做材料选型时，面对密密麻麻的性能参数，是不是总觉得头疼？弹性模量高的材料，密度也会更大吗？为什么强度和断裂韧性总是难以兼得？其实，很多材料的核心性能之间，都存在着某种“隐藏的规律”。
这次我们不扯复杂理论，只上实用干货——专门为大家整理出一套“材料性能关联图”，一共11张，覆盖从力学到热学的多个关键指标，比如弹性模量、强度、导热系数等等。无论你是刚入门的新手，还是需要快速验证选型思路的专业人士，这套图解都能帮你省时省力。
每张图的详解都已备好，下次选材料，再也不用翻厚厚的手册啦～值得收藏备用！
与定义明确、数值确定的弹性模量不同，“强度”的定义和测量方式更加多样，也更容易受不同测试条件影响。接下来的这张图，展示的正是材料的强度与密度之间的关系，帮助我们看清不同材料在这一性能组合中的分布特征。
第三张：弹性模量—强度关系图
高强度钢材可以制成优秀的弹簧，橡胶同样也能——两种截然不同的材料，为何能胜任同一功能？这张弹性模量（E）与强度（σ）的关系图，正好帮助我们解答这类疑问，也是最实用的一张图表之一。
需要注意的是，不同类型材料的“强度”定义有所不同：金属和聚合物通常看屈服强度，陶瓷参考弯曲强度，弹性体考量抗撕裂强度，复合材料和木材一般选用抗拉强度。为统一表达，图中均以符号 σ 表示。
图中那些相互平行的斜线，实则为等高线，代表的是 σ/E 的比值，也就是材料线弹性行为终止时应变的大小，可直观反映材料在受力时的弹性极限。
第四张：比刚度—比强度图
在一些设计中（尤其是运动器材或需要移动的产品），我们常常面临这样的挑战：既要保证足够的刚度和强度，又要尽可能控制重量。
这时候，比刚度和比强度就成为关键指标——它们分别是用材料的刚度或强度除以其密度得到的。这张图正是基于这类参数绘制而成，它帮助我们直观比较不同材料在“轻量化”和“性能”之间的权衡。
可以说，比性能图是衡量材料机械效率的重要方式，告诉我们如何用最轻的材料实现最佳的结构性能。
第五张：断裂韧度—弹性模量图
单纯追求高强度并不总是好事——除非材料能保持一定塑性，而不是变脆。否则，即使存在细微的裂纹或缺陷，也可能引发突然的脆性断裂，导致构件失效。
材料抵抗裂纹扩展的能力，我们称之为“断裂韧度”。它与弹性模量之间的关系如图所示。这张图帮你看清哪些材料能在强韧之间取得平衡，从而更稳妥地用于关键结构。
第六张：断裂韧度—强度关系图
这张图展示了材料的断裂韧度与强度之间的关系。从图中可以看出，断裂过程区的尺寸（图中虚线表示）差异极大——最脆的陶瓷和玻璃仅有原子级大小，而韧性最优的金属甚至可达一米。
若断裂过程区尺寸保持恒定，断裂韧度通常会随强度的提升而增加，这也解释了为什么图中的数据点多集中在对角线周围。理解这一关系，有助于我们在高强度和抗断裂性之间做出更明智的权衡。
第七张：损耗系数—弹性模量图
我们熟悉的钟大多由青铜铸造，但其实玻璃甚至碳化钛也可以制成钟体。在常态下，金属、玻璃和陶瓷等材料通常具有较低的固有阻尼（也称为“内摩擦”），这一特性在结构振动中尤为重要。
材料的固有阻尼强弱，可用“损耗系数”来衡量。它与弹性模量之间的关系如下图所示，帮助我们在需要减振或共鸣的场景中，更精准地选择材料。
第八张：导热系数—电阻率关系图
导热系数（单位：W/(m·K)）反映了材料在稳态下的导热能力。对于金属来说，其内部存在大量自由移动的价电子，它们像气体一样在晶格间穿梭。每个电子携带一定动能，通过碰撞传递能量，从而实现高效导热。
而当存在电压时，这些相同的电子会发生定向漂移，形成电流，这就是金属导电的过程。电导率通常用其倒数——电阻率来表示，更方便实际应用。
在该图中，横轴为导热系数，纵轴为电阻率。绝大多数金属的数据点集中在左上区域，显示出它们“高导热、低电阻”的共性特征，这对热管理和导电场景的材料筛选很有帮助。
9 导热系数一热扩散系数图
正如前面所描述的，在稳态传热条件下导热系数决定了热量在材料中的传递，而决定瞬态热流的特性是热扩散系数。
第十张：热膨胀系数—导热系数关系图
绝大多数固体在受热时都会发生膨胀。我们可以把原子之间的结合键想象成一根弹簧：在微小形变时，它符合线性弹性规律；但当伸缩幅度较大，就表现出非线了。
这种键具有“非简谐”特性——受压时变硬，受拉时变软。即使在室温下，原子的热振动也已相当显著。温度升高会使原子间距进一步扩大，平均间隙增加，宏观上就表现为热膨胀。这一特性可用线膨胀系数（即通常所说的热膨胀系数）来度量。
第十一张：热膨胀系数—弹性模量关系图
当温度发生变化，材料会自然地膨胀或收缩。但如果受到外部约束或内部结构限制，无法自由变形时，内部就会产生应力，这就是我们常说的“热应力”。
热应力的大小与两个关键参数密切相关：材料的热膨胀系数和弹性模量。理解这张图，可以帮助我们在设计高温或变温环境下的结构时，更合理地选材，避免因热应力导致失效。
