影響材料彈性模量的因素

1. 合金元素與鋼材彈性模量的關(guān)系

原子間作用力決定于金屬原子本身和晶格類型，故彈性模量也主要取決于金屬原子本性與晶格類型。溶質(zhì)元素雖可以改變合金的晶格常數(shù)，但對于常用金屬材料而言，合金元素對其晶格常數(shù)的改變不大，因而對彈性模量影響小。合金鋼和碳鋼的彈性模量數(shù)值相當(dāng)接近，差值不大于12%［10］。

2. 熱處理對彈性模量的影響

熱處理對彈性模量的影響不大，如晶粒大小對彈性模量無影響；第二相大小和分布對彈性模量影響也很??；淬火后彈性模量雖有所下降，但回火后又恢復(fù)到退火前的狀態(tài)值［10］。但是，彈簧鋼 （60Si2MnA） 在經(jīng)過熱處理（淬火+回火）后，彈性模量變化不大，而不同的溫度回火后，切變模量變化較明顯，具體可參見文獻［11，12］。設(shè)計中若對此不予以考慮，可能會造成一定誤差。

對于60Si2MnA材料熱處理雖然對E的影響很小，但是G卻有明顯變化，根據(jù)剪切模量、彈性模量及泊松比的關(guān)系：G=E/（2（1+υ）），可以得出是熱處理會影響υ 值。但是，這種關(guān)系是否具有普適性還有待探討。

3. 應(yīng)變強化對彈性模量的影響

若試件為塑性材料，被加載至塑性階段后再卸載，則當(dāng)材料返回平衡狀態(tài)時，彈性應(yīng)變消失，而塑性應(yīng)變不會消失，結(jié)果材料出現(xiàn)永久變形，如圖a所示。該過程稱為應(yīng)變強化或者冷作硬化。這樣，雖然比例極限提高了，但是在一定程度上降低了塑性，增加了脆性［1-2，4］。從圖a中可以看出，強化前后，曲線線性段的直線趨于平行，斜率相同，彈性模量相同。實際上，試件從A’點卸載，再加載至同一點會損失部分熱量或能量，因而加載和卸載過程的曲線并不重合，如圖b虛線所示，會存在一個機械滯回區(qū)。在選擇振動結(jié)構(gòu)或機械設(shè)備的阻尼器材料時，要重點考慮其機械滯回特性［4］。

材料強化過程示意圖 （源于文獻［4］）

4. 冷塑變形對彈性模量的影響

冷塑變形使彈性模量稍有降低，一般降低4%~6%，這與殘余應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)塑性變形量很大時，因產(chǎn)生形變使彈性模量出現(xiàn)各向異性，沿變形方向彈性模量最大［10］。文獻［13］中指出，這種冷塑變形所造成的材料彈性模量變化，將會對精密零件的冷成型精度造成影響。

5. 溫度對彈性模量的影響

溫度升高，原子間間距增大，彈性模量降低。碳鋼加熱時，每升高100℃，彈性模量下降3%~5%，但在-50℃~50℃范圍內(nèi)，鋼的彈性模量變化不大［10］。

6. 加載速率對彈性模量的影響

文獻［9］中指出：由于彈性形變是以聲速在介質(zhì)內(nèi)傳播，金屬介質(zhì)中的聲速相當(dāng)大，如在鋼中為4982m/s；而普通的擺錘沖擊試驗時，絕對變形速率只有4~5.5m/s，即使高速沖擊試驗的變形速率也在103m/s以內(nèi)，在這樣的沖擊載荷下，彈性形變總能緊跟上沖擊外力的變化，因而應(yīng)變率對金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響。

現(xiàn)代機器中，各種不同件的應(yīng)變率范圍為10-6~106s-1。如靜拉伸試驗的應(yīng)變率為10-5~10-2s-1（稱為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率），沖擊載荷的應(yīng)變速率為102~104s-1，稱為高應(yīng)變速率。此外，還有應(yīng)變速率處于10-2~102s-1的中等應(yīng)變速率試驗，如落錘、旋轉(zhuǎn)飛輪等。實踐表明，應(yīng)變速率在10-4~10-2s-1內(nèi)，材料的力學(xué)性能沒有明顯的變化，可按靜載荷處理。當(dāng)應(yīng)變載荷速率大于10-2s-1時，材料的力學(xué)性能將發(fā)生顯著變化，這就必須考慮到應(yīng)變率增大而帶來的力學(xué)性能一系列變化。

在塑性變形階段，隨著加載速率的增加，變形的增長比較緩慢，因而當(dāng)加載速率很快時，塑性變形來不及充分進行，這就表現(xiàn)為彈性極限，屈服強度等微量塑性變形抗力的提高。同時還發(fā)現(xiàn)，沖擊載荷下塑性變形比較集中在某些局部區(qū)域，這反映了塑性變形是極不均勻的。這種不均勻的情況也限制了塑性變形的發(fā)展，使塑性變形不能充分進行，導(dǎo)致屈服強度、抗拉強度提高，且屈服強度提高得較多，抗拉強度提高得較少。

探討：沖擊載荷下塑性變形的不均勻性具體如何體現(xiàn)，與應(yīng)力集中相關(guān)嗎？

從以上文獻對彈性模量影響因素和影響程度的介紹可以看出，當(dāng)材料處于室溫彈性階段時，其彈性模量相對比較穩(wěn)定，可以認為是常數(shù)；但對某些精密元件的設(shè)計，分析中仍需要考慮其變化對產(chǎn)品精度的影響；其次還需要看到，雖然材料的彈性模量比較穩(wěn)定，但是切變模量卻有可能有大的變化，由此來看材料的泊松比可能會是改變的。一般在線彈性分析范圍內(nèi)，彈性模量和泊松比是必須的參數(shù)，雖然彈性模量穩(wěn)定，但若泊松比發(fā)生改變?nèi)詴绊懹嬎憔取?/p>

審核編輯 ：李倩