在材料力学中常根据力的来源将力分为内力与外力：
外力是来源于受力物体外部的作用力；
外力作用于该物体上，并在该物体内部传递，该物体的内部被动产生一个反作用力，这个反作用力存在于物体的内部，称之为内力；
材料抵抗外力产生最大的内力称之为抗力。
本质上内力由外力而来，二力是一平衡力，其大小相等，方向相反，并在一条直线上。按材料受力后产生的形变效果，可形成五种常见的平衡形式，由此也产生五种常见的抵抗内力形式。
1、压缩力与支撑力
压缩力是能使受力物体的长度产生短缩趋势的一对力，二力大小相等、方向相反、相对而行，作用在一条直线上、压缩力所产生的形变称为短缩形变。
压缩力是作用于受力物体外部的一对平衡力，由此也反作用产生一对相互平衡的内力，内力抵抗外力所产生的被动压缩趋势，该力起到一个阻碍压缩的支撑作用，所以也称之为支撑力。
材料所能提供的最大支撑内应力称之为抗压强度或抗张力。
、拉伸力与回缩力
拉伸力是能使物体的长度产生延长趋势的一对力，二力大小相等、方向相反、相向而行，作用在一条直线上，二力是一对平衡力，牵张力所产生的形变称之为拉伸形变。
物体受到牵张平衡力作用后在受力物体内部同时也反作用产生了一对平衡内力，平衡内力具有抵抗牵张分离的作用，产生被动回缩的趋势，所以也称之为回缩力，材料阻碍牵张分离所能提供的最大回缩内应力称之为抗张强度或抗张力。
3、剪切力与阻挡力
所谓的剪切力是指产生剪切形变的一对外力，两个力的方向相反、大小相等且不在一条直线上的平行力，这种平行力也称之为力偶。
力偶不能平衡，会使物体产生旋转运动，或使物体发生歪斜变形或错动断裂效果，断裂面称为剪切面，剪切面是不同方向外力的交汇区，也是典型的中性轴或中性层，此处合外力为零。
外力与旋转中心存在偏心距，故剪切力也存在力矩，这种力偶力矩称之为力偶矩，合力矩等于平行力中的一个力与平行力之间距离。
平衡剪切力的内力具有阻挡剪切外力引起的错动或形变的作用，也称之为阻力或拦挡力，材料所能提供的最大阻挡内应力称之为抗剪强度或抗剪力。
4、扭转力矩与扭矩
扭转力是能使受力物体发生扭转趋势或绕轴线转动的一对力，二力大小相等、方向相反、不在一个平面上的平行力，扭转力也是一对力偶，力偶不能平衡，会使物体产生绕轴旋转运动，或使物体产生扭转形变。
因为扭转外力与旋转轴线存在距离，故产生外力力矩，物体受到扭转平衡力矩作用后，在受力物体内部同时也反作用产生了一对平衡内力矩，该平衡内力矩起到阻碍扭转应变的作用，也称之为扭矩。
5、弯曲力矩与弯矩
弯曲力是能使受力物体产生弯曲趋势的一组外力，可以是偏心载荷，也可以是不在一条直线上的三点弯曲力或四点弯曲力（如图）。
弯曲外力产生弯曲形变，外力与弯曲受力物体的旋转中心存在力臂，故弯曲外力也产生弯曲力矩。
物体受到弯曲平衡外力矩作用后，在受力物体内部同时也反作用产生了一对平衡弯曲的内力矩，该内力矩起到阻碍弯曲形变的作用，也称之为弯矩。
弯曲物体的弯矩体现两种内力，弯曲物体的凸侧表现为分离性的张力，可称之为张力侧，而在弯曲物体的凹侧表现为压缩性的压力，可称之为压力侧。
材料抵抗弯曲所能提供最大的内应力称之为抗弯强度或抗弯力。
以上总结了五种组合力以及作用效果，需要强调的是人体内骨骼承受的力是复杂的，很少只受一种组合力的作用，往往受到多种组合应力的作用，称为复合力或复合载荷，如压缩和弯曲、压缩和扭转、弯曲和扭转等。
二、材料的一般属性上一节讲到了生物力学中常见的内力及外力形式，受力材料首先接受外力，然后外力在受力物体内部传导，在受力材料内部产生一个反方向的内力，该内力用于与外力的中和。受力材料受力后可会产生两种效果：
一是运动状态的改变，也就是发生相对运动；
二是自身形态的改变，也就是发生材料的应变。
从这一节主要讲一下材料的一般属性。这是学习许多力学领域的前提，对骨科来讲也是非常重要的内容，因为——
骨折的固定离不开固定材料，骨骼本身也是一种特殊的生物活性材料，不言而喻，任何一种材料都离不开材料本身所具有的材料学属性。
材料学属性是某种材料的固有属性，是反应材质特点或性能的指标。从材料学角度出发思考临床实际所涉及的问题，是骨折治疗中的一个重要的方向及能力，必须引起临床医务工作者的充分重视。
1、材料受力形变是材料的第一属性
在理论力学中会涉及到刚体的概念，也就是受力后形态不发生任何变化的物体，实际上绝对的刚体是不存在的，只是一种理想化模型，因为任何物体在受力作用后，都或多或少地变形，如果变形的程度相对于物体本身几何尺寸来说极为微小，在研究物体运动时可以看作刚体，如果变形的程度不能忽略的物体就称为变形体。
变形体在外力的作用下其形状及体积将发生某种程度的变化，这种变化用形变加以描述，所谓的形变通俗的说就是材料在外力的作用下所发生的形状及体积的变化。
当一种固体材料受外力作用后形态改变，当外力撤消后，又恢复原状，这种变形称之为“弹性形变”；
相反当一种固体材料受外力作用后形态改变，当外力撤消后，不能完全恢复原状，这种变形称之为“塑性形变”。
任何一种材料在外力作用下所产生的形态变化量都不是无穷大的，当达到一定的范围及程度将发生材料的毁损断裂，此时所产生的形变就是这种物体的极限形变。
不同的外力得到不同的形变或极限形变，压缩外力所致的形变称之为压缩形变，弯曲外力所致的形变称之为弯曲形变，牵张性外力所得到的形变称之为伸张性形变，扭转性外力所致的形变称之为扭转形变，剪切性外力所致的形变称之为剪切形变。
不同的材料有不同的形变能力，将弹性形变范围或能力较大的材料称之为塑性材料或韧性材料，如撑杆跳运动员所用撑杆，骨科临床所用的髓内针及钢板也是一种塑性材料；
相反将弹性变形范围或能力较小，很容易发生塑性形变的固定材料称之为脆性材料，如陶瓷，玻璃，人体的皮质骨也非常接近脆性材料；具有流体性质及形式的形变称之为粘性，将既具有液体粘性又具有固体弹性的材料称之为粘弹性材料，粘弹性材料兼有塑性材料与粘性材料的力学性质，人体内软骨组织、皮肤、血管壁肌腱韧带等均是粘弹性材料。
塑性材料在外力作用下具有较大的弹性变形能力和范围，在此范围内形态的变化量与外力大小存在正相关性，也就是说在此范围内力越大，材料所产生形变越大，而且二者是线性关系，这就是著名的胡克定律（可表达为F=k·x，其中K为弹性系数，为一个常量，x为形变量，如下图）。
当材料达到其屈服点时将快速进入不可逆的塑性形变范围，此时已不符合胡克定律，在相同外力作用下其形变量快速增大，或者说产生同样的形变其所需外力急剧减小。
需要强调的是塑性材料的形变能力不是静止不变的，有时具有蠕变的性质，也就是说在应力保持不变的情况下，固体材料的应变随时间的延长而增大，这种现象称为蠕变，如果固体材料在长期外力作用下逐渐发生蠕变，最终的结果是很小的外力就将发生很大的形变，达到其极限应变量而断裂，也就是说蠕变将逐渐拉低材料的抵抗形变的能力。脆性材料的应变空间较小，不适用于胡克定律，蠕变的机会不多，所以表现并不明显。粘弹性材料受力应变具有时间依从性，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，这种现象称为应力松弛。骨折固定是临床上常见的治疗措施，需要选择内植物，骨折的本质是骨折端的应变量变为无限大，根据佩林定律可以知道要想达到骨折愈合必须加以控制应变量稳定骨折端。
内植物作为控制骨折端的应变量的承担者，对自身的基本要求之一就是变形范围也就是极限应变量不能太小，因为极限应变量太小的内植材料容易断裂失效，使折端过早失去内植物的保护，所以从这个角度讲金属等塑性材料符合要求，而陶瓷等脆性材料就被排除了；当然塑性材料应用时一定注意蠕变现象，原则是在塑性材料蠕变脆化前骨折愈合，或者是控制作用于材料的应力值，减小应力刺激使蠕变时间无限长，使该材料的具有长期强度。
关于粘弹性材料的应力松弛的性质在临床上也有重要应用，如骨折后的功能锻炼时，在同样的幅度下随着时间的延长所用应力将越来越小，或者说在同样的应力下将肌腱或肌肉的延长量将逐渐增加，直至最终功能得到改善。
、耐腐蚀特性上一节说到了材料的基本属性之一的受力形变特性，这一节继续说材料的另一个重要属性-----耐腐蚀特性
金属材料抵抗周围介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性，人体体液为类似海水的电解质液，不同的金属在电解质液中具有不同的电位差，所有的金属或合金在盐水环境中都会形成电化学腐蚀，它的特点是腐蚀过程中有电流产生，这种耐受电解质液的电化学腐蚀作用的能力，也称为耐电化学腐蚀，是内植物在人体内腐蚀形式，可大大降低内植物的强度及刚度，从而使固定过早失效影响治疗。
金属材料的耐腐蚀性一般由材料的成分、化学性能、组织形态等决定的，一般纯金属的耐腐蚀能力较含有杂质的强，含有杂质越多金属的耐腐蚀性越差；不同的金属在电解质液中活跃度不同，腐蚀性各异；同一金属不同的内部的形态排列其抗腐蚀能力也不同。
金属在腐蚀介质作用下，腐蚀沿着金属内部晶粒之间进行的现象称为晶间腐蚀，这种腐蚀在金属内部沿不耐腐蚀成分的晶粒边缘进行，晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度，腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化,不能经受敲击，所以是一种很危险的腐蚀。
晶间腐蚀是由材质内部的组分决定的，通常金属内部杂质多的情况下，容易发生。集中在金属表面存在缺陷区域内的腐蚀被称为点腐蚀，这种腐蚀能迅速向深处发展，最后穿透金属，也是一种危害较大的腐蚀破坏。
在金属内植物生产制造过程中，一般可通过多种工艺来提高抗腐蚀的能力，从而提高内植物在体内的疲劳强度。铬、镍、铝、钛等金属能主动迅速形成保护膜，铜能改变电极电位，钛、铌能改善晶体颗粒间的腐蚀，根据不同需求在内植物中添加不同的合金，可以提高内植物的耐腐蚀性。
钝化处理也是最常使用的抗腐蚀处理形式，所谓的钝化是使金属表面转化为不易被氧化的钝化膜，从而延缓金属的腐蚀速度的方法，金属与介质的作用生成的腐蚀产物如果具有致密的结构，形成了一层薄膜紧密覆盖在金属的表面，则改变了金属的表面状态，而成为耐腐蚀的钝态，这层薄膜就叫钝化膜。
金属的钝化方法有三种：
自发氧化；
用钝化剂对金属进行钝化处理，常见的形式是用冷浓硫酸、冷浓硝酸处理金属，故这种方法也被称“酸洗”；
用电镀的方法在金属表面形成一种氧化层。
为了提高内植物的耐腐蚀性，临床上一般选择耐腐蚀性高的金属作为内植物，原则上不同的金属也不应该放入同一人体内，以避免出现不同的金属电位差；
为了避免点腐蚀或晶间腐蚀而影响内植物的强度，应该避免内植物表面出现划伤、凹痕或切迹而破坏钝化层等，一般更应该避免把内植物剪断应用（除非固定松质骨等强度要求低的）；反复塑形能够破坏内植物表面的钝化层，提高内植物发生腐蚀的可能性；金属螺钉与钢板之间如果不是牢固结合，可能使二者出现磨损现象，从而破坏保护膜，促进腐蚀的发生，故锁定钢板的抗腐蚀能力是提高的。
总之，选择耐腐蚀性良好的材料，并避免出现使耐腐蚀性下降事件，是临床应用内植物的重要原则。
3、材料的生物相容性前面已经介绍了材料的两大基本属性，这一节继续介绍材料的另一大基本属性-------材料的生物相容性
所谓的生物相容性是指生物医用材料与人体之间相互作用产生生物、物理、化学等各种复杂反应的一种自身属性，通俗的理解是指异物放入机体内被人体组织所接受，不产生相斥分离现象的能力。一种材料被放入体内，对其生物相容性的考察有两大原则：
生物安全性原则，生物材料对于宿主是异物，在体内必定会产生某种应答或出现排异现象，甚至出现有*有害反应，所以在使用生物材料时必须使发生的反应能被宿主接受，消除生物材料对人体器官的破坏性,比如细胞*性、致畸性和致癌性等，不产生有害作用；
生物功能性原则，所谓的生物功能性原则是指生物材料在应用中能够协助替代或主动激发宿主发挥其生物功能，如骨折后人体骨骼力学传导功能丧失，内植物可替代或辅助骨骼重新发挥其力学传导的原有的生物学功能。
因金属具有良好的强度及可塑性而被广泛应用于骨科临床实践中，包括不锈钢、钛基合金、钴基合金，偶尔也使用比较昂贵的钽、铌、金、铂等。
其中钛金属与人体接触无致敏、致癌、致畸变现象，可与骨组织、上皮、结缔组织很好的结合，因而被认为是生物相容性最好的金属材料之一，是现代医学中植入人体运用最为广泛的金属，约占80%以上，临床常见的制作形式为钛-铝-钒合金或商用纯钛（钛和氧)。
不锈钢亦为骨科常见的内植物，主要形式为L不锈钢（含铁、铬、镍），一般认为其强度及可塑性好于钛金属，但生物相容性较钛金属差，这也是其临床应用不如钛合金广泛的原因所在。另外有些人对镍、镉比较敏感，对含有这类金属的合金不能接受，商用的纯钛也是作为内植物的良好选择。
选择生物相容性良好的内植物，能提高了内植物的抗感染能力；首先生物相容性良好的内植物降低或避免了一些生物、物理、化学等不良影响，除了减少了其对生物机体的伤害程度外，也减少了各种反应发生所产生的积液；其次细菌所产生的多糖及血清蛋白对内植物材料有很强的黏着力，容易发生细菌的寄生，表现为对不同材质的内植物黏着力不同。体内体外试验都表明葡萄球菌对不锈钢的黏着力最强，对纯钛的较差；不锈钢材料还可以抑制白细胞所产生的过氧化物，因而降低了白细胞的杀菌能力，而纯钛、钴-铬合金对白细胞所产生的过氧化物没有任何影响。
总之生物相容性是临床选择内植物的重要原则，一般符合国际标准的内植物材料都具有相当的生物相容性，但程度不尽相同，钛金属是其中的佼佼者。
三、材料抗形变能力1、形变能力前面几节接单介绍了几种常见的基本材料学属性，不少网友反应对力学相关内容相对比较陌生，理解相对较吃力，所以从这一节开始股肱支力将适当缩短篇幅，或延长推出间隔，以方便理解。
在实践中不同的材料体现不同的性能，不同的性能可以具有不同的用途，那么我们如何判断不同材料的优劣与不同呢？这就需要一系列的客观指标与方法。常见的评价指标包括材料的形变能力、抗形变能力、抗毁损能力、耐腐蚀能力、组织相容性、工艺水平等。
所谓的形变能力是指材料发生形状改变而不毁损的变形范围，在力的作用下材料将发生形变，形变范围越大则形变能力越大，超过形变的范围就将毁损断裂，一般用极限应变量或极限形变量来描述。
材料受力产生形态变化的总量称之为形变量，形变量是个体材料在力作用下的外在表现，是描述形变最终结果的物理量。使该材料达到了毁损或断裂程度时的形变总量称之为极限形变量，极限形变量除了与材质有关外还与材料的总量相关，不同的材质有不同的形变潜力，单位材料在力作用下具有一定的形态变化范围，材料总量可以加权形变总量。
不同的应力引起不同的形变，如剪切应力发生剪切形变，压缩应力引起压缩形变。
所谓的应变量是指形态的变化量与原形态量的比值，极限应变=极限形变量/原形态量（极限应变量*原形态量=形变量），单位是一个百分比。
极限应变量是指材料受力产生应变，使该材料达到了毁损或断裂的程度时的最大应变比，极限应变量是材质的固有属性，与应变一样也用形态的变化率来表示，在材料力学中一般用极限应变量来描述材料的最大形变潜力。塑性材料的形变范围大，极限应变量也就大，脆性材料形变范围小，极限应变量也就小。
、材料抗形变能力评价材料的抗形变能力是指材料抵抗外力而不发生变形的能力，也就是材料在单位的应力作用下形变程度，形变量越小说明这种材料的抗形变能力越强，一般用刚度、弹性模量或柔度来表示；
.1、模量与柔量
一种材料在受力状态下应力与应变之比称为模量，模量是材料所固有的自身属性，是描述某种材质变形能力的最重要、最具特征的力学物理量，模量=应力/应变，单位为牛顿/米，在弹性范围内大多数材料服从胡克定律,即变形与受力成正比。
纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量，用E来表示,又称杨氏模量，材料在承受纵向应力时也会引起材料的横向形变，材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值称之为泊松比，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
另外剪切形变时的模量称为切变模量，用G表示；扭转形变时的模量称为抗扭模量。模量的倒数称为柔量，用J表示。
.、刚度与柔度
刚度是使物体或结构产生单位变形所需的外力值，从刚度的概念我们不难发现刚度与模量的概念大致是一样的，刚度=应力/应变，单位也为牛顿/米，用K来表示。
刚度又可分为静刚度和动刚度，静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需要的动态力；静刚度一般用结构的在静载荷作用下的变形多少来衡量，动刚度则是用结构的固有频率来衡量。
刚度与模量既有区别又有联系，模量一般用于描述材料微观材质的性质，或者说单位材料的抗力能力，而刚度一般用于描述某宏观个体或结构的性质，就是说模量是固体材料的内部性质，它决定于材质的自身固有属性;刚度是固体的外延性质,它取决于材质,形状、尺寸及边界条件等。比如用模量不同的钢铁和橡胶材质分别做一个相同形状大小的棒体，肯定是钢棒的刚度大，但钢铁的模量虽然大，但做一个很细的钢丝，钢丝的刚度却很小。临床上当描述钛材质的特性时用模量较恰当，而描述某个钛质钢板或髓内针时就用刚度。
与刚度密切相关的另一个概念被称为柔度，柔度是刚度的倒数，柔度=应变/应力，单位为米/牛顿，指物体在轴向受力的情况下，沿垂直轴向方向发生变形的大小，是表示弹性体在力的作用下弹性变形的能力大小的物理量，柔度大变形就大，构件容易变形、稳定性就差，柔度小，构件的不容易变形、稳定性就好。
对一个具体的弹性体而言，柔度与刚度一样，其大小也与下列因素有关：
构件的截面尺寸，截面尺寸大，刚度大、柔度小；
构件的长度，长度越长，刚度小、柔度越大；
构件两端的约束情况，约束限制程度越高其柔度越小、刚度越大，有约束比无约束柔度小、刚度大。
物体的横向尺寸与纵向尺寸的比值影响柔度的大小，因为长度影响材料的刚度，在横向尺寸不变的情况下刚度随着材料长度的增加而下降（柔度增加），故柔度也称为细长比。
四、材料抗毁损能力评价一种材料在外力作用下不发生永久变形和断裂的能力称为强度，其大小是材料刚好发生毁损断裂时应力值的大小，单位与应力的单位一致，牛顿/米，既可用于描述某微观材质，也可用于描述某宏观个体。
强度分很多种用于描述不同的情况，在不同的条件下存在不同的强度，抵抗静态外力时的强度称之为静强度，抵抗冲击外力时的强度冲击强度，抵抗交变外力的强度称之为疲劳强度等，由一次性冲击外载荷使某材料达到极限形变而发生断裂时所用力的应力大小称之为该固体材料的屈服点，也称为屈服强度或极限强度，屈服点越高，说明是这种材料发生断裂毁损所需的力越大。
交变外力循环作用能使材料产生疲劳，所谓的疲劳与材料的蠕变现象存在内在的联系，多次外力作用使材料发生蠕变现象，拉低了材料的屈服强度值而提前发生破坏，但不是所有应力就存在蠕变，每种材料都有一个发生蠕变的最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不会断裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度或永久强度，长期强度以下的应力不能使材料产生疲劳，长期强度以上的应力能使材料发生疲劳破坏，故长期强度也是材料不发生疲劳的极限，故又称之为疲劳极限或疲劳强度。
概括来讲材料一般都具有三个强度区间：
从0到长期强度的应力范围属于永久强度区间，在此范围的应力不论作用时间多久都不会发生材料的破坏；
从长期强度到极限强度的应力范围属于疲劳强度区间，虽然材料在此应力区间不能达到一次性冲击破坏的效果，但在此应力区间的交变应力周期性作用亦能使材料发生疲劳断裂；
大于极限强度的应力范围属于屈服强度区间，此区间的任何应力均能达到一次性冲击断裂的效果。
另外，一种材料在不同类型的外力作用下表现不同的强度值：
抵抗弯曲应力作用时被称为抗弯强度或抗折强度；
抵抗拉伸载荷不断裂的能力被称为抗拉强度或抗张强度，又称拉伸强度；
同理，材料承受压力时的强度称为抗压强度。
同一材料其各种抗力强度值是不一样的，其中抗压缩强度最大，其次是抗张力强度，抗弯曲强度最差。故此临床应该尽量避免材料处于弯曲应力之下，不能避免的应该提高材料的绝对强度值。
临床上存在常见的内植物断裂问题，有两种断裂的可能：
一是受到的一次性外力过大，达到了其极限强度而断裂；另外一种就是受到反复多次的交变外力作用，该外力大于材料的永久强度，而小于材料的极限强度，落在了疲劳强度区间，使材料产生渐进性的疲劳损伤，最终可能很小的一次生活外力导致内植物断裂，产生非常典型的材料疲劳断裂的断面形态，在以后将会讲到。骨折固定时关于材料的强度原则有两个方面：
一是尽量提高材料的永久强度值
二是尽量降低外应力值
内植物断裂的条件也是相对的，强度是评价稳定的指标之一，在力学上所谓的相对稳定概念在这里有所体现。
本文排版及小标题经德医骨科整理，仅做学术交流，如有不妥请联系。期待建议！
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