材料力学笔记之——影响材料弹性模量的因素

本文探讨影响弹性模量的主要因素。

1. 合金元素与钢材弹性模量的关系

原子间作用力决定于金属原子本身和晶格类型,故弹性模量也主要取决于金属原子本性与晶格类型。溶质元素虽可以改变合金的晶格常数,但对于常用金属材料而言,合金元素对其晶格常数的改变不大,因而对弹性模量影响小。合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近,差值不大于 12%。

2. 热处理对弹性模量的影响

热处理对弹性模量的影响不大,如晶粒大小对弹性模量无影响;第二相大小和分布对弹性模量影响也很小;淬火后弹性模量虽有所下降,但回火后又恢复到退火前的状态值。但是,弹簧钢 (60Si2MnA) 在经过热处理(淬火 + 回火)后,弹性模量变化不大,而不同的温度回火后,切变模量变化较明显。设计中若对此不予以考虑,可能会造成一定误差。

对于 60Si2MnA 材料热处理虽然对 E 的影响很小,但是 G 却有明显变化,根据剪切模量、弹性模量及泊松比的关系:G=E/(2(1+υ)),可以得出是热处理会影响 υ 值。但是,这种关系是否具有普适性还有待探讨。

3. 应变强化对弹性模量的影响

若试件为塑性材料,被加载至塑性阶段后再卸载,则当材料返回平衡状态时,弹性应变消失,而塑性应变不会消失,结果材料出现永久变形,如图 a 所示。该过程称为应变强化或者冷作硬化。这样,虽然比例极限提高了,但是在一定程度上降低了塑性,增加了脆性。从图 a 中可以看出,强化前后,曲线线性段的直线趋于平行,斜率相同,弹性模量相同。实际上,试件从 A’点卸载,再加载至同一点会损失部分热量或能量,因而加载和卸载过程的曲线并不重合,如图 b 虚线所示,会存在一个机械滞回区。在选择振动结构或机械设备的阻尼器材料时,要重点考虑其机械滞回特性。

材料强化过程示意图

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4. 冷塑变形对弹性模量的影响

冷塑变形使弹性模量稍有降低,一般降低 4%~6%,这与残余应力有关。当塑性变形量很大时,因产生形变使弹性模量出现各向异性,沿变形方向弹性模量最大。文献中指出,这种冷塑变形所造成的材料弹性模量变化,将会对精密零件的冷成型精度造成影响。

  • 分享于 · 2022.04.11 20:21 · 阅读 · 371

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