[2].

如果一种材料能抵抗变形，则称其为刚性材料。此类材料的杨氏模量最高。但这并不意味着它们的屈服强度也最高。优秀的工程设计必须始终在这些性能之间取得平衡。若想更深入地了解刚度与整体强度及硬度的区别，请参阅我们的综合指南[强度、刚度与硬度].

什么是剪切强度？

在理解抗剪强度之前，首先必须了解什么是剪力。剪力是指作用于表面且方向与该表面平行的内力，它试图使表面的一部分相对于另一部分发生滑动或变形。.

剪切强度是指材料抵抗可能导致其内部结构发生滑移的力的能力。当施加剪切力时，材料表面会倾向于发生滑移和变形。在各种工程应用中，当材料受到侧向力作用时，剪切强度至关重要。.

剪切强度在梁、柱和节点等结构的设计与分析中起着至关重要的作用。确保足够的剪切强度可以防止结构失效，并延长建筑的使用寿命。.

剪切强度在日常生活中也有体现。在钢桥中，连接结构构件的螺栓主要承受剪切载荷。如果载荷过大，螺栓可能会被剪断，导致连接的钢板分离。这种强度也应用于螺栓切割中。 剪切力作用的方向与拉伸力相反。这两种相反的力会导致材料沿某个平面断裂，而不是发生拉伸。螺栓抵抗这两种相反力的能力即为剪切强度。.

剪切强度的测量与试验

剪切试验在材料科学、工程学以及其他众多行业中广泛应用，用于评估材料是否适用于特定用途。.

在剪切试验中，将试样置于两个平行表面之间，并施加力直至材料发生剪切破坏。 测量的关键参数是剪应力，其计算方法是将施加的力除以材料的横截面积。该结果可帮助了解材料在实际应力条件下的耐久性、强度和性能。.

典型的抗拉强度、屈服强度和剪切强度值是多少？

下表总结了不同材料的抗拉强度、屈服强度和剪切强度。这些基准值完全依据标准化的室温测试规程（例如金属材料的ASTM E8和塑料材料的ASTM D638）推导得出。 ^[3].

参考资料

[1] Meyers, M. A. 与 Chawla, K. K. (2008). 材料的力学行为 （第2版）。剑桥大学出版社。. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] Pelleg, J. (2012). 材料的力学性能. 施普林格出版社。. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). 《ASM手册》第2卷：性能与选材：有色金属合金及特种材料. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627