材料弹性模量及其影响因素

材料弹性模量及其影响因素定义单向拉伸：σ=Eε物理意义：E:弹性模量Q235钢在拉伸时的σ-ε曲线材料对弹性变形的抗力，即材料发生弹性变形的难易程度，代表了材料的刚度223111123133121E物理本质弹性变形：外力克服原子间作用力，使原子间距发生变化的结果弹性模量：表征原子间结合力强弱的一个物理量其值的大小反映了原子间结合力的大小原子间引力和斥力相互作用示意图影响因素出发点：原子间结合力原子间距内因：键合方式共价键、离子键和金属键都有较高的E值，分子键结合力较弱，E值较低原子结构E值随原子序数发生周期性变化过渡族金属E值很高，如Fe,Ni,Mo,W,Mn,Co等同一周期的元素,E值随原子序数增加而增大,这与元素价电子增多及原子半径减小有关Na→Mg→Al→Si同一族的元素,E值随原子序数增加而减小,这与原子半径增大有关Be→Mg→Ca→Sr→Ba过渡族金属不符合上述规律,由右图可知,过渡族金属的弹性模量极高,过渡族金属的特性在理论上尚未解决,但可想见,d层电子的特殊结构应起重要的作用Fe、Ni、Mo、W、Mn、Co弹性模量的周期性变化晶体结构单晶体：弹性各向异性多晶体：弹性伪各向同性非晶态：弹性各向同性体心立方金属或合金111晶向的弹性模量E111最大100晶向的弹性模量E100最小其他晶向介于二者之间多晶体弹性模量是各个晶向弹性模量的统计平均值体心立方合金元素合金中固溶溶质元素可改变合金的晶格常数，但一般情况下这种影响很小。例钢铁合金中，碳钢和合金钢的E值相当接近，室温下小于10%。若只考虑刚度问题，可用碳钢代替低合金钢特别地，化学成分的重大改变和具有高弹性模量的第二相质点可以使弹性模量发生显著变化合金元素大多降低有限固溶体合金的弹性模量，但若形成高熔点、高弹性模量的第二相质点，则可提高弹性模量121101021.0511.051.00.40.650.40.65外因温度温度是对弹性模量影响较大的一个外部因素。通常，温度升高，原子间距增大，原子间结合力减弱，E值降低。碳钢加热时每升高100℃，其E值下降3%~5%对于结构零件，在-50℃~50℃的温度范围内服役时，E值变化很小，可视为常数对于精密仪表中的弹性元件，E值随环境温度的微小变化都会影响仪表精度，因此要选用恒弹性合金来制造加载速率固体的弹性变形以介质中的声速传播，远超过实际加载速率，故加载速率对弹性模量无大的影响冷塑性变形冷塑性变形使E值稍有降低，一般降低4%-6%，此与出现残余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构而使E值出现各向异性，沿变形方向E值最大相变材料在相变过程中往往发生晶体结构或晶格常数的突变，因而在相变点经常发生E值的突变显微组织（热处理）弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标（如晶粒大小对E值无影响；第二相大小和分布对E值影响也很小；淬火后E值虽稍有下降，但回火后又恢复到退火状态的数值）。但灰口铸铁除外，其E值与组织密切相关。石墨组织对灰口铸铁弹性的影响灰铸铁组织基体组织+片状石墨组织+非金属夹杂物组织片状石墨组织石墨是碳的一种结晶方式，颜色为灰黑色。石墨比重小，只有铁的1/3，故在铸铁中占的相对体积比较大，3wt%的石墨在铸铁中占有10%左右的体积石墨几乎没有机械性能，存在于基体中，相当于裂口。灰铸铁中的石墨呈叶片状，边缘尖锐，易造成极大的应力集中，尖锐边缘处的应力可达平均值的5倍以上，在微小载荷作用下，就会超过屈服强度，产生残留变形基体+片状石墨X100基体+片状石墨X500片状石墨组织对灰口铸铁弹性的影响在灰口铸铁中，石墨边缘由于应力集中造成了显微的残留变形。所以灰口铸铁的应力应变曲线即使在较低的应力作用下也不呈直线，而有一定的曲率。因此，灰口铸铁的弹性模量只有相对的意义，且与碳钢相比有明显的下降0204060801001201401600246石墨，%弹性模量，GPa灰口铸铁在拉伸时的σ-ε曲线石墨数量与灰口铸铁弹性模量的关系灰口铸铁中石墨愈多，边缘愈尖锐，尺寸愈大，分布形式愈不利，总之对基体的破坏愈大，则弹性模量下降的也愈多。普通碳钢E值约为210GPa，铸铁中石墨呈球状时，E值约为150-170GPa，普通片状石墨的灰口铸铁E值只有80-150GPa灰铸铁中石墨片的分布形式灰铸铁中石墨片的分布形式A型石墨均匀无方向性分布片状B型石墨均匀无方向性分布菊花状C型石墨均匀无方向性分布初生针片状(粗大)D型石墨无秩序无方向性分布于枝晶间E型石墨有秩序有方向性分布于枝晶间相比较而言,C、E、D型石墨对弹性模量影响最大,B型次之,A型影响相对最小提高弹性模量的途径石墨片的细致化石墨片的均匀化石墨片尖端钝化减少C、D、E型石墨数量,尽量获得A型石墨灰口铸铁的孕育处理基本可实现上述变化