定義
見材料的力學性能。
楊氏模量,它是沿縱向的彈性模量,也是材料力學中的名詞。1807年因英國醫生兼物理學家托馬斯·楊(ThomasYoung,1773-1829)所得到的結果而命名。根據胡克定律,在物體的彈性限度内,應力與應變成正比,比值被稱為材料的楊氏模量,它是表征材料性質的一個物理量,僅取決于材料本身的物理性質。楊氏模量的大小标志了材料的剛性,楊氏模量越大,越不容易發生形變。
楊氏彈性模量是選定機械零件材料的依據之一,是工程技術設計中常用的參數。楊氏模量的測定對研究金屬材料、光纖材料、半導體、納米材料、聚合物、陶瓷、橡膠等各種材料的力學性質有着重要意義,還可用于機械零部件設計、生物力學、地質等領域。
測量楊氏模量的方法一般有拉伸法、梁彎曲法、振動法、内耗法等,還出現了利用光纖位移傳感器、莫爾條紋、電渦流傳感器和波動傳遞技術(微波或超聲波)等實驗技術和方法測量楊氏模量。
定義:材料在彈性變形階段,其應力和應變成正比例關系(即符合胡克定律),其比例系數稱為彈性模量。
意義:彈性模量可視為衡量材料産生彈性變形難易程度的指标,其值越大,使材料發生一定彈性變形的應力也越大,即材料剛度越大,亦即在一定應力作用下,發生彈性變形越小
說明:又稱楊氏模量。彈性材料的一種最重要、最具特征的力學性質。是物體彈性變形難易程度的表征。用E表示。定義為理想材料有小形變時應力與相應的應變之比。E以單位面積上承受的力表示,單位為N/m2。模量的性質依賴于形變的性質。剪切形變時的模量稱為剪切模量,用G表示;壓縮形變時的模量稱為壓縮模量,用K表示。模量的倒數稱為柔量,用J表示。
拉伸試驗中得到的屈服極限бS和強度極限бb,反映了材料對力的作用的承受能力,而延伸率δ或截面收縮率ψ,反映了材料塑型變形的能力,為了表示材料在彈性範圍内抵抗變形的難易程度,在實際工程結構中,材料彈性模量E的意義通常是以零件的剛度體現出來的,這是因為一旦零件按應力設計定型,在彈性變形範圍内的服役過程中,是以其所受負荷而産生的變形量來判斷其剛度的。一般按引起單位應變的負荷為該零件的剛度,例如,在拉壓構件中其剛度為:
EA0
式中A0為零件的橫截面積。
由上式可見,要想提高零件的剛度EA0,亦即要減少零件的彈性變形,可選用高彈性模量的材料和适當加大承載的橫截面積,剛度的重要性在于它決定了零件服役時穩定性,對細長杆件和薄壁構件尤為重要。因此,構件的理論分析和設計計算來說,彈性模量E是經常要用到的一個重要力學性能指标。
彈性模量:材料的抗彈性變形的一個量,材料剛度的一個指标。
它隻與材料的化學成分有關,與其組織變化無關,與熱處理狀态無關。各種鋼的彈性模量差别很小,金屬合金化對其彈性模量影響也很小。
在材料楊氏模量與壓入參數間存在新的近似函數關系,該關系把名義硬度和綜合楊氏模量的比值與卸載功和壓入總功的比值聯系起來。
特性
根據不同的受力情況,分别有相應的拉伸彈性模量(楊氏模量)、剪切彈性模量(剛性模量)、體積彈性模量等。它是一個材料常數,表征材料抵抗彈性變形的能力,其數值大小反映該材料彈性變形的難易程度。
對一般材料而言,該值比較穩定,但就高聚物而言則對溫度和加載速率等條件的依賴性較明顯。對于有些材料在彈性範圍内應力-應變曲線不符合直線關系的,則可根據需要可以取切線彈性模量、割線彈性模量等人為定義的辦法來代替它的彈性模量值。
彈性形變
固體在外力作用下将發生形變,如果外力撤去後相應的形變消失,這種形變稱為彈性形變。如果外力撤去後仍有殘餘形變,這種形變稱為範性形變。
應力Tensile stress(σ)單位面積上所受到的力(F/A,其中A=cross-sectional area=S 面積 )。
應變Tensile strain (ε ):是指在外力作用下的相對形變(相對伸長e/L,其中e=extension=△L)它反映了物體形變的大小。
胡克定律:在物體的彈性限度内,應力與應變成正比,其比例系數稱為楊氏模量(記為E)。用公式表達為:
E=(F·L)/(A·△L)
E在數值上等于産生單位應變時的應力。它的單位是與應力的單位相同。楊氏彈性模量是材料的屬性,與外力及物體的形狀無關,取決于材料的組成。舉例來說,大部分金屬在合金成分不同、熱處理在加工過程中的應用,其楊氏模量值會有5%或者更大的波動。
楊氏模數(Young's modulus )是材料力學中的名詞,彈性材料承受正向應力時會産生正向應變,定義為正向應力與正向應變的比值。公式記為
E = σ / ε
其中,E 表示楊氏模數,σ 表示正向應力,ε 表示正向應變。楊氏模量大,
說明在壓縮或拉伸材料時,材料的形變小。
單位
楊氏模量的因次同壓強,在SI單位制中,壓強的單位為Pa也就是帕斯卡。
但是通常在工程的使用中,因各材料楊氏模量的量值都十分的大,所以常以百萬帕斯卡(MPa)或十億帕斯卡(GPa)作為其單位。
測試方法
楊氏模量測試方法一般有靜态法和動态法。
動态法有脈沖激振法、聲頻共振法、聲速法等。
脈沖激振法:通過合适的外力給定試樣脈沖激振信号,當激振信号中的某一頻率與試樣的固有頻率相一緻時,産生共振,此時振幅最大,延時最長,這個波通過測試探針或測量話筒的傳遞轉換成電訊号送入儀器,測出試樣的固有頻率,由公式 計算得出楊氏模量E。
特點:國際通用的一種常溫測試方法; 信号激發、接收結構簡單,測試測試準确;
準确、直觀。
聲頻共振法:指由聲頻發生器發送聲頻電信号,由換能器轉換為振動信号驅動試樣,再由換能器接收并轉換為電信号,分析此信号與發生器信号在示波器上形成的圖形,得出試樣的固有頻率f,由公式E=C1·w·f得出試樣的楊氏模量。
特點:
--- 聲頻發生器、放大器等組成激發器;
--- 換能器接收信号,示波器顯示信号;
---李薩如圖形判斷試樣固有頻率。
缺點:
--- 激發器結構複雜,必要時激發器需要與試樣表面耦合,操作不方便;
--- 示波器數據處理及顯示單一;
--- 可能存在多個李薩如圖形,易誤判;
--- 該方法不方便用于高溫測試。
聲速法:由信号發生器給出超聲信号,測試信号在試樣中的傳播時間,得出該信号在試樣中的傳播速度ν,由公式E=ρ·ν^2計算得試樣楊氏模量。
特點:
---超聲波發生器及換能器組成激發系統;
--- 換能器轉換信号;
--- 測試超聲波在試樣兩平行面的傳播時間差,計算聲速。
缺點:
--- 激發器結構複雜,必要時激發器需要與試樣表面耦合,操作不方便;
--- 時間差的信号處理點容易引入誤差,隻能得出近似楊氏模量;
--- 該方法不方便用于高溫測試。
靜态法
靜态法是指在試樣上施加一恒定的彎曲應力,測定其彈性彎曲撓度,或是在試樣上施加一恒定的拉伸(或壓縮)應力,測定其彈性變形量;或根據應力和應變計算彈性模量。
特點:
--- 國内采用的方法,國内外耐火行業還沒制定相應的标準;
--- 獲得材料的真實變形量 應力---應變曲線。
缺點:試樣用量大;準确度低;不能重複測定。
光杠杆法測量楊氏模量的實驗
實驗儀器
細鋼絲、光杠杆、望遠鏡、标尺、支架、卷尺、螺旋測微器、遊标卡尺等。
實驗原理
基本公式:,式中L為金屬絲原長
光杠杆放大原理
光杠杆兩個前足尖放在彈性模量測定儀的固定平台上,而後足尖放在待測金屬絲的測量端面上。金屬絲受力産生微小伸長時,光杠杆繞前足尖轉動一個微小角度,從而帶動光杠杆反射鏡轉動相應的微小角度,這樣标尺的像在光杠杆反射鏡和調節反射鏡之間反射,便把這一微小角位移放大成較大的線位移。
如圖1所示,當鋼絲的長度發生變化時,光杠杆鏡面的豎直度必然要發生改變。那麼改變後的鏡面和改變前的鏡面必然有一個角度差,用θ來表示這個角度差。從圖1我們可以看出:
△L=b·tanθ=bθ,式中b為光杠杆前後足距離,稱為光杠杆常數。
設放大後的鋼絲伸長量為C,由圖1中幾何關系有:
θ=C/4H
故:△L=bC/4H
代入計算式,即可得下式:
式中D為鋼絲直徑,變量D(使用螺旋測微器測量)、F(通過所加砝碼質量計算)、H、C(直接讀數)、b(使用遊标卡尺測量)、L就是所要測量的目标物理量。根據該公式便可計算楊氏模量。